动态多目标多周期优化海湾合作委员会区域绿氢供应链：沙特阿拉伯案例研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Dynamic multi-objective, multi-period optimisation of a hydrogen supply chain in the Gulf Cooperation Council (GCC) region: A Saudi Arabia case study

　　

研究人员针对沙特阿拉伯西北部地区构建了绿氢供应链网络的多目标多周期优化模型，综合考虑电解槽类型、储存方式与运输模式，首次引入动态权重框架同步优化成本、碳足迹与安全/风险三类目标。依托沙特全球领先的高太阳辐照度与战略出口区位优势，研究结合层次分析法(AHP)与时间依赖权重机制，刻画利益相关者偏好随规划阶段的演变规律，涵盖2025–2060年四个规划期及低、中、高三种需求情景。结果表明，随着氢能需求增长，不同生产技术性能趋于收敛，而储存与运输技术的差异化优势随规模扩大显著增强，为区域绿氢基础设施的长期规划提供了量化依据。

研究背景与意义

在全球应对气候变化、落实《巴黎协定》温控目标的背景下，交通部门脱碳成为各国能源转型的核心任务，绿氢因其零排放特性被视为关键替代燃料。沙特阿拉伯依托年均2200 kWh/m²的太阳辐照度与毗邻欧洲及东亚市场的地缘优势，将绿氢产业纳入“2030愿景”战略，计划到2030年实现120万吨/年产能并占据全球10%市场份额。然而，现有氢能供应链设计多聚焦单一经济或环境目标，安全/风险目标常被弱化，且静态模型难以反映利益相关者偏好随时间的变化，导致规划结果与实际决策需求脱节。针对上述问题，研究人员以沙特西北部（含NEOM绿氢项目所在地）为对象，开展动态多目标优化研究，填补了长周期、多情景下技术选择演化规律的空白，成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

关键技术方法

研究采用混合整数线性规划(MILP)框架，集成层次分析法(AHP)构建动态加权多目标模型，同时优化成本（美元）、碳足迹（kgCO₂e）与安全/风险指数三类目标。空间上，将研究区划分为40个网格，覆盖Al Jawf、Tabuk、Hail与Al Madinah四省；时间上设置2025（起步期）、2035（早期运营期）、2045（稳定运营期）、2060（成熟期）四个规划阶段，每阶段匹配低、中、高三种交通领域氢能需求情景。技术选项涵盖碱性水电解槽、质子交换膜(PEM)电解槽与阴离子交换膜(AEM)电解槽三类生产技术，盐穴、高压气罐与低温储罐三类储存技术，以及管道、压缩氢气卡车与低温液氢卡车三类运输方式。通过一致性比率(CR)验证AHP判断矩阵，结合敏感性分析检验配置稳健性。

研究结果

5.1 起步阶段（2025年）

在低需求条件下，碱性水电解槽因投资成本(CAPEX)低、部分负荷运行效率高而表现最优；盐穴凭借单位存储成本低、无利用率惩罚成为首选储存方案；管道虽初始投资最高，但在效率、风险与寿命指标上的综合优势抵消了成本劣势，成为最优运输方式。

5.2 早期运营阶段（2035年）

需求提升至中等规模，碱性水电解槽的规模效应进一步凸显，其高单台产能（20 MW）与长寿命（90,000小时）降低了平准化制氢成本；盐穴的高效率（95%）与大容量持续主导储存选择；管道与低温卡车的性能差距随需求扩大而缩小，反映出规模对运输技术经济性的影响。

5.3 稳定运营阶段（2045年）

大规模连续生产强化了碱性水电解槽的容量优势，但风险与碳足迹权重的上升使其与PEM电解槽的性能差距收窄至0.03；盐穴因可吸收需求波动、风险不随吞吐量增加而上升，仍以0.512的综合得分显著高于其他选项；管道的效率优势转化为更低的碳强度，进一步拉开与低温卡车的差距。

5.4 成熟阶段（2060年）

PEM电解槽首次超越碱性水电解槽成为最优生产技术，其高负载下的效率（~82%）、模块化低风险特性适配大规模稳定运营；盐穴的优势随规模扩大持续增强，形成效率—碳足迹正向循环；管道则因无持续能耗、低维护需求，在高需求下实现性能优势的复利式增长。

5.5 敏感性分析

针对2060年高需求情景，单独调整各准则权重发现：生产端风险是排名最敏感的准则，小幅增权即可逆转碱性水与PEM的优劣关系；储存端容量权重提升使盐穴优势呈指数级增长，而孤立提高“效率”权重会错误偏向低温储罐，证实系统级评价需结合存储时长与规模；运输端能量密度优势无法弥补管道在运输容量上的结构性优势，凸显连续输送能力对大规模网络的决定性作用。

讨论与结论

研究证实，绿氢供应链技术选择呈现显著的阶段依赖性：生产技术在低需求下由成本主导，高需求下由效率与风险主导，且随规模扩大性能趋同；储存与运输技术则因规模放大差异化优势，呈现发散特征。基于此，研究人员提出分层架构：以集中式碱性水电解槽为生产骨干，辅以PEM满足峰值灵活需求；优先部署盐穴作为主干储存，仅在地质受限或短时响应场景补充储罐；构建管道为主干、车辆运输为补充的混合运输网络。该架构可在全生命周期内平衡经济、环境与安全风险，为海湾合作委员会区域的氢能基础设施规划提供了可量化的决策范式。