一种用于风能制氢出口项目的综合GIS-MCDM框架：空间分析、物流分析及经济分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：An integrated GIS-MCDM framework for wind-to-hydrogen export projects: Spatial, logistical, and economic analysis

　　H.M. Radwan | K. Pope
机械与机电工程系，纽芬兰与拉布拉多纪念大学，圣约翰斯，NL，A1B 3X5，加拿大

**摘要**
本研究通过一个综合框架评估了纽芬兰与拉布拉多地区风能制氢出口项目的技术经济可行性，该框架结合了空间适宜性分析、港口分类、航运物流、管道成本映射和经济绩效评估。多标准映射表明，在层次分析法（AHP）下，超过25,000平方公里的区域适宜性超过70%；当应用以出口为导向的权重后，这一面积减少到不到5,000平方公里，主要集中在阿瓦隆地区。港口分析结果显示，Come By Chance（H3L）是最有利的出口节点，其次是Argentia（H2L）。航运物流表现出对运输方式的强烈依赖性：对于年运输量300,000吨的情况，甲醇的泊位利用率约为47%，氨约为27%，而液体有机氢载体（LOHC）则超过80%。经济结果显示，当年运输量超过约1.5亿公斤时，项目具有可行性，投资回收期为6至10年。尽管随着规模的扩大年收入增加，但由于资本支出（CAPEX）较高，净现值（NPV）仍然较低。内部收益率（IRR）-净现值分析显示Holyrood和Argentia的潜力最大（IRR > 13%，NPV > 28亿加元），而Stephenville的潜力最低。

**引言**
全球向低碳能源系统的转型加剧了对可再生能源基础设施的战略规划需求，其中选址在确保技术可行性、经济可行性和环境可持续性方面起着关键作用。地理信息系统（GIS）与多标准决策-making（MCDM）方法的结合已成为应对这一挑战的强大工具。越来越多的文献展示了GIS-MCDM框架在太阳能、风能、氢能和混合能源系统中的应用，提供了多种方法论途径和区域洞察。这些研究共同突显了GIS-MCDM方法的多功能性，同时也指出了限制其广泛应用的方法论挑战。
与此同时，氢能作为能源载体的全球快速扩张——由脱碳目标、新兴出口市场和国家氢能战略推动——迫切需要综合规划工具来协调空间、基础设施和经济方面的考虑。像纽芬兰与拉布拉多这样拥有丰富可再生能源资源但基础设施有限的地区，面临着独特的规划挑战：识别合适的用地、评估港口准备情况、评估管道可行性以及确定最具竞争力的氢能运输途径。这些决策不仅需要准确的空间适宜性映射，还需要更深入地理解物流限制、出口要求和技术经济性能之间的相互作用。
为了解决这些需求，本研究旨在通过开发一个超越传统以资源为中心的GIS-MCDM方法的框架来推进氢能出口规划。目标是为决策者、开发者和政策制定者提供一个整合了空间分析、基础设施现实性和经济绩效的统一平台，确保氢能发展战略既技术上可行，又符合实际部署限制。

**早期应用**
GIS-MCDM框架的早期应用主要集中在太阳能和风能选址上。Saraswat等人[1]使用模糊层次分析法（Fuzzy AHP）评估了印度太阳能和风能发电场的土地适宜性，认为拉贾斯坦邦是最合适的地区。他们的敏感性分析确认了标准权重的意义，但由于缺乏经济和政策维度，其发现的实际相关性有限。Xu等人[2]通过结合区间层次分析法（Interval AHP）和随机VIKOR方法，确定Wafangdian地区20.2%的面积适宜建设风能发电场。针对现有基础设施的验证增强了其可信度，但忽略了土地利用动态和利益相关者观点的方法论局限性。Shorabeh等人[3]在伊朗将GIS-MCE与净现值（NPV）分析相结合，从而将空间适宜性与经济可行性联系起来。尽管他们的框架展示了将经济维度纳入空间规划的潜力，但对权重依赖专家意见的做法引入了主观性。Nagababu等人[4]提出了一种两阶段的GIS-MCDM算法，用于印度微尺度风能发电场选址，并结合了基于位置的适宜性检查动态仪表盘。尽管有创新性，但仍需要更广泛的利益相关者参与。

**氢能基础设施规划**
氢能基础设施规划已成为国家能源转型中的关键研究领域。Rodriguez Calzado等人[5]利用GIS和最佳-最差法（Best-Worst Method）评估了美国中南部地区的氢能枢纽可行性，确定休斯顿和巴吞鲁日是最优候选地。他们的情景分析表明，需求与供应等优先级的变化会显著影响选址适宜性。Thekkethil等人[6]应用层次分析法（AHP）和GIS识别印度适合建设氢能枢纽的位置，将古吉拉特邦、马哈拉施特拉邦和安得拉邦排名靠前。尽管方法上较为稳健，但忽略了可再生能源潜力和港口物流因素，限制了该框架对印度出口导向型国家绿色氢能任务的相关性。Messaoudi等人[7]在阿尔及利亚Adrar省研究了基于风能的氢能加注站，使用层次分析法（AHP）结合GIS对五个标准进行加权，并计算了土地适宜性指数（LSI）。他们的研究发现2.95%的研究区域适宜建设氢能设施。Fisher等人[8]提出了一种名为H2Locate的选址方法，通过美国俄克拉荷马州的案例进行了验证，该方法结合了技术经济变量（如水资源可用性、电力需求、管道可行性）和社会影响指标（如收入水平和劳动力可用性），确定Kay、Johnston和Caddo县为290兆瓦碱性电解设施的最佳选址。Hosseini等人[9]在伊朗Kerman省研究了太阳-氢能混合项目，采用多方法MCDM框架进行评估，通过VIKOR、WASPAS和EDAS验证了结果，确定Sirjan为最适宜地点，一个1兆瓦的太阳能电厂预计每年可生产2064.2兆瓦时电力和30.77吨氢气，平准化电力成本（LCOE）为6.31美分/千瓦时，平准化氢成本（LCOH）为2.54美元/公斤。Moran等人[10]研究了爱尔兰的区域氢能枢纽，开发了一种灵活的技术经济分析（TEA）工具来优化电解氢的生产、储存和分配。他们的情景建模显示，在高需求和盐穴储存条件下，LCOH成本范围为2.75至3.95欧元/公斤。

**近期研究**
近期研究越来越强调混合和集成可再生能源系统，认识到太阳能、风能和氢能技术之间的协同效应。Elkadeem等人[11]引入了一种时空决策模型（STDMM），用于评估沙特阿拉伯的公用事业规模太阳能光伏（PV）、风能和混合PV/WT项目。通过结合ERA5天气数据和贝叶斯最佳-最差法（BBWM）进行加权，他们发现北部地区具有较高的太阳能潜力，中部/东部地区具有较高的风能潜力。他们的技术经济分析显示，太阳能LCOE为43至78.6美元/千瓦时，风能LCOE为34.8至125美元/千瓦时，建议为满足沙特阿拉伯2030年能源需求分配4.81%的土地用于光伏，4.74%用于风能。Abdullah等人[12]为印度Lampung省的太阳能-风能混合系统开发了一个基于GIS的多标准框架，通过TOPSIS与GIS结合，识别出最佳部署地点，展示了结合空间、技术和社会经济标准可以提高系统的可持续性和韧性。

**表1**总结了以往关于可再生能源制氢的研究，包括选址评估。这些研究共同突显了GIS-MCDM框架在可再生能源选址方面的多功能性，但也揭示了持续存在的方法论挑战。虽然这些研究展示了GIS-MCDM应用的广泛性，但没有一个框架将港口物流、管道路径规划、多载体质经济技术分析和政策验证整合在一个统一框架内，这为出口导向的氢能开发留下了重要缺口。

**GIS-MCDM的应用**
GIS-MCDM已广泛应用于可再生能源规划，但现有研究主要集中在资源本身，没有涵盖决定大规模氢能项目可行性的出口导向型基础设施链。在此基础上，GIS-MCDM在可再生能源和氢能系统应用中仍存在几个方法论缺口。主要限制包括依赖专家判断进行标准加权、对动态土地利用和政策因素考虑不足，以及经济和物流维度整合不够。尽管引入了模糊逻辑、博弈论和混合加权方案等方法论进展，但关键缺口仍然存在。针对实际项目的验证较少，尤其是结合多种可再生能源和不同载体的氢能混合系统的研究较为匮乏。未来研究应优先考虑跨行业整合，并明确考虑供应链物流、出口潜力和可再生能源的不确定性。

**两个关键缺口**
现有GIS-MCDM氢能选址研究中始终忽视的两个关键问题是管道路径规划和建设成本建模，尽管管道距离、地形、海拔和路径限制对项目资本支出（CAPEX）有重大影响，并决定了选址的经济可行性。大多数研究仅依赖简单的欧几里得距离或缓冲区，未能捕捉实际路由挑战或地形、土地覆盖和基础设施冲突的成本影响。同样，港口准备情况、港口分类和出口导向的物流也经常被忽略，尽管这些对于甲醇、氨和液体有机氢载体（LOHC）等氢能载体至关重要。现有框架通常只考虑“距离港口的距离”，而没有评估港口是否能够容纳氢能船只、储罐、泊位可用性或增加的船只流量。这种遗漏限制了许多选址研究的实际相关性，特别是在港口容量是氢能出口主要瓶颈的地区。

**综合方法**
综上所述，需要一种更加全面的、考虑基础设施并在政策上一致的框架，将空间适宜性、管道可行性、港口物流和技术经济性能整合到一个统一的决策支持系统中。解决这些缺口对于产生既技术上合理又符合实际运营限制的结果至关重要。为此，本研究提出了一个综合GIS-MCDM框架，将空间适宜性分析、港口分类、港口物流评估、管道成本映射和全面的技术经济评估整合到一个决策支持系统中。与以往仅关注资源潜力或经济建模的研究不同，该框架评估了多种加权方法（包括层次分析法AHP、平等加权、出口驱动、离网韧性和风能敏感性情景），以反映不同利益相关者的优先需求，并测试空间结果的稳健性。它还比较了不同氢能载体（甲醇、氨和LOHC）在多个地点和 production规模上的表现，能够随着产量的增加进行经济绩效的敏感性分析。结合2024年政府宣布的竞标区进行验证，进一步将结果置于实际政策背景中。通过将适宜性映射与港口准备情况、航运物流和以管道为基准的选址相结合，该框架确保在评估土地可用性的同时考虑了基础设施的实际情况。技术经济层包括动态指标，如投资回收期、内部收益率（IRR）-净现值（NPV）排名和对风速及涡轮机成本的敏感性，支持跨地区和规模的透明项目可行性比较。这些要素共同构成了一个全面的、考虑基础设施的、适应性强的氢能出口规划平台，将纽芬兰与拉布拉多定位为严格、包容且具有竞争力的可再生能源发展典范。

**方法论**
纽芬兰与拉布拉多因其强劲的沿海风能资源、成熟的水电基础以及跨大西洋出口的战略位置，非常适合发展风能制氢产业。本研究根据区域条件进行了选址和系统建模，将风能可用性与氢能生产潜力和传输需求作为特定位置的输入[13]。随着欧盟氢能战略[14]和REPowerEU的实施，欧洲需求的增长...

**空间适宜性分析**
使用多种加权方法评估风能制氢项目的空间适宜性，以捕捉标准优先级的影响。计算了纽芬兰与拉布拉多各地的适宜性分数，并以连续栅格形式表示每个位置的适宜性得分。图3展示了整个省份适宜性分数的栅格分布，体现了选址潜力的空间变异性。

**结论**
本研究证明，纽芬兰与拉布拉多具备支持大规模风能制氢出口项目的空间资源和基础设施潜力。空间适宜性分析确定了大面积的高分土地，层次分析法（AHP）显示超过25,000平方公里的区域的适宜性超过70%；而以出口为导向的权重后，这一面积减少到不到5,000平方公里，主要集中在阿瓦隆地区。港口分类显示Come By Chance（H3L）是最有利的出口节点。

**作者贡献声明**
H.M. Radwan：撰写——原始草案、方法论、调查、形式分析。
K. Pope：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本文作者衷心感谢纽芬兰与拉布拉多政府、大西洋加拿大机会机构（Atlantic Canada Opportunities Agency）以及加拿大自然科学与工程研究委员会（Natural Sciences and Engineering Research Council）的财政支持。