秸稈沼氣化發電技術生命周期評估及經濟分析

馬國杰，朱琳影，張苗苗，趙肖玲,3,4，常 春,3,4

秸稈沼氣化發電技術生命周期評估及經濟分析

馬國杰1，朱琳影1，張苗苗2，趙肖玲2,3,4※，常 春2,3,4

（1. 鄭州大學管理學院，鄭州 450001；2. 鄭州大學化工學院，鄭州 450001；3. 車用生物燃料技術國家重點實驗室，安陽 473000；4. 河南省杰出外籍科學家工作室，鄭州 450001）

該研究基于生命周期評價方法和時間價值動態分析方法對沼氣直燃發電技術、沼氣燃料電池發電技術作可行性分析，并與燃煤發電技術相比，旨在綜合評估三種發電技術在環境和經濟上的特點，為發電方式選擇提供參考依據。結果表明：沼氣燃料電池發電技術環境效益最佳，總環境影響負荷為8.55×10-4，沼氣直燃發電技術總環境影響負荷為2.15×10-2，兩者相較于燃煤發電（2.97×10-1）的減排量分別為99.71%和92.76%。在經濟上，沼氣直燃發電技術的投資回收期最短（12.03 a），運營期凈現值可達1 361 246 Yuan/MW；其次是燃煤發電技術（14.5 a），凈現值為423 933 Yuan/MW；沼氣燃料電池發電技術動態回收期>20 a且未實現盈余。說明沼氣直燃發電技術在近期內將仍是替代燃煤發電的最佳發電技術之一。

秸稈；沼氣發電；經濟分析；生命周期評估；環境負荷

0 引 言

目前不可再生能源造成的能源枯竭、環境污染等問題嚴重阻礙了中國社會可持續道路的發展[1]，激烈的國際能源競爭也使能源問題晉升為影響國家戰略的問題之一[2]，向可再生能源轉型對中國發展至關重要。生物質能源作為低碳替代能源，具有很高的應用潛力[3-4]。中國作為農業大國，每年秸稈燃燒引起的農村面源污染[5]，已使農業部門成為溫室氣體碳排放的重要來源[6]。而農業廢棄物資源的資源量大，可作為生物質能源的主要來源[7]。目前國內外對生物質資源利用研究重點依然是生物質燃料化，根據利用方式不同可分為生物質直接燃燒、氣化、液化、熱解、固化等[8-12]。國外近年對生物質的研究重點包括熱解、氣化、液化和沼氣燃料電池發電技術研究[13-15]。中國作為發展中國家，研究重點是通過直接燃燒、液化和沼氣化等方式制備燃料，以滿足中國發電需求[16-18]。

沼氣發電作為高效、環保的發電技術，合理運用能大幅度減少碳排放[19]，符合中國能源循環利用的理念，同時能帶來極大的經濟效益和社會效益。本文選擇技術成熟度較高的沼氣直燃發電技術和目前熱度較高的沼氣燃料電池發電技術，分析兩者的可行性。秸稈含有大量纖維素、半纖維素，適合作厭氧發酵原料[20]。沼氣直燃發電技術和沼氣燃料電池發電技術均是以秸稈為原料進行厭氧消化，將產生的沼氣直接轉化為電能，因此統稱為秸稈沼氣化發電技術。其中沼氣燃料電池發電技術能量轉換效率更高[21-22]。沼氣直燃發電技術是傳統的沼氣發電技術，通過利用有機廢棄物厭氧發酵，產生的沼氣進行簡單提純后直接燃燒驅動發電機組發電[23]。沼氣燃料電池發電技術是在燃料電池的基礎上以高度提純的沼氣（甲烷濃度>90%）作燃料，利用電化學氧化還原過程產生電流的高效發電裝置[24]。其發電的方式有兩種，既可通過高溫燃料電池直接發電，也可經過重整后轉換為氫氣作為燃料電池的傳統燃料[25]，本文研究的沼氣燃料電池發電方式為第二種。

目前對生物質能源轉化項目的可行性分析方法包括全生命周期評價法（Life Cycle Assessment，LCA）、模型模擬分析以及工藝流程分析等，用于評估生物質轉化技術的經濟、環境、工藝可行性[26-29]。中國對生物質可行性研究主要是評估單種生物質轉化項目的可行性，鮮少有人對比分析多種生物質轉化技術的可行性，并分析特點。

本文基于LCA和時間價值的動態分析方法，旨在綜合評估秸稈沼氣化發電技術、并于燃煤發電技術進行對比，為項目選擇合適的生物質能源轉化技術提供參考意見。同時為綜合對比其他生物質能源轉化技術的可行性提供參考依據，需要注意的是，經濟分析部分評價指標需要結合具體技術背景選擇。文章通過三種環境類別的影響潛值：全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP）、環境酸化潛值（Acidification Potential，AP）和人類毒性潛值（Human Toxicity Potential，HTP），分析不同發電技術的環境效益，并通過動態投資回收期、內部收益率和凈現值三個指標，根據時間價值的動態分析方法綜合評估不同發電技術的可行性。

1 材料與研究方法

1.1 污染氣體排放量清單

發電廠運行階段的環境影響主要由氣體污染物的排放引起，表1顯示了沼氣直燃發電、沼氣燃料電池發電和燃煤發電1 kW·h生命周期的主要污染物排放數據。其中沼氣燃料電池技術的研究有限難以準確獲得其污染物排放數據，因此本文根據沼氣燃料電池發電周期內需要消耗的天然氣量以及燃煤和燃氣電廠污染物排放對環境影響評價的比較[30-32]，選用部分燃煤發電排放量清單來替代沼氣燃料電池發電的排放清單用于相關數據的計算。

表1 不同發電技術的排放清單[3,30-37]

1.2 評價方法

1.2.1 生命周期評價方法

生命周期評價法（LCA）是一種評價產品或過程在其生命周期中對環境影響的環境工具，也被應用于生物質發電技術環境影響評價。LAC分為目標和范圍確定、生命周期清單分析、環境效益評估、結果分析四個階段。考慮到沼氣發電技術的多樣性以及燃煤發電技術的復雜性，本文在建立評估模型時簡化了環境評估的范圍。范圍包括原材料生產、原材料加工、原材料運輸和運營階段的發電，忽略了設備制造、設備回收、設備折舊以及工廠建設等階段。機組容量的選擇以近年來的相關項目規模綜合分析確定，以沼氣直燃發電機組容量選擇為例，截止到2020年，沼氣直燃發電技術裝機容量達到50萬千瓦[38]，中位數為2 MW。最終沼氣直燃發電、燃煤發電的機組容量分別選擇為2 、1 320 MW。沼氣燃料電池發電技術現在以200 kW機和11 MW兩種規模形成了系列化，11 MW機是世界上最大的燃料電池發電設備，目前中國沼氣燃燒電池技術發展未完全成熟，因此沼氣燃燒電池發電的機組容量選擇200 kW。

清單分析數據只表示每個特定環境交換對確定的環境影響類型的貢獻強度。需要計算各個環境種類的環境影響潛值，在進行標準化和加權后分析總環境影響負荷以判斷不同發電技術的環境效益。本文考慮了發電過程中對環境和人體健康造成的影響，選擇全球變暖、環境酸化、人類毒性3種環境種類計算影響潛值。

環境影響潛值根據公式（1）計算

式中EP()：第種環境影響潛值，kg/a；EP()：第種污染物對第j種環境影響的貢獻；Q：第種污染物的排放量；EF()：第種污染物對第種環境影響類別的當量因子。

在比較不同環境影響類別對總環境影響的潛在危害程度之前，應先對公式（1）的計算結果進行標準化和加權賦值，通過比較各種環境影響潛力的相對值，判斷不同的環境影響類別對總環境的影響潛力。本文主要以1990年為標準化基準年，將其環境影響負荷作為計算的基準值，并采用全球2000年的環境影響基準對國內缺失的數據進行補充。不同環境影響類別的環境影響標準化潛值根據（2）計算：

式中NEP()：第種標準化后環境影響潛值；EP()：第種環境影響潛值；ER()：第種環境影響潛值加權計算的基準值[39]。

1.2.2 基于時間價值的動態分析方法

發電技術經濟效益就沒采用基于時間價值的動態分析方法進行研究，根據沼氣發電廠項目在建設期以及運營期的相關經濟參數建立發電廠經濟效益計算模型進行經濟評價和效益評估。在發電廠項目的建設期，初始投資主要包括土建施工、設備采購安裝以及設備調試交付等，本文將建設期花費作為資本流出階段。經營期是項目的壽命期，即從正式投產到項目報廢的全過程時長。運營期既有資金流入也有資金流出，資本流出階段主要包括原材料、燃料采購和運輸、勞動力管理成本、設備折舊和其他運營成本，資本流入階段主要包括電力和其他副產品收入。

動態投資回收期反映投資返本期，但其計算在投資回收年限的基礎上考慮了資金的時間價值；凈現值是將項目在運營期內各年的凈現金流量以行業投資的平均報酬率作為貼現率折算所得出的價值之和，反映了資金的現有價值；內部收益率可以直接說明其與行業投資平均收益水平的差別，內部收益率越高，說明投資項目承受行業投資平均收益水平或市場利率上升的能力就越強。這三種指標可以全面的評估整個項目周期的經濟。此外，項目在投資之初需要設定最低期望值—折現率Ic，只有當最低期望可以滿足時才能考慮進一步投資。在中國評估界，采用的折現率一般在10%～15%，本文中選擇10%的折現率進行計算。其中評價指標包括：折現回收期（10%）、凈現值（NPV）、內部收益率（IRR），其計算公式如下：

內部收益率：（5）

2 結果與分析

2.1 環境效益分析

2.1.1 環境影響潛力分析

表2中表述了三種環境影響種類中包含的主要污染物以及當量因子，目的是將每種環境影響種類中存在的不同污染氣體以同一參數轉化為統一單位，用于對比影響潛值和后續的標準化計算。以全球變暖類別影響潛值為例，全球變暖以CO2為參照，CO、CH4和NOx的當量因子分別是2、25和320，以此得出其他環境影響種類的當量因子。

表2 不同環境影響種類的當量因子

結合表1中不同類型污染物排放清單和表2中環境影響種類的當量因子，根據公式（1）計算得出不同環境影響類型的影響潛力值，計算結果見表3。

根據三種發電技術對不同類別環境影響潛力的計算結果發現：燃煤發電對環境影響最大，三種環境類別的影響潛值分別為21.84，7.15×10-2和5.21。沼氣直燃發電全球變暖和環境酸化兩種環境類別的影響潛值最低，相較于燃煤發電技術，三種環境減排量分別為96.37%、94.7%、92.78%。沼氣燃料電池發電技術人體毒性環境類別影響潛值最低，三種環境減排量分別為79.58%、82.8%、99.76%。沼氣燃料電池發在全球變暖和環境酸化兩種環境類別中表現不佳的原因可能是因為其工藝技術不夠成熟，使用的天然氣在發電過程中會產生較多的CH4和NOx氣體，導致溫室效應和環境酸化潛力值上升。可以通過提升沼氣燃料電池的利用效率、改善發電技術工藝控制廢氣產生。整體比較三種發電技術對不同環境影響類別的潛值發現，沼氣直燃發電技術相較于沼氣燃料電池發電技術代替傳統燃煤發電對環境的影響更小。說明從環境排放角度來看，沼氣直燃發電更適合在以燃煤發電為主的地區實行和推廣。沼氣燃料電池在發電過程中會產生較高的NOx廢氣排放量，增加環境負擔，需要改善工藝控制NOx的產生。

表3 不同發電技術對環境的影響潛力

2.1.2 總環境影響負荷分析

表3的數據只能顯示不同發電技術對各個環境影響類別的影響程度，不能直接對比分析不同發電技術對總環境影響的潛在危害程度。需要通過標準化和加權賦值計算總環境影響潛值，不同環境影響類別的環境影響標準化潛值可通過公式（2）計算。在相同的環境影響類型下，專家學者針對不同的研究范圍和研究對象給出的權重不同，文中主要研究的是秸稈沼氣化，考慮到秸稈沼氣與燃料乙醇工程類型較為接近，均屬于生物質資源能源化利用[33]。因此，最終選擇采用王偉等[34]給出的權重因子作為參照。不同發電技術標準化后環境影響潛值、加權后環境影響潛值以及總環境影響負荷的結果見表4。

表4 不同發電技術標準化后各環境影響潛值

對比三種發電技術總環境影響負荷的結果發現：總環境影響負荷從高到低依次為燃煤發電、沼氣直燃發電、沼氣燃料電池發電。兩種沼氣發電技術運行1a造成的環境影響遠遠小于燃煤發電技術，與煤炭使用相比，沼氣直燃發電技術可以減少92.76%的環境影響負荷，沼氣燃料電池發電技術可以減少99.71%的環境影響負荷。霍麗麗等[43]對農業生物質減排的潛力計算結果也證實了沼氣發電對環境的友好性。說明從能源替代角度而言，沼氣直燃發電技術和沼氣燃料電池發電技術均具有良好的代替性。此外，沼氣燃料電池發電技術在人類毒性環境類別中代替燃煤發電的降低總環境影響負荷的效果是沼氣直燃發電技術的30.57倍，因此在代替燃煤發電降低總環境影響負荷的對比中，沼氣燃料電池對環境影響最小。沼氣燃料電池發電技術在環境效益方面具有巨大的潛力，需要合理開發利用，可以通過改善工藝條件控制CH4和NOx氣體排放量較高的問題。

2.2 經濟效益分析

2.2.1 資本流入-流出清單分析

通過文獻查閱，獲得了目前常用的、有代表性的傳統沼氣發電廠、沼氣電池燃料發電廠和燃煤發電廠的有關資本投入產出的數據并進行計算，秸稈價格和上網電價等部分包含在運營成本和運用利潤中，不再單獨討論。根據2021年，發改委、財政部、能源局聯合發布《2021年生物質發電項目建設工作方案》，將補貼項目分為競爭性配置和非競爭性配置項目兩類，農林生物質發電上網電價的規定分別是低于0.75元/度和0.75元/度。在數據處理過程中，為方便計算做了以下假設：發電站為非競爭性配置、年基準收益率設定為10%、運行期為20 a、年發電周期為5 500 h、上網電價為0.75元/kW時等，計算結果在表5中表示。

表5 不同發電技術資本流入—流出清單[28,33,44-46]

根據表5中的數據發現，項目規模和相關技術成熟度有關。沼氣燃料電池發電技術在中國發展時間尚短，技術為完全成熟度，相應發電站規模較小。與此相對，燃煤發電技術發展至今百余年，技術足夠成熟，因此火電廠規模更大。在初始階段，沼氣燃料電池發電項目投資最大，燃煤發電項目投資最小，說明工藝發展成熟度與投資成本有關。沼氣燃料電池技術因為工藝成熟度低、產品生產流程復雜，在發電過程中需要昂貴的化學催化劑并且需要高度純化H2和CH4等原因導致投資成本增加[47]。沼氣直燃發電項目與沼氣燃料電池發電項目相比初始投資費用較低，除了因為對沼氣直燃發電技術工藝技術的研究更全面之外，還與沼氣燃料電池發電技術使用天然氣作原料導致制備成本更高有關。在運營期間，沼氣直燃發電和燃煤發電的投資相差無幾，說明沼氣直燃發電技術在初始投資期和運營期的經濟性均足以和燃煤發電技術競爭。截止到目前為止，中國對沼氣直燃發電技術做了大量研究，使其技術工藝更完善，且原材料價格低廉。從年度利潤結果來看，沼氣直燃發電項目利潤最高，沼氣燃料電池發電項目和燃煤發電項目的年度利潤相差無幾。說明沼氣直燃發電項目在多方面都具有顯著的能源替代作用，適合大規模推廣和使用。沼氣燃料電池發電項目由于技術、原料等原因導致經濟效益表現欠佳，可以通過開售副產品收入和減少秸稈收集成本等提高收益[48]。

2.2.2 經濟分析

基于表5中的數據，根據公式（3）～公式（5）對不同沼氣直燃發電技術和燃煤發電技術進行計算，動態投資回收期、凈現值以及內部收益率的結果在表6中顯示。

表6 不同發電技術的經濟評價結果

根據表6中三種發電技術的整體經濟評價結果發現，沼氣直燃發電項目的經濟性最佳，沼氣燃料電池發電經項目沒有經濟性。單獨以動態回收期為評價指標時，沼氣直燃發電技術有最佳回收期（12.03 a），其次是燃煤發電技術（14.50 a），沼氣燃料電池發電技術在運行期內無法成功回收初始投入資本（>20 a）。當以凈現值為評價指標時，傳統發電技術的凈現值最高（1 361 246 Yuan/MW），隨之是燃煤發電技術（423 933 Yuan/MW），沼氣燃料電池發電在運營期間無法實現盈利。以內部收益率為評價指標時，沼氣直燃發電技術內部收益率最高（13.49%），隨之是燃煤發電的內部收益率（11.88%），沼氣燃料電池技術內部收益率最低（-9.08%）。內部收益率越高，說明新增投資項目的獲利空間越大。綜合來看，沼氣直燃發電項目和燃煤發電項目在運行期間二者均可回收資本、實現盈利并達到投資的最低收益要求，項目具有可行性。沼氣燃料電池發電項目在運行期間無法實現盈余，項目不具備可行性。而與燃煤發電技術相比，沼氣直燃發電技術具有更大的獲利空間，因此，盡管沼氣燃料電池發電技術對環境影響最低，但與沼氣直燃發電技術相比依舊沒有競爭力。在沼氣燃料電池技術發展成熟之前，代替傳統化石能源發電的重心依然要放在沼氣直燃發電技術上。

3 結 論

1）對比三種發電技術對總環境影響負荷的結果來看，沼氣直燃發電、沼氣燃料電池發電均具有較好的環境效益。其中沼氣燃料電池的環境效益最佳，總環境負荷為8.55×10-4，相較于傳統燃煤發電產生的環境負荷（2.97×10-1），可以減少99.71%的環境影響負荷。沼氣直燃發電技術總環境負荷2.15×10-2，相較于燃煤發電可減少92.8%的環境影響負荷。這表明生物質發電技術符合中國可持續發展的要求，具有較強的發展空間。

2）本文對比討論了沼氣直燃發電、沼氣燃料電池發電以及燃煤發電三種技術的環境效益和經濟效益。從整體情況看，沼氣直燃發電技術在三種發電技術中可行性評估結果最佳；沼氣燃料電池技術在環境效益方面表現最好，但是經濟可行性評估最差，目前無法憑借項目收益吸引投資，可行性不高；燃煤發電技術經濟效益較佳，但運行過程中對環境影響負荷過大，不符合中國“碳中和”的目標且不利于環境可持續發展。因此，在近期內沼氣直燃發電技術將仍然是替代傳統燃煤發電的最佳選擇之一。

3）沼氣燃料電池發電技術雖然在環境效益方面具有巨大的潛力，但由于其技術成熟度和投入成本等原因無法實現經濟效益。因此在中國相關技術和工藝能力成熟之前，無法進行大面積推廣和使用。對此建議：加強對沼氣燃料電池技術的研究方向，提高技術成熟度和生產效率；降低設備、原料、管理和人員產生的成本費用；對副產品進行加工，增加其價值并進行售賣；政府部門制定相關政策彌補沼氣燃料電池發電前期投入過大的缺點，促進行業發展。

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Life cycle assessment and economic analysis of straw biogasification power generation technology

Ma Guojie1, Zhu Linying1, Zhang Miaomiao2, Zhao Xiaoling2,3,4※, Chang Chun2,3,4

(1.,,450001,; 2.,,450001,; 3.,473000,; 4.,450001,)

At present, the problems of energy depletion and environmental pollution caused by non renewable energy such as oil and coal have seriously hindered the sustainable development of our society. Biomass energy is a reliable low-carbon alternative energy with renewable, clean and other characteristics. Therefore, the energy transformation to renewable energy is crucial to China's development. Research shows that China has rich biomass resources. For example, agricultural wastes can be used to produce biogas by anaerobic fermentation of agricultural wastes straw, which can reduce a lot of carbon emissions. Therefore, it is of great significance for China's development to make full and reasonable use of this resource. This paper discusses two types of biogas power generation technologies using straw as raw material, namely, traditional biogas direct combustion power generation technology and biogas fuel cell power generation technology. Based on life cycle assessment (LCA) and time value dynamic analysis method, the feasibility of two types of biogas power generation technologies is comprehensively evaluated from both environmental and economic aspects. The feasibility of this technology is compared with that of coal-fired power generation technology, and the feasibility of straw biogas power generation technology in both economic and environmental aspects is discussed. In the feasibility analysis of environmental benefits, three potential values of environmental impact categories are considered: global warming (GWP), environmental acidification (AP) and human toxicity (HTP). The environmental impact potential of the three power generation technologies is calculated according to the equivalence factor of each environmental category. After the environmental impact potentials are standardized, the total environmental impact loads of different environmental categories are obtained. The analysis of the total environmental impact is consistent with the judgment of the environmental benefits of the three power generation technologies. The economic feasibility analysis adopts the dynamic analysis method of time value, and selects the dynamic investment payback period, internal rate of return and net present value as the analysis indicators. According to literature review, find representative power plants, and calculate dynamic payback period, net present value and internal rate of return by referring to capital input and output data of power plants. According to the calculation results, the economic feasibility of different power generation technologies is comprehensively analyzed. The results show that the biogas fuel cell power generation technology is the best in terms of total environmental impact, and the total environmental impact load is 8.55×10-4, followed by biogas direct combustion power generation technology, with a total environmental impact load of 2.15×10-2。 Compared with coal-fired power generation technology (2.97×10-1), the emission reduction rate reached 99.71% and 92.76% respectively. In terms of economic benefits, when the dynamic payback period and NPV are taken as indicators, the payback period of the straw biogas direct fired power generation project is the shortest (12.03 years), the NPV in the operation period can reach 1 361 246 Yuan/MW, and the economic benefits are the best; The second is coal-fired power generation project (14.5 years), with a net present value of 423 933 Yuan/MW; The dynamic payback period of biogas fuel cell power generation project is more than 20 years, and there is no surplus during operation. Therefore, compared with biogas fuel cell power generation technology, biogas direct combustion power generation technology has more significant economic benefits. This shows that biogas direct fired power generation technology will remain one of the best power generation technologies to replace coal-fired power generation in the future.

straw; biogas power generation; economic analysis; life cycle assessment; environmental load

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.018

X71；F4

A

1002-6819(2022)-24-0162-07

馬國杰，朱琳影，張苗苗，等. 秸稈沼氣化發電技術生命周期評估及經濟分析[J]. 農業工程學報，2022，38(24)：162-168.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.018 http://www.tcsae.org

Ma Guojie, Zhu Linying, Zhang Miaomiao, et al. Life cycle assessment and economic analysis of straw biogasification power generation technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 162-168. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.018 http://www.tcsae.org

2022-09-22

2022-11-30

國家自然科學基金資助項目（22178328）；生物質資源加工與高效利用杰出外籍科學家工作室項目（GZS2022007）；南陽市協同創新重大專項（鄭州大學南陽研究院）（21XTCX12002)；車用生物燃料技術國家重點實驗室開放課題（KFKT2020009）

馬國杰，副教授，研究方向為資源利用與實驗室管理。Email：magj@zzu.edu.cn

趙肖玲，講師，研究方向為生物質資源化利用。Email：zhaoxiaoling@zzu.edu.cn