低成本木材生物质在优化供应链中的边际碳影响及能源贡献

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Marginal carbon impacts and energy contributions of low-grade wood biomass in optimized supply chains

　　• 30年的每日模拟使植物容量成为资源账户的输出。• 启动后，供应从未成为约束；设备粒度导致3.1%的木材无法利用。• 供应链每千瓦时排放27.5克二氧化碳；避免的电网排放量是其19倍。• 在52种设计方案中，有22种未能达到2030财年的生命周期温室气体上限。• 没有任何设计方案仅依赖电力盈利；出售51%-63%的剩余热量可以实现盈亏平衡。

引言
森林生物质作为一种可再生和本地分布的能源来源，特别是在脱碳政策和能源安全考虑方面，其重要性日益增加[1]。这一增长趋势得到了可用资源规模庞大[2]以及生物能源转换技术路径持续发展的支持[3]。在日本，这一潜力与林业行业的结构失衡密切相关。尽管采伐率相对较低[4]（部分原因是由于林业劳动力的老龄化以及原木需求的变动），但森林蓄积量仍在持续增加。此外，大部分可用材料是由低等级原木和森林残余物组成，在传统利用方式下价值较低。将这些材料用于能源生产可以为采伐中的低价值部分创造经济出路，同时将森林管理与区域能源需求联系起来，促进农村发展[5]并影响当地木材市场[6]。

将这种材料转化为能源有多种技术途径，特别是气化技术可以开发出先进的非电力产品，如二甲醚和合成燃料[7]、与化学循环相结合的多联产[8]、碳捕获和利用[9]、等离子共气化[10]、城市固体废物共处理[11]，以及提高热力学效率前沿的膜辅助催化剂设计[12][13]。虽然这些技术很有前景，但通常需要集中式的规模经济和长距离分销网络。在日本分散的林业区域，可提供的生物质量有限，因此电力网是唯一能保证大规模回收的途径。因此，本研究重点关注热电联产（CHP），并在现实的物流约束下优先考虑区域供应链的可行性。

这种潜力在实践中难以实现。森林生物质的产量具有季节性波动，空间分布广泛且质量差异较大，这给生物质发电厂的运营规划带来了不确定性；这类工厂通常需要稳定且可预测的燃料供应[14][15]。对于需要连续运行的设施（如气化厂），短期供应变化会扰乱稳态性能：原料湿度和颗粒大小的变化会促进焦油的形成[16]，严格的气化器设计限制了原料供应窗口[17]，而必要的灵活性措施往往会导致效率损失[18]。鉴于这些资源特性和技术限制，设计一个可行的生物质能源系统需要综合考虑供应链配置、工厂规模和环境性能。

生物质收集、物流、加工和转化已经得到了广泛研究。Nunes等人[19]指出，现有的生物质供应链模型主要针对预定义场景进行成本最小化，强调了整合更多多样变量和约束的必要性。Cambero和Sowlati[20]从经济、社会和环境角度回顾了森林生物质供应链模型，并指出尽管环境标准越来越受到重视，但通常只是作为静态设计问题中的目标项引入，而不是作为运营链的生命周期评估。根据生物质特定要求调整物流操作可以提高企业绩效和供应链可持续性[21]。Wang等人[22]证明，协调库存布局可以提高农业和林业生物质系统的稳定性和经济效益。Jazinaninejad等人[23]回顾了生物质供应链中的可持续运营、管理决策和定量方法。Rentizelas等人[24]分析了储存挑战，并通过案例研究表明整合多个供应链可以减少总体储存需求。Shabani和Sowlati[25]研究了森林生物质发电系统的质量变异性和供应不确定性，系统评估了它们对利润率和库存行为的影响。Zhou和Tabata[26]发现，研究主要集中在资源和转化技术上，而它们之间的运营环节关注较少。

在日本背景下，知识缺口主要不是由于建模方法的问题，而是由于总体资源评估与实际项目的运营脆弱性之间的系统性不匹配。区域可用性通常以年可回收量[27][28]来报告，这一指标表明了一个地区能够生产的材料量，而不是某一特定工厂在特定日期能否得到原料供应；然而，长期项目的可行性取决于连续的日常燃料保障。Baba等人[29]回顾了2003年至2020年间宣布的236个日本木质生物质发电项目以及一个0.36兆瓦气化厂的运营记录，发现该厂因维修、维护和原料供应困难而在监测期间有超过一半的时间处于停机状态，并且计划容量经常超出地区的供应能力；Ahl等人[30]从利益相关者的角度也得出了类似的结论。任何特定地区的原料供应是否受限是一个无法通过年产量来解决的实证问题。这一小规模市场受到监管关税的影响：上网电价（FIT）从2000千瓦开始从40日元/千瓦时突然降至32日元/千瓦时[31]。由于FIT和FIP方案中的脱碳标准，确定一个地区在该关税范围内能够维持的确切容量变得更加复杂，根据这些标准，1000千瓦及以上的认证工厂从2030财年开始必须实现每千瓦时电力产生的生命周期温室气体排放量低于54克二氧化碳当量[32]。因为公布的默认值是按每兆焦耳燃料计算的，必须除以工厂的电能效率才能与这一上限进行比较[33]，因此这对低效率的小型气化装置设计影响最大，而低于2000千瓦的关税更加有利。需要测试日常供应轨迹是否限制了可行的工厂容量；然后容量决定了关税范围，由此产生的质量流量决定了合规性。如果将这些问题单独处理，例如作为静态年产量、孤立的关税比较或单一设计方案的生命周期评估（LCAs），它们之间的权衡就会被掩盖。

本研究旨在通过将供应链的时间序列模拟与生命周期评估（LCA）和简化的技术经济筛选相结合，来描述日本西川林业地区森林生物质的长期供应潜力和运营动态。基于气化装置的进料基础，进行了30年的资源可用性预测，并为每种可行的发电机配置运行了每日流量模拟，比较了资源利用、运营可靠性、生命周期排放以及12种代表性配置的成本。本研究的主要贡献总结如下：
- 开发了一个综合模型，其中固定的30年区域采伐计划及其产生的森林残余物、低等级原木和锯木厂残余物驱动了每日调度、干燥和消耗的模拟。该模型适用于每种资源允许的发电机配置，从而使工厂规模成为资源账户的输出，而不是强加给它的假设。
- 超出填充年份后，每日供应保障不再具有约束力，在一个均匀分散天气损失的采伐日历下，中间场地缓冲了工厂的计划停机时间，而不是采伐量的波动。真正的物理限制是制造商产品范围的粒度，这导致3.1%的可持续资源无法利用，这是连续容量模型无法表达的约束。
- 相同的每日流量在单一界限下驱动了每种配置的生命周期库存，选定的设计在自下而上的库存和规定的默认值基础上，根据FIT/FIP方案的2030财年温室气体上限进行了测试。在当前森林残余物默认值下，合规性要求净转化效率达到12.2%，在52种配置中有22种（主要都是小型装置）未能达到这一标准，而替代这些默认值的配置达到了19.0%。
- 没有任何配置仅依赖电力盈利。热能合同在没有补贴的情况下弥补了这一差距，对于低于2000千瓦的设计而言，过剩产量为51%；对于选定的设计，热能合同弥补了63%的资本成本，而对于超过2000千瓦的五单元设计，热能合同则无法弥补任何成本缺口。因此，2000千瓦的关税阈值设定了私人回报与碳减排之间的关系：低于2000千瓦的设计产生的净电力比选定的设计少37%。

研究区域
日本埼玉县西部的西川林业地区包括Hannō、Hidaka、Moroyama和Ogose等市镇（图1a）。这个地区自江户时代以来一直是主要的木材生产区，至今仍是东京都市圈内以种植园为主的森林景观。为了进行分析，收集并预处理了整个地区的地理信息系统数据集和森林登记数据[34]。

西川地区的森林

配置排名和供应保障
在30年的预测期内，区域生物质产量总计为1,818,282吨绿色质量，相当于1,136,427吨进料质量和909,141吨烘干质量。分布在9,877个工作日内，这确立了最大资源输入限制Rmax = 115.06吨/天。这一物理上限支持52种可行的模块化配置，范围从1个到9个发电单元（表S1）。没有更大的配置，因为十个最小的单元就已经超过了Rmax。

供应可靠性
在资源限制下，确定选定的发电机配置是基于单一机制，而不是多种指标之间的权衡。
由于工厂被建模为从共享库存中抽取的单一总体消费者，库存轨迹取决于总体日消费率，而不是该率在各个单元之间的分配方式。一旦第一个运营年度过去，没有允许的配置会低于满负荷运行，因此供应保障完全不区分不同的设计。

结论
本研究结合了30年的每日供应链模拟、技术经济筛选和生命周期评估（LCA），以优化日本西川林业地区的区域木质生物质热电联产系统发电机配置。在评估的52种配置中，三种大型单元设计（L, L, L；总功率3,030千瓦）在工程和环境方面都是最优选择。其运行效率达到区域可持续上限的96.9%，产生的净电力最大（618,035兆瓦时）和净避免排放量最大（321,702吨二氧化碳）。

作者贡献声明
Yang Yu You：撰写 – 原始草稿、可视化、软件、方法论、形式分析、数据管理、概念化。
Takuyuki Yoshioka：资源获取、方法论、调查、形式分析、概念化。
Hyun Bae Kim：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源获取、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢
本研究部分得到了日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI资助（项目编号JP20K06121）的支持。此外，该研究还得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供资金，项目编号RS-2026-25580044）。