馬國杰，朱琳影，張苗苗，趙肖玲,3,4，常 春,3,4

秸稈沼氣化發(fā)電技術(shù)生命周期評(píng)估及經(jīng)濟(jì)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(xué)管理學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué)化工學(xué)院，鄭州 450001；3. 車用生物燃料技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安陽 473000；4. 河南省杰出外籍科學(xué)家工作室，鄭州 450001）

該研究基于生命周期評(píng)價(jià)方法和時(shí)間價(jià)值動(dòng)態(tài)分析方法對(duì)沼氣直燃發(fā)電技術(shù)、沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)作可行性分析，并與燃煤發(fā)電技術(shù)相比，旨在綜合評(píng)估三種發(fā)電技術(shù)在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上的特點(diǎn)，為發(fā)電方式選擇提供參考依據(jù)。結(jié)果表明：沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)環(huán)境效益最佳，總環(huán)境影響負(fù)荷為8.55×10-4，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)總環(huán)境影響負(fù)荷為2.15×10-2，兩者相較于燃煤發(fā)電（2.97×10-1）的減排量分別為99.71%和92.76%。在經(jīng)濟(jì)上，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)的投資回收期最短（12.03 a），運(yùn)營期凈現(xiàn)值可達(dá)1 361 246 Yuan/MW；其次是燃煤發(fā)電技術(shù)（14.5 a），凈現(xiàn)值為423 933 Yuan/MW；沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)動(dòng)態(tài)回收期>20 a且未實(shí)現(xiàn)盈余。說明沼氣直燃發(fā)電技術(shù)在近期內(nèi)將仍是替代燃煤發(fā)電的最佳發(fā)電技術(shù)之一。

秸稈；沼氣發(fā)電；經(jīng)濟(jì)分析；生命周期評(píng)估；環(huán)境負(fù)荷

0 引 言

目前不可再生能源造成的能源枯竭、環(huán)境污染等問題嚴(yán)重阻礙了中國社會(huì)可持續(xù)道路的發(fā)展[1]，激烈的國際能源競(jìng)爭(zhēng)也使能源問題晉升為影響國家戰(zhàn)略的問題之一[2]，向可再生能源轉(zhuǎn)型對(duì)中國發(fā)展至關(guān)重要。生物質(zhì)能源作為低碳替代能源，具有很高的應(yīng)用潛力[3-4]。中國作為農(nóng)業(yè)大國，每年秸稈燃燒引起的農(nóng)村面源污染[5]，已使農(nóng)業(yè)部門成為溫室氣體碳排放的重要來源[6]。而農(nóng)業(yè)廢棄物資源的資源量大，可作為生物質(zhì)能源的主要來源[7]。目前國內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)資源利用研究重點(diǎn)依然是生物質(zhì)燃料化，根據(jù)利用方式不同可分為生物質(zhì)直接燃燒、氣化、液化、熱解、固化等[8-12]。國外近年對(duì)生物質(zhì)的研究重點(diǎn)包括熱解、氣化、液化和沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)研究[13-15]。中國作為發(fā)展中國家，研究重點(diǎn)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(fā)電需求[16-18]。

沼氣發(fā)電作為高效、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，合理運(yùn)用能大幅度減少碳排放[19]，符合中國能源循環(huán)利用的理念，同時(shí)能帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文選擇技術(shù)成熟度較高的沼氣直燃發(fā)電技術(shù)和目前熱度較高的沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)，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(fā)酵原料[20]。沼氣直燃發(fā)電技術(shù)和沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)均是以秸稈為原料進(jìn)行厭氧消化，將產(chǎn)生的沼氣直接轉(zhuǎn)化為電能，因此統(tǒng)稱為秸稈沼氣化發(fā)電技術(shù)。其中沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率更高[21-22]。沼氣直燃發(fā)電技術(shù)是傳統(tǒng)的沼氣發(fā)電技術(shù)，通過利用有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行簡(jiǎn)單提純后直接燃燒驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電[23]。沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)是在燃料電池的基礎(chǔ)上以高度提純的沼氣（甲烷濃度>90%）作燃料，利用電化學(xué)氧化還原過程產(chǎn)生電流的高效發(fā)電裝置[24]。其發(fā)電的方式有兩種，既可通過高溫燃料電池直接發(fā)電，也可經(jīng)過重整后轉(zhuǎn)換為氫氣作為燃料電池的傳統(tǒng)燃料[25]，本文研究的沼氣燃料電池發(fā)電方式為第二種。

目前對(duì)生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化項(xiàng)目的可行性分析方法包括全生命周期評(píng)價(jià)法（Life Cycle Assessment，LCA）、模型模擬分析以及工藝流程分析等，用于評(píng)估生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、工藝可行性[26-29]。中國對(duì)生物質(zhì)可行性研究主要是評(píng)估單種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化項(xiàng)目的可行性，鮮少有人對(duì)比分析多種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的可行性，并分析特點(diǎn)。

本文基于LCA和時(shí)間價(jià)值的動(dòng)態(tài)分析方法，旨在綜合評(píng)估秸稈沼氣化發(fā)電技術(shù)、并于燃煤發(fā)電技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，為項(xiàng)目選擇合適的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)提供參考意見。同時(shí)為綜合對(duì)比其他生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的可行性提供參考依據(jù)，需要注意的是，經(jīng)濟(jì)分析部分評(píng)價(jià)指標(biāo)需要結(jié)合具體技術(shù)背景選擇。文章通過三種環(huán)境類別的影響潛值：全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP）、環(huán)境酸化潛值（Acidification Potential，AP）和人類毒性潛值（Human Toxicity Potential，HTP），分析不同發(fā)電技術(shù)的環(huán)境效益，并通過動(dòng)態(tài)投資回收期、內(nèi)部收益率和凈現(xiàn)值三個(gè)指標(biāo)，根據(jù)時(shí)間價(jià)值的動(dòng)態(tài)分析方法綜合評(píng)估不同發(fā)電技術(shù)的可行性。

1 材料與研究方法

1.1 污染氣體排放量清單

發(fā)電廠運(yùn)行階段的環(huán)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(fā)電、沼氣燃料電池發(fā)電和燃煤發(fā)電1 kW·h生命周期的主要污染物排放數(shù)據(jù)。其中沼氣燃料電池技術(shù)的研究有限難以準(zhǔn)確獲得其污染物排放數(shù)據(jù)，因此本文根據(jù)沼氣燃料電池發(fā)電周期內(nèi)需要消耗的天然氣量以及燃煤和燃?xì)怆姀S污染物排放對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的比較[30-32]，選用部分燃煤發(fā)電排放量清單來替代沼氣燃料電池發(fā)電的排放清單用于相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算。

表1 不同發(fā)電技術(shù)的排放清單[3,30-37]

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)法（LCA）是一種評(píng)價(jià)產(chǎn)品或過程在其生命周期中對(duì)環(huán)境影響的環(huán)境工具，也被應(yīng)用于生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)。LAC分為目標(biāo)和范圍確定、生命周期清單分析、環(huán)境效益評(píng)估、結(jié)果分析四個(gè)階段?？紤]到沼氣發(fā)電技術(shù)的多樣性以及燃煤發(fā)電技術(shù)的復(fù)雜性，本文在建立評(píng)估模型時(shí)簡(jiǎn)化了環(huán)境評(píng)估的范圍。范圍包括原材料生產(chǎn)、原材料加工、原材料運(yùn)輸和運(yùn)營階段的發(fā)電，忽略了設(shè)備制造、設(shè)備回收、設(shè)備折舊以及工廠建設(shè)等階段。機(jī)組容量的選擇以近年來的相關(guān)項(xiàng)目規(guī)模綜合分析確定，以沼氣直燃發(fā)電機(jī)組容量選擇為例，截止到2020年，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)裝機(jī)容量達(dá)到50萬千瓦[38]，中位數(shù)為2 MW。最終沼氣直燃發(fā)電、燃煤發(fā)電的機(jī)組容量分別選擇為2 、1 320 MW。沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)現(xiàn)在以200 kW機(jī)和11 MW兩種規(guī)模形成了系列化，11 MW機(jī)是世界上最大的燃料電池發(fā)電設(shè)備，目前中國沼氣燃燒電池技術(shù)發(fā)展未完全成熟，因此沼氣燃燒電池發(fā)電的機(jī)組容量選擇200 kW。

清單分析數(shù)據(jù)只表示每個(gè)特定環(huán)境交換對(duì)確定的環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)強(qiáng)度。需要計(jì)算各個(gè)環(huán)境種類的環(huán)境影響潛值，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)后分析總環(huán)境影響負(fù)荷以判斷不同發(fā)電技術(shù)的環(huán)境效益。本文考慮了發(fā)電過程中對(duì)環(huán)境和人體健康造成的影響，選擇全球變暖、環(huán)境酸化、人類毒性3種環(huán)境種類計(jì)算影響潛值。

環(huán)境影響潛值根據(jù)公式（1）計(jì)算

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

在比較不同環(huán)境影響類別對(duì)總環(huán)境影響的潛在危害程度之前，應(yīng)先對(duì)公式（1）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)賦值，通過比較各種環(huán)境影響潛力的相對(duì)值，判斷不同的環(huán)境影響類別對(duì)總環(huán)境的影響潛力。本文主要以1990年為標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)年，將其環(huán)境影響負(fù)荷作為計(jì)算的基準(zhǔn)值，并采用全球2000年的環(huán)境影響基準(zhǔn)對(duì)國內(nèi)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。不同環(huán)境影響類別的環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化潛值根據(jù)（2）計(jì)算：

式中NEP()：第種標(biāo)準(zhǔn)化后環(huán)境影響潛值；EP()：第種環(huán)境影響潛值；ER()：第種環(huán)境影響潛值加權(quán)計(jì)算的基準(zhǔn)值[39]。

1.2.2 基于時(shí)間價(jià)值的動(dòng)態(tài)分析方法

發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益就沒采用基于時(shí)間價(jià)值的動(dòng)態(tài)分析方法進(jìn)行研究，根據(jù)沼氣發(fā)電廠項(xiàng)目在建設(shè)期以及運(yùn)營期的相關(guān)經(jīng)濟(jì)參數(shù)建立發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和效益評(píng)估。在發(fā)電廠項(xiàng)目的建設(shè)期，初始投資主要包括土建施工、設(shè)備采購安裝以及設(shè)備調(diào)試交付等，本文將建設(shè)期花費(fèi)作為資本流出階段。經(jīng)營期是項(xiàng)目的壽命期，即從正式投產(chǎn)到項(xiàng)目報(bào)廢的全過程時(shí)長(zhǎng)。運(yùn)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(yùn)輸、勞動(dòng)力管理成本、設(shè)備折舊和其他運(yùn)營成本，資本流入階段主要包括電力和其他副產(chǎn)品收入。

動(dòng)態(tài)投資回收期反映投資返本期，但其計(jì)算在投資回收年限的基礎(chǔ)上考慮了資金的時(shí)間價(jià)值；凈現(xiàn)值是將項(xiàng)目在運(yùn)營期內(nèi)各年的凈現(xiàn)金流量以行業(yè)投資的平均報(bào)酬率作為貼現(xiàn)率折算所得出的價(jià)值之和，反映了資金的現(xiàn)有價(jià)值；內(nèi)部收益率可以直接說明其與行業(yè)投資平均收益水平的差別，內(nèi)部收益率越高，說明投資項(xiàng)目承受行業(yè)投資平均收益水平或市場(chǎng)利率上升的能力就越強(qiáng)。這三種指標(biāo)可以全面的評(píng)估整個(gè)項(xiàng)目周期的經(jīng)濟(jì)。此外，項(xiàng)目在投資之初需要設(shè)定最低期望值—折現(xiàn)率Ic，只有當(dāng)最低期望可以滿足時(shí)才能考慮進(jìn)一步投資。在中國評(píng)估界，采用的折現(xiàn)率一般在10%～15%，本文中選擇10%的折現(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算。其中評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：折現(xiàn)回收期（10%）、凈現(xiàn)值（NPV）、內(nèi)部收益率（IRR），其計(jì)算公式如下：

內(nèi)部收益率：（5）

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境效益分析

2.1.1 環(huán)境影響潛力分析

表2中表述了三種環(huán)境影響種類中包含的主要污染物以及當(dāng)量因子，目的是將每種環(huán)境影響種類中存在的不同污染氣體以同一參數(shù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一單位，用于對(duì)比影響潛值和后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)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(dāng)量因子分別是2、25和320，以此得出其他環(huán)境影響種類的當(dāng)量因子。

表2 不同環(huán)境影響種類的當(dāng)量因子

結(jié)合表1中不同類型污染物排放清單和表2中環(huán)境影響種類的當(dāng)量因子，根據(jù)公式（1）計(jì)算得出不同環(huán)境影響類型的影響潛力值，計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)三種發(fā)電技術(shù)對(duì)不同類別環(huán)境影響潛力的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境影響最大，三種環(huán)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(fā)電全球變暖和環(huán)境酸化兩種環(huán)境類別的影響潛值最低，相較于燃煤發(fā)電技術(shù)，三種環(huán)境減排量分別為96.37%、94.7%、92.78%。沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)人體毒性環(huán)境類別影響潛值最低，三種環(huán)境減排量分別為79.58%、82.8%、99.76%。沼氣燃料電池發(fā)在全球變暖和環(huán)境酸化兩種環(huán)境類別中表現(xiàn)不佳的原因可能是因?yàn)槠涔に嚰夹g(shù)不夠成熟，使用的天然氣在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生較多的CH4和NOx氣體，導(dǎo)致溫室效應(yīng)和環(huán)境酸化潛力值上升?？梢酝ㄟ^提升沼氣燃料電池的利用效率、改善發(fā)電技術(shù)工藝控制廢氣產(chǎn)生。整體比較三種發(fā)電技術(shù)對(duì)不同環(huán)境影響類別的潛值發(fā)現(xiàn)，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)相較于沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響更小。說明從環(huán)境排放角度來看，沼氣直燃發(fā)電更適合在以燃煤發(fā)電為主的地區(qū)實(shí)行和推廣。沼氣燃料電池在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生較高的NOx廢氣排放量，增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，需要改善工藝控制NOx的產(chǎn)生。

表3 不同發(fā)電技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響潛力

2.1.2 總環(huán)境影響負(fù)荷分析

表3的數(shù)據(jù)只能顯示不同發(fā)電技術(shù)對(duì)各個(gè)環(huán)境影響類別的影響程度，不能直接對(duì)比分析不同發(fā)電技術(shù)對(duì)總環(huán)境影響的潛在危害程度。需要通過標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)賦值計(jì)算總環(huán)境影響潛值，不同環(huán)境影響類別的環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化潛值可通過公式（2）計(jì)算。在相同的環(huán)境影響類型下，專家學(xué)者針對(duì)不同的研究范圍和研究對(duì)象給出的權(quán)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(zhì)資源能源化利用[33]。因此，最終選擇采用王偉等[34]給出的權(quán)重因子作為參照。不同發(fā)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后環(huán)境影響潛值、加權(quán)后環(huán)境影響潛值以及總環(huán)境影響負(fù)荷的結(jié)果見表4。

表4 不同發(fā)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后各環(huán)境影響潛值

對(duì)比三種發(fā)電技術(shù)總環(huán)境影響負(fù)荷的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：總環(huán)境影響負(fù)荷從高到低依次為燃煤發(fā)電、沼氣直燃發(fā)電、沼氣燃料電池發(fā)電。兩種沼氣發(fā)電技術(shù)運(yùn)行1a造成的環(huán)境影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃煤發(fā)電技術(shù)，與煤炭使用相比，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)可以減少92.76%的環(huán)境影響負(fù)荷，沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)可以減少99.71%的環(huán)境影響負(fù)荷。霍麗麗等[43]對(duì)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)減排的潛力計(jì)算結(jié)果也證實(shí)了沼氣發(fā)電對(duì)環(huán)境的友好性。說明從能源替代角度而言，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)和沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)均具有良好的代替性。此外，沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)在人類毒性環(huán)境類別中代替燃煤發(fā)電的降低總環(huán)境影響負(fù)荷的效果是沼氣直燃發(fā)電技術(shù)的30.57倍，因此在代替燃煤發(fā)電降低總環(huán)境影響負(fù)荷的對(duì)比中，沼氣燃料電池對(duì)環(huán)境影響最小。沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)在環(huán)境效益方面具有巨大的潛力，需要合理開發(fā)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(jīng)濟(jì)效益分析

2.2.1 資本流入-流出清單分析

通過文獻(xiàn)查閱，獲得了目前常用的、有代表性的傳統(tǒng)沼氣發(fā)電廠、沼氣電池燃料發(fā)電廠和燃煤發(fā)電廠的有關(guān)資本投入產(chǎn)出的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，秸稈價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)等部分包含在運(yùn)營成本和運(yùn)用利潤中，不再單獨(dú)討論。根據(jù)2021年，發(fā)改委、財(cái)政部、能源局聯(lián)合發(fā)布《2021年生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)工作方案》，將補(bǔ)貼項(xiàng)目分為競(jìng)爭(zhēng)性配置和非競(jìng)爭(zhēng)性配置項(xiàng)目?jī)深?，農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)的規(guī)定分別是低于0.75元/度和0.75元/度。在數(shù)據(jù)處理過程中，為方便計(jì)算做了以下假設(shè)：發(fā)電站為非競(jìng)爭(zhēng)性配置、年基準(zhǔn)收益率設(shè)定為10%、運(yùn)行期為20 a、年發(fā)電周期為5 500 h、上網(wǎng)電價(jià)為0.75元/kW時(shí)等，計(jì)算結(jié)果在表5中表示。

表5 不同發(fā)電技術(shù)資本流入—流出清單[28,33,44-46]

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目規(guī)模和相關(guān)技術(shù)成熟度有關(guān)。沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)在中國發(fā)展時(shí)間尚短，技術(shù)為完全成熟度，相應(yīng)發(fā)電站規(guī)模較小。與此相對(duì)，燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展至今百余年，技術(shù)足夠成熟，因此火電廠規(guī)模更大。在初始階段，沼氣燃料電池發(fā)電項(xiàng)目投資最大，燃煤發(fā)電項(xiàng)目投資最小，說明工藝發(fā)展成熟度與投資成本有關(guān)。沼氣燃料電池技術(shù)因?yàn)楣に嚦墒於鹊?、產(chǎn)品生產(chǎn)流程復(fù)雜，在發(fā)電過程中需要昂貴的化學(xué)催化劑并且需要高度純化H2和CH4等原因?qū)е峦顿Y成本增加[47]。沼氣直燃發(fā)電項(xiàng)目與沼氣燃料電池發(fā)電項(xiàng)目相比初始投資費(fèi)用較低，除了因?yàn)閷?duì)沼氣直燃發(fā)電技術(shù)工藝技術(shù)的研究更全面之外，還與沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)使用天然氣作原料導(dǎo)致制備成本更高有關(guān)。在運(yùn)營期間，沼氣直燃發(fā)電和燃煤發(fā)電的投資相差無幾，說明沼氣直燃發(fā)電技術(shù)在初始投資期和運(yùn)營期的經(jīng)濟(jì)性均足以和燃煤發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。截止到目前為止，中國對(duì)沼氣直燃發(fā)電技術(shù)做了大量研究，使其技術(shù)工藝更完善，且原材料價(jià)格低廉。從年度利潤結(jié)果來看，沼氣直燃發(fā)電項(xiàng)目利潤最高，沼氣燃料電池發(fā)電項(xiàng)目和燃煤發(fā)電項(xiàng)目的年度利潤相差無幾。說明沼氣直燃發(fā)電項(xiàng)目在多方面都具有顯著的能源替代作用，適合大規(guī)模推廣和使用。沼氣燃料電池發(fā)電項(xiàng)目由于技術(shù)、原料等原因?qū)е陆?jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)欠佳，可以通過開售副產(chǎn)品收入和減少秸稈收集成本等提高收益[48]。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)分析

基于表5中的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（3）～公式（5）對(duì)不同沼氣直燃發(fā)電技術(shù)和燃煤發(fā)電技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，動(dòng)態(tài)投資回收期、凈現(xiàn)值以及內(nèi)部收益率的結(jié)果在表6中顯示。

表6 不同發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表6中三種發(fā)電技術(shù)的整體經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沼氣直燃發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性最佳，沼氣燃料電池發(fā)電經(jīng)項(xiàng)目沒有經(jīng)濟(jì)性。單獨(dú)以動(dòng)態(tài)回收期為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)有最佳回收期（12.03 a），其次是燃煤發(fā)電技術(shù)（14.50 a），沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)在運(yùn)行期內(nèi)無法成功回收初始投入資本（>20 a）。當(dāng)以凈現(xiàn)值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的凈現(xiàn)值最高（1 361 246 Yuan/MW），隨之是燃煤發(fā)電技術(shù)（423 933 Yuan/MW），沼氣燃料電池發(fā)電在運(yùn)營期間無法實(shí)現(xiàn)盈利。以內(nèi)部收益率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)內(nèi)部收益率最高（13.49%），隨之是燃煤發(fā)電的內(nèi)部收益率（11.88%），沼氣燃料電池技術(shù)內(nèi)部收益率最低（-9.08%）。內(nèi)部收益率越高，說明新增投資項(xiàng)目的獲利空間越大。綜合來看，沼氣直燃發(fā)電項(xiàng)目和燃煤發(fā)電項(xiàng)目在運(yùn)行期間二者均可回收資本、實(shí)現(xiàn)盈利并達(dá)到投資的最低收益要求，項(xiàng)目具有可行性。沼氣燃料電池發(fā)電項(xiàng)目在運(yùn)行期間無法實(shí)現(xiàn)盈余，項(xiàng)目不具備可行性。而與燃煤發(fā)電技術(shù)相比，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)具有更大的獲利空間，因此，盡管沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)對(duì)環(huán)境影響最低，但與沼氣直燃發(fā)電技術(shù)相比依舊沒有競(jìng)爭(zhēng)力。在沼氣燃料電池技術(shù)發(fā)展成熟之前，代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源發(fā)電的重心依然要放在沼氣直燃發(fā)電技術(shù)上。

3 結(jié) 論

1）對(duì)比三種發(fā)電技術(shù)對(duì)總環(huán)境影響負(fù)荷的結(jié)果來看，沼氣直燃發(fā)電、沼氣燃料電池發(fā)電均具有較好的環(huán)境效益。其中沼氣燃料電池的環(huán)境效益最佳，總環(huán)境負(fù)荷為8.55×10-4，相較于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷（2.97×10-1），可以減少99.71%的環(huán)境影響負(fù)荷。沼氣直燃發(fā)電技術(shù)總環(huán)境負(fù)荷2.15×10-2，相較于燃煤發(fā)電可減少92.8%的環(huán)境影響負(fù)荷。這表明生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)符合中國可持續(xù)發(fā)展的要求，具有較強(qiáng)的發(fā)展空間。

2）本文對(duì)比討論了沼氣直燃發(fā)電、沼氣燃料電池發(fā)電以及燃煤發(fā)電三種技術(shù)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。從整體情況看，沼氣直燃發(fā)電技術(shù)在三種發(fā)電技術(shù)中可行性評(píng)估結(jié)果最佳；沼氣燃料電池技術(shù)在環(huán)境效益方面表現(xiàn)最好，但是經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)估最差，目前無法憑借項(xiàng)目收益吸引投資，可行性不高；燃煤發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益較佳，但運(yùn)行過程中對(duì)環(huán)境影響負(fù)荷過大，不符合中國“碳中和”的目標(biāo)且不利于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，在近期內(nèi)沼氣直燃發(fā)電技術(shù)將仍然是替代傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的最佳選擇之一。

3）沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)雖然在環(huán)境效益方面具有巨大的潛力，但由于其技術(shù)成熟度和投入成本等原因無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。因此在中國相關(guān)技術(shù)和工藝能力成熟之前，無法進(jìn)行大面積推廣和使用。對(duì)此建議：加強(qiáng)對(duì)沼氣燃料電池技術(shù)的研究方向，提高技術(shù)成熟度和生產(chǎn)效率；降低設(shè)備、原料、管理和人員產(chǎn)生的成本費(fèi)用；對(duì)副產(chǎn)品進(jìn)行加工，增加其價(jià)值并進(jìn)行售賣；政府部門制定相關(guān)政策彌補(bǔ)沼氣燃料電池發(fā)電前期投入過大的缺點(diǎn)，促進(jìn)行業(yè)發(fā)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(fā)電技術(shù)生命周期評(píng)估及經(jīng)濟(jì)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(xué)基金資助項(xiàng)目（22178328）；生物質(zhì)資源加工與高效利用杰出外籍科學(xué)家工作室項(xiàng)目（GZS2022007）；南陽市協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)（鄭州大學(xué)南陽研究院）（21XTCX12002)；車用生物燃料技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（KFKT2020009）

馬國杰，副教授，研究方向?yàn)橘Y源利用與實(shí)驗(yàn)室管理。Email：magj@zzu.edu.cn

趙肖玲，講師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)資源化利用。Email：zhaoxiaoling@zzu.edu.cn