《Journal of Cleaner Production》：Techno-economic assessment of an integrated biorefinery for the production of advanced biofuels from the organic fraction of municipal solid waste
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本研究以城市固体废物有机组分（OFMSW）为原料，提出了一种整合脂质-生物乙醇-沼气生产的生物炼制概念，并基于中试规模运行数据进行了技术经济评估（TEA）。研究人员构建了处理能力为49,500吨/年的商业化规模模型，通过资本支出（CAPEX）和运营支出（OPE
本研究以城市固体废物有机组分（OFMSW）为原料，提出了一种整合脂质-生物乙醇-沼气生产的生物炼制概念，并基于中试规模运行数据进行了技术经济评估（TEA）。研究人员构建了处理能力为49,500吨/年的商业化规模模型，通过资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）估算，结合净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、投资回收期以及平准化燃料或电力成本（LCOF/LCOE）等指标评估其经济可行性。研究发现，在无补贴基础情景下，该生物炼制项目不具备经济可行性，NPV为-1550万欧元。在参考情景（处理费30欧元/吨，资本补贴30%）下，项目可实现NPV为+842万欧元，IRR为11.74%，投资回收期为10年，且NPV为正的概率（P(NPV>0)）为90%。盈亏平衡处理费为6-25欧元/吨，显著低于希腊2027年实施的55欧元/吨垃圾填埋费。运营成本中，干燥单元占比最高，达39.6%，其热能耗是主要成本驱动因素。研究结果强调了将一般工厂运营支出纳入成本核算的重要性，并指出通过高效干燥或工业废热共生来降低干燥能耗是提升竞争力的关键杠杆。
**研究背景与问题**
城市固体废物有机组分（OFMSW）的管理是欧盟面临的重大挑战，每年产生大量生物废物，但大部分仍被填埋或焚烧。现有的堆肥和厌氧消化（AD）等生物处理路线仅能部分回收该异质性原料中的化学和能源价值。因此，亟需在循环生物经济框架内，探索能够最大化资源回收的创新处理方法，以替代化石燃料、减少甲烷排放并将营养物质和能源回馈于生产。生物炼制概念为实现OFMSW的整合转化、生产多种可销售产品与能源载体提供了可能。然而，现有的技术经济评估（TEA）研究大多基于实验室实验、文献数据或过程模拟，缺乏中试或示范规模的运行数据支撑。此外，多数分析忽略了劳动力、监管、保险和维护等一般工厂运营支出（OPEX），导致成本估算偏低，结果过于乐观。同时，现有研究未能系统评估在处理费与资本补贴共同作用下，不同生物炼制配置的经济可行性，也缺乏对整合提取脂质、生物乙醇和沼气的OFMSW生物炼制进行全面的TEA。因此，本研究旨在填补这一空白，基于示范工厂的运行数据，对一座商业化规模的OFMSW整合生物炼制进行全面的技术经济评估，为决策提供可靠依据。该论文发表在《Journal of Cleaner Production》。
**研究方法概述**
研究人员采用的主要技术方法包括：1) **基于示范工厂数据的规模放大**：以处理1吨/天湿OFMSW的示范工厂（来源：Passadis et al., 2025）的运行数据（物料平衡、能源平衡、过程产率）为基础，通过幂律缩放法则（六十分之十规则）放大至处理150吨/天（49,500吨/年）的商业化规模，并调整了干燥能耗假设和厌氧消化反应器类型（采用连续搅拌釜反应器CSTR替代中试规模的活塞流反应器PFR）。2) **成本估算与财务分析**：采用Peters因子法估算资本支出（CAPEX），运营支出（OPEX）细分为过程特定成本和一般工厂成本。通过25年贴现现金流（DCF）分析，计算净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、投资回收期和平准化燃料或电力成本（LCOF/LCOE）等经济指标。3) **敏感性分析**：采用单因素（OAT）确定性敏感性分析，考察15个关键参数对NPV的影响，并利用蒙特卡洛模拟，对8个主导参数进行联合随机采样，评估投资风险。4) **盈亏平衡分析**：绘制净现值（NPV）和内部收益率（IRR）随处理费（0-55欧元/吨）和资本补贴（0-70%）变化的二维热力图，确定盈亏平衡点。
**研究结果**
**1. CAPEX与OPEX结构**
通过分析商业化规模生物炼制的资本和运营成本结构发现，生物转化单元是CAPEX的最大贡献者（33.0%），而干燥单元在OPEX中占主导地位（39.6%），其热能耗是总OPEX的最大单一类别（41.7%），这揭示了干燥单元是降低运营成本的关键。
**2. 盈亏平衡分析与参考情景选择**
研究显示，在无补贴基础情景下，项目亏损（NPV为-1550万欧元）。通过盈亏平衡分析，确定了实现NPV=0所需的处理费与资本补贴组合：处理费随补贴增加从25欧元/吨（无补贴）降至6欧元/吨（70%补贴）。所有盈亏平衡处理费均低于希腊2027年55欧元/吨的垃圾填埋费。基于此，选取了处理费30欧元/吨和30%资本补贴的参考情景，该情景下项目NPV为+842万欧元，IRR为11.74%，投资回收期为10年，处理费收入占总收入26%。
**3. 确定性敏感性分析**
确定性敏感性分析表明，热价和干燥单位能耗（SEC）是影响NPV的最主要因素，其不利变动可使项目陷入亏损。生物乙醇价格、处理费、脂质价格和沼气电价构成第二敏感的参数群。原料组成中，脂质含量的敏感性高于淀粉和纤维素含量。
**4. 平准化燃料和电力成本**
平准化成本分析显示，脂质的全成本LCOF为2.34欧元/公斤，约为欧洲参考价格（1.18欧元/公斤）的两倍。生物乙醇的全成本LCOF为1.26欧元/升，比欧盟2030年预测均价高24%。沼气发电的LCOE为110欧元/兆瓦时，低于参考情景下的销售价格（219欧元/兆瓦时）。研究强调，若不计入一般工厂OPEX，脂质和生物乙醇的LCOF会显著降低，但会高估其竞争力。
**5. 随机风险分析**
蒙特卡洛模拟结果显示，在参考情景下，10,000次迭代的中位数NPV为+860万欧元，与确定性结果接近。NPV为正的概率（P(NPV>0)）为90.4%，表明在参数联合变动下，该参考情景仍具有较高的投资可行性。
**6. 循环经济与环境启示**
该生物炼制系统每年可避免49,500吨有机废物填埋，将原料转化为多种高附加值产品。其最大的环境效益在于通过避免填埋甲烷排放和替代化石燃料来减少温室气体（GHG）排放。干燥单元的主导地位使其成为提升环境效益的关键，例如通过蒸汽冷凝回收水和低品位热能、采用共消化、使用生物基溶剂替代己烷，以及利用生物质干燥产生的CO
2进行碳捕集与封存（CCS）以实现负排放。其中，利用工业废热进行共生是降低干燥能耗和成本的最大机遇。
**总结与结论**
**讨论总结：** 研究结果强调了干燥单元是OPEX和能源需求的主要来源，其成本效益是提升整个生物炼制竞争力的关键杠杆。处理费收入证明了该系统作为能源生产者和废物管理服务的双重角色，解释了为何政策支持（补贴与处理费组合）而非单纯市场收入决定了商业可行性。将一般工厂OPEX纳入成本核算，显著改变了脂质和生物乙醇的成本竞争力评估，凸显了全成本核算的重要性。研究还指出，基于单一来源的原料数据、恒定价格假设以及工程放大的不确定性是当前分析的局限性，未来工作需结合更多实际运行数据、环境生命周期评估（LCA）以及更复杂的政策情景进行验证。
**研究结论部分翻译：** 本研究基于示范工厂数据，对一座整合生产脂质、先进生物乙醇和沼气发电的商业化规模OFMSW生物炼制进行了技术经济评估。该生物炼制厂年处理49,500吨原料，需要1,668万欧元资本支出和每年417万欧元运营支出。在无处理费或资本支持的市场化运营下，该生物炼制厂不具备经济可行性，NPV为-1,550万欧元。在参考情景（处理费30欧元/吨，30%资本补贴）下，项目可实现NPV为+842万欧元，IRR为11.74%，投资回收期为10年。6-25欧元/吨的盈亏平衡处理费远低于希腊2027年实施的55欧元/吨垃圾填埋费，且与更成熟的废物处理技术所需的典型费用相比具有竞争力，表明OFMSW生物炼制厂可作为未来城市废物管理组合中的可信组成部分。因此，在适度的政策支持包条件下，OFMSW生物炼制厂成为先进生物燃料生产的一个经济上有吸引力的途径。三个具体启示是：干燥是首要成本杠杆；处理费收入是关键；全成本核算至关重要。
