《Biomass and Bioenergy》：Unlocking Thailand's biohydrogen potential: A comparative assessment of gasification and dark fermentation using a refined approach
Hafsa Mehmood|Haseeb Akbar|Ahsan Farooq|Shabbir H. Gheewala
泰国曼谷吞武里皇家蒙固科技大学联合能源与环境研究生院，邮编10140
摘要
氢能是可再生能源的一个有前景的方向，与不可再生的碳氢化合物相比，生物质是一种特别可持续的原料。泰国拥有丰富的农业废弃物，具有巨大的绿色氢生产潜力。以往的评估往往高估了这一潜力，因为忽略了关键的限制因素。本研究采用了一种精细的、空间明确的方法，通过气化和暗发酵技术来估算稻草和甘蔗顶部/叶子的氢产量。该方法整合了关键参数，如可回收性、水分含量、剩余可用性和技术转化效率，并在省级尺度上应用了基于约束的框架。比较了三种估算方法：两种来自现有文献的方法和一种新提出的方法。新提出的方法通过气化和暗发酵分别得出平均氢产量为128±22万吨和50±11万吨，不确定性较低。基于文献的方法对气化潜力的估算高估了3-4倍。空间分析显示，泰国中部和东北部的甘蔗顶部/叶子是最可行的原料。环境效益包括每年通过气化减少536–1175万吨二氧化碳当量（CO?e）的温室气体排放，通过暗发酵减少342–604万吨二氧化碳当量的排放，同时避免了颗粒物（PM?.5）的排放，甘蔗废弃物和稻草的颗粒物排放量分别为150,362–382,443吨和42,128–109,269吨。本研究支持区域特定规划，并提供了一个可复制的模型，以实现可持续的生物氢整合，符合泰国的清洁能源转型和可持续发展目标（SDGs）3、7、8、12和13。
引言
由于前所未有的化石燃料消耗以满足工业化需求，环境退化已经达到了令人担忧的程度。这种退化通过气候变化、生物多样性丧失和公共卫生危机对生态系统、经济和社会福祉产生了多方面的影响。从化石燃料向可再生能源的转型对于缓解这些挑战至关重要。虽然太阳能、风能和水力发电提供了一定的解决方案，但它们的有效性受到地理限制、间歇性可用性和效率不足的制约[[1]、[2]、[3]]。例如，太阳能仅限于白天和特定地区，而风能具有季节性和地域依赖性。水力发电会改变河流生态系统，干扰鱼类迁徙和沉积物运输，减少水生生物多样性，并导致社会迁移[4,5]。为了克服这些限制，氢作为一种多功能、可持续的能源载体应运而生，它具有高能量含量，能够全年提供绿色能源，并且不受地理限制[6]。氢的生产可以利用多种原料，从不可再生的碳氢化合物到可再生的生物质，后者提供了更环保的途径[7]。生物质衍生的氢不仅能支持脱碳，还能通过将农作物废弃物（如稻草和甘蔗顶部/叶子）转化为能源来提高农业可持续性。然而，氢的产量取决于生物质类型、物理化学性质和转化技术[8]。此外，与现有的生物质供应链（例如泰国发达的糖业中的甘蔗渣发电）的竞争使得资源分配变得复杂。如果没有对这些因素进行全面评估，政策制定者可能会采取错误的策略，忽视生物质可用性、技术可行性和市场动态的不确定性。
尽管之前的研究已经讨论了生物质制氢过程中的个别限制因素，但没有一个研究在空间明确的框架内整合了所有关键参数，包括水分含量、可回收性、剩余可用性、技术特定效率以及不确定性量化。Gondal等人[9]使用固定的转化因子（13公斤生物质/公斤氢）估算了氢产量，但忽略了可回收性和剩余可用性，这可能导致高估。可回收性指的是实际可收获的生物质比例[10]，而剩余可用性是指在竞争性用途之后剩余的部分[11]。Tleubergenova等人[12]采用了类似的方法。Riorda等人[7]考虑了氢的冷凝剩余量和技术效率，但排除了可回收性和湿/干质量的区别。Rosa和Mazzotti[13]研究了食物废弃物、残留物和粪便，但没有考虑剩余量或可回收性。早期的研究[14,15]也缺乏这些参数。Milbrandt和Mann[16]根据原料区分了转化方式，但假设了总可用性。Bundhoo[17]通过纳入技术效率、残留物与产品的比例和挥发性固体，推进了这一领域的发展，但没有考虑剩余量或可回收性。
此外，评估氢生产潜力所涉及的参数具有很高的不确定性[18]。仅依赖单一平均值会在评估中引入显著的不确定性，这需要加以考虑。本研究的方法创新在于它依次整合了五个校正因素：残留物与产品的比例、水分含量（湿转干转化）、可回收性（实际收集的可行性）、剩余可用性（排除竞争性用途）以及技术特定的转化效率（气化与暗发酵），并通过基于范围的方法进行应用。采用了一种基于情景的方法，考虑了关键输入参数的变异性（最小值、最大值和平均值），生成了18种情景，而不是依赖单点估算。该框架通过使用标准误差系统地量化了与参数不确定性相关的不确定性。通过比较三种方法论方法（从简单的方法（忽略参数）到全面的方法（完全整合），该框架展示了每个额外约束如何显著改变政策相关的结论。这一框架从根本上改变了决策方式，表明传统方法大大高估了氢的潜力，防止了过度乐观的投资和资源分配不当。通过基于区域特定、实际受限的参数进行估算，该方法使政策制定者能够确定更现实的部署区域，优先选择本地适用的技术，并根据实际的而非理论上的生物质可用性设计干预措施。
鉴于泰国作为全球农业中心的地位，以及2021–2023年间其丰富的农业废弃物产量（如稻草3400万吨/年和甘蔗顶部/叶子1800万吨/年[19]），选择泰国作为研究区域。本研究优先考虑现有生物质市场中重叠较少的原料（例如，甘蔗渣已在泰国的糖业中用于发电）。通过将资源选择与可持续发展目标对齐，研究确保氢生产不会扰乱现有的关键价值链，从而促进循环农业能源系统。氢的生产采用了两种转化途径：气化和暗发酵，分别适用于短期和长期政策规划。气化具有较高的技术成熟度（TRL 9–10），由于其商业成熟度和完善的基础设施，非常适合短期政策制定[20]。相比之下，暗发酵的TRL较低（约3），更适合长期政策规划，尽管其当前技术有限，但它提供了一种生物驱动的替代方案，所需的能量较低。选择暗发酵进行分析的原因在于其较低的能源输入。因此，本研究的主要目标是：
估算泰国不同农业废弃物和转化技术的氢生产潜力。
比较多种估算氢潜力的方法论方法，并评估它们对结果的影响。
提出一个具有集成不确定性量化的稳健框架，用于评估氢生产潜力。
本研究为政策制定者、能源规划者和研究人员提供了一种透明的方法，以评估现实世界约束条件下的氢潜力。它促进了基于证据的决策，促进了农业废弃物的价值转化，并推动了泰国的低碳转型，同时为其他农业经济体提供了一个模型，以便在不扰乱现有供应链的情况下利用生物质。
材料与方法
本节包括三个小节：数据收集、使用不同技术评估生物质氢生产的方法以及不确定性分析。
结果与讨论
通过气化和暗发酵生产的氢在泰国表现出明显的空间差异，这些差异受到生物质可用性、水分含量、残留物可回收性和转化效率的区域差异的影响。讨论了通过稻草和甘蔗顶部/叶子进行气化和暗发酵生产氢的详细情况。
结论
本研究提出了一个精细的、空间明确的评估方法，用于估算泰国农业废弃物的氢生产潜力。通过纳入可回收性因子、水分含量、剩余可用性和转化效率等关键参数，所提出的方法得出了更现实和可靠的估算结果。气化的平均氢产量估计为每年128±22万吨，暗发酵为每年50±11万吨。
作者贡献声明
Hafsa Mehmood：概念构思、调查、方法论、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。
Haseeb Akbar：调查、初稿撰写。致谢
作者衷心感谢泰国曼谷吞武里皇家蒙固科技大学的联合能源与环境研究生院，以及泰国高等教育、科学、研究与创新部的能源技术与环境卓越中心的支持。
