基于能源效率、经济可行性与温室气体减排的韩国现场沼气与生物甲烷利用影响研究

《Bioresource Technology》：Impact of biomethane utilization based on energy efficiency, economic feasibility, and greenhouse gas reduction in on-site facilities in Korea

本文针对韩国沼气与生物甲烷现场设施利用效率低、经济可行性差的问题，研究人员系统评估了5个现场设施的能源转化效率（沼气50.2% vs 生物甲烷83.0%）、经济指标（B/C比）和温室气体减排效益。研究发现生物甲烷设施具有显著优势，并提出整合运营与充分利用未利用沼气的优化方案，为可再生能源政策制定提供重要依据。

　　

在全球碳中和目标背景下，可再生能源的开发与利用已成为各国关注的焦点。其中，沼气和生物甲烷作为重要的可再生能源，不仅能够有效处理有机废弃物（如污水污泥、畜禽粪便和餐厨垃圾），还能替代化石燃料，实现温室气体减排。然而，尽管全球对沼气和生物甲烷的需求预计到2030年将增长约30%，但韩国在沼气活性利用方面仍面临诸多挑战。据统计，韩国产生的沼气中有15%未被利用而被现场燃烧废弃，同时生物甲烷设施的数量有限，缺乏有效的政策支持。因此，系统评估沼气与生物甲烷设施的能源效率、经济可行性及环境效益，对于推动其高效利用具有重要意义。

为了深入探究这些问题，韩国国立环境研究所的研究团队开展了一项综合研究，成果发表在《Bioresource Technology》上。研究人员选取了韩国5个现场沼气与生物甲烷设施（A、B、C、D、E）作为研究对象，基于2023年的日均运营数据，采用能源平衡计算、经济可行性分析（B/C比、NPV、IRR、MIRR、PP）和温室气体排放评估等方法，系统比较了不同设施的运行效能。关键技术包括物料与能量流计算（通过气相色谱分析CH₄、CO₂含量及高热值HHV）、RETScreen? Expert软件模拟经济指标，以及基于IPCC指南的CO₂排放因子计算。

3.1. 沼气能源效率分析

通过物料平衡和能量流计算，研究发现沼气厂的能源转化效率平均为67.4%，但能源生产效率仅为62.2%，而实际能源工厂效率（扣除未利用沼气）低至50.2%。主要原因是大量沼气未被充分利用，例如设施A的未利用沼气占比高达2.9 toe（吨油当量）。相比之下，生物甲烷设施的能源转化效率达83.0%，且因几乎无未利用气体，其生产与工厂效率相近（81.1%），显著优于沼气设施。

3.2. 沼气利用的经济可行性评估

经济分析显示，沼气厂的B/C比（收益成本比）平均仅为0.34（若扣除处理收入则降至0.16），而生物甲烷厂高达2.14。通过RETScreen? Expert软件进一步模拟发现，生物甲烷设施（如A和D）的净现值NPV为正（分别为27,628,382美元和33,874,616美元），内部收益率MIRR达9.3–21.1%，投资回收期PP短（0.11–1.7年），表明其经济可行性显著。相反，单一沼气设施（A、D、E）的NPV均为负值，经济性较差。为提高整体效益，研究提出两种情景：情景1（沼气与生物甲烷设施整合运营）可使设施D的NPV提升至正（7,776,207美元）；情景2（充分利用未利用沼气）进一步缩短投资回收期（如设施C从6.2年降至4.4年）。

3.3. 温室气体与可再生能源评价

在环境效益方面，生物甲烷的CO₂排放因子仅为0.12 kgCO₂-eq/GJ，沼气为0.08 kgCO₂-eq/GJ，较化石天然气（54.04 kgCO₂-eq/GJ）低415–675倍。例如，设施D通过沼气热电联产（CHP）和生物甲烷利用，日均CO₂排放为587.6 kgCO₂-eq，若使用化石燃料则高达222,494 kgCO₂-eq。此外，所有设施年产生物甲烷总量26.7 toe，可满足约53.4户韩国家庭的年用电需求，凸显其可再生能源替代潜力。

本研究通过多维度评估证实，生物甲烷在能源效率、经济可行性和环境效益上均优于沼气直接利用。整合运营与未利用沼气优化利用是提升整体效能的可行路径，为韩国乃至全球可再生能源政策制定提供了实证依据。未来需通过政策支持（如 incentives 激励措施）和基础设施完善（如输气管道网络），进一步推动沼气与生物甲烷的互补发展，助力碳中和目标实现。