孤立岛屿系统中利用修剪生物质生产生物炭作为碳移除策略：加那利群岛综合技术经济评估

《Biomass and Bioenergy》：Biochar production from pruning biomass as a carbon removal strategy in isolated island systems: integrated techno-economic assessment for the Canary Islands

　　

本研究对孤立岛屿系统中的生物炭生产进行了综合评估；净碳移除量达到约0.66吨CO₂eq/吨生物质；基本情景下的技术经济成本估计约为268欧元/吨生物炭；生物炭能够同时实现废物价值化和负排放；该框架适用于资源受限且地理上孤立的地区。

气候变化减缓不仅要求减少温室气体排放，还需要以稳定且可验证的方式从大气中移除二氧化碳，因此碳移除（CDR）和负排放技术（NETs）被视为必不可少的补充手段。生物炭作为一种有前景的CDR选项，能将残余生物质利用、能源副产物生成和长期碳封存相结合。然而，现有研究往往只关注工艺参数或某一方面，缺乏将真实岛屿生物质可得性、净碳移除、技术经济绩效与区域部署潜力整合在同一领土框架内的评估。加那利群岛拥有超过65万吨/年的干修剪生物质，其中以加那利松（Pinus canariensis）残渣为主，且该资源与森林燃料累积和野火风险密切相关，是检验这一整合方法的代表性孤立岛屿系统。因此，研究人员基于先前量化的区域修剪生物质数据，以加那利松为基准原料，建立了慢速热解生产生物炭的概念模型，并将碳封存核算、技术经济评估、敏感性分析和理论区域部署潜力相连接，旨在评估这类系统在岛屿约束下的技术、气候与经济效益。

研究人员没有进行新的生物质普查，而是采用了已发表的区域资源评估结果（可回收资源超过65万吨/年）。研究使用概念性慢速热解模型，设定热解温度为450℃，加热速率10℃/min，固体停留时间45分钟，原料粒径<10mm，生物炭、生物油和合成气产率分别为35%、30%和35%。碳封存评估采用生物炭碳含量70%、稳定碳比例80%的计算框架，并扣除运营排放45kg CO₂eq/吨和运输排放15kg CO₂eq/吨。技术经济评估针对年处理1.5万吨生物质的模块化工厂，利用化学工程工厂成本指数（CEPCI）将CAPEX和OPEX更新至约766万欧元和118.4万欧元/年，并采用单变量±20%变化进行敏感性分析。

3.1 基础案例产物分布：通过质量平衡计算，1吨干生物质进料可产生350千克生物炭、300千克生物油和350千克合成气；按年处理1.5万吨计算，年产量分别为5250吨、4500吨和5250吨，表明慢速热解有利于优先保留碳。

3.2 慢速热解产物的理论能量分布：利用原料高位热值（HHV）约19MJ/kg，1吨干生物质总输入能量约19000MJ；生物炭、生物油和合成气分别按28MJ/kg、17MJ/kg和6MJ/kg计，产品中理论可回收能量约17000MJ，相当于初始能量的89.5%，但该值不代表实际净效率。

3.3 碳封存潜力：碳平衡结果显示，每吨干生物质产生的生物炭固化碳约245kg，其中稳定碳约196kg，经化学计量换算得到粗碳封存约719kg CO₂eq/吨；扣除运营和运输间接排放后，净碳移除约659kg CO₂eq/吨生物质，即0.66吨CO₂eq/吨；1.5万吨/年设施的年净碳移除量约9885吨CO₂eq/年。

3.4 技术经济性能：技术经济评估表明，基准情景下生物炭的生产成本约374欧元/吨；若按300欧元/吨销售，年理论收入约157.5万欧元；叠加100欧元/吨CO₂eq的碳信用价格，潜在碳收入约98.85万欧元/年，说明在保守条件下系统具备初步经济可行性。

3.5 敏感性分析：单变量敏感性分析显示，净碳移除成本受CAPEX、碳信用价格、生物炭售价、生物炭产率和稳定碳比例影响最大；生物质运输成本、OPEX和电价的影响相对较小。CAPEX是最敏感变量，在较高碳价情景下系统可能接近盈亏平衡。

3.6 区域部署潜力：将基准情景的净碳移除因子（0.659吨CO₂eq/吨生物质）应用于65万吨/年可回收资源，理论最大碳移除潜力约428,350吨CO₂eq/年；尽管这一上限未考虑实际获取率、季节性、岛际物流和竞争性用途，但表明残余生物质在岛屿脱碳中具有潜在战略价值。

3.7 对孤立岛屿脱碳的意义：与需要大型集中式设施的技术不同，慢速热解可通过模块化和分散式部署适应本地生物质分布；除碳封存外，还能减少燃料堆积、支持野火预防并促进循环经济，同时产生的生物油和合成气也为局部能源整合提供了机会。

在讨论部分，研究人员将结果与已有文献进行了比较。本研究采用的35%生物炭产率符合木质和林业残余物慢速热解的常见范围；净碳移除量0.66吨CO₂eq/吨也与先前生物炭气候评估一致。技术经济方面，374欧元/吨的生产成本在已有范围内，且敏感性分析确认了CAPEX、碳信用价格和生物炭售价的主导作用。与加劳岛和博恩霍尔姆岛等岛屿研究相比，本工作的独特贡献在于将真实区域生物质清单、主导原料流、慢速热解模型、碳核算、技术经济分析和区域部署潜力整合到单一加那利群岛案例中，从而同时考虑地理碎片化、生物质物流和资源可得性。局限性包括：采用文献参数而非实验数据，碳稳定性假设简化，经济评估为初步估算，且未纳入合成气/生物油能量回收、土壤农艺效益和野火预防的额外收益。未来研究应使用真实加那利松原料开展实验验证，并进行详细生命周期评估和动态技术经济建模，同时关注碳市场、野火预防激励等政策整合机制。

翻译研究结论部分：本研究评估了以加那利群岛为代表的孤立岛屿条件下，利用加那利松修剪生物质通过慢速热解生产生物炭的技术、气候和技术经济潜力。基础案例结果显示，1吨干生物质可产生约350千克生物炭、300千克生物油和350千克合成气；扣除工艺和运输排放后，净碳移除潜力约为0.66吨CO₂eq/吨生物质。对于一个年处理1.5万吨生物质的模块化设施，这相当于每年约9885吨CO₂eq的净碳移除。技术经济评估估算生物炭生产成本约为374欧元/吨。敏感性分析表明，经济可行性主要受CAPEX、碳信用价格和生物炭售价影响，凸显了碳价值化机制和本地供应链优化的重要性。在区域规模上，理论上充分利用现有修剪生物质资源可提供约428,350吨CO₂eq/年的碳移除上限。尽管该值未考虑实际部署限制，但说明了在孤立岛屿系统中残余生物质作为潜在碳移除资源的战略意义。本工作的主要贡献在于开发了一个整合真实生物质可得性、慢速热解模型、碳移除核算、技术经济评估、敏感性分析和区域部署潜力的岛屿导向框架。结果表明，利用修剪生物质生产生物炭可成为地理受限能源系统中碳移除、生物质价值化、野火风险降低和领土脱碳的补充策略。