秸秆热电联产系统CCUS路径优化：一种新颖的碳-污染-经济耦合协调度评估方法

《Energy》：Optimizing CCUS pathways for straw-fired CHP systems: A novel carbon–pollution–economy coupling coordination assessment

　　

# 摘要

作为实现碳中和的关键路径，生物质能系统涉及复杂的权衡关系，而其跨维度的系统性评估仍然不足。现有大多数研究集中于单一维度的评估，特别是在与碳捕集、利用与封存（CCUS）结合时。本研究首次填补了这一空白，通过应用碳-污染-经济耦合协调度模型，深入分析不同CCUS路径如何影响生物质能的协调发展。该框架整合了碳足迹分析、基于能值的污染物影响评估、经济分析，以及基于碳中和率（CNR）、污染物排放影响强度（PEI）和投资回报率（ROI）的耦合协调度模型。以中国黑龙江某以玉米秸秆为燃料的 cogeneration 电厂为基准（S1），比较了三种CCUS集成情景：S2（地质封存）、S3（液态CO?生产）和S4（螺旋藻生产）。结果表明，CCUS集成总体上提升了系统整体协调度，但存在不同的特定情境下的权衡：S3实现了环境-经济的协同改善，协调度增幅最大（200.51%）；S2以显著的经济成本实现了深度减排；S4在碳减排与污染物控制之间表现出轻微张力。敏感性分析证明，这一核心结论对参数和权重变化具有鲁棒性。分析强调，最优CCUS路径的选择取决于本地化的优先事项——在碳减排、污染控制和经济可行性之间取得平衡。本工作提供了一个可迁移的综合评估框架，以支持生物质-CCUS集成的决策制定，并推荐了政策与技术措施以促进最有前景的路径。

# 引言

全球对化石燃料的长期过度依赖导致了能源安全与气候变化的双重危机，迫使我们迫切需要向清洁和可再生能源系统转型[1],[2]。生物质作为源自光合作用活动的资源，是一种重要的可再生能源，可被转化为电力、热量和运输燃料[3]。在中国，估计年可利用的废弃生物质资源约为2853兆焦耳[4]，而并网发电的废弃生物质设施装机容量仅占全国可再生能源总容量的2.43%[5]。这种资源潜力与已部署容量之间的显著差距凸显了巨大的拓展机遇，可有力贡献于二氧化碳（CO?）减排[6]。

此外，当生物质能与碳捕集、利用与封存（CCUS）相结合时，可形成生物能源与碳捕集、利用与封存（BECCUS）系统。为避免歧义，我们在本文中明确BECCUS与BECCS的区别：BECCS仅指具有碳封存功能的系统，而BECCUS还涵盖碳利用的情景。这种集成使其成为一种可行的负排放技术（NET），在长期气候减缓战略中发挥着关键作用[7],[8]。然而，生物质系统的净环境效益和经济可行性充满复杂性。碳减排潜力取决于整个供应链上的能源和物质投入[9]，而大规模部署则可能带来生态系统扰动、土地利用变化和本地空气污染等不利影响[10]。从经济角度看，可行性对原料成本、资本和运营支出以及政策框架的稳定性高度敏感[11]。

这些关于生物质能环境可持续性和经济可行性的持续不确定性需要一种综合评估方法。跨越碳足迹、更广泛的环境影响和经济绩效的全局性评估对于阐明这些维度之间的关联和权衡至关重要，从而为该部门的可持续发展战略规划提供依据。

生物质能系统的评估依赖于一套分析方法，每种方法提供不同的视角并存在固有局限。关键方法包括碳足迹分析（CFA）、生命周期评估（LCA）、能值分析（EmA）、经济分析（EA）及其各种集成方法。

就碳为中心的评估而言，CFA及其衍生方法主要量化温室气体（GHG）排放量和减排潜力。代表性研究评估了污泥与生物质掺烧的温室气体特征[12]，比较了不同原料的脱碳潜力[13]，并评估了生物能源与碳捕集封存（BECCS）路径的负排放潜力[14],[15],[16]。然而，在比较替代CCUS路径时，此类分析无法揭示碳中和收益是否被更高的污染物负荷或降低的经济可行性所抵消。这种无法捕捉跨维度权衡的能力使得单一碳指标不足以评估协调发展。

关于整体环境评估，LCA提供了更全面的多种类环境冲击评估框架。近期应用涵盖多种系统，从基于微藻的航空燃料生产[17]、基于玉米秸秆的生物能源路径[18]，到不同国家背景下的BECCUS路径[19],[20],[21],[22],[23],[24]。与EA的集成，如针对玉米秸秆密实燃料的研究[25]，可同步提供环境和经济特征。然而，两个约束限制了LCA在本研究中的效用：影响加总的权重主观性阻碍了环境得分与经济及碳指标的客观集成，且传统LCA未考虑资源投入的热力学品质。更根本的是，即使与EA配对，此类评估通常将各维度并行呈现，而非量化其协同或冲突的程度——而这恰恰是判断某BECCUS路径是否促进协调发展所需的信息。

关于生物物理核算，基于系统生态学的EmA通过根据品质与热力学层级（以太阳能值 seJ 度量）区分资源来解决LCA的若干局限。关键的是，它提供了一种以生物物理术语量化污染物排放环境影响的机制，避免了LCA的部分主观权重问题[27],[28]。EmA已广泛应用于资源和工业系统[29],[30],[31],[32],[33],[34],[35],[36],[37],[38],[39]。然而，就本研究所关注的问题而言，其应用仍不完整：它很少被用于量化BECCUS系统的生物物理污染影响，更重要的是，它从未与碳和经济指标整合为单一协调指数。缺乏这种整合，仅凭EmA无法评估当CCUS技术变化时，污染强度的变化如何与碳减排和盈利能力相互作用。

**迈向综合多准则评估：** 为克服单一方法评估的局限，综合方法应运而生。已有研究将能源、经济和环境分析相结合，用于Allam循环气化[40]和秸秆IGCC[41]等系统。然而，这些评估通常在并行分析各维度，而未能深入探究子系统之间的相互作用和权衡。近期进展已开始利用优化算法建模系统依赖性[42],[43]，但这些框架仍缺乏一个统一的全局性指数来将气候、环境和经济绩效标准综合为单一的系统协调度度量。核心挑战正是一个多目标协调问题：某种CCUS技术能否在不显著恶化污染或经济可行性的情况下改善碳绩效？回答这一问题需要一个能同时衡量碳、污染和经济三个子系统之间耦合关系及综合发展水平的框架。耦合协调度（CCD）模型作为一种综合性框架，为应对这一复杂性提供了有前景的工具。该模型量化了交互强度（耦合度）、子系统状态（发展度）和整体协同绩效（CCD）[44]。尽管已有效应用于社会经济和资源环境系统[45],[46],[47],[48]，并近期应用于气候-资源-经济关联系统[49],[50],[51]，但目前尚无研究将CCD模型用于评估不同BECCUS技术路径如何影响集成生物质能系统的协调发展。BECCUS系统内在涉及权衡：资源消耗驱动排放和成本，而能源生产则带来收入并减缓气候变化。基于碳中和率（CNR）、污染物排放影响强度（PEI）和投资回报率（ROI）的CCD模型提供了缺失的多维度指标，形成了通过协调发展视角比较和优化CCUS路径的逻辑前提。

综上所述，文献从单维度评估发展到综合分析，但仍存在一个决定性空白。碳足迹分析忽视了污染和经济的权衡。生命周期和能值方法提供了更深入的环境洞察，但即使与经济分析配对，也未能衡量三个维度之间的协调互动。现有的多准则整合缺乏一个统一的协同发展度量指标。CCD模型正好提供了这样一个统一的协调度量指标，但迄今为止，尚无研究部署该框架来量化不同CCUS路径如何重塑秸秆发电CHP系统的碳-污染-经济协同关系。这一空白构成了本研究的逻辑必然性：通过构建基于CNR、PEI和ROI的新型CCD模型，我们首次可以严格评估和比较BECCUS路径的协调发展潜力，将碎片化的评估转化为连贯的决策支持框架。

本研究旨在通过以下两个部分弥合已识别的空白：首先对评估方法及其应用/局限进行实质性回顾，随后进行涉及分析与综合的关键性研究。具体目标为：(1) 分别使用CFA、EmA和EA评估不同BECCUS技术路径对气候、环境和经济子系统的影响；(2) 构建并应用一个基于碳-污染-经济关联的新型耦合协调度（CCD）模型，以评估和优化集成生物质能系统的协同发展。

中国黑龙江省某生物质热电联产（CHP）电厂作为案例研究。在所提出的框架内，分析了四种不同的捕集烟气CO?处置情景并进行比较。本工作的主要贡献为：

(1) **开发综合分析框架：** 提出基于碳-污染-经济相互作用的新型CCD模型。该模型系统刻画了温室气体减排、生物物理污染控制和经济绩效之间的相互关系，评估这些维度如何共同影响系统协调。从而为可持续能源政策和技

然而，未来具有显著前景。本研究为生物质热电联产（CHP）系统建立了具体的碳捕集路径，并从气候、环境和经济三个角度评估了各路径的耦合协调度。分析确定的最优配置是将碳捕集与液态CO?生产相结合的CHP系统。未来研究应重点关注以下方面：（1）通过预评估解决环境与经济性能之间的实际权衡问题。在实际应用中……结论本研究通过气候—环境—经济综合视角考察了BECCUS系统，并开发了耦合协调度模型，以捕捉三个子系统之间的相互作用，从而评估其整体表现。主要发现总结如下。（1）CCUS路径总体上有助于减少碳排放。碳中和率最高的是CCS，其次是CCU1，最后是CCU2。在系统各组成部分中，玉米种植和CHP……CRediT作者贡献声明Yin Zhi（尹志）：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、调查研究、形式分析、概念构思。Xu Jinxian（徐金贤）：验证、软件、项目管理、方法论、调查研究。Liao Silan（廖丝兰）：验证、方法论、调查研究。Ma Xiaohan（马笑涵）：可视化、方法论。Zhang Xiaohong（张晓红）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、方法论、资金获取、概念构思。未引用参考文献97a。利益冲突声明? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争财务利益或个人关系。致谢本研究受四川农业大学双支持计划资助（03571906、03572533、03573188和1921993388）。Yin Zhi（尹志）| Xu Jinxian（徐金贤）| Liao Silan（廖丝兰）| Ma Xiaohan（马笑涵）| Zhang Xiaohong（张晓红）四川农业大学成都校区环境科学与工程学院，中国四川省成都市611130