针对纤维素生物燃料供应链的全面技术经济与物流评估，旨在通过整合生物质和生物油气化技术路径实现经济优化

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Comprehensive techno economic and logistic assessment of cellulosic biofuel supply chains toward economic optimization using integrated biomass and bio oil gasification pathways

纤维素乙醇经济性评估表明，集中式气化系统在原料密度高的地区因规模经济优势，其内部收益率（10%）和净现值（接近零）显著优于混合式系统（3.3%）。研究创新性地整合稳态过程模拟、混合整数线性规划优化设施选址和蒙特卡洛风险分析，揭示分布式系统因热力学效率损失和重复投资导致的成本劣势。

　　

林伟万|张子金|邢文涛

河南城建大学经济与管理学院，中国平顶山，467036

摘要

纤维素生物燃料的商业化应用目前受到高资本成本和低密度原料复杂物流要求的阻碍。本研究旨在通过结合过程模拟与空间优化，来确定最具经济可行性的供应链配置，以克服这些障碍。采用多层次技术经济框架，比较了爱荷华州使用玉米秸秆的集中式生物质气化路径与混合分布式生物油气化网络。该方法首先使用稳态过程建模来估算基准成本，然后通过混合整数线性规划优化设施位置，并通过蒙特卡洛模拟来评估市场不确定性下的财务风险。结果表明，日处理量约为6000公吨的集中式生物质气化系统表现出更优的经济性能，内部收益率为10%，在每加仑3.50美元的基准价格下净现值接近零。相比之下，混合路径由于热力学效率低下和资本重复使用，尽管有效降低了生物质运输成本，但其回报率仅为3.3%。因此，在原料密度较高的地区，集中式处理带来的规模经济在结构上超过了分散式处理的物流优势，使得大规模集成设施成为短期投资的优选策略。

引言

全球能源系统正在经历前所未有的转型，这一转型是由减少工业运营、交通运输和发电领域的碳排放的迫切需求所推动的[1]、[2]、[3]。虽然化石燃料历史上一直支撑着经济增长，但其环境影响促使人们转向可再生能源。其中，基于生物的能源系统已成为转型的核心支柱，尤其是在无法直接电气化的领域，如航空和海运[4]、[5]。然而，生物燃料的商业化应用经常受到一个基本物理化学约束的阻碍：木质纤维素原料的低能量密度，这增加了物流成本并使供应链管理变得复杂[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。

这一原料约束在现代生物精炼厂设计中造成了一个战略上的两难选择：通过集中式处理实现规模经济，或者通过分散式预处理提高物流效率[11]、[12]、[13]。集中式设施受益于较低的单位资本成本和更高的热力学效率，但运输笨重生物质的长距离运输费用较高[14]、[15]、[16]、[17]。相反，分布式系统可以在当地将生物质浓缩成可运输的生物油，从而减少货运量。然而，这种“分布式”优势往往被规模经济的损失和管理多层次网络的复杂性所抵消。

技术经济评估（TEA）已成为评估这些工程权衡的标准工具。近期文献重点关注标准化TEA方法，以提高数据可靠性和政策整合[18]、[19]、[20]。值得注意的是，高分辨率研究越来越强调过程整合和混合原料策略的关键作用。Arshad等人[21]、[21]对气化系统进行了详细的能量评估，展示了财务回报对温度和蒸汽比例等过程条件的敏感性。同样，Rizvi等人[22]（Rizvi, Kazmi, Taqvi, & AlGhamdi, 2025）建立了碳负排放的多联产框架，而Kazmi等人[23]强调了使用混合生物质混合物的分布式系统的潜力。这些工作共同表明，原料灵活性和严格的过程优化对于降低热化学路径中的单位生产成本至关重要[12]。与过程层面的TEA并行，供应链建模也取得了显著进展。利用混合整数线性规划（MILP）的研究[12]、[12]成功基于区域资源丰富度优化了设施位置，表明战略性的位置选择可以将单位成本降低多达14.6%。然而，这些供应链模型通常将转化设施视为具有静态参数的“黑箱”，常常忽略了资本设备的非线性扩展规律以及与分布式处理节点相关的热力学惩罚。此外，Ranjbari等人[8]绘制了生物燃料供应链管理的知识图谱，指出了循环经济原则整合中的关键缺口。他们认为，尽管向循环经济的转型正在加速，现有模型往往无法将宏观层面的政策与微观层面的供应链运营相结合，特别是在第三代原料出现的背景下[8]。

尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键的方法论缺口：很少有框架能够同时整合高分辨率的过程热力学、空间明确的物流和随机风险评估。当前模型倾向于将这些领域孤立起来，要么单独优化物流而不充分考虑过程规模惩罚，要么优化过程化学而不考虑空间供应限制。因此，缺乏能够针对市场价格和过程产量的随机变化对空间优化配置进行压力测试的统一模型。没有这种整合，很难确定分布式路径的失败是由于物流效率低下还是根本的热力学限制[24]。

本研究旨在通过建立一个统一的框架来填补这一缺口，该框架结合了稳态过程模拟、空间明确的MILP优化和蒙特卡洛不确定性量化。这种多层次方法应用于爱荷华州的特定案例研究，严格比较了集中式生物质气化（BMG）路径与混合生物油气化（BOG + FP）网络。通过将分布式热解的热力学效率和资本扩展效应直接内生化到物流模型中，这项研究超越了静态成本乘数，捕捉了供应链的物理现实。这项工作的主要科学贡献是量化了双重转化惩罚及其与物流节省之间的权衡。与之前孤立评估这些因素的研究不同，我们的方法利用随机模拟来确定混合生物油路径的物流灵活性是否提供了足够的财务韧性，以证明其较低的热力学效率是合理的。通过在概率TEA中嵌入物流细节，这项研究旨在为现实世界市场波动下的弹性区域生物燃料网络建立稳健的设计原则。

部分摘录

具有物流设置的TEA方法

本研究开发的方法论框架将物流配置视为经济模型的内在变量，而不是外部边界条件，从而区别于传统方法。分析分为三个阶段：（1）使用稳态过程模拟进行独立成本估算；（2）供应链配置和空间优化以定义现实的物料流动；（3）综合经济可行性评估

供应链设计的成本估算

技术经济评估首先为独立的转化设施建立了基准资本和运营成本，然后再引入空间物流。使用每天2000干公吨的统一原料输入，生物质气化路径需要约5.599亿美元的总投资，并每天生产约293吨燃料，而生物油气化路径需要约5.1亿美元的投资，每天生产约239吨燃料

实际意义和研究局限性

尽管综合TEA和空间优化框架提供了可靠的见解，但仍需承认几个方法论上的局限性。首先，过程模拟是在稳态假设下进行的。因此，该模型没有考虑动态运营瞬态，如启动、关闭和部分负荷效率。这对于分布式BOG + FP路径来说是一个重要因素，因为模块化热解单元可能会频繁循环

结论

本研究开发了一个全面的技术经济框架，用于评估集中式和分布式生物燃料供应链之间的权衡。工作流程结合了稳态过程模拟与混合整数线性规划来优化设施位置和容量，然后通过蒙特卡洛模拟来量化投资风险。比较了两种主要路径：集中式生物质气化（BMG）路径和带有快速热解的混合生物油气化（BOG + FP）路径

CRediT作者贡献声明

林伟万：项目管理、方法论、正式分析、数据管理、概念化。张子金：撰写——初稿、验证、项目管理、正式分析、数据管理。邢文涛：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证。

资金

无。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。