氢能被广泛认为是化石燃料的重要替代品，尤其是在需要高温反应的工业过程中[1]。从可再生资源中生产氢气并将其转化为燃料和化学品对于实现碳中和目标以及支持将全球温度升幅限制在1.5°C的努力至关重要[2]。根据国际能源署（IEA）的报告，氢气的需求主要集中在炼油和化工行业，这两个行业目前占全球氢气消费量的大约66%[3]。此外，预计到2030年，来自可再生能源的氢气在化工行业的使用量将达到376万吨，超过冶金和交通行业的需求[4]。
在化工行业中，废物的化学回收[5]、[6]以及由可再生能源驱动的绿色燃料和化学品已成为关键的碳减排解决方案。将可再生电力与二氧化碳捕获和利用技术结合到合成甲醇（也称为电子甲醇）中，引起了全球的关注[7]、[8]。作为基本的化学原料，电子甲醇可以进一步加工成精细化学品和先进的液体燃料，如可持续航空燃料，也可以直接用作低碳航运燃料。这种可再生合成甲醇的生产和使用不仅显著有助于化工行业的脱碳，还为难以减排的交通行业提供了可扩展的低碳解决方案[9]，在脱碳方面创造了跨行业的协同效应[10]。
在早期阶段，已经进行了大量关于可再生氢与二氧化碳氢化结合生产甲醇的系统集成设计[7]、[11]、技术经济分析[12]、[13]、[14]、[15]以及碳足迹评估[16]、[17]的研究。Shih等人[7]提出了一种结合太阳能量、二氧化碳和水的液态阳光愿景，以生产绿色液体燃料。Sollai等人[12]对一个旨在生产500公斤/小时可再生甲醇（电子甲醇）的工厂进行了预可行性研究，使用了工艺建模和技术经济分析（TEA）。Arnaiz等人[15]对不同的甲醇生产路线进行了技术经济评估，包括天然气转化过程和与直接空气捕获（DAC）过程相结合的生产路线。他们的研究结果表明，即使在长期未来，也需要强有力的政策支持才能大规模部署绿色甲醇。Badger等人[16]对合成甲醇的生产进行了从摇篮到大门的生命周期评估（LCA）。他们的研究结果强调了先进DAC技术在推动绿色甲醇生产走向真正可持续性方面的重要性。上述研究为电子甲醇生产系统的概念设计、技术经济和环境性能评估方法提供了科学支持。然而，这些研究由于没有考虑风能和太阳能发电的间歇性和随机性，未能优化组件容量配置。因此，没有考虑到可再生能源的限电和储能单元的能量损失，导致对整个系统的成本和能耗估计不足。
随后，由于在碳中和目标下对绿色燃料需求的增加，研究越来越多地关注电子甲醇生产系统的容量规划[18]、[19]、[20]和运营策略优化[22]、[23]、[24]、[25]，这些研究考虑了风能和太阳能的变异性和间歇性。一些研究考虑了化工过程的刚性运行限制，并采用了稳定的满负荷运行策略。Maimaiti等人[26]优化了风能-太阳能驱动的氢生产系统的组件配置和容量，以支持稳定运行的下游甲醇工厂，并评估了其综合环境性能。同样，Andika等人[27]优化了稳定电子甲醇生产系统的能量和氢储存规模，并分析了其经济性能。
相比之下，最近的研究提出，传统的单一大型甲醇合成反应器也可以在负载范围内动态运行[18]、[19]、[20]、[28]、[29]。Jani等人[18]在芬兰的电子甲醇生产系统的容量优化和TEA研究中假设了20%的最小负载和每小时20%的负荷变化率。Chen等人[19]在其关于电子甲醇合成最佳设计和运行的研究中也采用了相同的灵活性假设。一些研究进一步提出了解决方案，以缓解动态运行的甲醇反应器与蒸馏单元之间的运营不匹配问题，后者需要更稳定的运行条件[22]、[24]、[30]。Andrea等人[24]引入了一种大规模缓冲装置，将甲醇反应器的灵活运行与稳态蒸馏过程解耦。Chen等人[30]和Bai等人的研究也采用了类似的解耦策略。
尽管传统的单一大型合成反应器提供了一定程度的运营灵活性，但其狭窄的负载范围和缓慢的负荷变化率仍然限制了甲醇生产过程与高度灵活的可再生氢生产过程之间的耦合性能。如今，使用多个模块化反应器[21]、[25]、[31]、[32]、[33]已成为提高甲醇合成运营灵活性的有前景的方法。Zhang等人[34]、[35]进行了技术和经济分析，研究了基于微通道F-T合成反应器的两种模块化气态到液态过程。Fulham等人[25]利用四个并行反应器来调整甲醇产量，以应对风力发电的日变化，并评估了这种系统在90个地点的经济-环境性能。Liu等人[21]提出了一种基于标准化生产线的可再生能源驱动的甲醇合成系统的模块化设计。基于典型日负荷分布的结果，对该系统进行了技术经济评估。在他们后续的工作[32]中，开发了一个多周期模型，旨在设计和优化由可再生能源驱动的模块化甲醇生产系统的供应链。
随着基于波动的可再生氢生产越来越多地整合到燃料合成过程中，化工厂的灵活运行变得越来越重要。虽然之前的研究为灵活性设计奠定了宝贵的理论基础，但仍然存在明显的研究空白。据我们所知，很少有研究同时考虑不同电子甲醇工厂配置的设计优化、技术经济分析和生命周期二氧化碳排放。此外，缺乏研究分析在真实世界中，全年波动的可再生条件下，单一大型固定床甲醇合成反应器与多个模块化反应器在可再生能源利用率、甲醇成本和碳足迹方面的影响。为了填补这一空白，本研究采用混合整数线性规划（MILP）模型，在8760小时的年时间内优化了两个集成系统的容量配置和运营策略：一个与风能-太阳能发电结合的动态甲醇合成系统（方案1），以及一个使用多个模块化反应器的灵活甲醇合成系统（方案2）。基于优化结果，进行了技术经济和生命周期二氧化碳排放的对比分析。
