基于技术经济分析的离网地区供电混合可再生能源系统（HRES）研究

《BioEnergy Research》：Analysis of Hybrid Renewable Energy Systems (HRES) for Electricity Supply in Off-grid Regions Based on Techno-Economic Analysis

　　

混合可再生能源系统是为全球离网地区提供电力的一种替代方案。本研究旨在比较多种混合可再生能源系统（HRES）情景在哥伦比亚某离网地区为720 kWh/day负荷供电时的技术经济表现。为此，研究人员依次开展了以下工作：（i）区域特征表征与电力需求设定；（ii）提出HRES构型方案；（iii）开展沼气实验生产；（iv）利用Aspen Plus v 14.0与Aspen Process Economic Analyzer v14.0软件对沼气生产过程进行模拟与技术经济评估；（v）基于模拟工具或文献获取HRES各组成部件的经济数据；以及（vi）利用HOMER PRO软件对全部HRES构型进行同步分析。结果表明，在较小规模条件下，沼气生产与燃烧并不可行，因为原料可得性与沼气产率是最关键的约束因素。由于太阳辐射强度与晴空指数较低，太阳能光伏（PV）无法单独满足目标负荷需求。最佳情景为柴油发电与太阳能光伏的组合，其净现值成本（NPC）与平准化度电成本（LCOE）分别为0.89 M.USD和0.39 USD/kWh。该结果与离网地区当前电价（0.33 USD/kWh）具有竞争力。研究结论指出，仅依赖沼气无法实现能源转型，因为所需原料量相对于农村社区废弃生物质产量而言过于庞大。基于较低的发电成本，太阳能被认为是推动分散式能源生产最具前景且最快速的选择。

该文发表于《BioEnergy Research》，聚焦哥伦比亚离网地区电力保障中的能源转型问题。研究背景在于，能源安全是保障民生福祉与社会发展的基础，而离网地区长期面临供电时长不足、对柴油等化石燃料依赖度高、电价高且系统韧性不足等现实困境。可再生能源系统（RES）被广泛视为提升电力可及性、降低环境负荷的重要路径，但单一可再生能源在资源波动、设备投资、土地占用和运行稳定性方面均存在局限。混合可再生能源系统（HRES）因可整合多种能源载体，被认为更适合分散式供能场景。然而，现有研究多偏重系统层面的优化，对生物能源子系统尤其是沼气生产过程缺少深入的实验与流程模拟分析，导致生物质路线的经济性和可实施性常被高估或简化。基于这一问题，研究人员围绕哥伦比亚San Juan de la Costa, Tumaco离网地区，系统比较了柴油、太阳能光伏（PV）、沼气及其组合的多种HRES方案，以识别在真实资源约束和成本边界下更具可行性的供电路径。

在技术方法上，研究人员首先利用IPSE的逐时、逐日和逐月监测数据建立2024年区域负荷基线，并结合NASA Power数据库获取太阳辐射、晴空指数与温度数据；其次，以可可荚壳（CPH）为生物质原料开展厌氧消化实验，通过生化甲烷潜力（BMP）测试评估未预处理与液态热水预处理（LHW）原料的产气性能；随后借助Aspen Plus v 14.0与Aspen Process Economic Analyzer v14.0对沼气生产工艺进行过程模拟和成本估算；最后将组件技术参数和经济数据输入HOMER PRO，对不同HRES构型进行统一技术经济评价。样本与案例来源为哥伦比亚Tumaco附近离网社区及其周边可可生物质资源。

研究结果部分围绕多个小标题展开，并逐步证明不同能源路径的适用边界与最优方案。

Raw Material Characterization
研究人员首先对未预处理CPH进行原料表征，包括工业分析、总固体与有机总固体测定、元素组成估算以及高位热值（HHV）评估。结果显示，未预处理CPH挥发分含量较高、灰分处于文献可比范围，高位热值为17.12 MJ/kg，表明其作为生物能源原料具有一定潜力。总固体含量约为18.9%，含水率较高，这也解释了其更适合生物转化而非直接热化学转化。经LHW预处理后，原料中有机总固体占比提高，说明预处理改变了固液组成并促使部分无机组分和纤维组分溶出。

Theoretical Biogas and Methane Production Potential
基于Buswell方程，研究人员计算了CPH的理论产沼气与产甲烷潜力。未预处理CPH理论产沼气量为971.22 L/kg VS，理论甲烷产量为490.84 L/kg VS，理论沼气中CH₄和CO₂体积分数分别约为50.52%和49.48%。这一结果说明，从化学计量学角度看，CPH具备较高的厌氧产气上限，优于部分常见果蔬废弃物，因此在原料性质层面具备沼气化价值。

Biogas Production Test
在生化甲烷潜力（BMP）实验中，未预处理CPH表现优于LHW预处理CPH。未预处理样品30天累计产沼气量达到730 L/kg VS，生物降解性约为75%，高于部分既有报道。其平均沼气组成为CH₄ 56.19%、CO₂ 43.81%，并检测到81.22 ppm H₂S，表明生成沼气具有可用于燃烧发电的能源品质。相比之下，预处理样品产气量仅为306.49 L/kg VS，较未预处理下降约60%，生物降解性降至32%。研究人员据此认为，尽管LHW预处理可能降低木质纤维素结构的抗降解性，但同时可能释放酚类等抑制性化合物，从而抑制厌氧消化过程并削弱最终产气表现。因此，在本研究设定条件下，预处理并未带来工艺增益，反而降低了沼气生产效率。

Biogas Production Process Simulation Results
研究人员进一步利用Aspen Plus v.14.0对沼气生产流程进行了过程模拟，包括原料处理、厌氧消化、沼气净化和干燥等环节。模拟结果表明，当CPH进料量为13.1 kg/h时，厌氧消化器体积约为33 m³，可获得1.28 m³/h的沼气体积流量，对应约2.88 kWh_e的发电能力。结合设备配置与人工需求估算，沼气生产成本约为0.23 USD/m³。这一结果说明，从单元过程角度看，CPH制沼气在工程上可实现，但其产气规模和发电能力偏低，为后续系统级不可行性结论提供了量化依据。

Economic Performance of HRES
在HOMER PRO综合评价中，研究人员比较了多种供电场景。结果显示，包含沼气的方案在该案例中均难以成为主导供能路线。按照5%的CPH可利用比例估算，沼气系统年发电量仅为25.40 MWh/year，仅能满足总需求的9.65%，无法独立支撑负荷。即便放宽原料可得性假设，所需可可种植面积和原料物流规模仍十分庞大，技术上虽可设想，但现实中缺乏可操作性。纯太阳能光伏方案同样不可行，原因是当地太阳辐射和晴空指数偏低，导致光伏系统独立供电时难以满足720 kWh/day负荷，且发电成本上升。相比之下，情景1（柴油基准方案）、情景4（柴油+沼气）和情景5（柴油+太阳能）在满足负荷方面可行，但经济性差异明显。情景4由于引入沼气生产线，资本支出（CapEx）和运行支出（OpEx）均大幅上升，NPC和LCOE最高，缺乏经济吸引力。情景5即柴油-太阳能光伏耦合方案表现最佳，太阳能可部分替代柴油机工作、降低柴油消耗并延长设备寿命，因此其NPC与LCOE最低。文中结果指出该方案的NPC约为0.89 M.USD，LCOE处于0.32–0.39 USD/kWh范围，整体上与当地现行电价具有竞争性，且优于单纯柴油发电的模拟结果。

从讨论部分来看，论文核心观点在于，离网地区的能源转型不能脱离资源禀赋、原料物流和系统规模的现实约束。虽然生物质在理论上可提升HRES的可再生能源占比，并增强系统多样性，但在本研究案例中，CPH的可收集量、运输组织难度和单位发电规模共同限制了沼气路线的可行性。太阳能光伏虽然受限于当地辐照条件，无法独立承担负荷，但其模块化、运维简化和较低边际成本使其成为最适合与柴油系统协同部署的过渡性技术。研究的重要意义在于，不仅比较了不同HRES情景的成本差异，还通过实验与流程模拟纠正了对生物能源模块的过度理想化认识，说明在离网农村地区，生物质能源并不必然优于太阳能，系统设计必须建立在真实的原料产率、资源可得性和工程成本基础之上。

研究结论部分可译述为：研究人员以可可荚壳（CPH）为原料评估了沼气生产及其发电潜力。未预处理CPH较液态热水预处理（LHW）CPH表现出更高的产沼气量与生物降解性，其产气量达到730 L/kg SV。混合可再生能源系统（HRES）可用于满足哥伦比亚某离网地区居民及商业用电需求，总供电规模为263 MWh/year。太阳能光伏（PV）若以独立形式部署，将因电力成本升高而不具备实施优势。沼气路线难以与太阳能光伏竞争，因为其在原料物流、工艺运行和过程控制方面更为复杂，而太阳能面板所需人工时更少、运行更简便。最佳构型是由传统柴油供电模式转向柴油-太阳能光伏组合系统，该方案可将净现值成本（NPC）和平均度电成本（LCOE）分别降低至0.89 M.USD和0.32 USD/kWh。因此，该方案是最具经济可行性的实施路径，可作为离网地区启动能源转型的优选方案。