《Journal of Cleaner Production》：Economic viability of thermal flexibilization of agricultural anaerobic digesters under intermittent Power-to-Gas plant operation
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研究人员对用于电转气（Power-to-Gas，PtG）系统的热柔性厌氧消化器进行了经济分析，并与恒温运行替代方案进行了经济比较。研究结果表明，热柔性厌氧消化器在经济上具有可行性。在能源作物型沼气厂中，其经济可行性源于内部CH4消耗的降低
研究人员对用于电转气（Power-to-Gas，PtG）系统的热柔性厌氧消化器进行了经济分析，并与恒温运行替代方案进行了经济比较。研究结果表明，热柔性厌氧消化器在经济上具有可行性。在能源作物型沼气厂中，其经济可行性源于内部CH4消耗的降低；而粪污型沼气厂则可能根据电转气（Power-to-Gas，PtG）系统配置的不同，需要依赖热能收益才能实现经济可行性。
随着风电和光伏在能源系统中占比的不断提高，以德国为代表的国家迫切需要长期储能方案来弥补波动性可再生能源的供应缺口。电转气（Power-to-Gas，PtG）技术可将过剩电力通过电解转化为氢，再经甲烷化生成CH
4，并利用现有天然气网络进行存储和输送。德国目前运行约8300座农业沼气厂，其中超过70%的沼气厂所产气体适宜用于甲烷化。当沼气厂与催化甲烷化集成时，甲烷化反应器产生的高温废热可成为重要收入来源；而沼气厂自身的消化器加热需求，则可通过低温电解废热来满足。然而，PtG系统需要间歇运行，因此必须有热存储设施以保障电解槽和甲烷化停运期间的供热。近年来的研究表明，农业厌氧消化器本身可作为季节性热存储介质，即通过主动改变消化器运行温度来实现热柔性化，从而提升废热利用效率。尽管已有研究在热电联产（CHP）和污水处理场景中探讨了热柔性化，但尚未有研究对包含电解槽和甲烷化废热利用的间歇运行PtG系统进行全面的技术经济评估。现有文献多聚焦于特定参考案例，缺乏对不同投料底物沼气厂的对比，且经济评估往往只考虑运营成本或投资成本中的某一项。为此，本研究针对典型的德国农业沼气厂，全面评估了热柔性化在间歇运行PtG系统中的经济可行性，并比较了不同底物、不同运行时长和不同系统配置下的表现。相关成果发表在《Journal of Cleaner Production》上。
研究人员选取了两个假设的农业沼气厂作为研究对象：一个以玉米青贮为唯一原料，另一个以牛粪与玉米青贮的混合物为原料，两者生物气产量均为200 Nm
3 h
?1，代表了德国常见的底物类型和中等规模沼气厂。研究在Matlab Simulink环境中建立了生物消化、加热系统和PtG运行三个子模型。生物消化模型用于模拟温度变化对厌氧消化过程及CH
4产量的影响；加热系统模型基于热量平衡方程计算消化器热需求、热交换器面积和泵耗电量；PtG运行模型则采用基于经验的启停规则，模拟电解槽和甲烷化在间歇模式下的热输出。经济评估采用了因子估算法估算投资成本，并用年金法将投资转化为年化资本成本，同时计入运营成本、内部CH
4消耗的机会成本、高温废热销售收入以及温度引起的CH
4产量变化价值。研究考察了4000、6000和8000个年满负荷小时数（FLH）以及3小时和6小时两种H
2缓冲容量，并与传统恒温运行方案进行对比。
5.1 技术评估：通过动态模拟，研究人员比较了热柔性化与恒温运行下的温度曲线和产气情况。在6000 FLH的牛粪厂示例中，初沉消化器以0.5 K d
?1的速率进行热充能，年平均温度为42.2°C，接近恒温参考值；次级消化器大多数时间保持在最高温度，年平均43.5°C。热柔性化对年总产气量的影响较小：在4000 FLH下，因年平均温度略低，生物气产量下降0.23%；在8000 FLH下，产量增加0.57%，相当于额外产生0.48%的CH
4。更重要的是，热柔性化使电解槽低温废热利用量增加，同时完全替代了甲烷化高温废热在厂内的使用，从而显著降低了内部CH
4消耗。例如，在牛粪厂采用6小时H
2缓冲配置时，年节约内部CH
4约579～9237 Nm
3。
5.2 经济评估：基于总年化成本的比较，热柔性化在所有FLH和两种沼气厂中均表现出经济优势。相对于最接近的恒温备选方案，牛粪厂的相对成本改善为5.7%～72%，玉米青贮厂为6.6%～52%。投资成本方面，消化器内置热交换器是最大单项成本，在牛粪厂中占比高达50%。运营成本分析显示，在较低FLH下，热柔性化带来的内部CH
4节约是主要经济收益；随着FLH增高，高温废热销售收入和温度引起的额外CH
4产量逐渐成为效益主导因素。
5.3 敏感性分析：研究人员对高温废热售价、CH
4售价和热交换器成本进行了敏感性测试。结果显示，在不考虑高温废热收入的情况下，热柔性化在玉米青贮厂中仍能对抗三小时H
2缓冲配置的恒温方案，而牛粪厂则需要额外的废热收入才能维持竞争力。即使在较低的CH
4售价（0.06 � kWh
th?1）下，热柔性化依然可行。此外，若忽略温度对厌氧产气量的影响，热柔性化在8000 FLH下将不再经济可行，表明高温下额外产气量是经济性的重要组成部分。
讨论部分指出，常规废热利用可使牛粪厂和玉米青贮厂合成甲烷成本分别降低约8%和5%，而热柔性化可在此基础上进一步降低约2%和1%，从而降低PtG系统的整体成本。环境方面，以牛粪厂为例，4000 FLH下热柔性化可通过增加合成CH
4注入和废热销售减少约220吨和940吨CO
2当量排放。论文结论可概括为：本研究证明了在间歇运行PtG设施中，厌氧消化器热柔性化能够提高低温废热利用率、增加高温废热销售并减少内部CH
4消耗。在所有FLH和两种沼气厂中，热柔性化均相对所有恒温替代方案经济可行，相对改善幅度为5.7%～72%（牛粪厂）和6.6%～52%（玉米青贮厂）。由于牛粪厂消化器热交换器投资成本更高，其经济条件与玉米青贮厂不同；玉米青贮厂仅依靠内部CH
4节约即可实现经济可行性，而牛粪厂在电解槽与甲烷化装置高度解耦、供热量更灵活的情况下仍需废热收入支持。研究还指出，不对称柔性化主、副消化器可能带来额外经济利益。总体而言，热柔性化通过减少内部CH
4消耗和增加高温废热收入，促进了PtG系统在沼气厂中的整合，同时降低了加热系统与甲烷化单元集成的复杂度。
