《Results in Engineering》：Stabilization of organic-rich marine soft soil by an innovative binder: Box–Behnken optimisation and micro-mechanistic insights
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本研究针对氢能供应链网络(HSCN)设计中的需求不确定性、区域原料成本差异和动态碳税等关键问题，开展了全国范围的氢燃料电池汽车(FCEV)氢能供应网络优化研究。通过开发混合整数线性规划(MILP)模型并结合鲁棒优化框架，研究人员评估了不同情景下的HSCN配置与成本。结果表明，考虑区域原料成本差异可使总成本降低5.7%，而碳税政策对绿氢成本竞争力具有决定性影响。该研究为氢能基础设施的稳健规划提供了重要决策支持。
在全球应对气候变化的背景下，交通领域的碳减排压力日益凸显。作为化石燃料的重要消耗部门，交通行业占终端能源消费二氧化碳排放量的37%。发展氢燃料电池汽车(FCEV)被视为实现交通领域碳中和的关键路径之一，多国已将其纳入国家战略。然而，氢能大规模部署仍面临基础设施不足、技术瓶颈和需求不确定性等挑战，其中高效的氢能供应链网络(HSCN)设计成为制约氢能发展的核心问题。
传统氢能供应链设计往往忽视需求不确定性、区域原料成本差异和碳政策等关键因素的影响。现有研究在需求预测方法上存在不足，未能充分考虑区域社会经济差异和车辆类型分布；在应对不确定性方面，多数采用情景分析法，存在主观性强、稳定性差的缺陷；此外，对于碳税政策如何影响不同制氢技术竞争力，以及绿氢与传统制氢技术的经济性对比，尚缺乏系统量化分析。
针对这些研究空白，发表在《Results in Engineering》上的这项研究提出了一个创新的氢能供应链网络设计框架。该研究通过集成需求预测模型和鲁棒优化方法，开发了扩展的混合整数线性规划(MILP)模型，用于优化全国范围的汽车氢能供应链设计。
研究人员采用了多项关键技术方法：首先建立了基于车辆保有量、人口和GDP的区域FCEV分布预测模型，准确估算各网格的氢能需求；其次将鲁棒优化技术引入HSCN设计，采用箱式不确定性集处理需求波动问题；同时考虑了我国31个省份的区域原料成本差异，并结合动态碳税政策分析不同制氢技术的经济性。研究以中国交通部门为案例，设定了三个发展情景（2023年1万辆、2025年5万辆、2035年100万辆FCEV）进行验证分析。
5.2.1. 氢不确定性中的鲁棒优化
通过分析需求波动率α（0-20%）对总日成本(TDC)的影响，研究发现当α处于8%-13%范围时，TDC对需求变化不敏感，表明在此区间内网络能在保持经济性的同时具备良好鲁棒性。最终选择α=5%作为设计参数，相应估算出三个情景的日均氢需求分别为55.18吨、275.9吨和5479.67吨。
5.2.2. 中国氢供应链随时间变化
情景分析显示，随着氢需求增长，供应链配置发生显著变化。SMR制氢厂数量从情景1的5个增至情景3的135个，但由于设备扩容限制，存储阶段投资成本占比高达81.26%。在运输方面，低需求时气态氢(GH2)运输更经济，而高需求时液态氢(LH2)更具成本优势。氢平准化成本从情景1的24.59美元/千克降至情景3的5美元/千克，体现规模效应。
5.2.3. 大规模氢供应链（2035年）
针对100万辆FCEV的大规模情景，广东、江苏和山东氢需求最高。供应链包含135个SMR制氢厂，总产能利用率达92.25%。存储阶段以LH2为主，需1033个低温储罐，占总投资成本的81.29%。运输网络显著简化，仅宁夏和吉林需要外部供氢，说明本地化生产更具经济性。
6.1. 区域原料成本变化的影响
考虑区域原料成本差异后，供应链配置发生显著变化。制氢设施向西北天然气富集地区集中，SMR厂数量降至120个，同时新增5个煤制氢(CG)厂。这种优化使总投资成本降低5.846亿美元，但运输网络复杂性增加，日均运输量升至3.35千吨，运输距离增长29倍。
6.2. 动态碳税的影响
碳税分析表明，在低需求情景下碳税影响微弱，但在高需求情景3中，网络总成本增加超过20%。当碳税为0.09美元/千克CO2时，绿氢供应链网络成本比传统氢链低1.3%，证明碳税政策对绿氢竞争力具有关键影响。
6.3. 绿氢评估
绿氢供应链分析显示，生产设施高度集中于宁夏、甘肃、内蒙古等可再生能源丰富地区。情景3中，93.1%的氢供应来自西北地区，31个省份依赖外部输氢，运输网络至关重要。考虑碳税时，绿氢供应链日均成本为3025万美元，比传统链低1.3%，且每天可减少5.04万吨CO2排放。
本研究通过鲁棒优化框架解决了氢能供应链设计中的关键挑战，为政策制定者和产业链参与者提供了重要见解。研究证实，考虑区域原料成本差异可显著降低供应链总成本，而碳税政策是影响绿氢经济竞争力的决定性因素。随着氢能需求的增长和碳税政策的实施，绿氢将逐步显现成本优势。这些发现对各国制定氢能发展路线图具有参考价值，特别是对于中国等计划大规模部署氢能的国家。未来研究可进一步集成存储规划模型和数字技术，提升氢能供应链的智能化水平和运营效率。
