面向农食工业脱碳的生物质气化-光伏（PV）混合可再生能源系统优化与多准则排序：基于希腊屠宰场-饲料厂实测负荷的15种并网情景

《Next Energy》：Biomass-integrated hybrid renewable energy for agri-food decarbonisation

　　

使能源密集型农食（agri-food）设施脱碳，需要将可变太阳能发电与可调度的本地生物质相结合的混合可再生能源系统（hybrid renewable energy systems, HRES）。混合系统选型、农食残余物气化（gasification）与多准则排序（multi-criteria ranking）均已较为成熟。本研究将上述环节整合，针对实测工业负荷，在三种候选原料（其中一种为主工艺副产物）下优化生物质-光伏（biomass-photovoltaic, biomass-PV）混合系统，并针对替代权重检验排序结果。研究人员在HOMER Pro中模拟了希腊某屠宰场与饲料厂年用电量404 MWh/yr的15种并网情景，所用数据为2021年实测逐时负荷数据与十年期NASA POWER气象数据；情景采用距离理想解的多准则方法（distance-to-ideal multi-criteria method, TOPSIS）排序，并围绕六个参数进行压力测试。所选配置将215 kW光伏与30 kW合成气发电机（syngas generator, SG）相结合，燃料为9:1的橄榄果渣（olive pomace）与羽毛（feather）混合物，年消耗量为合同量237 t/yr中的179 t/yr。在所述假设下，模型估算平准化成本（levelised cost）为0.135 EUR/kWh，较0.316 EUR/kWh基准低57%，初始投资0.36 M EUR的折现投资回收期为5.07年。两种核算基准下碳强度均下降87%，年排放量从190吨CO₂eq降至24吨CO₂eq，每年避免166吨。发电机在0.221 EUR/kWh电价下调度，而在0.158 EUR/kWh下不调度，该电价区间界定了生物质调度不再可行的阈值。

研究背景与问题：农食系统约占全球人为温室气体排放的三分之一，年能源消费估计为200 EJ。肉类加工和家禽屠宰属于高能耗子行业，烫毛、脱毛、制冷和冷链同时驱动热与电需求。2021—2022年能源危机中，希腊工业电价在2020—2022年间上涨超过60%，近完全依赖集中电网放大了冲击。欧盟RED II和IEMD为可再生能量社区（renewable energy communities, RECs）与公民能源社区（citizen energy communities, CECs）建立了法律框架，但实施集中于住宅和市政参与者，能源密集型工业锚定成员、尤其是农食设施，受到的关注较少。农食设施与框架设计匹配：复合电热负荷适合热电联产（combined heat and power, CHP），现场生物副产物可作为原料，稳定基荷可稳定社区总体负荷。混合可再生能源系统（hybrid renewable energy systems, HRES）通常结合光伏（photovoltaics, PV）、风电机组（wind turbines, WT）和生物质发电，以提高可靠性和降低碳强度。生物质CHP可调度并同时产电和热；食品加工现场羽毛、血、果渣和壳等副产物目前多为处置成本，气化可使其符合循环经济与工业共生原则。HOMER Pro已广泛用于HRES技术经济模拟与优化，但工业应用较少，尚未见结合生物质气化、光伏与风能为并网食品加工设施的研究；同时，ISO 50001:2018与ISO 37101:2016等管理标准以及技术成熟度（technology readiness level, TRL）在HRES研究中引用较少。希腊橄榄油产业每年产生约80万吨橄榄果渣，家禽羽毛常被填埋或加工为低值羽毛粉；希腊国家能源与气候计划2030年可再生份额目标为35%，但措施集中于大型风电和光伏园区，而非服务工业负荷的分布式生物质。研究人员因此开展本研究，旨在检验农食设施作为工业锚定成员时的技术经济与环境可行性。

研究人员开展的研究：研究对象为希腊Laconia的禽类屠宰场与配合饲料厂，二者并网于20 kV配电网。屠宰场加工约12,000只禽/日，饲料厂进行粉碎、混合、蒸汽调质、制粒、冷却等工序；设施年电力负荷404,203 kWh，2021年实测逐时数据来自供电商账单记录，年峰值218.1 kW，日均负荷1107.41 kWh/day。气象数据采用NASA POWER在36.95° N、22.48° E处2011年12月31日至2021年12月31日的十年逐时数据，生成代表气象年；年平均风速3.65 m/s，全球水平辐照度（global horizontal irradiance, GHI）5.04 kWh/m²/day，年平均温度15.86°C。热负荷由现有生物质锅炉供给，依据燃料消耗记录和操作人员访谈估算。研究在HOMER Pro 3.14中对15种并网情景进行穷举搜索，目标为最小净现值成本（net present cost, NPC），项目期25年，实际折现率5.88%。三种原料为提取橄榄果渣（extracted olive pomace, EOP）、羽毛及9:1 EOP-羽毛混合；情景包括光伏、风电、合成气发电机（syngas generator, SG）的不同组合，并以仅电网加锅炉为基准。研究采用TOPSIS以NPC、平准化能源成本（levelised cost of energy, LCOE）、折现回收期（discounted payback period, PP）、可再生份额和碳足迹五准则排序，并测试权重扰动；对生物质价格、电价、生物质可用性、太阳GHI和日电负荷进行0.5—1.5倍单因素敏感性分析，另对特定燃料消耗量（specific fuel consumption, SFC）0.50—1.50倍进行压力测试。结论是：所选配置为215 kW光伏与30 kW SG，燃料为9:1 EOP-羽毛混合，年消耗179 t/yr，合同量为237 t/yr；模型估算LCOE为0.135 EUR/kWh，较0.316 EUR/kWh基准低57%，初始投资0.36 M EUR的折现回收期为5.07年；碳强度在两种核算基础上下降约87%，年排放由190吨CO₂eq降至24吨CO₂eq，年避免166吨。SG在0.221 EUR/kWh电价下调度，在0.158 EUR/kWh下不调度。其意义在于为农食设施作为REC工业锚定成员、分布式生物质利用、并网混合系统设计和出口结算制度选择提供决策支持。

关键技术方法（不超过250字）：关键技术方法包括：以2021年实测逐时电负荷（404,203 kWh/yr，年峰值218.1 kW）和NASA POWER 2011—2021十年气象数据构建代表年；在HOMER Pro 3.14中对15种并网情景进行穷举搜索优化，目标为最小NPC，项目期25年、实际折现率5.88%；采用TOPSIS以NPC、LCOE、折现回收期、可再生份额和碳足迹五准则排序，并测试权重扰动；对生物质价格、电价、生物质可用性、太阳GHI和日电负荷进行0.5—1.5倍单因素敏感性分析，另对SFC 0.50—1.50倍压力测试。样本队列来源为希腊Laconia禽类屠宰场与配合饲料厂的2021年供电商账单记录实测负荷；无试剂和培养、质粒构建步骤。

研究结果：4.1 优化结果：通过HOMER Pro对所有情景进行优化，研究人员发现，凡将SG与PV组合的情景位于低成本前沿，LCOE为0.135—0.142 EUR/kWh，NPC为1.115—1.197 M EUR；仅SG、仅WT情景保持在0.268 EUR/kWh或以上。成本与碳同向变化：使LCOE最低的混合与纯EOP配置，其一次能源碳足迹也最低，为0.292—0.367 kgCO₂eq/kWh；仅羽毛燃料配置碳足迹为0.827—0.836 kgCO₂eq/kWh，因为3 kW发电机使大部分负荷仍由电网承担。燃料选择为二阶因素：纯EOP情景LCOE为0.139 EUR/kWh，仅比混合情景高0.004 EUR/kWh，因为羽毛组分为零成本副产物。仅PV情景回收期最短、内部收益率（internal rate of return, IRR）最高，但碳足迹约为领先集群的三倍。

4.2 TOPSIS排序：通过五准则TOPSIS排序，情景分为三层。顶层贴近度0.936—0.949，仅包括四个混合和纯EOP配置；顶层内部差距0.013，而向下差距为0.137。羽毛燃料情景约0.80，仅PV情景约0.71，最低层为0.14—0.48。权重扰动和环境优先或经济优先替代权重下，情景1均保持第一；20,000个Dirichlet权重向量中，情景1在96.75%中第一，情景8为3.10%，情景3为0.15%。结论是主要决策不是选择哪种生物质燃料，而是是否将可调度生物质与光伏耦合。

4.3 最优情景分析：通过年度能量平衡，研究人员得出，情景1中215 kW PV年发电322,000 kWh/yr，占负荷79.7%；30 kW SG年发电160,000 kWh/yr，占39.5%；总可再生发电482,000 kWh/yr，总可再生份额（gross renewable share, GRS）为119.2%。电网进口50,965 kWh/yr，总出口122,193 kWh/yr，净出口71,228 kWh/yr，运行可再生比例（operational renewable fraction, ORF）为87.4%。直接碳足迹为0.059 kgCO₂eq/kWh，基准为0.471；一次能源碳足迹为0.292 kgCO₂eq/kWh，基准为2.290，分别下降87.4%和87.2%。SG年容量因子60.8%，年运行5904 h，平均输出约27 kW；PV容量因子17.1%，WT为7.53%。热平衡中现有锅炉供给83%热量，SG的CHP热回收贡献17%，约40 MWh/yr落在有用热需求小时。生物质总消耗约279 t/yr，其中EOP约261 t/yr，羽毛18 t/yr。PV与SG时间互补：月度PV输出为18.6—32.7 MWh，SG为12.1—14.6 MWh，相关系数r=-0.30；SG年输出的76%发生在PV输出低于0.5 kW的小时，这些小时含49%的电网进口。夏季PV能量高但电池温度使效率下降，8月效率指数为1月的90，降幅9.6%。

4.4 敏感性分析：通过单因素敏感性模拟，研究人员发现电价影响最大。SG在0.221 EUR/kWh下运行，在0.158 EUR/kWh下不运行，阈值位于二者之间；低于阈值时非PV负荷全部购电，碳足迹上升，高于阈值后LCOE和碳足迹趋于稳定。电价从0.221升至0.474 EUR/kWh时，SG输出仅增加4.37%，平均输出由27.6降至26.6 kW。生物质可用性低于0.520 t/day时受限，对应约190 t/yr的最小供应；高于该阈值后额外生物质未被使用。高GHI下存在递减效应，并因夏季电池温度出现低谷。SFC在0.50—1.50倍校准时，LCOE从低于基准18.7%变为高于基准12.2%，每1%燃料消耗变化约影响0.37% LCOE；可用性在增加32.5%后才绑定，因为配置消耗179.0 t/yr、合同量为237.3 t/yr。排名不变，情景1保持第一，优势从0.005扩大至0.009贴近度单位。生物质价格在1.5倍时LCOE仍比电网基准低53%；羽毛燃料情景在约1.2倍基价后于LCOE单独指标上最低，但多准则排名不变，因为其碳足迹近三倍。低负荷时，SG的25%最小负荷比（7.5 kW）限制其跟随需求；高负荷时碳足迹上升快于LCOE。

讨论部分总结：研究人员讨论认为，PV在本站点主导可再生发电，风能因资源较差和HEDNO 60 kW净计量上限而边际化；加装气化炉相对仅PV可降低LCOE和碳足迹，情景1比仅PV情景LCOE低14%，一次能源碳低72%。生物质可调度价值来自夜间和肩峰时段运行，SG容量因子远高于PV和WT，其热回收按25%建模可能保守。经济与环境在此呈协优：成本最低的配置碳强度也最低，情景1年直接排放由190降至24吨CO₂eq，避免166吨；社会碳成本为185 USD/t CO₂（2020 USD，5—95%区间44—413 USD/t），中心值折合162 EUR₂₀₂₀/t，外部性调整后情景1的LCOE由0.135升至0.145 EUR/kWh，电网基准由0.316升至0.393 EUR/kWh，差距由0.181扩大至0.248 EUR/kWh。敏感性解释表明，系统经济性依赖电价高于约0.22 EUR/kWh；生物质价格影响呈线性；生物质可用性最低约190 t/yr；GHI和负荷变化方向符合预期。TRL评估认为，PV为TRL 9，EOP气化在30 kW规模为TRL 7—8，羽毛气化为TRL 5—6，9:1混合为TRL 4—5，因此宜先部署成熟组件，再开展混合燃料监测试点。基准比较显示，本研究LCOE具有竞争力，GRS为119.2%，高于可比研究；与加拿大离网社区微网相比，成本低五至七倍，原因是并网、无储能、强太阳能资源和本地副产物燃料。分阶段部署中，PV与EOP气化可由商业债务支持，羽毛气化与混合燃料需赠款或创新计划支持；初始资本361,408 EUR，年运行成本55,435 EUR。政策上，希腊净计量仅提供36个月消费信用而不支付，71,228 kWh/yr出口被估值为零，若按零售价75%净计费约值16,900 EUR/yr；虚拟净计量、净计费和工业锚定许可快轨可降低限制，且无需修改欧盟指令。

研究结论翻译：本研究整合了生物质气化热电联产、光伏发电、实测工业负荷数据和多准则排序，面向作为可再生能源社区工业锚定的农食设施。支撑结果的机制是时间互补性：合成气发电机在阵列无法供电的夜间和肩峰时段运行，因此一个适度的30 kW机组替代了额外光伏容量无法替代的进口电力。与215 kW光伏配对，模型估计平准化能源成本为0.135 EUR/kWh，而电网基准为0.316 EUR/kWh，设施成为净出口者。两个条件决定该结果。第一是零售电价：发电机在0.221 EUR/kWh下运行，而在0.158 EUR/kWh下不运行，低于该阈值设计趋于仅光伏。第二是原料可用性，低于约0.52 t/day时受限。在这些边界内排名稳定。所选配置在单因素权重扰动、替代标准化以及气化炉燃料消耗从一半到一倍半变化下保持第一，其优势扩大，因为它独自保留原料余量。成本与碳在此不相互权衡：使平准化成本最低的配置也在两种报告基础上使碳强度最低。该研究基于模拟且为单站点。其负荷数据为实测，这对选型重要，但其气化参数依赖一个供应商校准，且羽毛部分依赖一个运营设施，尚无运营工厂验证结果。因此，研究结果应作为试点决策支持，而非已验证设计；此处识别的部署条件属于该监管和电价制度，而非一般农食设施。三条后续工作按优先级：混合燃料试点验证，测量合成气质量、焦油形成和气化炉结垢；在净计费或上网溢价报酬下重新优化，当出口具有货币价值时让优化器自由调整阵列和发电机尺寸；在其他农食设施类型复制，以确定锚定模型是否可转移。