残余生物质优化利用中整合效益与级联(cascading)效益的量化

《Energy》：Quantifying Integration and Cascading Benefits When Optimizing Use of Residual Biomass

　　

摘要：未来，残余生物质(residual biomass)可作为化石燃料的有价值替代品，既可用于能源部门（电力、供热及各种燃料），也可用于非能源用途（如塑料、饲料、肥料、地板及保温材料）。然而，目前尚不清楚哪些终端使用部门应依赖残余生物质，以及残余生物质资源的整合与级联利用(cascading utilization)能带来何种效益。本研究采用一个协同优化(co-optimize)框架，将代表燃料与非能源用途的网络流模型(network flow model, OptiFlow)与电力及区域供热(district heating)模型(EDO/Balmorel)耦合，以识别最低成本系统方案。除全球变暖潜值(global warming potential, GWP)外，环境指标——富营养化(eutrophication)及颗粒物(particulate)排放——也被纳入建模框架并分别赋予外部成本(external cost)。研究以中国2050年为对象进行应用，设定不同情景以说明允许残余生物质同时用于能源与非能源部门以及包含级联(cascading)可能性所带来的效益。研究发现，将残余生物质用于非能源部门可使CO2e排放降低15%；进一步纳入级联利用可在系统成本、温室气体(greenhouse gas, GHG)排放、养分流失(nutrient losses)及颗粒物排放方面带来额外效益。本研究量化了残余生物质的价值，表明扩展其利用途径具有显著的经济与环境效益，尤以减少富营养化为甚。

论文解读：《Quantifying Integration and Cascading Benefits When Optimizing Use of Residual Biomass》发表于《Energy》

一、研究背景与意义

为实现全球气候减缓目标，各部门的化石燃料使用须快速持续下降。生物质作为可再生的碳源，可替代化石碳生产燃料、化学品及材料，但其气候效益受土地利用变化及生长周期影响。残余生物质(residual biomass，指各类活动产生的生物源废物流，如农作物秸秆、林业残余物、畜禽粪便、餐厨垃圾、污水污泥)被视为可再生但总量有限，且为避免能源作物种植带来的生物多样性损失，许多评估主张将其资源基础限定于残余生物质。目前能源系统研究多聚焦于生物质用于能源转化（发电、供热、生物燃料），常忽视非能源部门（如生物基塑料、饲料、保温/地板材料、有机肥料）对生物质的竞争需求；即便少数研究涉及非能源用途，也较少系统纳入级联利用(industrial symbiosis/cascading use，即某工艺副产物作为另一工艺原料逐级利用)及多维环境指标（富营养化、颗粒物排放）。此外，既有能源系统模型多仅以CO₂e为环境目标，忽略淡水与海洋富营养化(eutrophication)及PM_2.5等对中国具重要意义的污染指标。中国提出2030年碳达峰、2060年碳中和目标，残余生物质被认为是贡献能源系统转型并减排的重要资源，但其跨部门最优配置及级联效益尚未被系统量化。因此，Shapiro-Bengtsen S等研究人员开展此项研究，通过构建集成电力—区域供热—生物质网络流协同优化模型，量化残余生物质在能源与非能源多用途及级联利用下的经济与环境综合效益，为中国2050年生物质资源化战略提供科学依据。

二、主要关键技术方法概述

研究人员采用硬链接(hard-linked)方式将基于节点—弧(node-arc)关系的广义时空网络流优化模型OptiFlow与基于Balmorel开发的中国电力及区域供热(district heating)优化模型EDO耦合，以最小化含投资、运行维护、燃料及环境外部成本的总系统成本为目标函数，通过电力平衡方程与热力平衡方程实现两模型同步协同优化(co-optimization)。OptiFlow中构建残余生物质（秸秆、林业残余物、畜禽粪污、餐厨垃圾、污水污泥）经厌氧消化(anaerobic digestion, AD)、热解（快/慢）、气化(gasification)+合成(Fischer-Tropsch或甲醇合成)、水热液化(hydrothermal liquefaction, HTL)、纤维素乙醇、黑水虻(black soldier fly, BSF)处理等转化路径，产出燃料（生物甲醇、SNG、生物航煤bio-jet、生物柴油、生物汽油、生物乙醇）、饲料、生物基塑料（经甲醇制烯烃methanol-to-olefins, MTO聚合为聚乙烯/聚丙烯等）、保温/地板材料、N/P肥及生物炭；级联情景允许BSF残体进入AD、AD固形物进入快/慢热解或气化等。环境指标追踪GHG（CO₂、CH₄、N₂O，生物源CO₂GWP=0），N和P入水流失量及直接PM_2.5排放，并按中国特定社会成本内化外部性。设定三种主情景：Energy（仅能源用途）、Multipurpose（能源+非能源用途）、Industrial Symbiosis（Multipurpose+级联利用），以中国省级分区（32个单元，不含港澳台）2050年残余生物质可得量、终端产品需求、传统化石基产品替代价格及环境影响数据为输入，辅以敏感性分析（技术学习速率、外部性定价水平、传统产品价格±50%、常规产品最佳情景等）。

三、研究结果

3.1. Main scenarios（主情景结果）

在Energy情景下，秸秆主要用于快速热解(fast pyrolysis)产生物汽油/柴油及水热液化(HTL)、气化产SNG与甲醇，林业残余物亦以fast pyrolysis和HTL为主，湿生物质仅经厌氧消化(AD)产沼气并升级为SNG（CO₂去除后排空），部分餐厨垃圾进入参照用途(reference use，代表未被收集利用而露天焚烧或废弃处理)。Multipurpose情景开放非能源用途后，部分秸秆与林业残余物经气化—甲醇—MTO路线生产生物基塑料(plastics)，秸秆全量满足保温材料(insulation)需求，污水污泥经BSF产饲料，残余生物质整体利用率提高，餐厨垃圾参照用途降至17%。Industrial Symbiosis情景进一步纳入级联：BSF残体进AD，AD固形物(solid digestate)进fast pyrolysis或slow pyrolysis产燃料或生物炭(biochar)，沼气升级分离的CO₂部分用于Fischer–Tropsch合成产生物航煤(bio-jet)、生物柴油及石脑油(bionaphtha)，餐厨垃圾参照用途降至11%。相较Energy情景，Multipurpose使CO₂e排放降约15%，Industrial Symbiosis进一步降低系统总成本（Energy比Industrial Symbiosis高37%，Multipurpose高27%，差异主要来自外部性成本内化；若按现行政策低外部性定价则Energy仅高1%），GHG排放、N/P流失及PM_2.5均最低；Industrial Symbiosis中因固形物不再还田而减碳封存(carbon sequestration)，但通过避免露天焚烧及高效转化获净环境收益。N/P流失在Industrial Symbiosis中显著降低（固形物热解固定养分/能量回收而非直接还田流失），PM_2.5主要来自参照用途中秸秆露天焚烧，随生物质利用率提升而大幅下降。

3.2. Sensitivity scenarios（敏感性分析结果）

外部性定价水平对结果影响显著：按现行政策(current policy)低外部性成本，Energy情景中大部分生物质进入参照用途，天然气与柴油需求由化石燃料满足，非能源产品（塑料、保温）不具经济性；提高至替代社会成本(alternative social cost)或中国社会成本(social cost)后，生物质基SNG、塑料及保温材料逐步被选用。Multipurpose+低外部性下仍有76%畜禽粪污入参照用途，Industrial Symbiosis+低外部性降至7%（级联使BSF—AD链条有利可图）。降低外部性成本使GHG排放升至社会成本情景的2.4倍（现行政策水平），PM_2.5因更多露天焚烧升高。慢技术发展（2030年投资成本延至2050，剔除秸秆/林业制建材及污泥BSF）轻微影响饲料占比，秸秆转而倾向产塑料。常规产品最佳环境情景（电力热力近零碳）GHG大降但生物质分配格局基本不变；常规产品价格±50%敏感性显示乙醇与保温材料需求对价格不敏感，地板材料(flooring)在常规产品降价时生物质覆盖率从100%降至17%，饲料与乙醇价格变动不影响生物质饲料路线但高价使乙醇全由生物质满足。

四、讨论与结论总结

讨论指出本研究量化了跨部门利用与级联利用效益，但未涉及产业共生中的风险分担与合作机制；生物质收集成本采用均一值未反映边际递增与空间异质性，养分流失因子未分区域细化，未纳入人类毒性及新型实体(novel entities, 如重金属)影响，未来可拓展。系统成本降幅高度依赖环境外部性货币化水平，按现行政策与按社会成本解读结果含义不同。

结论：将残余生物质利用扩展至非能源部门及纳入级联利用(industrial symbiosis)可显著降低系统成本、GHG排放、N/P流失及PM_2.5排放；Multipurpose情景较仅能源利用(Energy)降CO₂e约15%，Industrial Symbiosis进一步优于Multipurpose。不同外部性定价下趋势一致——利用选项越广，残余生物质价值越高。按社会净收益排序，林业残余物利用效益最大，依次为污水污泥、畜禽粪便、农作物秸秆、餐厨垃圾。研究表明能源系统优化中应考量非能源竞争需求及级联可能，采用OptiFlow—EDO类集成网络流—能源系统协同优化框架可支撑跨部门残余生物质最优配置，助力中国碳中和目标及循环生物经济(circular bioeconomy)发展，该方法具跨国或区域推广适用性。