《Applied Energy》：Low-cost hydrogen production: Techno-economic analysis of high-temperature porous electrode membraneless electrolysis
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电力行业耦合理论体系构建：通过结构、功能、电力中心三维度解构现有定义，提出涵盖物理与非物理连接的综合概念，并按驱动机制建立六类互连分类框架，为能源系统建模和政策协同提供统一基础。
Nishant Tyagi | Alexander Roth | Anibal Sanjab | Erik Delarue
应用力学与能源转换系，鲁汶天主教大学，Celestijnenlaan 300，鲁汶，3001，比利时
摘要
行业耦合（SC），即能源载体与终端使用行业之间的整合，在实现净零排放目标的过程中日益重要，但其在概念上仍然存在碎片化现象。这种碎片化导致了建模上的不一致性，阻碍了跨研究的比较，并削弱了能源政策的协调性。我们通过系统地梳理现有定义，将其分为结构维度、功能维度和以电力为中心的维度，并分析其局限性，来填补这一空白。基于这些见解，我们提出了一个能够全面反映SC多样性和复杂性的定义：SC是指在能源载体之间、能源消费终端使用行业之间、载体与行业之间，以及连接它们的各个层面（能源处理、传输、市场和政策）之间建立物理或非物理的互联互通。这一定义明确了“行业”的构成，区分了“行业耦合”与“灵活性”等相关概念，并涵盖了行业耦合能源系统中的所有互联互通方式。基于这一定义，我们将SC的互联互通方式分为六类：载体耦合、终端使用行业耦合、载体转换耦合、网络耦合、市场耦合和政策耦合。我们的定义和分类为SC领域提供了统一的概念基础。该框架的模块化架构使其可以扩展到新的终端使用行业、非能源物质流以及物质-能源循环路径。它有助于建模者避免模型范围上的无意不匹配，标准化模型中的SC实现方式，并追踪系统范围内的连锁反应。同时，它还可以帮助政策制定者设计结构化的方案，确定在特定情况下哪种SC路径最有效，并协调跨行业和跨载体的政策。通过将碎片化的概念整合成一个连贯且全面的整体，这项工作推动了SC理论的发展。
引言
不断上升的排放量和日益严重的气候影响要求我们迫切地改造能源系统，即在供应端增加可再生能源的使用，并在需求端转向低碳能源载体。要充分发挥这些策略的潜力，需要之前孤立存在的能源载体与终端使用行业之间进行协调的系统级互动。这就是行业耦合（SC）的核心：将能源载体（如电力、天然气、热能、分子）与终端使用行业（如交通、工业、住宅、服务）相互连接。在过去十年中，SC作为一种整体能源系统策略，对于实现灵活且具有成本效益的净零排放转型至关重要。
SC的实际应用并非近期现象。例如电池电动汽车（BEVs）和热电联产（CHP）系统等创新早在19世纪就已经出现，这些技术将能源载体与终端使用行业联系起来。CHP系统最早出现在19世纪80年代的美国，当时城市发电厂开始利用多余的蒸汽为附近的建筑物供暖。然而，长距离交流电传输技术的发展和大规模发电机组的出现使得发电厂从城市中心迁移，限制了废热利用的可行性[1]。同样，BEVs也在19世纪80年代在美国和欧洲开始普及，但随后被大规模生产的内燃机车辆（ICEVs）所取代，导致这些早期的SC应用基本停滞[2]。到了20世纪末，这两种技术重新得到发展。电力市场的自由化促进了分散式CHP单元的发展[3]，而电池技术的进步和排放标准的收紧也使BEVs重新受到关注[4]。
在过去二十年里，SC的应用已经超越了实际领域，成为政策层面脱碳的关键手段。在国家层面，德国的《2050年气候行动计划》在2016年明确承认了SC的重要性[5]。在欧盟层面，SC在2018年欧洲议会委员会的报告中得到认可[6]，并得到了《欧洲绿色协议》对智能行业整合的强调[7]的进一步支持，随后通过欧盟委员会的跨行业脱碳战略得到正式化[8]。最近，欧盟的“跨境可再生能源（CB RES）项目”也重点支持SC项目，包括电力转天然气（P2G）系统[9]。SC在欧盟之外也获得了政治支持，例如澳大利亚的“建模行业路径以实现净零排放”倡议[10]。与此同时，监管机构也通过联合规划电力和天然气电网等措施支持SC[11]、[12]。
尽管SC具有悠久的实际应用历史和政策相关性，但其理论发展相对滞后。2000年代末的能源枢纽模型等基础性工作[13]，以及最近的贡献[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]，有助于启动关于SC的正式学术讨论。然而，SC的理论概念化仍然存在碎片化，目前还没有被普遍认可的“行业耦合”定义[21]、[22]、[23]。一些定义将SC狭义地等同于终端使用的电气化，而另一些定义则包括了非电力能源流（如废热和生物燃料）。甚至“行业”一词的解释也不一致，不同的SC定义包含的行业范围也各不相同。在区分“供应端行业”和“需求端行业”时也存在歧义，“电力”在不同SC定义中的分类也有所不同。
缺乏统一的SC框架对能源转型领域的不同利益相关者群体产生了不同的影响（图1）。对于建模者和研究人员来说，这在能源系统建模的关键阶段带来了具体挑战。在模型开发过程中，不一致的SC解释会导致关于应包含哪些载体、终端使用行业和互联互通方式的模糊性，从而导致不同工具之间的系统边界存在差异。在解释模型结果时，很难追踪一个组件的变化如何在整个系统中传播，或者仅建模子系统可能会因排除某些组件而扭曲结果。此外，跨模型比较也具有挑战性，因为建模方法和内部假设的差异会影响关键模型结果，如排放量、系统成本和灵活性。
政策制定者和监管机构同样受到影响。首先，在设计方案时，关于SC构成的模糊性使得SC应用（如BEVs）和仅提供灵活性的措施（如电池）之间的区别变得模糊，由于两者经常被捆绑在一起，因此难以区分和评估SC的特定影响，从而削弱了所设计方案的相关性。其次，在情境对比SC应用时，即确定“什么”在何种情境下最有效，首先需要一个统一的SC定义。最后，在缺乏系统级SC互联互通蓝图的情况下，政策制定者缺乏一个共同的参考标准来识别不良的相互依赖关系，并协调不同能源载体和终端使用行业之间的协同作用，这阻碍了政策协调，限制了SC所能提供的系统效益。
为了解决这些挑战，本文旨在通过将碎片化的观点整合成一个连贯且广泛适用的分析框架来推进SC的概念发展，该框架基于两个支柱：(a) “行业耦合”和“行业”的一致定义；(b) SC互联互通方式的全面分类。为此，本文追求三个目标。
1.首先，它回顾并系统化了现有的SC定义，指出了关键的限制，如定义范围模糊、内部二分法以及适用范围狭窄等问题。
2.其次，它提出了一个基于现实世界驱动机制的、连贯且价值中立的SC定义。
3.第三，它基于六种不同的耦合机制开发了一个全面的分类方案，从而将实践中观察到的各种SC应用整合到一个结构化的理论框架中。确定的SC互联互通类别包括：载体耦合、终端使用行业耦合、载体转换耦合、网络耦合、市场耦合和政策耦合。
总之，我们的目标是建立一个全面且一致的SC概念基础，帮助研究人员和政策制定者提高模型的准确性，并为政策设计提供依据。
现有行业耦合定义的分类
现有行业耦合定义的分类
为了构建我们的概念框架，我们使用系统评价和元分析的优选报告项目（PRISMA）方法[24]系统地研究了相关文献，筛选出既基于SC又具有理论价值的研究。这一过程的详细方法在附录A1中提供。为了批判性地分析这些定义，我们引入了一个三维分类框架并应用它
结构维度：差距与解决方案
体现结构维度的定义通过描述相互连接的行业和电网来捕捉系统拓扑结构。这些定义存在两个重要的不一致之处。
走向一致的SC定义
基于对现有SC定义中结构维度、功能维度和以电力为中心的维度的批判性分析，我们现在将提出的解决方案整合为一个一致的SC定义。具体来说，我们建议：(i) 用“载体/终端使用”术语取代过时的“供应-需求”二分法；(ii) 避免在定义中使用规范性目标；(iii) 提供一个输入无关、方向中立、全面且概念具体的框架。
现有的分类方法
以往对SC类型的分类尝试往往缺乏捕捉SC应用全范围所需的一致性和全面性。最简单的分类方式是将SC分为直接电气化和间接电气化[17]、[23]。直接SC使用电力的原始形式，而间接SC则将其转化为另一种载体，如热能、氢能或液体燃料。Bloess等人[39]进一步扩展了这一基本区分
结论
尽管行业耦合在实践应用和政策关注度上都有所增加，但其理论概念化仍然不成熟且存在碎片化。文献中的各种SC定义大致可以沿着结构维度、功能维度和以电力为中心的维度进行分类。强调结构维度的定义将SC定义为行业或基础设施电网之间的互联互通过程。然而，这些定义在行业范围上存在很大差异
CRediT作者贡献声明
Nishant Tyagi：撰写——初稿撰写、审稿与编辑、可视化、验证、方法论研究、概念化。Alexander Roth：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。Anibal Sanjab：撰写——审稿与编辑、监督。Erik Delarue：撰写——审稿与编辑、正式分析、监督、项目管理。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT进行校对和语言编辑。所有由该工具生成的文本都经过了作者的仔细审查、修改和批准，作者对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
这项工作得到了比利时FPS经济部的支持，该支持来自“市场设计创新以支持综合比利时能源系统（REINVENT）”项目。
