乌克兰农作物残留物制生物甲烷的市场评估：技术经济可行性及环境性能
奥莱娜·皮梅诺娃（Olena Pimenowa）、
弗沃迪齐米尔·雷姆比什（W?odzimierz Rembisz）、
柳德米拉·乌多瓦（Liudmyla Udova）、
卢博夫·莫尔多万（Lubov Moldavan）、
扬·卡普拉诺夫（Yan Kapranov）、
博热娜·伊万诺夫斯卡（Bo?ena Iwanowska）以及
斯韦特兰娜·西特尼克卡（Svetlana Sitnicka）
《Energies》：Market Assessment of Biomethane from Crop Residues in Ukraine: Techno-Economic Feasibility and Environmental Performance
Olena Pimenowa,
W?odzimierz Rembisz,
Liudmyla Udova,
Lubov Moldavan,
Yan Kapranov,
Bo?ena Iwanowska and
Svetlana Sitnicka
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时间：2026年04月14日
来源：Energies 3.2
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摘要
全球农业每年产生超过50亿吨的收获后作物残余物，其中大部分未被用于能源生产。在先进的生物质和废物转化技术（热化学和生物化学途径）的更广泛背景下，从农业残余物中生产生物甲烷是一种补充性的废物转化为能源的方法，可以将分散的原料转化为标准化的能源载体。通过厌氧消化作物残余物来生产
摘要
全球农业每年产生超过50亿吨的收获后作物残余物，其中大部分未被用于能源生产。在先进的生物质和废物转化技术（热化学和生物化学途径）的更广泛背景下，从农业残余物中生产生物甲烷是一种补充性的废物转化为能源的方法，可以将分散的原料转化为标准化的能源载体。通过厌氧消化作物残余物来生产沼气/生物甲烷，为农业脱碳、减少温室气体排放和推动循环 bioeconomy 提供了一种有前景的途径。本研究对乌克兰从收获后残余物（特别是小麦和大麦秸秆以及玉米秸秆）中生产生物甲烷进行了技术经济、环境和市场评估。我们估计了作物残余物的原料潜力，并确定了考虑到土壤有机质需求的环保允许去除水平；同时研究了消化物和生物炭改良对提高土壤肥力、增加矿物氮可用性和提升作物产量的作用。结果表明，与化石天然气相比，生物甲烷具有显著的温室气体减排潜力。本文提出了将作物残余物用于生物甲烷生产的实际建议，作为乌克兰农业可持续发展战略的一部分。在目前的成本和政策假设下，乌克兰的许多生物甲烷项目已具备商业可行性，尤其是在天然气基础设施受损、导致对分散式天然气供应有本地需求的地区。该论文评估了在成本、监管和基础设施限制条件下，基于作物残余物的生物甲烷项目的市场评估和投资可行性。总体而言，研究结果表明，农业残余物可以作为乌克兰农业脱碳和基于生物甲烷的能源系统的关键原料。
1. 引言
全球气候变化是21世纪社会面临的关键挑战之一。化石能源使用的快速增长、森林生态系统的破坏以及其他人为活动使大气中的二氧化碳浓度增加了50%，并使地球年平均表面温度比19世纪中叶上升了1.1°C。实现碳中和需要经济各个领域的政策和措施，尤其是能源领域，后者发挥着关键作用。减少化石燃料使用并增加零碳能源的比例将有助于减少全球温室气体排放[1]。除了技术脱碳解决方案外，提高乌克兰农业景观的韧性越来越依赖于基于自然的方法，包括农林业和防护林的恢复，这些方法可以降低侵蚀风险并在气候压力下支持生态系统服务[2]。因此，在评估作物残余物用于生物甲烷生产的潜力时，必须考虑生物质去除的农业生态限制以及土壤退化的空间差异性。
农业是能源密集型行业之一，严重依赖化石燃料。牲畜产生的温室气体排放、矿物肥料的 ??以及农业残余物的焚烧仍然是主要问题。农业占全球温室气体排放量的20-24%[3]，主要来源包括土壤过程、矿物肥料的应用、能源使用、畜牧业和有机物质的降解。能源需求的增长、与气候变化相关的全球挑战以及加强能源安全的需求，凸显了寻找可再生能源的重要性。对这类资源日益增长的需求、减少温室气体排放的需要以及循环经济的实施，使得将农业残余物（收获后残余物、加工废弃物、牲畜废弃物和次级生物质）用于能源目的变得日益相关[4,5]。在作物种植和加工过程中产生的农业残余物是最容易获取但被低估的生物能源生产资源之一[6]。每年，全球农业产生超过50亿吨的植物残余物，其中只有很小一部分被用作燃料、有机肥料或工业原料。国际研究表明，农业残余物占全球生物质潜力的60%[7]，其能量相当于满足农村地区20%的供热需求。即使在发达国家，这些残余物的很大一部分也在田间直接焚烧，这降低了空气质量并增加了二氧化碳排放，尽管它们可以在不破坏环境的情况下用于能源生产[8]。尽管具有很高的能源潜力，乌克兰的农业部门产生的生物质往往未被充分利用。将这些残余物用于生物能源生产可以为提高农业效率、优化资源利用和减少环境影响提供机会。
在乌克兰，农业残余物的年潜力估计为2500万至3500万吨，其中1000万至1200万吨可以在不损害土壤恢复的情况下加以利用[9]。这与欧盟相当，在欧盟，收获后残余物占用于生产生物能源的资源的30%[10,11]。乌克兰在供热供应领域实施的国家政策设想是到2035年实现可再生能源在供热生产中占比达到40%[12]。在这种情况下，生物甲烷项目的投资吸引力不仅取决于技术经济参数和监管条件，还取决于公司将其整合到可持续商业模式中的能力。战争爆发前乌克兰领先公司的实证结果表明，商业模式可持续性与财务表现之间存在正相关关系，从而加强了投资于脱碳解决方案（包括生物甲烷）的合理性[13]。同时，欧洲生物甲烷市场的增长以及注入和出口的新机会不仅是气候方面的要求，也是市场方面的要求：处理农业生物质的项目需要根据可再生气体市场的要求和商业可行性参数进行评估。因此，除了对作物残余物潜力的技术经济评估外，还需要在关于资本支出/运营支出、物流和监管限制的现实假设下验证投资可行性（NPV/IRR/PBP），并制定在国内和出口市场中定位生物甲烷的方案。用生物能源资源替代化石燃料符合全球绿色能源转型的趋势。绿色能源已被确定为八个关键经济领域之一，其改革在未来十年内可能带来显著的GDP增长。根据国际能源署的数据，到2030年，对生物能源的需求将比2020年增加近30%，基于生物燃料的能源生产量可能与全球核能、太阳能和风能发电总量相当[14]。传统能源能力的显著破坏为乌克兰发展绿色能源创造了新的机会，这可能有助于增强该国的能源韧性。尽管有大量研究评估了农业残余物的生物能源潜力，包括作物残余物作为单独的组成部分，但仍存在一些差距。许多研究在国家或宏观区域层面估计作物残余物的潜力，而没有考虑农业生产的空间差异性[11]。此外，物流供应因素（如运输距离、原料密度、道路基础设施的可用性、季节性收集和储存选项）常常被忽视，导致对技术上可获取资源的低估[15]。作物残余物的多种用途（动物垫料、覆盖物、将有机物质返还土壤、现场焚烧）在评估中通常使用固定的可用系数，而没有考虑到区域间作物和畜牧业生产结构及土壤管理实践的差异[16,17]。此外，大多数研究依赖于统计估计，没有考虑年度产量变化、气候风险和战时因素，而这些因素对乌克兰尤为重要。
本研究的主要目标是全面评估乌克兰生物质转化为生物能源的技术可行性、经济效率、环境影响和市场潜力，重点关注其支持农业深度脱碳的潜力。本研究旨在评估从收获后作物残余物中生产生物甲烷的潜力，考虑了资源基础、技术参数和生物能源设施的经济效率。本研究的核心假设是，在农业生产过程中产生的收获后残余物代表了未充分利用的能源潜力，可以用于沼气/生物甲烷生产。将这些残余物转化为燃料可以提高能源效率、带来经济效益并减少人为环境影响。此外，研究结果表明，农业残余物（包括作物残余物）是生物能源发展的战略资源。鉴于其大量、环境优势和经济效率，它们的利用可以成为可持续能源系统的基础，有助于实现能源独立并减少农业部门的碳足迹。与之前主要关注生物能源发展一般问题的研究不同，本研究强调了乌克兰从作物残余物中生产生物能源的前景。本文详细介绍了三种评估农业作物残余物原料潜力及其转化为生物能源所使用技术的方案，突出了将作物残余物用作生物燃料原料的利弊。
2. 方法与材料
本研究采用综合跨学科方法来评估乌克兰收获后残余物的能源潜力。结合统计数据和分析数据，并对科学文献进行了广泛回顾，以识别农业残余物使用的关键趋势、限制和前景，将作物残余物视为一个独立的类别。研究的方法框架结构化，包括几个阶段，结合了不同的分析方法。在第一阶段，我们确定了谷物作物残余物最有前景的能源利用途径：沼气和生物甲烷生产。从残余物中生产生物甲烷是脱碳的战略途径。
评估谷物作物残余物作为生物能源原料的潜力
原料基础是生物能源发展中的关键因素，因为它决定了可用于生物能源和生物甲烷生产的生物质量。在乌克兰，主要的农业生物质来源是小麦、大麦和玉米等谷物作物的收获后残余物。估计作物残余物的可用潜力需要整合关于谷物产量、残余物与产品比率（RPR）、残余物含水量（MC）、农业生态限制、残余物的竞争性用途以及收集、运输和储存过程中的损失的定量数据。RPR表示每单位主要产品产生的作物残余物的质量。对于小麦和大麦，秸秆通常占谷物质量的130-150%；对于玉米，残余物占比为100-210%。也就是说，每吨谷物会产生1.3-2.1吨干残余物[18]。MC是收获后残余物的平均含水量，用于将湿质量转换为干质量。这里使用的范围（谷物秸秆为13-15%，玉米残余物为20-25%）在全球作物残余物潜力评估中是常见的[19]。AF是指可以在不破坏土壤和考虑其他用途的情况下用于能源生产的残余物份额。生物能源项目评估通常使用可持续的作物残余物去除率，以保持土壤肥力和有机碳并最小化侵蚀。根据多项研究，在温带气候下，这一比率约为谷物总残余物潜力的30%-50%，玉米残余物为30%-60%[11]。L是所有收获和物流阶段中生物质损失的综合系数。收获、打包、储存和运输过程中的损失通常占总残余物质量的10-20%（这是技术经济模型中的经验假设）。原料潜力的计算如下：
可用原料 = 产量 × 残余物与产品比率 × （1 - 含水量）× 可用于能源的残余物份额 × （1 - 损失）
作者使用2024年乌克兰国家统计局的数据，计算了小麦、玉米和大麦的作物残余物（干质量）的原料潜力。
在第二阶段，我们对从作物残余物中生产沼气/生物甲烷进行了技术经济评估。经济可行性分析包括资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、残渣物流和收集成本、技术的能源效率、平准化能源成本（LCOE）以及项目回收期（PBP）。在本研究中，区分了两种能源产品：原始沼气和升级后的生物甲烷，它们在组成、技术处理阶段和应用领域上存在差异。沼气是通过有机原料（尤其是收获后的残留物）进行厌氧消化产生的主要产物。沼气的主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），以及硫化氢（H2S）、氨和水蒸气等杂质。其组成可能因原料类型、发酵条件和处理时间而显著变化。沼气通常用于本地生产热能和电力，例如在热电联产单元中，或作为进一步处理的中间产品。
生物甲烷被定义为经过净化和升级的沼气，甲烷含量较高（通常超过95%），适合注入燃气分配网络或用作环保的机动车燃料。生物甲烷的制备过程包含多个技术步骤，包括去除CO2、H2S、水蒸气和其他杂质，以确保符合天然气质量标准。与原始沼气相比，净化后的生物甲烷具有更稳定的能量特性和更广泛的应用范围。
这些能源产品的生产过程包括两个关键技术阶段：一是通过控制工艺参数（温度、pH值、处理时间和原料组成）对有机原料进行厌氧消化以生产沼气；二是将沼气升级为生物甲烷，使用吸收、膜分离、低温分离或吸附等多种净化技术去除CO2、H2S、水蒸气等不需要的成分。这种方法提高了研究的透明度，并明确了使用原始沼气和生物甲烷之间的潜在差异。
从农作物残渣中生产沼气的经济效益通过折现现金流（DCF）方法进行评估，该方法广泛用于评估生物能源投资项目。选定的主要指标包括平准化成本、净现值（NPV）、内部回报率（IRR）和回收期（PBP），这些指标与现有的生物能源项目评价方法一致。
**经济评估方法**：计算基于20年的工厂使用寿命（对应于主要工艺设备的典型使用寿命）和10%的折现率，该折现率反映了可再生能源项目的加权平均资本成本。资本支出（CAPEX）涵盖将沼气工厂投入运行所需的所有建设和设备采购费用，包括工艺设备、土木和安装工程、原料准备、公用设施连接、工程网络、设计和调查、应急储备、许可证以及工程服务等费用。CAPEX数值来源于科学出版物，其中计算基于设备成本、建设和安装费用、原料准备基础设施、公用设施连接、项目设计和许可以及应急储备。设备成本约为240万欧元；建设和安装费用估计为设备成本的30%（72万欧元）；原料准备和储存基础设施费用为40万欧元；公用设施连接和现场工作费用为25万欧元；设计和许可费用为15万欧元。为了应对项目风险，预留了10%的应急储备，总资本支出约为400万欧元。初始投资假设发生在第0年。
运营支出（OPEX）是指运营和维护沼气及生物甲烷工厂所需的经常性费用，包括原料收集和运输、混合和加热所需的能源、劳动力成本、维护费用、化学添加剂费用以及行政费用。对于农业残渣而言，OPEX受到物流条件和原料供应季节性变化的显著影响。使用农作物残渣（秸秆）的沼气工厂的OPEX定义为设备运营和维护费用（O&M）与原料供应费用（收集、储存和运输）之和：OPEX = O&M + Cfeedstock。
在学术文献中，用于评估技术项目经济可行性的折现率通常基于加权平均资本成本（WACC），该指标考虑了融资结构、股权和债务成本以及项目实施风险。这种方法在投资决策的财务分析中是标准的，并在可再生能源技术的技术经济模型中得到广泛应用。该方法假设年产量恒定且运营成本不变，但实际数值可能因原料的季节性、价格波动和物流条件而有所变化，因此需要进行进一步的敏感性分析。
基准情景假设每年从农业作物残渣中生产520万立方米的沼气（主要是谷物秸秆），这一产量对应于一个中型独立沼气工厂，并作为评估项目技术经济性能的假设基础。这一数值与乌克兰农作物残渣资源潜力的评估结果一致，表明这种生物质类型的理论总沼气产量约为每年52亿立方米。因此，基准情景仅代表了全国潜力的一小部分，反映了单一生物能源设施在当地可获得的原料的实际水平。当前市场评估表明，技术经济合理性通常假设生物甲烷出口到欧洲的平均价格为每立方米约0.9欧元。在收入计算中，我们使用了沼气的销售价格。
平准化能源成本（LCOE）是指在整个工厂生命周期内生产单位能源的平均成本，包括资本支出和运营支出，并折现至现值。LCOE = ∑(année能量产量 / 年度能源总量) × (1 + 折现率)^(-年度数)。
对于生物甲烷（LCOBm），该指标表示在整个工厂生命周期内分配的总投资和运营成本（以每立方米甲烷或生物甲烷的欧元计）。LCOE表明项目在其服务寿命内回收全部投资和运营成本的最低能源价格。
生物甲烷的生产技术潜力相对较高，特别是对于玉米残渣而言。当遵循残渣处理规则时，其环境效益超过了负面影响，且对于中型和大型项目来说在经济上是高效的。净现值（NPV）是衡量投资项目经济效率的关键指标，反映了未来折现现金流的现值减去初始资本投资。NPV考虑了资金的时间价值，可用于评估该项目相对于其他投资的经济价值。
在从农作物残渣中生产生物甲烷的背景下，正的NPV表明生物甲烷销售的折现收入超过了整个工厂生命周期内的总投资和运营成本。对于恒定的年度现金流，NPV可以用年金公式表示：NPV = 现金流 / (1 + 折现率) ^ 年数。NPV被用作投资决策的基础标准，也是确定IRR（使NPV等于0的折现率）的标准；作为计算LCOE/LCOBm的盈亏平衡价格的标准；以及评估生物能源项目长期财务可持续性的指标。NPV将所有关键经济参数（CAPEX、OPEX、产量、产品价格和风险）整合为一个综合指标，从而能够客观评估从农业残渣中生产生物甲烷的经济可行性。
内部回报率（IRR）可用于评估生物甲烷生产的投资吸引力，比较生物甲烷项目与其他可再生能源技术，并测试经济结果对价格、成本和产量变化的敏感性。IRR表示项目的效率。当NPV = 0时，IRR = ∑(年度现金流 / (1 + IRR) ^ 年数。IRR通过数值解方程NPV = 0来确定，这是可再生能源投资项目财务和经济评估的通用方法。因此，IRR是NPV的重要补充，提供了从投资风险和预期回报角度对经济分析结果的解释。
回收期（PBP）是指通过项目产生的累计净现金流来回收初始资本投资所需的时间。PBP反映了资本回收的速度，是评估投资项目流动性和短期财务风险的关键指标。
在第三阶段，我们提出了环境评估。具体来说，我们描述了用于估算减排量的反事实情景，并解释了消化物作为有价值的有机肥料的作用。本研究的功能单位是标准条件下的1立方米生物甲烷（CH4），因为Nm3 CH4是最适合与天然气进行比较的单位，适用于分析向燃气传输系统的注入情况以及评估化石燃料的替代效应。
在系统边界方面，采用了“从摇篮到使用”的方法，包括以下阶段：收集农作物残渣（打包、装载、农场内部操作）；将原料运输到沼气工厂（典型距离30–50公里）；厌氧消化（包括能源使用、自身消耗和排放）；将沼气提纯至生物甲烷质量（去除CO2、压缩）；注入燃气管网或最终使用（包括压缩机能耗）；以及消化物管理（储存、田间施用、矿物肥料替代，如适用）。反事实情景代表了在没有生物甲烷项目的情况下的替代资源利用方式，用于量化相对于基准情况的温室气体减排量。考虑了两种基准情况：1. 替代化石天然气：生物甲烷在燃气分配网络中替代天然气。减排量计算公式为Δ GHG = GHGNG ? GHGBM，其中GHGNG是每立方米甲烷的天然气温室气体排放量，GHGBM是每立方米甲烷的生物甲烷生命周期温室气体排放量。
在GHGBM的计算中，我们参考了以下数据来源：NG排放—2.75公斤CO2当量/立方米甲烷；AD和升级过程中的甲烷损失—2.4%；运输和残渣收集排放—0.15公斤CO2当量/立方米甲烷；消化物信用—0.50公斤CO2当量/立方米甲烷。因此，GHGBM = EFCH4_loss + EFN2O_loss + EFproduction ? Creditdigestate，其中EFCH4_loss是甲烷损失的百分比；EFN2O_loss是与消化物/肥料施用相关的排放；EFproduction是来自残渣收集、运输和破碎的温室气体排放；Creditdigestate是由于使用生物甲烷替代矿物肥料而产生的减排量。通过使用农作物残渣中的生物甲烷代替天然气，总温室气体排放量减少了约3.03公斤CO2当量/立方米甲烷。
在从农作物残渣中生产生物甲烷的情况下，正的NPV表明生物甲烷销售的折现收入超过了整个工厂生命周期内的总投资和运营成本。对于恒定的年度现金流，NPV可以用年金公式表示。IRR用于投资决策的基础，也是确定IRR（使NPV等于0的折现率）的标准；计算LCOE/LCOBm的盈亏平衡价格的标准；以及评估生物能源项目长期财务可持续性的指标。根据生命周期评估（LCA）研究，即使考虑到储存和田间施用过程中可能产生的N2O和NH3排放物，消化物的温室气体（GHG）信用额也能将总特定生物甲烷排放量减少约7.5克二氧化碳当量（g CO2-eq/MJ）[33]。从LCA的角度来看，这意味着生物甲烷系统避免了与生产（尤其是氮素）、运输和施用合成肥料相关的排放，从而对温室气体平衡产生负贡献，这一贡献被称为消化物GHG信用额[35]。消化物GHG信用额的计算公式为[35]:
GHGdigestate = GHGavoided fertilizers ? GHGapplication，
其中GHGavoided fertilizers是指由于使用消化物替代合成肥料而减少的排放量；GHGapplication则是指在田间施用消化物时所产生的额外排放量。当缺乏可靠数据时，会采取保守的方法，即不给予任何信用额。
在生物甲烷的生产和升级过程中，甲烷泄漏是决定整个生物甲烷生命周期内温室气体减排总量关键因素。鉴于甲烷的全球变暖潜力高于二氧化碳，即使少量的CH4损失也会显著影响生物能源系统的总温室气体排放量。根据最近的LCA研究，将沼气升级为生物甲烷过程中的甲烷泄漏通常约为产出的1%，这一数值与膜分离和水洗涤升级技术的报道结果一致[36]。同时，运营中的农业沼气厂的实证测量表明，整个技术链（反应器、气体储存、升级、压缩）的总甲烷损失可达约2.4%，这反映了运行条件、技术控制水平以及设备设计特点的影响[31]。因此，对利用作物残余物生产生物甲烷的温室气体分析结果在很大程度上取决于对甲烷泄漏率和消化物管理方式的假设。
在对利用收获后作物残余物生产生物甲烷的生命周期评估中，还考虑了其他环境影响类别：酸化潜力（AP）和富营养化潜力（EP）。酸化潜力的评估基于在生物质运输、厌氧消化过程以及消化物使用过程中可能产生的酸化物质（尤其是氨NH3、氮氧化物NOx和二氧化硫SO2）的总量。富营养化潜力的评估则基于消化物储存和土地施用过程中可能进入水生生态系统的氮和磷化合物的潜在损失。这些指标的计算公式如下：
AP = ∑ (Ei × CFi)，单位为千克二氧化碳当量（kg SO2-eq）；EP = ∑ (Ei × CFi)，单位为千克磷酸盐当量（kg PO43—eq），其中Ei表示物质i的排放量；CFi表示该物质的影响等效系数[37]。
作者强调了生物炭的重要作用，其施用可以提高土壤肥力，增加矿物质氮含量，并使作物产量最高增加40%。本研究采用了比较分析、信息系统化和评估等方法。该研究的结论为确保乌克兰生物能源行业的可持续发展提供了战略建议。利用作物残余物生产的生物能源有助于农业脱碳、提高能源安全性、促进循环经济发展以及低碳能源体系的建设。本研究采用的方法论确保了结果的可靠性和可重复性，同时使其在国家和国际背景下都具有相关性。研究中使用的所有数据均来自权威的开放获取来源，从而保证了分析的客观性和结论的准确性。
本研究的一个基本阶段是使用Scopus数据库进行了系统性文献回顾，搜索词为“作物残余物”和“生物能源”或“乌克兰”。截至2026年2月13日，搜索结果共返回1495篇文献，其中320篇发表于过去三年（2023年以来），这表明在持续的全境战争背景下，人们对生物能源的研究兴趣正在增长（图1）。然而，在过去三年中，只有146篇科学论文与能源行业直接相关，其中107篇聚焦于乌克兰农业领域的生物能源发展，包括战时情况（图2）。
根据乌克兰生物能源协会的最新估算，农业残余物仍然是乌克兰生物质的主要来源，占总生物能源潜力的约42%[38,39]（图3）。收获后的作物残余物是主要作物收获后产生的农业残余物的重要组成部分，包括谷物秸秆、玉米、葵花籽和油菜籽茎秆、糠皮等留在田间的植物残余物。这些生物质资源具有季节性、大量的生成量和较高的有机物含量，使其成为重要的可再生能源来源。收获后作物残余物的数量取决于播种面积的结构、作物产量、收割技术以及作物生产的农艺特征。
3.1. 作物残余物能源利用的最有前景途径是沼气和生物甲烷生产
沼气是由底物在厌氧甲烷生成发酵过程中产生的混合气体，主要成分包括甲烷（55-75%）、二氧化碳（25-45%）、硫化氢以及氢气、氨、氮氧化物等其他杂质[40]。通过甲烷生成发酵生产沼气的原料可以是任何含有足够量可生物降解有机物的生物质（表1）。
3.1.1. 评估作物残余物的原料潜力
为了估算作物残余物的原料潜力，我们使用了三种典型参数值以及乌克兰国家统计局的统计数据。2024年，小麦的总产量为2350万吨，玉米为2410万吨，大麦为530万吨[42]。
**场景1（最低值）**：
计算时采用最低参数值：
- 小麦的原料利用率（RPR）= 1.3；
- 大麦的原料利用率（RPR）= 1.3；
- 水分含量（MC）= 13%；
- 作物残余物的可用性（AF）= 0.3；
- 损失率（L）= 0.10。
**小麦残余物计算：**
- 理论残余物体积：RPRwheat × Y = 2350 × 1.3 = 3055万吨；
- 调整水分后的干质量：3055 × (1 ? 0.13) = 2658万吨；
- 可用于能源的体积：2658 × 0.30 = 798万吨；
- 考虑损失后：798 × (1 ? 0.10) = 718万吨。
因此，小麦秸秆的可用潜力约为720万吨干质量。
**玉米残余物计算：**
- 理论残余物体积：RPRmaize × Y = 2410 × 1.0 = 2410万吨；
- 调整水分后的干质量：2410 × (1 ? 0.20) = 1928万吨；
- 可用体积：1928 × 0.30 = 578万吨；
- 考虑损失后：578 × (1 ? 0.10) = 520万吨。
因此，玉米残余物的可用潜力约为520万吨干质量。
**大麦残余物计算：**
- 理论残余物体积：RPRbarley × Y = 530 × 1.3 = 689万吨；
- 调整水分后的干质量：689 × (1 ? 0.13) = 599万吨；
- 可用体积：599 × 0.30 = 180万吨；
- 考虑损失后：180 × (1 ? 0.10) = 162万吨。
因此，大麦秸秆的可用潜力约为160万吨干质量。
综上所述，大约有1400万吨干生物质可以用于生物能源生产，而不会对农生态系统产生不利影响。
**场景2（基准值）**：
采用中等典型参数值：
- 小麦的原料利用率（RPR）= 1.4；
- 大麦的原料利用率（RPR）= 1.4；
- 水分含量（MC）= 14%；
- 作物残余物的可用性（AF）= 0.4；
- 损失率（L）= 0.15。
**小麦残余物计算：**
- RPRwheat = 960万吨；
- RPRmaize = 960万吨；
- RPRbarley = 220万吨。
此情景下可利用的干生物质总量为2140万吨。
**场景3（最高值）**：
采用最高典型参数值：
- 小麦的原料利用率（RPR）= 1.5；
- 大麦的原料利用率（RPR）= 2.1；
- 水分含量（MC）= 15%；
- 作物残余物的可用性（AF）：小麦为0.5，玉米为0.6；
- 损失率（L）= 0.2。
**小麦残余物计算：**
- RPRwheat = 1200万吨；
- RPRmaize = 1820万吨；
- RPRbarley = 270万吨。
基于2024年的数据，小麦、玉米和大麦的干生物质总潜力为3290万吨。
第二和第三种情景是最适合在不损害土壤和环境的情况下利用作物残余物生产生物能源的方案。
3.1.2. 运营支出计算
运营支出（OPEX）包括运营和维护成本以及与原料相关的成本。在生物能源项目中，运营和维护成本通常占总资本支出（CAPEX）的3-6%（不包括原料成本）[43]。
O&E = CAPEX × kO&M
- 假设：
- CAPEX = 400万欧元；
- kO&M = 4.5%（生物气厂的典型值）；
- O&M = 4000 × 0.045 = 每年18万欧元（包括人员、辅助电力消耗、维修、试剂和保险费用）。
原料成本计算（针对农业残余物）包括以下内容：
1. **原料需求计算**：
- 生成目标沼气量所需的秸秆质量为：
Mstraw = Qb × Yb
其中Qbg为年沼气/生物甲烷产量（m3/年），Ybg为每吨干物质的沼气产出量（m3）。
典型的每吨干物质沼气产量约为350立方米，即Qbg = 520万立方米/年；
Mstraw = 5,200,000/350 = 14,900吨/年。
2. **收集、储存和运输成本**：
在乌克兰，秸秆的收集、打包、储存和运输成本通常在30-40欧元/吨之间[44]。
Cstraw = 35欧元/吨；
Cfeedstock = 15,000 × 35 = 每年52.5万欧元。
**总运营支出（OPEX）：**
OPEX = 180 + 525 = 每年70.5万欧元。
年度运营和维护成本估计占总资本支出的4.5%，即每年18万欧元。原料成本基于每年约15,000吨的秸秆需求和每吨35欧元的平均成本计算得出，总计为每年52.5万欧元。因此，总运营支出（OPEX）为每年70.5万欧元。
3.1.3. 平均资本支出（LCOE）计算
接下来我们计算LCOE，即项目在其生命周期内回收所有投资和运营成本所需的最低能源价格。
以生物甲烷为例：
- CAPEX = 400万欧元；
- OPEX = 70.5万欧元/年；
- 折现率（r）= 10%；
- 项目寿命（n）= 20年；
年产量（Eannual）= 520万立方米沼气，相当于升级后的292万立方米生物甲烷。
年化现值（CAPEX）计算如下：
CAPEXannual = 400 × (1 + 0.1^(-20) = 470万欧元/年。
LCOE = 470 ÷ (1 + 0.01^(-20) = 0.47 �/m3。
因此，生物甲烷价格需高于0.4 �/m3时，该项目在经济上才具有可行性。
3.1.4. 净现值（NPV）计算
计算净现值（NPV）需要几个步骤：首先估算年收入和净现金流，然后计算现金流的现值。
年收入定义为沼气产量与其销售价格的乘积：
Revenue = Vbg × Pbg
其中Vbg为年沼气/生物甲烷产量（m3/年），Pbg为沼气销售价格（欧元/立方米）。
收入 = 292 × 10^6 × 0.9 = 2628万欧元/年。
每年的净现金流（CF）为：
CF = Revenue ? OPEX
CF = 2628万欧元 ? 70.5万欧元 = 1923万欧元/年。
接下来计算现金流的现值（PV），即将未来的现金流折现到当前价值。
在投资项目财务分析中，PV用于在不同运营年份的基础上比较收入和成本。PV表示未来现金流的现值。
成年现金流（年金）的公式为：
PV = CF × (1 ? (1 + r)^(-n)
代入数值：PV = 2623,000 × (1 ? (1 + 0.1)^(-20) = 1,923,000 × 0.8514 = 1,637万欧元。
最终净现值（NPV）计算：
NPV = 1,637 ? 400 = 1,237万欧元。
因此，在0.9 �/m3的销售价格下，该作物残余物沼气项目的NPV为正数（1,237万欧元），表明在需求稳定和长期合同的情况下具有较高的财务吸引力。这一结果凸显了定价政策和支持机制在确保生物能源项目经济可行性方面的关键作用。这样的NPV水平与将沼气升级为生物甲烷或在高端市场销售能源的情景相符。
3.1.5. 内部收益率（IRR）计算
内部收益率（IRR）定义为使净现值为零的折现率。
对于年金现金流，公式为：
IRR = CAPEX × (1 ? (1 + r)^(-n)
代入数值：
IRR = 400 × (1 ? (1 + 0.1)^(-20) = 2.08
因此，IRR = 44%。
在这种情景下，由于资本成本相对较低且产品售价较高（0.9 �/m3），该项目具有极高的盈利能力。
简单回收期（PBP）计算为：
PBP = 4000 ÷ 2.08 = 2.1年
项目将在两年内收回投资，表明在0.9 �/m3的价格下具有快速的投资回报和较高的盈利能力。
为了评估基于收获后作物残余物生产的生物甲烷项目的财务稳健性和可靠性，对关键经济和技术参数进行了定量单因素敏感性分析。分析涵盖了关键因素，如生物甲烷的市场价格、资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、每单位原料的甲烷产量、甲烷泄漏率以及原料的可用性。对于每个参数，都考虑了基准值以及乐观和悲观的情景，以反映现实世界条件下的可能变化，如表2所示。表2显示了从收获后作物残余物生产生物甲烷的经济指标的单因素敏感性分析。表2中的结果显示了每个参数的变化如何影响净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和回收期，从而确定了最关键的风险因素。这种方法提供了对项目经济效率的更现实的评估，展示了可能的财务结果范围，并增强了结论的方法论稳健性，特别是在考虑到农业气候条件的区域异质性、土壤有机碳水平和基础设施可用性的情况下尤为重要。因此，从收获后残余物中生产沼气是一种经济上合理的解决方案，它结合了能源效率和对农业资源的合理利用。将沼气升级为生物甲烷会增加投资成本，但产生的产品具有更高的市场价值和更灵活的最终用途（如并入电网、运输、联合发电）。由于沼气生产取决于原料类型、成分和数量，因此没有普遍适用的技术解决方案。将生物质升级为生物甲烷需要先去除原始沼气中的不良成分，如硫化氢、氨和硅氧烷，然后再进行富集（去除二氧化碳）。沼气厂内部会进行去除硫化氢和水蒸气的预处理。典型的生物甲烷厂配备了沼气净化和升级装置、生物甲烷质量监测装置以及将生物甲烷注入电网的装置[45]。从经济角度来看，当原料价格适中、具备残余物收集基础设施、有支持性政策（上网电价、配额、脱碳补贴、碳信用）以及可以综合利用副产品（热能、电力、生物甲烷和肥料：消化物）时，生物甲烷生产具有竞争力[46,47]。对于乌克兰来说，技术经济指标（CAPEX/OPEX、LCOE/LCOG）处于与欧洲实践一致的范围内，在适当的市场激励下可能具有竞争力。将获得的技术经济结果与科学出版物中的数据进行比较，表明它们与当前对欧洲生物甲烷项目的估计总体一致。特别是，生物甲烷的生产成本通常在40至120欧元/兆瓦时（0.4至1.2欧元/立方米）之间，具体取决于原料类型、工厂规模和物流成本[45]。研究表明，从农业废弃物和收获后残余物中生产的生物甲烷的平准化成本（LCOE）通常在70至140欧元/兆瓦时（0.7至1.4欧元/立方米）之间，具体取决于升级技术和物流效率[48,49]。此外，关于使用木质纤维素原料的研究表明，预处理和物流成本显著影响生物甲烷项目的经济效益[50,51]。这与本研究的结果一致，其中成本结构和生产规模决定了关键的经济指标。本研究获得的数值处于上述范围内，证实了所采用的CAPEX和OPEX假设的合理性。同时，这些结果与国际能源署Bioenergy的分析评估[52,53]一致，这些评估指出生物甲烷成本结构中的资本支出占比很高，并且经济指标因系统技术配置的不同而存在很大差异。因此，这种比较确认了所获得的经济估算与当前科学方法的一致性，在欧洲背景下尤其如此，特别是对于专注于利用农业残余物的项目。
3.1.6 生物甲烷生产潜力的计算
我们根据2024年获得的可利用干生物质潜力来估算生物甲烷生产潜力（m3 CH4/年），使用以下公式：
BM = MDM × BMP
其中BM是生物甲烷潜力，单位为m3 CH4/年；MDM是可利用的作物残余物的干物质量，单位为吨干物质/年；BMP是特定甲烷产量（生化甲烷潜力），单位为m3 CH4/吨干物质。
对于农业残余物，全球沼气评估使用以下平均BMP值：小麦秸秆190–210 m3 CH4/吨干物质；大麦秸秆180–200 m3 CH4/吨干物质；玉米秸秆210–230 m3 CH4/吨干物质[54]。
在基准情景（不考虑乐观假设）下，我们采用以下数据：小麦200 m3 CH4/吨干物质；玉米220 m3 CH4/吨干物质；大麦190 m3 CH4/吨干物质（这是未经深度预处理的木质纤维素生物质的保守平均值）。
在计算生物甲烷潜力时，我们使用2024年情景2（基准情景）下的可利用干物质量：小麦960万吨；玉米960万吨；大麦220万吨。
使用平均特定甲烷产量值：
小麦（秸秆）：BMwheat = 9.6 × 10^6 × 200 = 19.2亿m3 CH4/年
玉米（残余物）：BMmaize = 9.6 × 10^6 × 220 = 21亿m3 CH4/年
大麦（秸秆）：BMbarley = 2.2 × 10^6 × 190 = 400万m3 CH4/年
因此，根据作者的计算，在保守假设条件下，2024年乌克兰的小麦、玉米和大麦残余物每年可产生约44.2亿m3的生物甲烷。其中玉米残余物的贡献最大（约50%），其次是小麦秸秆（约40%），而大麦秸秆的贡献相对较小。
值得注意的是，44.2亿m3的生物甲烷相当于44.2亿m3的天然气，相当于乌克兰战前国内天然气消耗量的30%，而这些生物甲烷仅来自三种作物的残余物（不包括能源作物和畜牧业废弃物）。
**环境评估**
使用农业残余物生产生物能源具有显著的减排效果，因为它们替代了化石燃料，减少了不受控制的有机分解产生的甲烷排放，并防止了作物残余物的露天焚烧，这是许多农业区域常见的问题[55]。从农业残余物生产沼气/生物甲烷的生命周期评估显示，与传统燃料相比，温室气体排放减少了60–120%，具体取决于系统配置和副产品的使用情况[56,57]。
另一个环境效益是产生了消化物，可以作为有机肥料使用，从而促进农业系统的循环利用并减少对合成肥料的依赖。同时，环境绩效取决于残余物的可持续移除；过度移除可能会对土壤有机质平衡产生不利影响。因此，现代研究强调“环境安全移除”的原则[11,55]。
作为消化物温室气体减排信用额度的定量示例，可以参考LCA研究中关于沼气系统的例子。根据[32]，替代矿物肥料可避免的排放量约为10–12克二氧化碳当量/兆焦耳的沼气，而与消化物应用相关的额外排放量约为2–4克二氧化碳当量/兆焦耳。因此，净消化物温室气体减排信用额约为7.5克二氧化碳当量/兆焦耳。按单位体积转换，这相当于大约0.27千克二氧化碳当量/1 Nm3 CH4，与其他LCA估计的农业生物甲烷系统的结果一致[31]。
评估的系统边界包括技术链的主要阶段：收集和准备收获后作物残余物、将生物质运输到沼气厂、厌氧消化过程、将沼气净化和升级为生物甲烷质量、将消化物作为有机肥料储存和使用，以及将生物甲烷作为化石天然气的替代品进行运输和最终使用。这种方法可以更全面地考虑生物能源系统生命周期内的所有主要排放源和环境影响。
环境评估还包括AP（酸化潜力）和EP（生态影响）指标，这些指标不仅能够评估气候影响，还能评估生物甲烷生产系统的其他重要环境方面。
为了全面评估生物甲烷生产的环境影响，在LCA框架内，以小麦秸秆为例计算了AP和EP指标。计算基于与原料输送、厌氧消化和消化物处理相关的技术过程产生的典型排放量。
AP是基于酸性物质（特别是氨NH3）、氮氧化物（NOx）和二氧化硫（SO2）的总排放量进行评估的。EP则是氮（N）和磷（P）对环境的累积影响[58]。
表3列出了用于计算1立方米生物甲烷生产的AP、EP和GWP的输入数据。计算结果表明，1立方米生物甲烷生产的AP约为0.0048千克SO2当量/立方米，而EP约为0.0019千克PO4当量/立方米。这些额外指标补充了传统的温室气体减排数据，提供了对生物甲烷生产系统环境状况的更全面描述。在当代沼气/生物甲烷LCA研究中，使用多维指标是一种普遍接受的做法，有助于理解包括酸化和养分负荷在内的全部环境后果。
在生物甲烷生产的生命周期评估中，考虑了液态粪肥储存和处理过程中的甲烷（CH4）泄漏情况及其减排信用额，使用了文献中提出的平均值[58]。根据计算，GWP为0.0075千克二氧化碳当量。具体CH4排放值取决于粪肥处理的技术参数（如储存时间和储存方法）以及影响排放率的气候条件。使用标准化系数可以比较结果，并评估液态粪肥减排对生物甲烷生产整体环境的影响。
甲烷（CH4）泄漏反映了技术解决方案对全球变暖潜力的贡献，并考虑到液态粪肥储存过程中的排放减少。这种方法能更准确地表征使用收获后作物残余物实施生物甲烷生产技术的整体环境影响。通过扩大生命周期评估范围并使用多维环境指标，可以更全面可靠地评估生物能源系统的环境影响。
为了评估甲烷泄漏对收获后作物残余物生产中总温室气体排放的影响，进行了甲烷泄漏率（1–5%）的敏感性分析。由于甲烷具有较高的全球变暖潜力，即使是其泄漏率的小幅变化也会显著影响系统的环境性能。
表4展示了不同甲烷泄漏情景下的总温室气体排放情况，从而评估了LCA结果对此参数的敏感性及可能的环境影响范围。基准情景下的泄漏率为2.4%，总排放量为320吨二氧化碳当量，其中甲烷排放占最大份额。当泄漏率降低到1%时，总排放量降至250吨二氧化碳当量，即使甲烷损失相对减少，也显示出显著的环境效益。相反，如果泄漏率增加到5%，总排放量升至450吨二氧化碳当量，比基准情景增加了40%。这突显了LCA结果对甲烷泄漏变化的高度敏感性，鉴于其较高的全球变暖潜力。因此，即使泄漏率仅有适度增加，也会显著降低系统的温室气体减排效率，在规划生产技术和甲烷监测系统时必须予以考虑。
当沼气转化为生物甲烷时，会留下大量（30–40%）的二氧化碳，这些二氧化碳可以用于温室作物生产。二氧化碳能够促进作物更早和更活跃的开花并提高产量，这也是为什么温室常建在生物甲烷厂附近的原因[45]。
**市场评估**
全球生物甲烷市场正在快速发展，特别是在欧洲，生物甲烷被视为能源转型、交通运输脱碳和天然气 Grid 脱碳的关键要素。支持措施包括上网电价（FITs）、绿色补贴、可再生气体证书、碳信用和工业脱碳计划[61]。在许多欧盟和北美国家，生物甲烷正在按照明确的质量标准被整合到天然气网络中。
由于减少对进口天然气的依赖、发展低碳运输（CBG/LBG）以及扩大可再生气体市场的战略能源优先事项，生物甲烷的需求也在增长。预测表明，到2030-2040年，生物甲烷将在农村经济和农业能源系统中发挥越来越重要的作用，使农业能够融入现代能源市场[11,62]。总体而言，从农作物残余物中生产沼气和水合物结合了高技术成熟度、经济可行性（在高效物流和政策支持下）、显著的环境效益以及有利的市场前景。这有助于农业脱碳、提高能源安全、发展循环经济，并形成低碳能源系统。
3.2. 将农作物残余物转化为能源的技术
生化技术
厌氧消化是指在无氧条件下微生物分解有机物的过程。关键步骤包括：
- 水解——将复杂的聚合物材料转化为其他微生物可利用的简单可溶性化合物；
- 酸生成——将糖和氨基酸转化为氢气、二氧化碳、氨和有机酸；
- 乙酸生成——将有机酸转化为氨、醋酸、二氧化碳和氢气；
- 甲烷生成——由产甲烷古菌将这些产物转化为二氧化碳和甲烷（CH4的形成）[63,64]。
厌氧消化是将农业废弃物转化为沼气最常见的方法。由于结构原因，木质纤维素材料的生物利用率较低，需要预处理[65,66]。常用的预处理方法包括：机械处理（减小颗粒大小至10-20毫米）、热处理（120-180°C）、化学处理（碱性处理）以及组合方法。
木质纤维素的复杂结构（纤维素+半纤维素+木质素）要求在消化前打破生物聚合物。有效的处理方法包括：机械粉碎 → 气体产量增加15-30%；热化学处理（例如碱性处理）→ 气体产量增加40-80%；以及生物方法（白腐真菌）→ 气体产量增加10-25%[67,68]。
研究表明，不同木质纤维素基质（如小麦秸秆）的平均甲烷产量为：每吨干物质180-250立方米CH4[69]；玉米秸秆为200-280立方米CH4/吨干物质[66,70]；向日葵秸秆为160-220立方米CH4/吨干物质[66,70]。具体数值取决于纤维结构、木质素含量及所采用的预处理方法。
通过厌氧消化产生的沼气通常含有55-60%的CH4，而经过提纯后的生物甲烷则含有约97%的CH4。
厌氧消化过程涉及不同微生物群体的有序相互作用，确保复杂有机化合物逐步分解为更简单的产物。每个阶段都有特定的微生物群落、生化反应和最佳环境参数，这些因素决定了沼气形成的效率。厌氧消化的主要阶段、微生物特征、主要反应产物及最佳工艺条件归纳在表5中。
热技术
热化学过程包括热解（300-700°C）以生产生物炭、生物油和合成气；气化——在有限氧气供应下将生物质在800-1200°C下转化；以及燃烧——这是最简单但效率最低的技术。
有效地利用生物质产生热能和电能标志着乌克兰第四次能源转型的开始。前三次能源转型——从木柴到煤炭、从煤炭到石油、从石油到天然气——已基本完成。
目前，根据生物质含水量不同，有两种技术可用于将生物质能转化为燃料。一种有前景的途径是热解，它能使产生的产品有效应用于现有设备。热解的一个限制因素是需要外部热源来启动过程，这会显著增加热解产品的成本。研究人员指出，生物质热解也可以在自热模式下进行，即只需初始加热至指定温度，之后过程会因自身热释放而自动继续。秸秆热解也是放热的[71]。
提供给原料的热量（Q）用于水分蒸发（Q1）、加热至生物质开始分解的温度（Q2）、加热至碳残留物形成完成（Q3）以及挥发产物的损失（Q4）。Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + QTE (1) 当热效应超过热解所需的总热量时，过程即为自热的。因此，公式(1)可转化为表示生物质自热热解条件的公式(2)：QTE = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 (2) 在235-575°C温度范围内，秸秆的热效应为1475千焦/千克。总热效应取决于生物质的水分含量。当水分含量为30.5%时，所需热量等于热效应。这一数值可作为秸秆自热处理的阈值[71]。表6列出了影响特定生物质类型热解实施的指标[71]。
气化是在高温下、有限氧气条件下对生物质进行热化学转化的过程，产生可用于发电、供热或合成燃料的合成气（CO, H2, CH4）[72]。
残余物的直接燃烧用于锅炉、热电联产（CHP）电厂和锅炉-涡轮机组中，以在联合发电系统中产生热能或电能。
自热热解技术能够从农业废弃物中生产高质量的生物炭肥料。近年来，由于生物炭在某些情况下可使农业产量提高30-40%，因此在全球范围内越来越受到关注[73]。将生物炭施用于土壤可显著增加土壤中的氮含量[74]，从而减少氮肥的需求，进而减少天然气在氮肥生产中的使用。生物炭的独特性质包括[73]：改善土壤结构；促进植物生长；增加土壤中Ca、Mg、P和K的可用性；提高根区土壤水分和养分保持能力；防止土壤结块；增强根系对养分的吸收；提高土壤肥力。在一个生产周期内，既生产生物燃料又生产肥料，有助于平衡农业领域的环境和经济因素。
全球研究人员报告称，在俄勒冈州的干旱地区，每英亩添加10吨生物炭可提高小麦产量近30%。在南美洲，农民在种植幼年可可树时使用生物炭，可将收获可可果实的时间缩短一半[75]。
将生物炭施用于土壤可减少养分渗漏，从而减少额外施肥的需求并节省肥料成本。从长远来看，生物炭可能成为碳农业的重要组成部分；其使用可加速获得碳证书及相关补偿。
4. 讨论
来自农业废弃物（包括农作物残余物）的生物能源是实现农业部门脱碳的关键工具。它减少了排放，为农民创造了新的收入来源（沼气、颗粒燃料、生物质），提高了能源独立性，并支持资源循环利用。同时，这需要投资基础设施和技术（如气化、厌氧消化），面临环境挑战（如土壤保护），并需要明确的政策和市场激励措施来推动其规模化[76]。
对于乌克兰而言，特别重要的因素包括丰富的废弃物资源基础、对替代进口天然气的高需求、融入欧洲生物甲烷市场的机会以及经济的农业导向。
乌克兰拥有欧洲最大的农业生物质潜力之一。每年产生约3500-4000万吨农作物残余物。其中，经济上可行的是利用1200-1500万吨，相当于每年50-70亿立方米的生物甲烷或30-40太瓦时的热能。这可以替代大量进口天然气。
将作物残余物留在田地里有助于避免土壤有机碳的损失，并改善土壤肥力和防侵蚀能力。肥力的提高通过改善土壤结构和持水能力、促进有益微生物生长以及丰富土壤中的有机物质和养分（氮、磷、钾、微量元素等）来实现。同时，移除部分残余物可以利用它们来生产热能和/或电能、固体生物燃料（颗粒或压块）、沼气/生物甲烷，或作为牲畜饲料或垫料[76,77]。
国际研究的发现被作者归纳为三种作物残余物处理方案：
- 情景1：以20%的速度移除作物残余物，对土壤有机碳的损失最小。研究显示，将残余物归还土壤可显著增加有机碳储量（残余物归还后土壤有机碳增加11.3%[78]。
- 情景2：移除30%的作物残余物会减少土壤有机碳[79]。
- 情景3：以40%的速度移除作物残余物，除非进行补偿，否则会将土壤有机碳降至危险水平。研究指出，大量移除残余物可使表土中的有机碳减少约11%[80]。
因此，部分移除（例如最多30-40%）不会威胁土壤碳含量，前提是确保残余物归还或用有机改良剂（消化物、生物炭）进行补偿以维持长期有机碳水平。
为防止土壤退化，建议移除的残余物质量不超过30-50%（例如保留30-40%的秸秆以保持腐殖质；在有机质充足的土壤上，玉米秸秆移除量不超过50%）。过度移除会减少腐殖质，破坏水分平衡，加剧侵蚀并降低产量。应使用消化物和生物炭改良剂来恢复土壤。
因此，只要遵守不超过40%的规范限制并使用消化物和生物炭作为有机肥料，部分移除作物残余物不会对土壤构成威胁。在这种情况下，腐殖质水平每年的下降幅度小于0.1%，养分平衡保持中性或正向。
研究表明，农业残余物是生产沼气和水合物的稳定且丰富的原料来源[46]。欧洲国家已经成功地将生物甲烷整合到天然气传输网络中，用于替代运输、工业和能源领域的天然气[81]。
小麦秸秆和玉米秸秆是厌氧发酵的理想基质。表7显示了不同类型作物残余物的沼气产量[7]。
根据国际能源署（IEA）的估计[55]，由于乌克兰农业部门发达，该国拥有欧洲最大的生物甲烷潜力之一。同时，研究人员指出，沼气项目的经济效率在很大程度上取决于物流、季节性和副产品的可用性[39]。
根据乌克兰生物能源协会的数据，估计来自作物残余物的生物甲烷潜力为每年52亿立方米的CH4。其中大部分潜力来自玉米秸秆（48.0%）和小麦秸秆（27.3%）。各地区作物残余物的生物甲烷潜力范围从1000万到4.47亿立方米/年不等，中部和北部地区的潜力最高，西部地区最低[8]。
乌克兰运营的生物甲烷工厂使用的原料包括牲畜废弃物（粪便、禽类垫料）、玉米青贮饲料、甜菜浆和其他农业残余物，也可能包含一些作物残余物。科学文献中未报告仅以作物残余物为唯一或主要原料生产生物甲烷的案例。例如，位于赫梅利尼茨基州、里夫涅州、沃伦州、伊万诺-弗兰基夫斯克州和基辅州的VITAGRO集团每年利用农业残余物（包括作物残余物）和动物废弃物生产约300万立方米的生物甲烷（2024年数据）[82]；位于切尔尼戈夫州和基辅州的Hals Agro公司每年利用粪便、玉米青贮饲料和甜菜浆生产约300万立方米的生物甲烷（2023-2025年数据）[83]。在这些项目中，作物残余物被视为整体原料混合物的一部分，而非唯一的原料。
乌克兰能源部报告称，乌克兰生产商现在可以通过乌克兰天然气传输系统向欧洲出口生物甲烷。这为乌克兰的生物能源生产商开辟了新的市场，并支持该国融入欧洲能源体系[84]。
生物甲烷同时满足两个条件：出口高价值产品且不存在重大的物流问题。即使在战争期间，生物能源行业的发展仍在继续。
利用农业原料生产沼气和水合物被视为欧盟的战略方向；根据REPowerEU的数据，到2030年，废物产生的生物甲烷潜力可能超过350亿立方米[85]。
根据专家评估和分析研究，由于技术进步和原料基础的扩大，到2030年生物甲烷市场可能会显著扩展。生物甲烷的年产量可能增加到15亿立方米；在原料浓度高的地区可以建立生物质精炼厂；并且可以将沼气综合体整合到奶牛场和谷物农场中，以优化物流和提高气体生产效率[86]。根据《国家生物能源发展计划》，截至2024年初，乌克兰共有68个沼气厂，总发电能力约为135兆瓦，以及24个固体燃料（生物质）发电厂，总能力约为178兆瓦。这相当于生物质和沼气领域的总生物能源能力约为319兆瓦（不包括被占领地区）[87]。将作物残留物用于生物能源既有优势也有风险。将残留物转化为生物能源的优势包括：环境效益——减少温室气体排放；废物利用和减少土壤及水污染；降低田间秸秆焚烧的风险；经济效益，如为农业生产者带来额外收入；创造本地能源市场；以及减少对进口能源的依赖。将作物残留物纳入能源循环可以为农业企业创造额外的收入来源，促进本地能源市场的发展，并降低能源依赖性。在许多地区，由于矿物肥料和废物处理成本的降低，经济效益得到提升；农业效益还包括通过消化物将养分返还土壤，改善土壤结构，并促进与农场系统的整合。使用作物残留物的风险包括需要进行木质纤维素预处理、季节性限制、物流和储存要求、需要遵守农业生态生物质去除规范，以及高昂的生物能源装置前期资本成本。农业废弃物的木质纤维素特性使得它们在生物化学转化方面具有挑战性，但同时也比能源作物更具韧性和可获得性。鉴于这些优势，农用生物质成为农村地区可持续发展的重要组成部分。生物能源价值链的市场部署需要发展物流和基础设施，并制定支持性政策。研究人员指出，2020年至2022年间，乌克兰农业残留物的市场潜力约为940万吨油当量（Mtoe），约占该国总生物质潜力的43%[39,88]。
研究局限性和不确定性来源：
- 输入数据的局限性：原料、能源和经济潜力的计算基于泛化的统计和科学文献数据。具体而言，产量值、作物残留物比率（RPR）、水分含量、收集和运输过程中的损失以及生物甲烷产量参数（BMP）被视为乌克兰的平均值或典型范围。实际数值可能会因具体农场、年份、土壤和气候条件以及作物生产技术而大相径庭。
- 区域差异：由于乌克兰具有显著的农业气候和结构多样性，不同地区的作物分布以及用于覆盖和向土壤中返还有机物的作物残留物需求存在显著差异。本研究仅通过生物质可用性系数间接反映了这些差异；未详细分析各地区残留物使用情况。
- 原料潜力参数的不确定性：作物残留物潜力受残留物与产品比率（RPR）、残留物含水量（MC）、收集/储存/运输过程中的损失以及在不损害土壤的情况下可移除的生物质比例等因素的影响。这些参数在文献中存在较大范围的变化，导致最终结果的累积不确定性。即使一个参数的微小变化也会显著影响计算出的可获取生物量体积和生物甲烷生产潜力。
- 关于作物残留物去除率的假设：基准情景假设部分去除残留物（20-40%），这与文献中的常见方法一致，前提是有机物得到补偿（例如，通过消化物或生物炭）。然而，在实践中，允许的去除率取决于初始土壤有机碳含量、耕作系统、作物轮作以及有机肥料的可用性。因此，全国范围内统一应用单一去除标准是一种简化；结果应被视为情景估计，而非精确预测。
- 生物甲烷生产和注入的基础设施限制：计算的技术和经济潜力并未充分考虑空间和基础设施限制，包括农村地区天然气分配和传输网络的有限可用性；向当地网络注入的技术限制；建设压缩站、计量节点和气体质量控制系统的需求；以及地区间的连接成本和复杂性差异。即使有足够的原料，这些因素也会显著影响特定项目的可行性。
- 环境评估（LCA）的局限性：环境评估基于典型的排放因素，包括甲烷泄漏、升级和消化物处理等。实际排放量可能因工厂密封性、消化物管理实践和当地农艺条件而大相径庭。此外，应用消化物温室气体信用假设其用于农业用途并替代矿物肥料；当缺乏可靠数据时，结果可能会被高估。
结果解释：鉴于这些局限性，结果应被视为生物甲烷生产潜力的情景估计；作为比较不同方案（残留物去除水平、经济参数、环境影响）的工具；以及进一步开展更详细区域研究的基础。生物气和生物甲烷生产实际应用在很大程度上取决于当前的监管环境和市场条件。影响商业效率的关键因素包括补贴和政府支持——为生物甲烷生产者提供的财政激励可以显著降低投资风险并缩短项目回收期；原产地保证——清洁能源认证系统为生物甲烷提供了额外的市场价值，并有助于其融入天然气分配网络；以及市场价格波动——生物甲烷和电力价格的变化会影响项目的经济可行性，因此考虑价格情景非常重要。考虑到这些方面，可以更客观地评估技术部署的前景，并增加结果在投资和监管决策中的实际价值。
短期内，通过扩大结合农业生产者（包括农民）、加工企业和能源基础设施的区域性生物甲烷集群（森林-草原和草原地带），以及适应农业原料季节性的模块化中小型生物甲烷装置，可以实现生物甲烷生产规模的扩大。将生物甲烷整合到乌克兰的天然气传输系统中需要简化连接程序、发展注入基础设施并建立原产地保证体系。同时，生物甲烷价值链的扩大越来越依赖于数字化监测和数据基础设施，以验证可持续原料来源、跟踪供应链性能并支持可靠的原产地保证。最近关于在区域生态系统层面使用人工智能进行可持续性监测的证据突显了数据驱动方法的潜力以及与乌克兰生物甲烷监测和追溯架构直接相关的治理限制（数据质量、透明度、机构能力）[89]。政府支持应集中在对投资的财政激励、碳证书市场的发展以及国际融资的动员上。
因此，使用作物残留物作为生物燃料生产原料在技术上是可行的，对环境有效且具有经济潜力。它是乌克兰农业部门脱碳和发展战后循环经济的最有效途径之一。
**结论**：本研究强调了合理利用农业残留物在生物能源中的战略重要性，这有助于增强农业生产韧性、支持低碳经济的发展，并确保乌克兰向可再生能源的平衡过渡。结果表明，农业残留物具有巨大的生物能源潜力，并可能在生物甲烷产业的发展中发挥关键作用。从农业原料中生产生物甲烷是一种有前景的技术，可以替代天然气并实现气候目标。对于乌克兰来说，建议制定利用木质纤维素农业原料的国家战略，同时考虑地区资源潜力和现有基础设施限制[45]。总体而言，从收获后作物残留物中提取生物甲烷是绿色能源发展的战略方向，它结合了能源部门的脱碳、能源生产的经济可行性、土壤肥力的保持以及农村地区社会经济的提升。它可作为农业部门可持续发展的基础，并成为乌克兰融入欧洲能源空间的重要元素。此外，这种原料在乌克兰几乎所有地区都具有显著的资源潜力，其中中部和北部地区的浓度最高。从收获后作物残留物中生产生物甲烷是乌克兰生物能源发展的一个有前景的方向，它结合了技术经济可行性、显著的环境效益，并有可能成为向可持续低碳能源转型的重要组成部分[9,38]。技术经济分析表明，在优化生物质收集物流、采用现代厌氧消化技术并将生物甲烷整合到现有天然气传输基础设施的情况下，从收获后作物残留物中生产生物甲烷是可行的。长期来看，此类项目可能在经济上与化石能源资源具有竞争力。根据作者的计算，2024年乌克兰小麦、玉米和大麦的农业残留物每年可产生约44.2亿立方米的生物甲烷（基于保守的残留物可用性和甲烷产量假设）。这一量的生物甲烷相当于44.2亿立方米的天然气，占乌克兰战前国内天然气消耗量的30%，并且完全来自这三种作物的残留物。本研究的主要结论是，基于农业残留物的生物能源发展将促进向循环经济原则的转变、有机废物的有效利用、减少温室气体排放、在农业部门创造附加值、降低国家对能源的依赖以及恢复农业景观。只要将消化物返还到收集农业生物量的田地中，利用收获后作物残留物生产沼气和生物甲烷在农艺、环境和能源方面都是合理的解决方案。这种方法有助于维持土壤有机质的平衡，防止土壤退化，并尽量减少额外的温室气体排放。在企业和区域层面，这需要技术经济优化以及评估竞争力的正式模型，以实现农业部门内不同投资和管理路径的比较[90]。在这种逻辑下，来自作物残留物的生物甲烷可以被视为一种实际“路径”，其中结果的证据基础和制度设计决定了资源潜力是否能够转化为可持续的市场路径。同时，将生物甲烷生产从作物残留物扩大到市场规模需要与循环经济框架和欧盟政策工具保持一致，后者对证据、可追溯性和供应链可持续性结果的可比性提出要求。欧盟在循环经济政策和二次资源供应治理方面的经验表明，监管和制度设计决定了资源潜力是否能够转化为可持续的市场路径[91]。
