尽管全球都在推动能源结构的优化，化石燃料仍然是主要能源来源，化工和电力行业约占总碳排放量的60%[[1], [2], [3]]。碳捕获与储存（CCS）被广泛认为是减缓气候变化的关键技术[[4]]。虽然许多研究证实CCS可以减少温室气体排放[[5], [6], [7]]，但其实施对能源效率和经济可行性提出了显著限制。研究表明，提高捕获率不可避免地会导致更高的能源消耗和净电力输出减少[[8], [9], [10], [11], [12]]。因此，与其简单地在独立系统中添加CCS单元，不如深入整合各子系统以最小化捕获过程中的能量损失。
为了减少捕获过程中的能量损失，纯氧燃烧是一个有前景的替代方案，因为它可以通过冷凝简化二氧化碳的分离过程[[13]]。然而，挑战在于氧气的供应。传统的低温空气分离技术能耗为0.638 kWh·kg−1[14]，而水电解过程中产生的副产品氧气通常被废弃[[15]]。因此，将水电解与纯氧燃烧相结合可以提供一种协同解决方案。在甲烷蒸汽重整过程中，Yun等人[[16]]利用固体氧化物电解池（SOEC）产生的氧气来减少与碳排放相关的能量消耗，使氢气的平准化成本降至6.21美元/千克。Ma等人[[17]]提出了一种结合质子交换膜水电解（PEMWE）和重整技术的氢气生产系统，与独立系统相比，能源效率提高了7.09%，能量利用率提高了6.41%。此外，利用可再生能源为水电解过程供电可以进一步降低系统的碳排放。Sun等人[[18]]分析了一种光伏驱动的PEMWE（PV-PEMWE）系统用于氢气和电力的热电联产，发现与纯氢模式相比，氢气-太阳能混合模式和平准化能源成本分别降低了44.76%和75.16%。Cho等人[[19]]在自热重整过程中使用SOEC产生的氧气，与独立的蓝色和绿色氢气生产系统相比，能耗降低了28.6%。同样，Kim等人[[20]]研究了PEMWE与自热重整系统的经济效益，得出结论：当可再生能源规模超过55兆瓦时，氢气的平准化成本低于当前绿色氢气的市场价格。利用PEMWE产生的氧气可以有效消除对外部空气分离的依赖。
尽管过程集成具有优势，但在燃烧过程中仍存在热力学限制。在大多数系统中，燃料和氧气的直接燃烧会导致大量不可逆损失[[21]]。Xiao等人[[22]]通过研究包含燃气轮机（GT）、超临界二氧化碳循环和PEMWE的集成系统的能源效率发现，最高的不可逆损失发生在GT的燃烧过程中，占总能量损失的约70.6%。使用重整过程中产生的 purge gas进行燃烧，而不是直接燃烧燃料，有助于减少不可逆损失。Wu等人[[23]]通过对天然气联合循环和甲醇蒸汽重整（MSR）系统运行性能的研究得出结论，MSR后的燃烧过程中能量水平变化比直接燃烧低约0.07%。在Pashchenko等人[[24]]设计的系统中，GT燃烧的是通过燃料重整产生的合成气，而不是直接燃烧燃料，从而提高了系统效率至少6.20%。然而，重整过程中的热供应是一个挑战。通常需要消耗约20%的燃料来为强吸热的重整反应提供热量[[25]]。虽然自热重整允许内部热量回收，但Oni等人[[26]]分析指出，自热重整反应比MSR多消耗20%的燃料。这为废热回收提供了重要机会。独立的发电系统会产生大量废热[[27]]。Liu等人[[28]]结合太阳能和发电产生的废热来驱动甲醇的氢气生产，显著提高了系统的年均性能。因此，通过利用发电产生的废热来驱动重整过程并采用纯氧燃烧的 purge gas，引入了一个协同循环，实现了显著的燃料节约并最小化了能量损失。
基于这些见解，仍有机会通过同时优化氧气和热流来进一步增强系统协同性。先前的研究表明，独立的重整系统需要额外的燃料，而发电系统则浪费了大量热量。为了解决这种不匹配问题，我们提出并评估了一种新的近乎零排放的氢气和电力热电联产系统，该系统利用发电产生的废热进行重整，并使用PEMWE产生的纯氧为GT提供氧气。得益于碳分离的低能耗、废热回收以及无需碳捕获的简化，集成系统表现出更高的能源效率、更低的环境影响和更好的经济效益。本研究的主要贡献如下：
- (1)
提出并分析了一种新型的近乎零排放的氢气和电力热电联产系统，该系统结合了PV-PEMWE和甲醇热化学过程。PV-PEMWE子系统产生的氧气被GT消耗，实现了近乎零排放，同时保持了系统效率和经济效益。GT产生的废热和MSR过程中的 purge gas被用来减少甲醇的消耗。
- (2)
实施了一种基于实时电力可用性的动态系统调度策略。为了获得最佳配置，将人工神经网络（ANN）替代模型集成到多目标优化模型中，以降低计算成本并提高优化效率。使用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）来解决多目标优化问题。
- (3)
基于中国河北省张家口市典型气象年份的气象参数和电力需求数据集，通过8760小时的动态模拟对集成系统进行了全面的4E（能源、能量利用率、经济性和环境）性能分析。
