一种用于利用多标准分析对工业热能脱碳技术进行排序的可持续性框架

本研究提出一种整合 techno-economic 分析和绝对环境可持续性评估（AESA）的多目标优化模型，用于指导工业热量系统的低碳转型。通过遗传算法生成非支配解集，并采用三种排名方法（R1-R3）评估，发现混合技术方案（如电热泵与燃气/生物质锅炉结合）在可再生能源主导的电网中表现更优，但所有方案均存在资源使用超标问题。研究表明，需平衡不同环境指标，采用动态权重以应对未来能源系统变化。

　　
该研究针对工业领域低碳转型中的多目标优化问题，提出了一种融合生命周期评价（LCA）与绝对环境可持续性评估（AESA）的综合方法论。研究聚焦于100-150℃低温工业热生产场景，通过遗传算法生成非支配解集，并运用三种排名方法（R1-R3）进行多维度权衡分析，为全球气候目标下的工业热能系统转型提供决策支持。

**核心方法论创新**
研究突破传统LCA的局限性，引入动态电力系统建模与绝对环境阈值约束。通过整合以下创新模块：
1. **多时间尺度电力情景模拟**：采用k-means聚类将96个欧盟国家电力场景降维至5类代表性情景（C1-C5），涵盖海上风电主导（C1）、核能主导（C2）、热电联产主导（C3）等典型结构，时间跨度覆盖2015-2090年三个阶段。
2. **三重约束优化框架**：
- **经济约束**：引入运营成本（OPEX）与资本支出（CAPEX）动态平衡模型
- **能源效率**：建立热泵COP与负荷率关联公式（η_MHP=1.9118×(T_up-T_rec+0.088378)^(1/2)×(T_up-T_rec+0.044189)^(-0.89094)）
- **环境阈值**：基于行星边界理论设定18个环境指标（涵盖气候变化、资源消耗等），通过贡献水平（CL）与可持续比率（SR）构建动态权重体系
3. **分级排名机制**：
- R1采用EF 3.1标准线性加权
- R2引入跨部门贡献修正因子（C?=SR/2+CL/2）
- R3构建非线性惩罚函数（C?<0时采用平方修正，C?≥0时保持线性）

**关键发现与启示**
1. **技术组合的帕累托前沿特性**：
- 生成35个非支配解集，覆盖机械热泵（MHP）主导（最高达94%能效）、生物质+燃气联合系统（资源消耗降低40%）等多元方案
- 发现最优解集具有显著时空异质性：在2040-2065年核能主导场景（C2）中，生物质锅炉占比仅5-10%以避免土地占用超标；而在2050年后可再生能源主导场景（C1/C4/C5），燃气锅炉配置比例提升至30-50%以平衡资源压力

2. **排名方法敏感性分析**：
- R1明显偏向低碳排放方案（如MHP纯系统），导致资源消耗超标达8-16倍
- R2/R3通过动态权重调整（资源类权重提升至79-97%），迫使系统采用混合配置：
* C1场景中，MHP+燃气组合使矿物资源消耗超标降低62%
* C5光伏场景中，生物质锅炉占比提升至30%可减少土地占用超标83%
- 碳捕获技术（CCS）在R3排名中表现受限：虽然能实现负碳排放，但伴随高金属资源消耗（如BECCS使矿物需求增加22%）

3. **跨期演变规律**：
- 短期（2015-2040）：MHP纯系统在气候指标上最优（SR=0.1），但导致矿物资源消耗超标达9.5倍
- 中期（2040-2065）：核能场景（C2）中引入5-10%生物质锅炉，使土地占用超标降低70%
- 长期（2065-2090）：CCS普及使生物质+CCS组合SR提升至0.3，但伴随9.3倍金属资源超标

**实践指导意义**
1. **技术选型策略**：
- 即期（至2040年）：优先部署MHP系统，但需配套10-15%燃气锅炉作为调节储备
- 远期（2065年后）：转向生物质+CCS混合系统，需同步推进稀土资源回收技术（当前方案使金属消耗超标达8倍）
2. **政策制定建议**：
- 建立动态权重调整机制，将资源类指标权重从EF3.1标准的8%提升至2030年的15-20%
- 制定分阶段阈值递减计划：例如将2030年金属资源允许值设定为当前水平的70%（对应2015基准）
3. **系统协同优化**：
- 提出"技术-电网-资源"三维协同模型，发现当电力系统可控率＞60%时（如C2核能场景），燃气锅炉可承担30-40%负荷而不突破资源阈值
- 需建立跨部门碳预算机制，限制单一行业对战略矿产的占比（当前方案锂资源需求超标达11倍）

**理论贡献与局限**
1. **方法论突破**：
- 首次将AESA纳入工业热能系统优化框架，实现从单目标（碳排放）到多边界（气候+资源+生态）的范式转变
- 开发动态聚类算法，将96个电力场景压缩为5类代表性模型，计算效率提升88倍
2. **局限与改进方向**：
- 未考虑技术迭代效应（如固态电池能效提升至90%后可降低当前15%的储能需求）
- 资源回收模型仅涵盖金属类（当前方案中稀土回收率不足20%）
- 需建立跨区域能源-资源耦合模型（当前研究基于欧盟均质假设）

**结论**
研究证实工业热能转型存在显著"组合悖论"：单纯追求低碳排放可能导致资源压力激增，而混合系统虽能缓解单一指标超标，但需要建立跨行业资源补偿机制。提出的AESA-Rank框架为气候目标下的技术组合优化提供了可复制的决策支持工具，特别适用于需要平衡多重环境约束的工业系统改造。

该研究为《巴黎协定》温控目标下的工业脱碳提供了新的方法论工具，其动态权重调整机制可推广至其他领域，如交通、建筑等高能耗行业。后续研究应重点突破资源回收技术瓶颈，并建立全球统一的跨行业环境阈值数据库。