《Energies》：Valorization of Poultry Litter Through Anaerobic Digestion in Small-Scale Farm Energy Systems: A Techno-Economic Case Study in Cameroon
Francesco Baldi,
Martina Santucci,
Maria Elena Bini,
Yanick Kenne,
Simone Beozzo and
Alessandra Bonoli
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为解决资源受限地区能源供应不稳定与禽粪废弃物管理困难的双重挑战，研究人员开展了禽粪基沼气系统在喀麦隆小型农场中集成应用的技术经济优化研究。结果表明，在考虑废弃物处置约束时，厌氧消化（AD）可集成入能源系统，其沼气可替代部分液化石油气（LPG）和网电。尽管仅从能源角度评估，AD在经济上竞争力不足，但结合废弃物管理目标，其在推进能源-废弃物综合管理策略和循环资源利用方面具有重要意义。
在喀麦隆等许多资源受限国家，一个看似矛盾的现象长期存在：一方面，生物质资源（如农业废弃物）丰富；另一方面，可靠的能源服务和现代化的废弃物管理却严重匮乏。超过半数人口无法稳定获得电力，更多人仍依赖木柴和木炭等传统生物质进行烹饪和取暖，这不仅加剧了森林砍伐，也带来了严重的室内空气污染问题。与此同时，随着人口增长和畜牧业集约化发展，禽类养殖成为全球增长最快的肉类生产部门，由此产生的大量禽粪（poultry litter）若处置不当，会污染水土，并释放强效温室气体甲烷（CH4）。能否将这种“负担”转化为“宝藏”？厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术提供了一种可能性，它能将禽粪等有机废弃物转化为富含甲烷的沼气，用于供热或发电，同时产生可作为有机肥的消化液（digestate），实现能源回收与养分循环。然而，对于喀麦隆一个典型的小型家禽养殖场来说，投资建设沼气系统真的划算吗？与购买网电、液化石油气（Liquefied Petroleum Gas, LPG）或安装太阳能光伏（Photovoltaic, PV）板相比，其经济性如何？这项技术能否在解决能源需求的同时，有效应对日益严峻的废弃物管理挑战？为了回答这些问题，由Francesco Baldi, Martina Santucci等人组成的研究团队，在期刊《Energies》上发表了一项针对喀麦隆雅温得郊区一个小型家禽农场的深入案例研究。
研究人员采用了基于混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming, MILP）的技术经济优化框架。该方法的核心是将农场（及附近一个家庭住宅）的整个多向量能源系统（包括可能的PV发电、禽粪AD产沼气、电网购电、LPG购买、电池和沼气储存，以及各种用能设备）建模为一个优化问题，以系统年化总成本（Total Annualized Cost, TOTEX）最小化为目标，求解在满足特定能源需求（电力、供暖、生活热水、烹饪）和物料平衡约束下的最优设备配置与容量。研究构建了包含能源与物料流动的超结构模型，并设定了多种情景，关键变量是强制本地化利用禽粪的比例（从0%到100%），以模拟不同严格程度的废弃物管理政策或目标对系统设计的影响。研究还评估了是否允许使用电池以及厌氧消化器投资成本大幅降低（模拟外部补贴）等不同条件。
研究结果
1. 经济性表现：成本与约束的权衡
在无禽粪处置约束（即可以全部外售或处置）的最优情景下，系统年化总成本最低，约为2680欧元/年。当强制要求最多50%的禽粪需在本地通过AD资源化利用时，总成本上升至3720欧元/年。若要实现75%或100%的禽粪本地利用，总成本将显著增加至5380欧元/年和6980欧元/年。成本上升的主要原因是厌氧消化器的高额投资成本（CAPEX）。在所有约束情景中，由于沼气利用减少了外部能源购买并可向电网售电，系统的运营成本（OPEX）为负值。
2. 能源结构变化：沼气替代效应
随着本地禽粪利用比例的提高，沼气产量增加。产生的沼气首先替代了用于雏鸡加热的LPG。当产量进一步增加时，沼气也开始通过燃气发动机发电，逐步替代从电网购买的电能。图中展示了不同情景下的年度能源流量来源变化。
3. 最优系统配置：技术选择与容量
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光伏（PV）系统：由于其低成本和高收益，在农场和住宅处均被安装至允许的最大容量。
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厌氧消化器：仅当存在禽粪处置约束时才会被选中安装，且只安装在农场。其安装容量（高质量/HQ型）随着约束的加严（从最小10 kW）而增加，在100%利用情景下达到23.2 kW。配套的沼气储存容量也相应增加。
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燃气发动机：低质量（LQ）发动机因投资成本低，被安装在住宅处以应对停电。在农场，一旦有沼气可用，便会安装一台小型的HQ发动机；随着沼气量增加，还会增装LQ发动机以满足峰值需求。
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电池：在无约束情景下，农场会安装电池；但在有禽粪利用约束的情景下，电池被燃气发动机取代，因为发动机可利用沼气提供更灵活的电力供应。
4. 无电池情景的影响
在禁止使用电池的情景下，系统总成本仅有边际上升。系统配置上的主要变化是电池被容量更大的燃气发动机所取代，这反映了在缺乏储能灵活性时，需要更多即时发电能力来应对需求，特别是停电期间。
5. 补贴的影响
当模拟厌氧消化器投资成本因补贴而大幅降低（降至1%）时，优化结果与强制100%禽粪本地利用且无电池的情景一致，表明资本成本是阻碍AD经济可行的主要瓶颈。
结论与讨论
本研究的主要结论是，在当前的假设成本下，如果仅从能源供应经济效益的角度评估，基于禽粪的厌氧消化在喀麦隆的小型农场场景中并不具备经济竞争力。高昂的消化器投资成本是其主要障碍。然而，这项技术的价值远不止于能源生产。
研究发现，当接受适度偏离纯经济最优解时（例如，将最多50%的禽粪在本地资源化），系统成本的增长相对平缓。这意味着，如果将废弃物管理目标纳入决策框架，厌氧消化可以作为一种合理的选项，为实现能源-废弃物综合管理策略做出贡献。这与循环经济（circular economy）的理念高度契合，即通过AD将禽粪从环境负担转化为可再生能源和有机肥料的来源，从而在农场层面实现能源和物料循环的闭合。
研究还指出，在诸如国际发展合作等外部资本支持可能到位的背景下，厌氧消化系统可能变得更具吸引力，因为初始投资可以被覆盖，而系统运行产生的负运营成本（节省能源开支、减少废弃物处置费用）有助于维持其长期运营。此外，沼气作为一种可储存、可调度的能源载体，能够与间歇性的太阳能光伏形成互补，增强小型电网的稳定性。
当然，研究也存在一些局限性，例如未详细考虑AD工艺本身的复杂性（如氨抑制、温度波动影响）、消化液作为肥料的环境效益精确量化、以及未来高比例光伏接入对沼气上网电价的影响等。这些都为后续更深入的技术迭代、环境生命周期评估（LCA）以及社区级系统的研究指明了方向。
总而言之，这项针对喀麦隆的案例研究清晰地揭示，在资源受限地区推广小型沼气技术，不能仅仅算“能源账”，更要算“综合账”和“长远账”。它不仅是关于一度电、一立方气是否便宜，更是关于如何可持续地管理废弃物、改善土壤健康、减少温室气体排放，并最终构建更具韧性的小型农业生态系统。当这些多维度的价值被充分认识并纳入政策与投资考量时，禽粪沼气这颗“遗珠”的真正光芒才有可能被点亮。
