在全球向低碳发展和可持续能源系统转型的背景下，减少对化石燃料的依赖以及降低二氧化碳（CO2）排放已成为当务之急。在此背景下，基于可再生能源的氢生产及其下游转化为低碳燃料和化学品被视为实现深度脱碳的关键途径[1]、[2]、[3]。氢作为一种有效的能量载体，可以有效解决可再生能源的间歇性问题；而甲醇由于其高体积能量密度、易于储存和运输以及与现有燃料和化学基础设施的兼容性，在化学品和清洁燃料领域具有广泛的应用[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。甲醇可以直接用于内燃机、船用燃料和直接甲醇燃料电池（DMFC），并且与传统化石燃料相比，其污染物（如SOX和颗粒物）的排放量大幅降低。鉴于甲醇同时具有氢载体和多功能燃料及化学品原料的双重作用，它越来越被视作未来低碳能源系统中的战略性载体[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。
当前的甲醇生产技术正朝着多样化和高集成度的方向发展，这些技术将可再生能源的利用与碳捕获和转化相结合。典型的配置包括将可再生氢生产与二氧化碳捕获和催化氢化相结合的“电力制甲醇”（PtM）系统，以及结合热化学循环、聚光太阳能或改造后的化石燃料发电厂与甲醇合成单元的混合方案[14]、[15]、[16]。同时，也提出了基于生物的路线，其中生物质气化提供合成气用于甲醇生产，而捕获的二氧化碳进一步利用可再生氢进行氢化，以提高碳利用效率[15]。这些概念的共同特点是集成了氢生成、二氧化碳捕获和甲醇合成，并通过系统层面的优化来平衡能量效率、碳性能和经济可行性[17]、[18]、[19]、[20]。这些发展展示了低碳甲醇生产途径的技术多样性，但也凸显了耦合能源-化学系统的复杂性日益增加。
近年来，在催化剂开发、反应器建模以及二氧化碳氢化制甲醇的稳态工艺优化方面取得了显著进展。使用Aspen Plus进行的工艺模拟广泛报道了在明确操作条件下优化反应温度、压力和循环比的方法，从而实现了较高的二氧化碳转化效率[21]、[22]。技术经济分析进一步揭示了电力和氢成本对甲醇生产成本的主要影响[23]、[24]，而动力学和催化研究则细化了工业适用范围内铜基催化剂的操作窗口[25]。尽管取得了这些进展，大多数现有研究仍集中在孤立合成部分的稳态操作上，而对于可再生电力驱动的水电解、氢管理和甲醇合成动态耦合的完全集成系统的关注相对较少。
特别是，在波动的可再生电力输入下，将碱性水电解（AWE）与甲醇合成相结合的系统级研究尚未得到充分探索。此外，虽然技术经济评估的报道越来越多，但关于调节策略和灵活性策略（如氢储存与电网互动）的比较分析仍然不足。因此，电解操作、氢缓冲、合成性能和整体系统经济性之间的相互作用尚未得到很好的量化。解决这些差距对于将反应和组件层面的进展转化为可扩展、具有韧性和经济竞争力的绿色甲醇系统至关重要。
基于此，本研究开发了一个全面的稳态和准动态建模框架，涵盖了从波动的可再生电力输入到甲醇生产的整个工艺链。建立了一个综合的Aspen Plus模型，整合了AWE、氢管理和二氧化碳氢化过程，以量化关键操作参数（包括温度、压力和循环比）的协同效应。在此基础上，构建了一个系统级的技术经济和环境评估模型，用于分析整个可再生电力-氢-甲醇路径的成本构成、能量效率和碳性能。此外，在可再生电力波动的情况下，对两种代表性的调节策略（氢储存缓冲和电网互动）进行了比较评估。通过这一集成框架，本研究旨在加强工艺层面优化与系统层面性能之间的联系，并为可持续绿色甲醇生产系统的设计和工业部署提供定量指导。
