下一代能源枢纽：先进的生物质转化技术，可同步产生电力、氢气与氨气，且几乎实现零排放

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Next-generation energy hub: Advanced biomass conversion for co-generation of power, hydrogen, and ammonia with near-zero emissions

　　阿米拉利·希尔扎德|阿亚特·加雷赫加尼|贾布拉伊尔·阿巴比·萨拉伊|阿尔曼·阿杜利
伊朗科技大学机械工程学院，伊朗德黑兰

摘要
生物质作为一种可再生且可持续的原料，有助于确保稳定持续的能源供应。本研究探讨了一种以生物质为驱动的多联产系统，该系统将生物质气化与S-Graz氧燃料循环相结合，在低碳框架下同时产生电力、氢气、氨和淡水。为评估其技术、热力学及环境可行性，研究人员进行了详细的能量、耗散功、经济性及环境影响分析。这些分析深入揭示了子系统间的相互作用、能量转换路径以及影响整体系统性能的损耗机制。研究结果表明，通过人工神经网络和NSGA-II算法进行优化，可有效平衡耗散功效率、氨产量与成本降低，从而简化决策过程并提升系统性能。优化后的系统可实现396.7千瓦的净发电量，同时产出45.56千克/秒的淡水、478.04千克/小时的氨以及164.8千克/小时的氢气，这些产出能够满足城市环境的能源与水资源需求。此外，S-Graz循环可实现近乎零的运行排放，每小时可避免558.88千克的二氧化碳排放，有助于全球减少二氧化碳水平的努力。该优化系统的整体耗散功效率为31.8%，总运营成本降至每小时206.8美元。

引言
随着全球能源需求的持续上升以及传统能源资源的逐渐枯竭，环境问题日益严峻，能源行业也成为了可持续发展讨论的核心。一个多世纪以来，天然气、煤炭和石油等化石燃料一直是工业发展与现代社会的支柱。然而，它们的大量使用带来了严重的环境和生态问题。大规模燃烧化石燃料是温室气体排放的主要来源，而二氧化碳则是人类活动导致气候变化的首要因素。根据政府间气候变化专门委员会的报告，人为排放的二氧化碳占全球温室气体总量的70%以上，这导致了大气变暖、海平面上升以及各种极端天气事件，威胁着全世界的生态系统和人类居住区。此外，化石燃料燃烧还会产生氮氧化物、硫氧化物和颗粒物等污染物，降低空气质量，引发呼吸系统疾病、心血管疾病和过早死亡[1]。由硫氧化物和氮氧化物引发的酸雨会破坏森林、土壤和水生系统，而长期使用化石燃料还会通过改变自然栖息地加速生物多样性的丧失。除了环境恶化之外，对有限化石燃料资源的依赖还引发了能源安全和经济脆弱性问题，因为不稳定的燃料价格和地缘政治因素会干扰能源供应的稳定性[2]。鉴于这些复杂的挑战，人们迫切需要转向既可持续、清洁、具有适应性，又能确保可靠供电同时减少环境危害的能源系统[3]。

在这种背景下，生物质、太阳能和风能等可再生能源作为可持续替代能源受到了广泛关注。然而，大多数可再生能源具有间歇性，且单一输出系统的局限性促使人们开发多联产能源系统，这类系统通过整合多种热力循环，同时产生电力、氢气、淡水及其他有价值的产品[4]。通过生物质气化，有机原料可被热化学转化为合成气，这种方式比直接燃烧更具灵活性和效率。气化过程产生的燃料更加清洁，排放更少，且灵活性更高，因为城市固体废物、林业副产品以及农业残余物都可以作为原料[5]。这使得生物质能源系统在有机废物丰富的地区极具吸引力，既能保护环境，又能带来经济利益[6]。尽管具有诸多优势，传统的生物质能源系统往往仅能实现单一输出，主要是电力，这限制了其效率和可持续性潜力。为克服这一局限，研究人员开始研究整合多种热力循环和子系统的生物质多联产系统。Rashidi等人[7]采用能量和耗散功分析方法，结合差分进化与局部单模采样等多目标优化策略，对一种生物质气化多联产系统进行了分析，结果表明该系统在降低成本的同时提升了耗散功效率。Ghorbannejad等人[8]进一步拓展了这一理念，研究了一种利用木屑气化生产氢气、二氧化碳和电力的系统。虽然该系统通过引入固体氧化物燃料电池显著提升了电力输出和系统性能，但也会向环境中释放二氧化碳。Abedinia等人[9]则提出了一种整合固体氧化物燃料电池、卡利纳循环、质子交换膜电解槽以及湿干式海水淡化系统的多联产系统配置，该系统可同时产生电力、热量、氢气和淡水，能量效率达53.66%，淡水产出率为0.1632千克/秒，且经济回报期仅为4.01年。这些研究凸显了多联产系统在提升效率和可持续性方面的潜力，但也反映了系统集成与优化的复杂性。

将生物质与其他可再生能源相结合的混合型多联产系统尤其受到关注，因为它们可以利用不同能源的互补优势[10]。例如，太阳能和地热能可以与生物质系统结合，提供热稳定性和灵活性，进而提升整体系统性能[11]。Ghasemi等人[12]研究了一种结合线性菲涅尔集热器太阳能、城市固体废物气化、氢气生产以及海水淡化的生物质/太阳能多联产系统，该系统实现了38.8%的能量效率与32.2%的耗散功效率，还能产生154.1兆瓦的电力、每天280千克的氢气以及每小时265.4立方米的淡水，同时具备良好的经济与环境效益。类似地，Yuksel等人[13]提出了一种生物质气化多联产系统，可产生电力、氢气、氨、淡水以及冷却功能。他们的热力学和经济性分析显示，该系统的能量效率高达70.92%，耗散功效率为68.87%，充分体现了多联产整合的优势。为进一步提升生物质多联产系统的环境性能，近期研究着重于将氧燃料燃烧与碳捕获技术相结合。在各类先进热力循环中，S-Graz循环因其能够实现完全的二氧化碳分离以及在较高工作温度下的高效率而展现出巨大潜力[14]。不过，目前仅有少数研究探讨了将S-Graz循环纳入生物质驱动的多联产系统，尤其是与质子交换膜电解槽和氨合成回路等以氢气为导向的子系统相结合的情况[15]。将生物质气化与S-Graz循环相结合，旨在实现燃料使用的灵活性以及完全的二氧化碳分离，而氨合成的引入则满足了人们对无碳能源载体的日益需求。Nami等人[16]研究了一种零排放多联产系统，该系统整合了地热驱动的有机朗肯循环、质子交换膜电解槽、甲醇合成装置以及S-Graz循环。他们设计的系统实现了42.4%的耗散功效率与1.737的可持续性指数，其中有机朗肯循环的低压蒸发器被认为是耗散功损失的主要来源。在此基础上，同一团队后来进行了更为详细的耗散功经济性分析[17]，结果显示产品单位成本为24.88美元/吉焦，耗散功效率为36.7%。他们的研究指出，S-Graz循环是资本投入最大的组件，而有机朗肯循环则是最具成本效益的单元。此外，He等人[18]提出了一种新型多联产装置，通过5E分析方法研究了结合S-Graz循环、铜氯循环以及氨合成循环的系统，该系统实现了45.6%的能量效率与41.2%的耗散功效率，同时还能产生151,488千瓦的电力，以及0.22千克/秒的氢气和1.88千克/秒的氨气。总体而言，这些研究都表明，S-Graz循环作为一种环保、零排放的多联产系统方案，尤其是在与可再生生物质结合使用时，具有巨大潜力。

氢气生产也是清洁能源系统中发展迅速的领域之一[19]。虽然有多种途径可以生产氢气，但几乎所有方法都依赖于水分解过程，而这一过程需要大量的电能[20]。基于生物质的多联产系统，尤其是那些采用S-Graz氧燃料循环的系统，能够为电解槽提供所需的可持续电力。氢气不仅是一种清洁的能源载体，还在甲醇和氨等工业化学品的生产中发挥着重要作用，而这些化学品对于能源存储和工业应用至关重要。Tukenmez等人[21]开发了一种太阳能-生物质多联产系统，该系统可同时产生电力、氢气、氨以及热水，其耗散功效率与能量效率分别达到55.64%和58.76%，能够产生20,125千瓦的电力、0.3336千克/秒的氨气以及0.0855千克/秒的氢气。Bin Shahid等人[22]则设计了一种多联产系统，可提供冷却、电力、供热、水以及氨气。该系统通过电解氢气和相变储能技术，实现了18.9%的耗散功效率与28.0%的能量效率，同时还减少了近60%的碳足迹。Wen和Aziz[23]设计了一种可再生能源多联产系统，该系统结合了太阳能和风能，可在提供10兆瓦稳定基荷电力的同时生产氢气和氨气。他们的研究显示，该系统的最大耗散功效率与能量效率分别为73.1%和50%，每年可产出994.5吨氢气和7201吨氨气。Raab等人[24]对融入电网的可再生氢气进行了技术经济性分析，估计目前的生产成本为每千克4至6欧元，而根据未来成本预测，这一数值有望降至2.50欧元/千克。Yuksel等人[25]研究了一种地热多联产系统，该系统可产生电力、清洁水、氢气以及氨气。他们的热力学分析显示，该系统的耗散功效率与能量效率分别为72.26%和75.07%，其中地热入口条件被认定为影响最大的参数。

水资源短缺与能源安全问题一样，已成为全球面临的重大挑战，这也促使人们将海水淡化技术纳入多联产系统之中。海水淡化技术大致可分为热法，如多效蒸馏、多级闪蒸，以及膜法，尤其是反渗透技术。热法需要大量的热能输入，且通常依赖化石燃料，因此存在一定的可持续性顾虑[26]。相比之下，反渗透技术更具能源效率，且对环境的影响更小，因此非常适合与基于可再生能源的多联产系统相结合[27]。Behzadi等人[28]提出了一种基于生物质的多联产系统，该系统整合了固体氧化物燃料电池、燃气轮机、反渗透海水淡化装置以及双效吸收式制冷机，可用于生产电力、冷却剂以及淡水。该系统每天可产出817.9千克的淡水，耗散功效率为38.16%，成本为每吉焦69.47美元。Sorgulu等人[29]则开发了一种以氢烷为燃料的联合发电系统，该系统结合了气化、消化、反渗透以及多效蒸馏技术，可利用伊斯坦布尔的城市垃圾和橄榄油废料来生产电力和淡水。该系统的淡水产出率为92.29千克/秒，电力产出量为4.49兆瓦，耗散功效率与能量效率分别为19.78%和37.04%。Khoshgaftar Manesh等人[30]则设计了一种太阳能-生物质多联产系统，该系统可提供电力、淡水以及废水处理功能。该系统采用了微生物海水淡化单元、湿干式技术以及反渗透技术，并辅以太阳能热能，同时还配备了用于温室施肥的二氧化碳捕集装置。研究结果表明，将反渗透海水淡化技术与可再生能源驱动的多联产系统相结合，适用于可持续的农业应用。

最后，氨气越来越被视为未来清洁能源系统中重要的能源载体。氨气具有多项独特优势：它含有较高的氢气比例，燃烧时不释放碳元素，体积能量密度高，且易于大规模储存和运输。此外，由于其可与现有基础设施兼容，氨气作为全球向清洁能源转型过程中的过渡燃料具有很大潜力。将氨气合成技术纳入多联产系统，有望大幅提升能源存储的灵活性，保障长期能源供应，并充分利用过剩的可再生能源。不过，要实现高效集成，就需要仔细考虑热力学条件、反应动力学以及工艺耦合策略。Khoshgaftarmanesh等人[31]开发了一种太阳能-生物质-风能-地热多联产系统，该系统可产生3.17千克/秒的蒸汽、18.51兆瓦的电力以及每天275.44吨的氨气，其耗散功效率与能量效率分别为38.53%和31.33%。通过多目标优化，该系统的成本降低了15.86%，能量效率提升了1.72%。Dou等人[32]提出了一种基于生物质的三联产系统，该系统整合了气化、固体氧化物燃料电池、哈伯-博施反应器以及VCl热化学循环，其耗散功效率达到49.2%，氨气日产量为24.9千克，平均成本为每吉焦25.4美元。Ikaheimo等人[33]则研究了在2050年北欧实现完全可再生能源供应的背景下，将电力转化为氨气作为长期储能方案的可行性，他们估计其成本在每吨431至528欧元之间，而在二氧化碳或天然气价格较高的情况下，该方案的竞争力会进一步提升。Nouri等人[34]提出了一种太阳能-生物质多联产系统，其在优化条件下可产生163兆瓦的净电力和23.24千克/小时的氨气，其有效能效率为51.02%，二氧化碳排放量则降至359.73千克/兆瓦时，这体现了集成氨生产系统的优异环境性能和热力学性能。该研究通过填补先前研究中的关键空白，推动了碳捕获与可持续多联产系统的发展。尽管基于可再生能源的系统已得到广泛研究，但以往的研究很少将用于完全分离二氧化碳的先进S-Graz氧燃料循环技术与生物质驱动系统相结合[17]。表1对比了利用生物质与S-Graz循环的能源系统，凸显了该技术在较高温度下实现高效能的同时还能完成二氧化碳完全分离的潜力。这项工作提出了一种可行的零排放路径，即利用S-Graz循环产生的电力驱动质子交换膜电解槽来生产氢气，从而形成一条通往可持续燃料生产的完整循环。这种集成方法不仅能同时生产氢气、电力、氨气和淡水，还能充分利用S-Graz循环在高温运行和有效捕获二氧化碳方面的独特优势，为下一代碳中和系统奠定坚实基础。基于所发现的研究缺口，该研究假设将生物质气化与S-Graz氧燃料循环相结合，并再结合质子交换膜电解、氨合成和反渗透海水淡化技术，便能同时实现零排放运行、超过30%的有效能效率，以及经济高效的电力、氢气、氨气和淡水多联产。此外，该系统所采用的生物质气化、S-Graz发电、氨合成和氢气生产相整合的创新架构，使其有别于传统的多联产方法。研究还引入了一套基于统一4E评估（能源、有效能、经济性和环境分析）的全面评估与优化框架。通过这种整体性方法结合多目标优化算法，旨在提升系统效率、降低成本并平衡各种相互冲突的设计目标。总结而言，本研究的主要目标和独特贡献如下：•设计一种用于多联产的生物质气化系统，能够同时生产氢气、电力、氨气和淡水；•利用新兴的S-Graz氧燃料循环来提供所需电力，以实现零排放和二氧化碳完全分离；•分析系统各组件的有效能损失，找出改进方向；•采用基于4E评估的集成框架，对系统性能和可持续性进行整体评价；•运用基于人工神经网络的替代模型结合遗传算法，加快优化进程并降低计算成本。这一创新方法为可持续生物质驱动多联产系统的设计和评估设立了新的标准，为绿色低碳技术的进步铺平了道路。表1总结了文献中相关研究的关键特征。可以看出，虽然已有针对生物质系统和S-Graz循环系统的单独研究，但尚未有文献报道将生物质气化、S-Graz氧燃料循环、质子交换膜电解、氨合成和反渗透海水淡化技术同时整合起来的系统。此外，本研究还采用了多目标优化框架，同时考虑有效能效率、氨气产量和总成本，这进一步凸显了其与以往研究的区别。

方法部分
如图1所示，S-Graz循环所需的材料通过生物质气化获得。S-Graz循环的主要功能是为系统的各个组件提供所需电力，这些组件包括质子交换膜电解槽、反渗透装置、氨合成单元以及空气分离装置。氨合成过程中所需的氮气由空气分离装置提供，而氢气则由质子交换膜电解槽生成。

结果部分
本节介绍了研究结果并对其进行了分析。讨论内容包括模型验证、系统性能评估、参数研究以及有效能分析，最后总结了优化过程的成果。

结论部分
本研究全面探讨了一种基于生物质的多联产系统，该系统将生物质气化与S-Graz氧燃料循环相结合，能够在零排放模式下同时产生电力、氢气、氨气和淡水。所设计的系统以生物质作为可再生原料，旨在实现持续稳定的能源供应，从而无需依赖风能和太阳能等间歇性可再生能源技术。为了对……

作者贡献声明
Amirali Shirzad：撰写原始稿件、验证、软件应用、方法设计、正式分析、数据整理、概念构建。Ayat Gharehghani：撰写审稿稿件与编辑工作、项目监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构建。Jabraeil Ahbabi Saray：撰写审稿稿件与编辑工作、撰写原始稿件、验证、软件应用、项目管理、研究实施、正式分析、概念构建。Arman Adouli：撰写原始稿件、验证、软件应用。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。