基于能值分析的生物质能碳捕集与封存技术的可持续性研究

朱强¹，马晨铭¹，王珺瑶²，赵军¹，邓帅¹

（1天津大学机械工程学院，天津300050；2广东工业大学材料与能源学院，广州510006）

　　摘要：生物质能碳捕集与封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECCS）是一种应对气候变化的重要负排放技术。然而，目前学者对于该技术的可持续性应用仍存在争议。能值分析是一种能有效评估系统可持续性的量化方法，能够对系统的资源效率、环境影响和经济效益进行综合考量，进而全面反映系统的可持续发展水平。对8种典型的生物质发电系统，即有/无碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，CCS）的生物质直燃发电、生物质掺烧发电、生物质整体气化循环发电以及2种新型BECCS展开能值分析，选取能值产出率、环境负载率、可持续性指数等典型能值指标和碳排放指标对系统展开对比评价。结果显示，生物质发电系统的CO₂净排放量远低于煤基发电系统，耦合CCS后可实现负排放效益；生物质发电系统具有较低的环境负载率（ELR<2）和较高的可持续性指数（ESI<5.5），综合效益表现较优，长期可持续。此外，系统可持续性还与国家政策和生物质供应有关。敏感性分析表明，制定合适的激励政策，合理规划电厂选址以确保稳定充足的生物质供给，是提高系统可持续性的重要途径。

　　0引言

　　为实现《巴黎协定》提出的将全球变暖限制在2℃以内的目标，碳捕集与封存和负排放技术（Negative Emission Technologies，NETs）在未来将发挥不可替代的作用[1]。其中，生物质能碳捕集与封存技术是有望将全球碳排放稳定在低水平的重要负碳技术之一[23]。许多综合评估模型（Integrated Assessment Models，IAMs）的研究结果显示，实现控制温度升高在2℃或1.5℃以内的较高目标，需大规模部署BECCS。联合国政府间气候变化专门委员会在《全球升温1.5℃特别报告》中指出，为实现全球温升控制在1.5℃的场景，在2030年、2050年和2100年的BECCS预计规模应分别达0~1Gt/a、0~8Gt/a和0~16Gt/a[4]。

　　目前，围绕BECCS已进行了多角度的分析与评估。采用的分析方法主要包括经济性分析、能量分析和全生命周期评估（Life Cycle Assessment，LCA）。就经济性分析而言，制定有效的激励政策是提高BECCS经济可行性进而在现有条件下发展的重要保障[5]。然而，经济性分析的结果往往受人工市场和影子价格的影响，具有一定的主观色彩。2021年，Yan等[6]基于能量分析建立了BECCS研究模型，通过研究各系统特性并确定最佳运行工况，为该类系统的深入研究奠定了基础。2018年，Yi等[7]建立了电厂掺烧生物质的环境影响及能量评估模型，第一次全面地探讨了电厂掺烧生物质的可行性，并通过能量分析指出了系统优化方向。但需要注意的是，能量分析往往不考虑各能量流之间质量的差别，并且忽略了劳动力投入和生态系统贡献的影响。全生命周期评估广泛应用于研究系统的环境影响，如BECCS的碳足迹[89]、水足迹[10]等，但忽略了人类劳动、自然环境（阳光、降水等因素）的贡献。同时，采取打分制也可能受研究者主观倾向的影响，结果具有一定的局限性。一般来说，上述分析往往忽略了人类劳动和自然资源的贡献。在可持续发展理念下，系统的可持续性评估必须考虑经济、资源、环境和社会的综合影响，以为决策者提供更加全面的建议[11]。

　　1980年，Odum基于热力学原理和林德曼“十分之一定律”，最早创立了能值分析，并将能值定义为某种产品或者服务在其形成过程中投入的有效能总量[12]。与上述分析方法相比，能值分析具有以下优势：1）密切联系了生态系统和人类经济系统。通过建立统一的客观评价尺度，将系统中不同种类，无法比较的能量流以及其他非能量流（物质流和资金流等）统一换算为太阳能值（Solar Emergy）进行研究[12]。2）在能值分析中，产品或服务的起始能被追溯。因此，在自然循环中，资源生成所需时间可以考虑在内[13]。3）能值分析可以识别系统中有可持续发展潜力的关键环节和影响因素，这为决策者提供了更加综合的参考依据[14]。

　　近年来，能值分析广泛应用于发电系统的可持续性定量评估。Buonocore等[15]通过能值分析对某地热发电厂进行评估，揭示了其可持续性和竞争力。2017年，Pang等[16]在生命周期框架内引入能值分析，并提出了“LCA+能值”方法，首次对某生物质直燃碳捕集电厂展开了可持续性综合评价。Sha等[17]使用能值分析对热电联产系统进行了评价。结果显示，与单独的生产过程相比，热电联产可以减少生产过程中20%~35%的能值投入，且生物质发电系统的可持续性指数比燃煤系统高1.5倍。此外，能值分析还广泛应用于其他发电系统（如风力[1819]、水力[2021]、光伏[2223]等）、建筑系统[2425]、农业系统[2627]的可持续性分析。

　　根据调研，现有的经济性分析、能量分析和全生命周期评估均无法区分BECCS内不同来源、不同质量/数量的物质流、能量流、货币流之间的差异，也忽略了这些因素对环境的影响，从而无法对系统可持续性进行完整描述，而能值分析可以克服这些缺陷。然而，目前针对BECCS的能值研究尚不充分，不同类型BECCS的可持续性尚未得到对比研究。基于此，本文研究：1）基于能值分析对8种具有代表性的生物质发电系统展开评估，并进行全面的对比分析；2）结合具体政策，研究不同场景下碳税、上网电价补贴、生物质供应量对系统可持续性的影响；3）结合每个系统的碳排放和效率辅助能值分析。以期从可持续发展角度为BECCS的决策和部署提供参考。

　　1研究方法与系统介绍

　　能值定义为直接或者间接包含在服务或者产品中太阳能的数量[25]。通过把生态系统中能量流、物质流、货币流转化为同一标准——太阳能值，可打破传统分析方法中存在的能量和质量壁垒，实现在统一评价体系内综合分析系统生态和经济效益的目的。

　　1.1能值分析

　　在进行能值分析时，通常包含以下3个步骤：1）绘制系统能值分析图，明确系统主要组成，物质和能量流动。以生物质掺烧发电系统为例，其能值输入和输出见图1。2）计算系统能值，各输入流的能值计算见式（1）。其中，能值转换率（Transformity，Tr）的计算依赖于地球生物圈能值基线（Geo-biosphere Emergy Baseline，EGB），EGB（seJ）为地球每年吸收太阳能、潮汐能和地热能的能值。3）根据上述结果计算能值指标并展开分析。

　　1.2能值评价指标

　　有研究者提出用各种能值指标以对系统的不同方面进行评估[26]。本文选取常用的能值指标：能值转换率（Tr）、能值产出率（Emergy Yield Ratio，EYR）、环境负载率（Environmental Loading Ratio，ELR）和可持续性指数（Emergy Sustainabi lityIndex，ESI）进行研究。

　　由于本文发电系统输出的产品是电能，因此Tr计算见式（2）。

　　1.3系统介绍

　　本文以燃煤发电系统（Pulverized Coal Power Generation System，PC）为研究基准，以8种生物质发电系统为对象进行研究。其中，研究对象具有典型性和代表性，涵盖了大部分生物质发电系统，包括：生物质掺烧发电系统（Pulverized Biomass Co-Firing Power Generation System，PBC）、生物质直燃发电系统（Pulverized Biomass Power Generation System，PB）、生物质气化联合循环发电系统（Biomass Integrated Gasification Combined Cycle，BIGCC），以及耦合CCS的“PBC+CCS”、“PB+CCS”、“BIGCC+CCS”。PC装机容量为1280MW，热效率为32%。有/无CCS的PB和PBC的装机容量为600MW[28]。其中，PBC以秸秆、柳条等混合物为生物质来源，掺烧比为50%。有/无CCS的BIGCC采用空气气化和燃气轮机外燃的方式，并选用了25MW的流化床气化炉[29]。各系统基本参数见表1[5，2832]。

　　此外，本文还研究2种新型的BECCS，即藻类种植结合生物质能碳捕集与封存（Algae with Bioenergy Carbon Captureand Storage，ABECCS）系统和生物质整体气化燃料电池（Biomass-fueled Integrated Gasification Fuel Cell，BIGFC）系统。在ABECCS中，生物质电厂产生的CO₂一部分被捕集与封存，另一部分作为碳源供给藻类生长[33]。BIGFC是生物质气化与固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）相结合的新型发电技术，属于BECCS范畴，旨在高效生产负碳电力[34]。

　　1.4能值计算

　　各系统的原始数据以及能值计算结果见表2~5[5，25，2829，3140]。需要注意的是，本文能值基线为12.1×10²⁴seJ/a。各系统的输入输出数据，如生物质、过程水、成本、发电量等均来自文献[5，28-29，31-32]。成本参考平准化电价（Levelized Cost of Electricity，LCOE），且所有数据均转化为年度值。PC的能值结果参考Brown等[30]的研究结果。

　　2结果与讨论

　　2.1碳排放量及能值指标分析

　　本文以8种典型的生物质发电系统为研究对象，选取碳排放量和典型能值指标以评价各系统的环境影响和可持续性。

　　2.1.1碳排放量

　　CO₂是导致全球变暖和气候变化的主要温室气体之一。各系统CO₂排放量和净排放量见图2。其中，CO₂净排放量考虑了生物质的碳中和特性，即生物质燃烧CO₂的释放量与其生长过程中CO₂的吸收量大致相等。可以发现PBC、PB、BIGCC的CO₂净排放量远低于PC电厂，降幅约为48%~83.6%，表明以生物质为电厂燃料可以大幅降低电力行业的碳排放压力，但仍无法实现净零排放。只有耦合CCS后才能实现零排放甚至是负排放。Yi等[7]和Yang等[28]研究指出，当掺烧比超过25%，“PBC+CCS”基本可实现零排放。BIGFC、“BIGCC+CCS”、“PB+CCS”的碳负排放量分别为567gCO₂/（kW·h）、743gCO₂/（kW·h）、876.6gCO₂/（kW·h）。由于3者的发电效率依次下降[6，28]，生产单位电力投入的生物质质量依次增加，因此负排放量递增。

　　2.1.2能值指标

　　各系统的能值转换率（Tr）见表6。与PC相比，PBC的Tr略大。这是因为当掺烧比较高时，PBC需要额外配置发电装置，因此能值投入较多。而PB和BIGCC的Tr均小于PC的Tr，表明PB和BIGCC生产单位电力投入的能值更少，这与李欣等[41]得到的结果一致。同时，BIGCC的Tr低于PB的Tr。这是因为BIGCC发电效率更高，生产单位电力投入的生物质质量更少，因此其Tr较小。此外，当每个系统增加CCS后，Tr增加，这是因为CCS不仅增加了额外的购买能值，还降低了发电效率。

　　相比于其他发电系统，BIGFC和ABECCS的Tr均较大。这主要是因为2者均属于新型的生物质发电系统，技术成熟度较低，需要投入大量的能量、劳务、原材料等。以BIGFC为例，相较于传统“PB+CCS”而言，采用了价格更为昂贵的固体氧化物燃料电池、化学循环空气分离等设备，因此其Tr较大。以往研究显示，BIGFC单位资本成本投入是“PB+CSS”的1.5倍以上[30，32]。此外，BIGFC更复杂，劳务、运维等成本投入较大，较大的购买能值投入导致其Tr较大。与BIGFC类似，ABECCS也具有较大的购买能值。这主要是与藻类培养过程中复杂昂贵的设备有关，如藻类生长专用的光化学反应器、营养罐、微生物培养基等。此外，ABECCS也投入了大量的不可再生资源，如反应器薄膜、化学营养剂等。由于ABECCS的总能值输入较大，且该系统58%以上的电能被CCS和藻类培养过程所消耗（Eelectricity减小），导致其Tr较大。不过，对于ABECCS，该系统的主要目的为降低传统BECCS对农业用地和灌溉用水的需求，进而减少BECCS对粮食安全的负面影响。

　　各系统能值指标（EYR、ELR、ESI）的计算结果见图3。其中，PC和PBC的EYR>5.5，而PB和BIGCC的EYR为2.1~3.9，这与韩菲等[42]研究结果接近。在所有BECCS中，BIGFC的EYR最低，这是因为其购买能值占比较大（63.9%），约为“PB+CCS”的1.50倍，“PBC+CCS”的2.67倍。与BIGCC相比，PBC和PB的EYR较高，这是因为其投入的资本成本和运维成本相对较低。根据研究，BIGCC的LCOE为131$/（MW·h），而PBC和PB的LCOE分别为72.2$/（MW·h）和95.2$/（MW·h）[33]。因此，未来需进一步对BIGFC和BIGCC进行升级与优化，从而降低发电成本并提高其EYR。

　　ELR表示环境负荷的指标。PC使用了大量的不可再生煤炭资源而具有较高的ELR，符合预期。各系统添加CCS会导致投资成本增加，且碳捕集过程需要额外的能量供给，最终使其ELR增大。在所有BECCS中，ABECCS具有最高的ELR。这是因为ABECCS在藻类培养过程中投入了大量的不可再生资源，如光生物反应器薄膜、化学营养剂等。但整体来看，有/无CCS的生物质发电系统的ELR<2.1，远远低于PC（10.4）、天然气发电系统（9.4）[43]、燃油发电系统（14.2）[44]。因此，就环境效益而言，生物质发电系统值得被推广。

　　ESI是一个综合指标，能用于评估系统的可持续性。PC和BIGFC的ESI<1，表明在当前技术水平下，2者均不可持续。PC由于其燃料因素限制，难以实现根本性改变；BIGFC目前仍处于研究阶段，随着技术进步，未来有希望实现转变。与PB和PBC相比，BIGCC的ESI最小，一方面，BIGCC购买能值占比过大，EYR相对较小；另一方面，本文所选的BIGCC输出功率较小（10MW）[6]。庞明月等[45]指出，对于一些小规模的可再生能源发电系统，ESI可能会较低甚至低于可接受水平。此时，对决策者而言，如何在环境效益与生态成本之间进行权衡显得尤为重要。此外，加入CCS后，PB、PBC、BIGCC的ESI分别下降了2.44、1.28、0.94，表明部署CCS对PB的可持续性影响最大。

　　2.2关键参数分析

　　考虑到政策变动、生物质供应量波动对生物质发电系统的影响较明显，本文对这些关键因素展开讨论。通过量化分析，以明确在不同场景下各系统的可持续性优劣。

　　2.2.1碳税

　　根据报告，为实现2℃温控目标，在2030年所需碳税将为0.03~0.10$/kg（0.21~0.67元/kg）[46]。随着碳税的增加，PC的ESI与其他BECCS的ESI呈现截然不同的变化，见图4。这是因为碳税对PC而言是一种“惩罚”，相当于增加了系统的购买能值，致使ESI下降；而对于其他BECCS而言，碳税作为负排放奖励，将有利于提高系统的可持续性。Zhang等[47]也指出，提高碳税将有利于生物质在电力行业中的应用。然而，碳税对于BIGFC和“PBC+CCS”的ESI影响较小。这是因为BIGFC的购买能值较大（占总能值的63.90%）而“PBC+CCS”的负排放潜力较小（-201.50gCO₂/kWh），进而导致碳税的奖励效益不明显。此外，当碳税超过0.328元/kg时，“PBC+CCS”比ABECCS的ESI小，表明在高碳税下，ABECCS的可持续性优于“PBC+CCS”。

　　有/无CCS的生物质发电系统ESI随碳税的变化对比见图5。由图5可知，增加CCS均会使发电系统的ESI显著降低。整体来看，当碳税低于0.328元/kg时，部署CCS获得的“收益”（减少CO₂排放量）小于其产生的“代价”（发电效率降低和额外的成本投入）；当碳税高于0.456元/kg时，这种情况才会出现改善。因此，考虑到CCS的利与弊，需要征收较高的碳税才能促进生物质发电系统中部署CCS。

　　2.2.2上网电价补贴

　　基于我国生物质发电项目的价格政策和Yang等[28]的研究结果，本文将分析上网电价补贴变化对各系统ESI的影响。上网电价补贴对ESI的影响由大到小依次为：PB、BIGCC、其他发电系统，见图6。当上网电价补贴超过226.9元/（MW·h），PB的ESI超过10，这表明此时该系统环保潜力远大于经济效益，属于不发达经济体，可持续性潜力较差[24]。究其原因在于上网电价补贴促进PB发展的同时也对政府财政造成较大负担，且PB对生物质资源的需求较大（输出单位电力所需生物质资源是BIGCC的1.35倍）。假设PB与BIGCC的生物质供应量相同，此时PB更新为PB′，PB′的ESI降低至2.73（图6），而具有较高发电效率BIGCC的ESI则较大。这也表明需要考虑生物质供应量这一重要因素的变化。

　　结合图5和6可以发现，只有在适当的碳税或上网电价补贴下，BIGCC的可持续优势才会得以凸显。因此，对于BIGCC的发展而言，一方面需要合适的政策激励；另一方面需加快技术提升，减少设备的投资和运行成本，进而提高BIGCC的可持续性。此外，研究还发现碳税变化对各BECCS的ESI影响明显，这表明对于BECCS的可持续性而言，碳税可能是一种更有效的激励政策。

　　2.2.3生物质供应量

　　李欣等[41]研究指出，若电厂处于工业密集型区域，则有可能会存在多厂之间的生物质资源竞争问题，进而导致电厂不能满负荷运行。本文研究的生物质发电系统均默认为生物质供应量充足。因此，现实中有必要研究生物质供应量对系统可持续性的影响。PB的ESI与2个变量之间的关系见图7[39]。减少生物质供应量导致ESI变化较大，约是增加服务年限时ESI变化的2.27倍。当供应量减少50%，ESI下降至1.84，这与Pang等[39]研究结果接近。此外，与北美等国家生物质资源集中分布不同，我国生物质分布零散且电厂建设密集，存在生物质资源供应与电厂部署规模不匹配的问题。因此，在未来的发展中，需全面调查当地生物质资源的可用性，并展开小规模（15~300MW）试行[48]，进而合理规划电厂的选址和装机容量。

　　3结论

　　本文运用能值分析对8种典型的生物发电系统展开对比评估，讨论在不同碳税、上网电价补贴和不同生物质供应量下系统的可持续性，并得到以下结论。

　　1）与传统燃煤电厂相比，发电系统使用生物质燃料可显著降低碳排放量，降幅约为48%~83.6%。部署CCS后，系统负排放效益显著（-942.2~-201.5gCO₂/（kW·h））。此外，生物质发电系统的环境负载率（ELR）、可持续性指数（ESI）均优于燃煤发电系统，这也表明生物质碳中和燃料的应用优势。

　　2）在BECCS中，ESI由大到小依次为“PB+CCS”、“PBC+CCS”、“BIGCC+CCS”、ABECCS、BIGFC。对于“BIGCC+CCS”，未来需重点对其气化和发电过程进行优化，以提高效率并减少资本投入。由于目前技术成熟度低，高昂的发电成本是制约ABECCS和BIGFC发展的重要原因。

　　3）碳税和上网电价补贴是生物质发电系统的有效激励政策。对于BECCS，碳税对其ESI的影响更大。当不征收碳税时，耦合CCS会导致各系统ESI降低31.1%~46%；当碳税超过0.456元/kg时，BECCS的可持续发展优势相对明显。

　　4）生物质供应量的敏感性分析也凸显了合理规划生物质发电系统的重要性。由于电厂空间位置不同，生物质供应链会存在差异。为避免因原料供应不足而导致的系统可持续性较低，前期需对某一地区生物质来源及供应稳定性进行充分调研，才能确定合适的选址和装机容量。