匹配森林剩余物供应与富氧燃烧碳捕集利用电厂原料需求：西班牙卡斯蒂利亚-拉曼恰地区的GIS评估

《Biomass》：Matching Forest Residue Supply to the Feedstock Demand of an Oxy-Fuel BECCU Plant: A GIS Assessment in Castilla-La Mancha, Spain

　　

摘要：生物能源与碳捕集利用（BECCU）可以实现工业蒸汽的脱碳，但转化电厂只有在原料能够送达的情况下才能运行。本研究针对一个设计场景，检验位于西班牙中部普埃托利亚诺的一家炼油厂内固定式富氧鼓泡流化床锅炉的集水区能否供应其燃料。该锅炉需要20.94–52.34 MW的热输入，因此每年需要35.2–88.0千吨干物质，即含水率40%条件下59–147千吨二级木片。研究人员利用公开的国家制图数据，在50公里和100公里缓冲区以及公路网络服务区内表征了森林覆盖、森林结构和潜在森林生产力，并从两项公开评估（一项为国家层面，另一项为周边地区）中获取了剩余物可用性数据，用于交叉验证GIS表征结果。林地在100公里缓冲区内的覆盖率为42.7%，但在距公路100公里且距道路400米范围内仅有0.77百万公顷，其中约一半位于Natura 2000保护区或自然保护区内。在100公里公路范围内可获得的森林剩余物约为每年18.5千吨干物质，仅为最低需求的53%，而到厂成本供应曲线表明，短缺在于数量而非价格。整个区域的剩余物潜力为每年40.8千吨，这是一个理论上限而非实际可供应的量，即便全部利用也仅能满足最大需求的一半以下。橄榄和葡萄副产物是该地区唯一规模足够的本地资源，但它们已被一座现有的50兆瓦电厂所使用，因此仍需进一步评估方可视为可靠供应。启动所需的生物甲烷将占该地区2030年生产目标的不到0.3%。

基于GIS评估的富氧燃烧BECCU电厂原料供应可行性研究——以西班牙卡斯蒂利亚-拉曼恰地区为例

一、研究背景与问题提出

工业热力脱碳是能源系统中最为困难的环节之一。在中压蒸汽连续供应的化工和炼油行业中，传统上依赖天然气锅炉提供数十兆瓦级别的热能。直接电气化受限于负荷规模和可再生电力的成本，固体生物质因此成为少数能在不增加大气化石碳的前提下提供相同服务的替代燃料之一。生物能源与碳捕集利用（Bioenergy with Carbon Capture and Utilization, BECCU）技术在此基础上更进一步：通过在生物质锅炉烟气中捕集二氧化碳并将其转化为甲醇等产品，理论上可实现净负碳排放。富氧流化床燃烧因其产生的烟气主要为二氧化碳和水蒸气，使得捕集步骤大为简化。此类方案对于已运营水电解槽的场地尤其具有吸引力，因为氧气副产品可作为氧化剂，捕集的生物源CO₂可与氢气结合制备电子甲醇。

然而，现有研究几乎总是从锅炉入口开始，假定燃料能够到达，将可用性作为边界条件而非约束因素。对于固定场址的转化电厂而言，低密度固体燃料的运输距离是到厂成本的主要驱动因素，直接决定项目可行性。因此，原料是否真正可用并非供应链的细节问题，而是决定设计方案是否值得开展的根本前提。地中海地区尽管总体生物质并不匮乏，但其最大的剩余物流来自永久作物而非森林，且森林生长缓慢、大面积区域受到保护、所有权高度分散，导致可获取量与理论潜力之间存在巨大差距。本研究正是针对这一被忽视的逆向规划问题展开：在固定场址下，检验既定规模的BECCU电厂的集水区能否满足其原料需求。

二、研究方法概述

研究人员采用了一套系统的GIS工作流程。首先确定转化电厂及其场址参数，将锅炉热输入转换为年度分级木片需求量。随后利用西班牙国家地理研究所（IGN）和国家生态转型部（MITECO）发布的开放制图数据集，包括西班牙森林地图（MFE）、潜在森林生产力图（PPF）、国家公路网（RCE）及CORINE土地覆盖2018（CLC2018），在50公里和100公里欧几里得缓冲区及公路网络服务区内进行土地覆被、森林结构和潜在生产力的特征描述。森林剩余物估算取自两项公开评估：西班牙可再生能源计划国家评估和卡斯蒂利亚-拉曼恰地区五个县的区域评估，将评估中的区域剩余物密度按林地面积比例分配到各区域。到厂成本通过路边成本与基于公路距离的运输成本之和计算，并按成本排序生成供应曲线。当主要原料不足时，进一步筛选商业木片市场、农业加工副产物（橄榄修剪枝、葡萄修剪枝、橄榄果渣、橄榄核）及辅助燃料（生物甲烷）。

三、研究结果

3.1 供应区域土地利用

在100公里缓冲区内，林地覆盖134万公顷（42.7%），耕地占44.0%。50公里缓冲区内林地比例升至49.5%。然而，封闭林地（冠层盖度≥20%）仅占34.6%，开放林地（10-20%）占7.6%，散生树木（5-10%）占0.6%，约五分之一的林地密度较低，单位面积剩余物产量低且收集成本高。沿公路网络测量后，集水区大幅缩小：100公里服务区覆盖16,921平方公里（仅为欧几里得缓冲区的54%），包含77万公顷距公路400米以内的林地；50公里服务区仅覆盖3,783平方公里，含14万公顷林地，原因是电厂附近公路主要穿越农田，而森林分布于山脉之间。

3.2 森林结构

林地中以德赫萨（Dehesas，伊比利亚西南部典型开放橡树林）和圣栎（Quercus ilex）林为主导，分别占100公里缓冲区的14.9%和14.7%（共93万公顷）。混交阔叶林占4.4%，松林（石松Pinus pinea和海岸松Pinus pinaster）合计占4.5%。这两种主导树种是生长最慢、最适合定期剩余物提取的森林类型。松林作为最常进行木材经营的树种，仅覆盖14万公顷。

3.3 潜在森林生产力

100公里缓冲区内林地面积加权平均潜在生产力为4.6 m³ ha^-1 y^-1，高于全区土地的4.1 m³ ha^-1 y^-1。最高等级（Ib和Ic类，>7.50 m³ ha^-1 y^-1）仅覆盖1.9%的区域。相比之下，La Nava地区公共森林的计划采伐量仅为0.55 m³ ha^-1 y^-1，为林地平均潜力的八分之一至六分之一，表明树木生长缓慢且仅有少量生长被采伐。

3.4 转化电厂原料需求

锅炉所需木片量为2.04-5.10 kg/s（7.34-18.34 t/h），年度需求为58,697-146,742吨（含水率40%），折合干物质35,218-88,045吨/年。中间负荷（假设中点）下干物质需求为61,632吨/年。敏感性分析显示，运行小时数是最敏感的参数，其次是锅炉效率、热值和含水率。即使在最有利的组合下，干物质需求也达到28,305吨/年，仍高于100公里公路范围内可获取的森林剩余物。

3.5 供需缺口

100公里公路范围内可获取的森林剩余物为18,505吨干物质/年，仅占最低需求的52.5%、中间需求的30.0%和最大需求的21.0%。50公里服务区内仅1,944吨/年（最低需求的5.5%）。大部分可获取剩余物远离电厂：25公里以内仅442吨/年，25-50公里1,502吨/年，50-75公里4,806吨/年，75-100公里11,754吨/年。若排除保护地（占可获取林地的48.8%），可获取剩余物降至8,341吨/年（最低需求的24%）。即使将整个卡斯蒂利亚-拉曼恰地区的可用剩余物（40,791吨干物质/年）全部运至该电厂，也仅能满足中间需求的66.2%和最大需求的46.3%。在当前条件下，50-100公里公路范围内的森林剩余物无法供给该电厂，即使在其最低负荷和最有利的需求假设下也是如此。

3.6 森林剩余物到厂成本

在中心情景下，到厂成本从电厂附近的86欧元/吨干物质上升至100公里处的122欧元/吨，供应加权均值为113欧元/吨；低和高情景均值分别为71和166欧元/吨。三条供应曲线均在18.5千吨/年处变为垂直，超过此数量则无更多森林剩余物可用。木片市场价格（137.5欧元/吨，含水率<35%）对应干物质价格为172-212欧元/吨，高于低和中心情景的全部及高情景的大部分，因此限制供应的因素是数量而非价格。

3.7 商业木片供应

经筛选，仅有两家木片生产商位于研究区域附近：一家在同省（Socuéllamos，年产10,000-30,000吨），另一家在科尔多瓦省（年产>60,000吨），两者均超出100公里限制（分别约165公里和144公里）。即使将其全部年产量转移给该电厂，也无法满足中间负荷下的约103,000吨/年的需求。

3.8 替代农业加工原料

100公里服务区内有105,646公顷橄榄园和90,554公顷葡萄园，理论修剪量分别为138-160千吨干物质/年和156-195千吨干物质/年，数倍于锅炉需求。机械化收集葡萄修剪枝约回收1.1吨干物质/公顷，可提供约102千吨/年。当地已有两座电厂（Enemansa 16 MW和Biollano 50 MW）以这些材料为燃料，证实了其可用性和与流化床燃烧的兼容性，但也表明其已被占用。橄榄核热值最高（16,161 kJ/kg），灰分低于2%；橄榄果渣灰分8-10%且钾含量高，存在床层结焦风险；葡萄修剪枝灰分适中、氯含量低，但具有季节性且部分已被Biollano占用。因此，这些材料是需进一步评估的候选对象，而非已证实的供应来源。

3.9 生物甲烷作为辅助燃料

辅助燃料按最大负荷名义热输入的15%设计，需求为0.157 kg/s（约565 kg/h）。按200、500和1000小时/年运行，年度需求为113、283和565吨（1.6、3.9和7.9 GWh/年），占卡斯蒂利亚-拉曼恰地区2030年生物甲烷化目标（2.8 TWh/年）的0.06-0.28%。

四、讨论与结论

讨论部分指出，短缺并非由于缺乏树木，而是由三个因素共同导致：低生产力（林地平均潜在生产力仅4.6 m³ ha^-1 y^-1，实际采伐量更低）、高强度保护（55%的可获取剩余物位于Natura 2000或自然保护区内）以及土地所有权碎片化（该地区79%的森林为私有，40%以上地块小于100公顷）。这些因素均无法通过改善物流解决，供应曲线也证实了这一点：约束条件是可获取的数量，而非成本。

与已有研究的比较表明，本研究的不同之处在于方向：以往研究从区域出发计算其可支撑的能源量或确定最佳电厂选址，而本研究将电厂固定于不可移动的工业过程中，检验其自身集水区能否满足需求。标准化指标显示，100公里服务区的可获取剩余物密度为1.09吨干物质/km²/年，相当于0.65 kW连续热输入/km²，仅能维持约11 MW热输入运行8000小时/年，为最低负荷的53%和最大负荷的21%。

研究结论部分翻译如下：

本研究评估了位于西班牙中部某工业场址设计的BECCU电厂的原料需求能否从其自身集水区得到满足。主要发现如下：

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  锅炉需要7.34-18.34吨/小时的二级木片（含水率40%），即58,697-146,742吨/年，折合干物质35,218-88,045吨/年，中间负荷（假设中点）下为61,632吨/年；运行小时数是最敏感的参数。
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  100公里范围内林地覆盖率为42.7%，但仅1.7%处于最高潜在生产力等级，47%位于卡斯蒂利亚-拉曼恰以外。圣栎林和德赫萨这两种主导树种最不适合定期剩余物提取。
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  沿公路网络测量，100公里范围内可获取的森林剩余物为18.5千吨干物质/年（各情景下为8.3-22.4千吨/年），为最低需求的53%；50公里范围内为1.9千吨/年。周边地区的计划采伐量为4,686吨/年，仅覆盖最低需求的13%；整个区域的可用剩余物为40.8千吨/年，仅在所有剩余物都运至该电厂时才能满足最低负荷，且不足最大负荷的一半。当地森林剩余物无法供给该电厂。
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  供应曲线表明短缺在于数量而非价格：所有可获取剩余物的到厂成本均值为71-166欧元/吨干物质，低于木片市场价格，但仍不足以满足需求。最近的两家商业木片生产商分别距电厂144公里和约165公里，即使将其全部产量转移也无法满足预期需求。
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  低生产力、保护（覆盖55%的可获取剩余物）以及土地所有权结构（该地区79%的森林为私有）与缺口一致，且均无法通过物流解决。
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  橄榄核、橄榄果渣和葡萄修剪枝在区域内理论上数量超过需求，但已被当地两座电厂使用，受收获季节影响，且橄榄副产物存在床层结焦风险。它们是需进一步评估的候选对象，而非已证实的供应来源。
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  辅助燃料用生物甲烷在200-1000小时/年运行下需求为113-565吨/年，占该地区2030年生产目标的0.06-0.28%。

更广泛的意义在于，在本案例中原料而非转化技术是制约因素，而这种筛查成本低廉，足以在任何工艺设计工作开始前完成。对于选址于生长缓慢的地中海景观中的此类规模工业蒸汽电厂，年度需求与公路网络可获取供应之间的比率应被视为选址标准，而非可假定的输入参数。