基于小型生物气三联产系统（包括热电利用和废热回收）的技术经济评估：消化产物增值及碳融资对经济绩效的影响

《Biomass and Bioenergy》：Techno-economic assessment of a small-scale biogas-based trigeneration system with thermoelectric waste heat recovery: Impact of digestate valorization and carbon financing on economic performance

　　

• •
  评估了采用热电发电机（TEGs）进行废热回收的生物气体热电联产（CCHP）系统的技术经济效益。
• •
  分析了三种收入情景：仅能源收入、增加肥料收入以及增加碳信用收入。
• •
  与仅能源收入情景相比，增加肥料和碳收入使净现值（NPV）提高了167%，并使投资回收期（PBP）缩短了1.3年。
• •
  该集成系统的净现值为18,982美元，内部收益率为27.7%，投资回收期为3.6年，平准化发电成本（LCOE）为0.038美元/千瓦时。
• •
  盈亏平衡分析确定了实现盈利的运行时间和电价 threshold。

• •
  评估了具有热电发电机（TEGs）废热回收功能的生物气热电联产（CCHP）系统的技术经济效益。
• •
  分析了三种收入情景：仅能源收入、增加肥料收入和增加碳信用收入。
• •
  与仅能源收入情景相比，增加肥料和碳收入使净现值（NPV）提高了167%，并将投资回收期（PBP）缩短了1.3年。
• •
  该集成系统的净现值为18,982美元，内部收益率为27.7%，投资回收期为3.6年，平准化发电成本（LCOE）为0.038美元/千瓦时。
• •
  盈亏平衡分析确定了实现盈利的运行时间和电价阈值。

引言

随着全球能源消耗量的不断增加，特别是在需要同时提供电力、制冷和供暖的小规模农业领域，传统化石燃料资源的减少越来越严重，这也导致了温室气体（GHG）排放的加剧。例如，奶牛场需要可靠的电力和热能来驱动吸收式冷却器进行牛奶保鲜和冷却，以及热水来清洗奶牛和挤奶设备，而这些通常是通过独立的、不足的系统提供的。这些独立的能源服务促使人们研究能够从单一燃料供应中满足多种需求的集成能源系统。特别是热电联产（CCHP）系统或三联产系统，因为它们可以同时产生电力、制冷和供暖。与传统的分散式发电方式相比，CCHP系统通过有效的废热回收和实际利用，可以实现更高的总体效率，通常超过70-80% [1]。当与可再生能源结合使用时，这些系统还能进一步减少环境影响并增强能源独立性。

在可再生能源选项中，由于生物气具有广泛的可获得性、碳中性特性、协同效益以及与分散式能源系统的兼容性，它已成为CCHP应用的替代燃料 [2]。基于生物气的CCHP系统在农业应用中尤其具有潜力，特别是在奶牛场，因为它们可以处理有机废物（粪便）并产生有用的能源 [3]。

关于生物气CCHP系统的技术文献在过去十年中有了显著增长。研究人员研究了各种系统配置，例如使用内燃机 [4]、微型涡轮机 [5]、燃气轮机 [6] 和燃料电池 [7] 作为动力源，并将其与吸收式冷却器 [8]、吸附式冷却器 [9] 或蒸汽压缩循环 [10] 结合以处理制冷部分。此外，热电发电机（TEGs）因能够在无运动部件的情况下将低品位废热转化为电能而受到关注，这带来了紧凑性、可靠性、低维护成本和可扩展性 [11], [12], [13], [14]。然而，将TEGs添加到小型生物气CCHP系统中的技术经济可行性尚未得到充分研究。

已有几项关于基于生物气的CCHP系统的经济评估报告。Hamzehkolaei和Amjady [15] 演示了伊朗动物农场使用生物气CCHP系统的经济可行性，报告称其投资回收期低于5年，并且二氧化碳排放量显著减少。Li等人 [3] 评估了农业废弃物的厌氧消化，并发现废弃物的价值化显著提高了项目的盈利能力。Zhang等人 [16] 评估了生物质气体CCHP系统在中国的区域适应性，并强调了当地市场条件的重要性。Perrone等人 [17] 分析了一个生物质气化微CCHP系统，并在原料供应充足的情况下发现其净现值为正。

然而，大多数现有的经济研究主要关注来自电力和热能销售的收入，而很大程度上忽略了其他收入流，如废弃物的肥料化和碳信用机制 [4], [18], [19], [20]。此外，很少有研究系统地评估了这些非能源收入流在小型CCHP系统中的综合经济贡献，尤其是在电网接入有限、柴油备份普遍且有机肥料市场尚不成熟的发展中国家环境中 [21], [22]。

章节摘录

研究空白、创新点和研究目标

前述综述指出了现有生物气CCHP系统文献中的三个关键知识空白。大多数技术经济评估主要集中在电力和热能收入上；它们通常不考虑废弃物的肥料销售和碳信用作为收入流，尽管在实际应用中这些收入流可以显著提高项目的盈利能力。此外，关于小型生物气驱动的CCHP系统是否具有经济可行性的信息也非常有限。

系统描述

这项技术经济评估基于之前开发并经热力学验证的小型生物气CCHP系统，该系统集成了外部燃烧的微型涡轮机（EFMT）、单效吸收式制冷系统（SEARS）和热电发电机（TEGs）的废热回收功能。图1展示了所提出的完整系统的示意图；其工作原理如下：来自奶牛粪便厌氧消化产生的生物气实际上在

材料与方法

本节介绍了所提出的基于生物气的CCHP系统的技术经济评估方法。评估基于作者先前研究中的热力学性能数据 [2]，所有计算和敏感性分析均使用MATLAB R2024软件完成。

技术经济效益

总资本投资为37,000美元，年运营支出约为2,750美元。在情景3下，系统在20年的项目生命周期内实现了约18,982美元的正净现值，表明折现后的收入足以覆盖投资成本。内部收益率为27.66%，超过了选定的15%的折现率，这进一步证实了该项目的投资吸引力。此外，投资回收期

结论

本研究评估了一种集成外部燃烧微型涡轮机（EFMT）、单效吸收式制冷系统（SEARS）和热电发电机（TEGs）废热回收功能的小型生物气CCHP系统在分散式奶牛场应用中的技术经济效益。利用之前开发的热力学模型的技术参数数据和基于MATLAB R2024b的折现现金流框架，在15%的折现率下，对30年项目生命周期内的三种收入情景进行了评估。在基准假设下，该系统需要一定的资本

局限性及未来研究方向

在解释本研究结果时应注意几个局限性。首先，经济评估基于之前开发的模型的热力学性能数据，对集成系统的实验验证将强化技术和经济结论。其次，废弃物的肥料收入是根据文献中的市场信息估算的；因此，需要对废弃物的质量、当地市场需求和销售情况进行详细评估

CRediT作者贡献声明

Tamerat Demeke Agonafer： 构思、形式分析、方法论、软件开发、初稿撰写、审稿与编辑。Wondwossen Bogale Eremed： 指导、审稿与编辑。Kamil Dino Adem： 指导。

利益声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

Tamerat Demeke Agonafer|Wondwossen Bogale Eremed|Kamil Dino Adem