综述：面向低碳转型的海上综合能源系统：海上可再生能源、地热集成、多能源耦合及优化方法综述

《Processes》：Offshore Integrated Energy Systems for Low-Carbon Transition: A Review of Offshore Renewables, Geothermal Integration, Multi-Energy Coupling, and Optimization Methods

　　

在全球低碳转型与海洋能源开发快速扩张的驱动下，海上综合能源系统正逐渐成为耦合海上可再生资源、地热与地下热资源、油气基础设施、氢能路径、多能流网络及海上负荷的关键配置形式。与陆上综合能源系统不同，海上系统受到资源间歇性、恶劣海洋环境、平台空间与重量限制、远距离输送、运维可达性、安全风险以及跨区域治理机制等多重约束。近期研究推动了海上风电制氢系统、油气平台电气化、海上能源枢纽、平台再利用以及海上地热利用等领域的发展，然而这些研究在系统边界、多能源耦合机制、工程约束及优化方法方面仍呈碎片化状态。本文从系统配置、关键集成技术、优化与评估方法以及未来研究需求四个维度对海上综合能源系统进行综述。首先将海上综合能源系统划分为六类：海上可再生能源主导型系统、海上风电-氢能系统、油气平台综合系统、海上能源枢纽与多能流网络、退役平台再利用系统，以及海上地热与废弃井再利用系统；随后总结了资源侧、转换侧、存储侧、网络侧和负荷侧的关键集成技术；进一步评述了容量配置、运行调度、随机与鲁棒优化、多目标优化、能-?-经济-环境（4E）评估、高级?分析以及能源枢纽建模等方法；最后识别了资源不确定性、海上工程约束、多能流网络耦合、示范数据不足以及政策与经济不确定性等关键研究空白，为海上综合能源系统的建模、集成、优化与示范提供结构化参考。

本综述围绕海上综合能源系统展开系统性评述。在引言部分，研究人员阐述了综合能源系统耦合电、热、气、氢、储能及需求侧资源以协调能源生产、转换、存储、传输与利用的基本理念，指出海上综合能源系统因远离陆地而具有比陆上系统更高的工程复杂性，并梳理了六大研究脉络：海上可再生能源主导系统、海上风电制氢系统、油气平台综合能源系统、海上能源枢纽与多能流网络、退役平台再利用系统，以及海上地热与废弃井系统。

研究范围与文献筛选部分明确了四类搜索维度与六条纳入准则，最终从176条候选记录中筛选出50篇核心文献，其中86%发表于2022年至2026年5月间，显示该领域正从早期多能建模与资源评估向海上特定集成、氢能转换、混合可再生能源、网络规划及数字化运行快速演进。六类系统分类基于主导能源输入、转换路径、网络连接和负荷对象四个客观维度，各类别的代表性研究、成熟度及定量指标得到系统比较。

在系统设计与关键集成技术章节，研究人员从五个维度展开分析。资源侧集成涵盖海上风电、漂浮式光伏、波浪能、潮流能、油气作业废热及海水资源的互补利用，强调地热与废弃井资源可作为相对稳定的基荷热源或电源，补偿风光间歇性；转换侧集成包括风-电、风-氢、氢-电、气-电/热/冷、废热回收及碳捕集与封存，有机朗肯循环（ORC）和热泵辅助配置可将地热或废热转化为电、热、冷或淡化水服务；存储侧集成涉及电池、超导储能、飞轮等短时储能，以及氢气、液氢、氨、甲醇、水下压缩空气储能（UCAES）和蓄热等中长时储能；网络侧集成包括海底电缆、高压直流（HVDC）输电、氢气管道、天然气管道、CO₂网络及航运系统；负荷侧集成则涵盖油气平台生产负荷、海上电解负荷、淡化负荷、陆上工业氢需求、岛屿能源需求、海水养殖及港口燃料供应等。

优化与评估方法章节是本文的核心方法论部分。容量配置优化确定海上风电、漂浮光伏、波浪能转换器、电解槽、氢气罐、燃料电池、电池、UCAES及备用机组的优化容量，研究表明平台容量、选址与电缆路由存在强耦合关系；运行调度优化侧重于日前、日内及实时决策，包括风电消纳、电解槽启停、储能充放电、燃料电池发电、燃气轮机备用及平台负荷保护，动态规划与凸优化、滚动优化等方法得到应用；随机与鲁棒优化应对风速、波高、太阳辐射、电价、氢价、平台负荷及组件故障等不确定性，Copula理论、拉丁超立方采样、K-means聚类以及基于长短期记忆网络（LSTM）、卷积LSTM（ConvLSTM）、Transformer和Informer的深度学习预报方法被用于改进不确定性表征；多目标优化在成本、排放、弃风、设备退化、氢气产量、可再生能源利用率和可靠性之间寻求平衡，混合整数二阶锥规划（MISOCP）、遗传算法NSGA-II及人工神经网络（ANN）模型等方法得到探讨；4E评估与高级?分析从能量、?、经济和环境四个维度评价系统性能，高级?分析将?损分为可避免/不可避免和内源/外源部分，以识别组件级改进优先级；能源枢纽与多能流网络建模则描述不同能源载体输入、转换器、存储设备和输出之间的关系。

紧跟方法论讨论，研究人员进一步评述了人工智能、数字孪生与预测性维护的前沿应用。数据驱动方法在捕捉非线性海洋动态和组件退化方面具有优势，但需可靠的长期运行数据集支撑。海上电解槽阵列、氢储运设施、海底电缆、平台结构件及易受腐蚀的地热/海水接触设备等是最具数字孪生应用前景的子系统，但网络安全、数据治理和模型验证仍是关键挑战。

代表应用与区域前景章节连接了分类评述与方法论讨论。北海地区因丰富的海上风电资源、成熟的油气基础设施、跨境电网互联及CO₂封存潜力而成为最活跃的研究区域；PosHYdon、NortH2、AquaDuctus及博恩霍尔姆能源岛等项目标志着从研究概念向工程示范的过渡；Romero-Filgueira等人针对PLOCAN海洋平台的案例研究表明，在真实海上约束下实现完全脱碳在技术上是可行的。针对中国海域，研究建议分阶段发展：渤海湾聚焦平台电气化与风电供能试点，黄海与东海支持海上风电制氢与储能项目，南海则在油气平台和地热条件适宜区域联合考虑废弃井地热系统、ORC模块和风电-氢能系统，但强调不应简单复制北海模式。

最后，挑战与未来研究方向章节指出六大关键问题：海上资源互补性尚不清晰、海洋与平台工程约束考虑不足、电-氢-气-热-碳网络耦合模型不成熟、示范与长期运行数据缺乏、经济与政策不确定性高。未来研究应聚焦于：远海区域电-氢-气-热-碳多能流网络模型开发；纳入海洋环境约束、平台布局和运维窗口的容量配置与运行调度；海上风电制氢与平台电气化、资产再利用及海上CO₂封存的协同示范；面向海上多能系统的数字孪生、预测性维护和智能调度平台；以及从单一项目经济性向全生命周期碳减排、基础设施再利用和能源安全的评价范式转变。此外，网络安全、极端海洋事件下的韧性以及组件故障时的可靠性应作为核心设计要求，台风、极端波浪、海底电缆/管道故障、氢气泄漏、电解槽停运及恶劣天气导致的维护延迟等场景需纳入韧性指标体系。