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朱強1，馬晨銘1，王珺瑤2，趙軍1，鄧帥1
（1天津大學機械工程學院，天津300050；2廣東工業大學材料與能源學院，廣州510006）
摘要：生物質能碳捕集與封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECCS）是一種應對氣候變化的重要負排放技術。然而，目前學者對于該技術的可持續性應用仍存在爭議。能值分析是一種能有效評估系統可持續性的量化方法，能夠對系統的資源效率、環境影響和經濟效益進行綜合考量，進而全面反映系統的可持續發展水平。對8種典型的生物質發電系統，即有/無碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）的生物質直燃發電、生物質摻燒發電、生物質整體氣化循環發電以及2種新型BECCS展開能值分析，選取能值產出率、環境負載率、可持續性指數等典型能值指標和碳排放指標對系統展開對比評價。結果顯示，生物質發電系統的CO2凈排放量遠低于煤基發電系統，耦合CCS后可實現負排放效益；生物質發電系統具有較低的環境負載率（ELR<2）和較高的可持續性指數（ESI<5.5），綜合效益表現較優，長期可持續。此外，系統可持續性還與國家政策和生物質供應有關。敏感性分析表明，制定合適的激勵政策，合理規劃電廠選址以確保穩定充足的生物質供給，是提高系統可持續性的重要途徑。
0引言
為實現《巴黎協定》提出的將全球變暖限制在2℃以內的目標，碳捕集與封存和負排放技術（Negative Emission Technologies，NETs）在未來將發揮不可替代的作用[1]。其中，生物質能碳捕集與封存技術是有望將全球碳排放穩定在低水平的重要負碳技術之一[23]。許多綜合評估模型（Integrated Assessment Models，IAMs）的研究結果顯示，實現控制溫度升高在2℃或1.5℃以內的較高目標，需大規模部署BECCS。聯合國政府間氣候變化專門委員會在《全球升溫1.5℃特別報告》中指出，為實現全球溫升控制在1.5℃的場景，在2030年、2050年和2100年的BECCS預計規模應分別達0~1Gt/a、0~8Gt/a和0~16Gt/a[4]。
目前，圍繞BECCS已進行了多角度的分析與評估。采用的分析方法主要包括經濟性分析、能量分析和全生命周期評估（Life Cycle Assessment，LCA）。就經濟性分析而言，制定有效的激勵政策是提高BECCS經濟可行性進而在現有條件下發展的重要保障[5]。然而，經濟性分析的結果往往受人工市場和影子價格的影響，具有一定的主觀色彩。2021年，Yan等[6]基于能量分析建立了BECCS研究模型，通過研究各系統特性并確定最佳運行工況，為該類系統的深入研究奠定了基礎。2018年，Yi等[7]建立了電廠摻燒生物質的環境影響及能量評估模型，第一次全面地探討了電廠摻燒生物質的可行性，并通過能量分析指出了系統優化方向。但需要注意的是，能量分析往往不考慮各能量流之間質量的差別，并且忽略了勞動力投入和生態系統貢獻的影響。全生命周期評估廣泛應用于研究系統的環境影響，如BECCS的碳足跡[89]、水足跡[10]等，但忽略了人類勞動、自然環境（陽光、降水等因素）的貢獻。同時，采取打分制也可能受研究者主觀傾向的影響，結果具有一定的局限性。一般來說，上述分析往往忽略了人類勞動和自然資源的貢獻。在可持續發展理念下，系統的可持續性評估必須考慮經濟、資源、環境和社會的綜合影響，以為決策者提供更加全面的建議[11]。
1980年，Odum基于熱力學原理和林德曼“十分之一定律”，最早創立了能值分析，并將能值定義為某種產品或者服務在其形成過程中投入的有效能總量[12]。與上述分析方法相比，能值分析具有以下優勢：1）密切聯系了生態系統和人類經濟系統。通過建立統一的客觀評價尺度，將系統中不同種類，無法比較的能量流以及其他非能量流（物質流和資金流等）統一換算為太陽能值（Solar Emergy）進行研究[12]。2）在能值分析中，產品或服務的起始能被追溯。因此，在自然循環中，資源生成所需時間可以考慮在內[13]。3）能值分析可以識別系統中有可持續發展潛力的關鍵環節和影響因素，這為決策者提供了更加綜合的參考依據[14]。
近年來，能值分析廣泛應用于發電系統的可持續性定量評估。Buonocore等[15]通過能值分析對某地熱發電廠進行評估，揭示了其可持續性和競爭力。2017年，Pang等[16]在生命周期框架內引入能值分析，并提出了“LCA+能值”方法，首次對某生物質直燃碳捕集電廠展開了可持續性綜合評價。Sha等[17]使用能值分析對熱電聯產系統進行了評價。結果顯示，與單獨的生產過程相比，熱電聯產可以減少生產過程中20%~35%的能值投入，且生物質發電系統的可持續性指數比燃煤系統高1.5倍。此外，能值分析還廣泛應用于其他發電系統（如風力[1819]、水力[2021]、光伏[2223]等）、建筑系統[2425]、農業系統[2627]的可持續性分析。
根據調研，現有的經濟性分析、能量分析和全生命周期評估均無法區分BECCS內不同來源、不同質量/數量的物質流、能量流、貨幣流之間的差異，也忽略了這些因素對環境的影響，從而無法對系統可持續性進行完整描述，而能值分析可以克服這些缺陷。然而，目前針對BECCS的能值研究尚不充分，不同類型BECCS的可持續性尚未得到對比研究。基于此，本文研究：1）基于能值分析對8種具有代表性的生物質發電系統展開評估，并進行全面的對比分析；2）結合具體政策，研究不同場景下碳稅、上網電價補貼、生物質供應量對系統可持續性的影響；3）結合每個系統的碳排放和效率輔助能值分析。以期從可持續發展角度為BECCS的決策和部署提供參考。
1研究方法與系統介紹
能值定義為直接或者間接包含在服務或者產品中太陽能的數量[25]。通過把生態系統中能量流、物質流、貨幣流轉化為同一標準——太陽能值，可打破傳統分析方法中存在的能量和質量壁壘，實現在統一評價體系內綜合分析系統生態和經濟效益的目的。
1.1能值分析
在進行能值分析時，通常包含以下3個步驟：1）繪制系統能值分析圖，明確系統主要組成，物質和能量流動。以生物質摻燒發電系統為例，其能值輸入和輸出見圖1。2）計算系統能值，各輸入流的能值計算見式（1）。其中，能值轉換率（Transformity，Tr）的計算依賴于地球生物圈能值基線（Geo-biosphere Emergy Baseline，EGB），EGB（seJ）為地球每年吸收太陽能、潮汐能和地熱能的能值。3）根據上述結果計算能值指標并展開分析。
1.2能值評價指標
有研究者提出用各種能值指標以對系統的不同方面進行評估[26]。本文選取常用的能值指標：能值轉換率（Tr）、能值產出率（Emergy Yield Ratio，EYR）、環境負載率（Environmental Loading Ratio，ELR）和可持續性指數（Emergy Sustainabi lityIndex，ESI）進行研究。
由于本文發電系統輸出的產品是電能，因此Tr計算見式（2）。
1.3系統介紹
本文以燃煤發電系統（Pulverized Coal Power Generation System，PC）為研究基準，以8種生物質發電系統為對象進行研究。其中，研究對象具有典型性和代表性，涵蓋了大部分生物質發電系統，包括：生物質摻燒發電系統（Pulverized Biomass Co-Firing Power Generation System，PBC）、生物質直燃發電系統（Pulverized Biomass Power Generation System，PB）、生物質氣化聯合循環發電系統（Biomass Integrated Gasification Combined Cycle，BIGCC），以及耦合CCS的“PBC+CCS”、“PB+CCS”、“BIGCC+CCS”。PC裝機容量為1280MW，熱效率為32%。有/無CCS的PB和PBC的裝機容量為600MW[28]。其中，PBC以秸稈、柳條等混合物為生物質來源，摻燒比為50%。有/無CCS的BIGCC采用空氣氣化和燃氣輪機外燃的方式，并選用了25MW的流化床氣化爐[29]。各系統基本參數見表1[5，2832]。
此外，本文還研究2種新型的BECCS，即藻類種植結合生物質能碳捕集與封存（Algae with Bioenergy Carbon Captureand Storage，ABECCS）系統和生物質整體氣化燃料電池（Biomass-fueled Integrated Gasification Fuel Cell，BIGFC）系統。在ABECCS中，生物質電廠產生的CO2一部分被捕集與封存，另一部分作為碳源供給藻類生長[33]。BIGFC是生物質氣化與固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）相結合的新型發電技術，屬于BECCS范疇，旨在高效生產負碳電力[34]。
1.4能值計算
各系統的原始數據以及能值計算結果見表2~5[5，25，2829，3140]。需要注意的是，本文能值基線為12.1×1024seJ/a。各系統的輸入輸出數據，如生物質、過程水、成本、發電量等均來自文獻[5，28-29，31-32]。成本參考平準化電價（Levelized Cost of Electricity，LCOE），且所有數據均轉化為年度值。PC的能值結果參考Brown等[30]的研究結果。
2結果與討論
2.1碳排放量及能值指標分析
本文以8種典型的生物質發電系統為研究對象，選取碳排放量和典型能值指標以評價各系統的環境影響和可持續性。
2.1.1碳排放量
CO2是導致全球變暖和氣候變化的主要溫室氣體之一。各系統CO2排放量和凈排放量見圖2。其中，CO2凈排放量考慮了生物質的碳中和特性，即生物質燃燒CO2的釋放量與其生長過程中CO2的吸收量大致相等。可以發現PBC、PB、BIGCC的CO2凈排放量遠低于PC電廠，降幅約為48%~83.6%，表明以生物質為電廠燃料可以大幅降低電力行業的碳排放壓力，但仍無法實現凈零排放。只有耦合CCS后才能實現零排放甚至是負排放。Yi等[7]和Yang等[28]研究指出，當摻燒比超過25%，“PBC+CCS”基本可實現零排放。BIGFC、“BIGCC+CCS”、“PB+CCS”的碳負排放量分別為567gCO2/（kW·h）、743gCO2/（kW·h）、876.6gCO2/（kW·h）。由于3者的發電效率依次下降[6，28]，生產單位電力投入的生物質質量依次增加，因此負排放量遞增。
2.1.2能值指標
各系統的能值轉換率（Tr）見表6。與PC相比，PBC的Tr略大。這是因為當摻燒比較高時，PBC需要額外配置發電裝置，因此能值投入較多。而PB和BIGCC的Tr均小于PC的Tr，表明PB和BIGCC生產單位電力投入的能值更少，這與李欣等[41]得到的結果一致。同時，BIGCC的Tr低于PB的Tr。這是因為BIGCC發電效率更高，生產單位電力投入的生物質質量更少，因此其Tr較小。此外，當每個系統增加CCS后，Tr增加，這是因為CCS不僅增加了額外的購買能值，還降低了發電效率。
相比于其他發電系統，BIGFC和ABECCS的Tr均較大。這主要是因為2者均屬于新型的生物質發電系統，技術成熟度較低，需要投入大量的能量、勞務、原材料等。以BIGFC為例，相較于傳統“PB+CCS”而言，采用了價格更為昂貴的固體氧化物燃料電池、化學循環空氣分離等設備，因此其Tr較大。以往研究顯示，BIGFC單位資本成本投入是“PB+CSS”的1.5倍以上[30，32]。此外，BIGFC更復雜，勞務、運維等成本投入較大，較大的購買能值投入導致其Tr較大。與BIGFC類似，ABECCS也具有較大的購買能值。這主要是與藻類培養過程中復雜昂貴的設備有關，如藻類生長專用的光化學反應器、營養罐、微生物培養基等。此外，ABECCS也投入了大量的不可再生資源，如反應器薄膜、化學營養劑等。由于ABECCS的總能值輸入較大，且該系統58%以上的電能被CCS和藻類培養過程所消耗（Eelectricity減小），導致其Tr較大。不過，對于ABECCS，該系統的主要目的為降低傳統BECCS對農業用地和灌溉用水的需求，進而減少BECCS對糧食安全的負面影響。
各系統能值指標（EYR、ELR、ESI）的計算結果見圖3。其中，PC和PBC的EYR>5.5，而PB和BIGCC的EYR為2.1~3.9，這與韓菲等[42]研究結果接近。在所有BECCS中，BIGFC的EYR最低，這是因為其購買能值占比較大（63.9%），約為“PB+CCS”的1.50倍，“PBC+CCS”的2.67倍。與BIGCC相比，PBC和PB的EYR較高，這是因為其投入的資本成本和運維成本相對較低。根據研究，BIGCC的LCOE為131$/（MW·h），而PBC和PB的LCOE分別為72.2$/（MW·h）和95.2$/（MW·h）[33]。因此，未來需進一步對BIGFC和BIGCC進行升級與優化，從而降低發電成本并提高其EYR。
ELR表示環境負荷的指標。PC使用了大量的不可再生煤炭資源而具有較高的ELR，符合預期。各系統添加CCS會導致投資成本增加，且碳捕集過程需要額外的能量供給，最終使其ELR增大。在所有BECCS中，ABECCS具有最高的ELR。這是因為ABECCS在藻類培養過程中投入了大量的不可再生資源，如光生物反應器薄膜、化學營養劑等。但整體來看，有/無CCS的生物質發電系統的ELR<2.1，遠遠低于PC（10.4）、天然氣發電系統（9.4）[43]、燃油發電系統（14.2）[44]。因此，就環境效益而言，生物質發電系統值得被推廣。
ESI是一個綜合指標，能用于評估系統的可持續性。PC和BIGFC的ESI<1，表明在當前技術水平下，2者均不可持續。PC由于其燃料因素限制，難以實現根本性改變；BIGFC目前仍處于研究階段，隨著技術進步，未來有希望實現轉變。與PB和PBC相比，BIGCC的ESI最小，一方面，BIGCC購買能值占比過大，EYR相對較小；另一方面，本文所選的BIGCC輸出功率較小（10MW）[6]。龐明月等[45]指出，對于一些小規模的可再生能源發電系統，ESI可能會較低甚至低于可接受水平。此時，對決策者而言，如何在環境效益與生態成本之間進行權衡顯得尤為重要。此外，加入CCS后，PB、PBC、BIGCC的ESI分別下降了2.44、1.28、0.94，表明部署CCS對PB的可持續性影響最大。
2.2關鍵參數分析
考慮到政策變動、生物質供應量波動對生物質發電系統的影響較明顯，本文對這些關鍵因素展開討論。通過量化分析，以明確在不同場景下各系統的可持續性優劣。
2.2.1碳稅
根據報告，為實現2℃溫控目標，在2030年所需碳稅將為0.03~0.10$/kg（0.21~0.67元/kg）[46]。隨著碳稅的增加，PC的ESI與其他BECCS的ESI呈現截然不同的變化，見圖4。這是因為碳稅對PC而言是一種“懲罰”，相當于增加了系統的購買能值，致使ESI下降；而對于其他BECCS而言，碳稅作為負排放獎勵，將有利于提高系統的可持續性。Zhang等[47]也指出，提高碳稅將有利于生物質在電力行業中的應用。然而，碳稅對于BIGFC和“PBC+CCS”的ESI影響較小。這是因為BIGFC的購買能值較大（占總能值的63.90%）而“PBC+CCS”的負排放潛力較小（-201.50gCO2/kWh），進而導致碳稅的獎勵效益不明顯。此外，當碳稅超過0.328元/kg時，“PBC+CCS”比ABECCS的ESI小，表明在高碳稅下，ABECCS的可持續性優于“PBC+CCS”。
有/無CCS的生物質發電系統ESI隨碳稅的變化對比見圖5。由圖5可知，增加CCS均會使發電系統的ESI顯著降低。整體來看，當碳稅低于0.328元/kg時，部署CCS獲得的“收益”（減少CO2排放量）小于其產生的“代價”（發電效率降低和額外的成本投入）；當碳稅高于0.456元/kg時，這種情況才會出現改善。因此，考慮到CCS的利與弊，需要征收較高的碳稅才能促進生物質發電系統中部署CCS。
2.2.2上網電價補貼
基于我國生物質發電項目的價格政策和Yang等[28]的研究結果，本文將分析上網電價補貼變化對各系統ESI的影響。上網電價補貼對ESI的影響由大到小依次為：PB、BIGCC、其他發電系統，見圖6。當上網電價補貼超過226.9元/（MW·h），PB的ESI超過10，這表明此時該系統環保潛力遠大于經濟效益，屬于不發達經濟體，可持續性潛力較差[24]。究其原因在于上網電價補貼促進PB發展的同時也對政府財政造成較大負擔，且PB對生物質資源的需求較大（輸出單位電力所需生物質資源是BIGCC的1.35倍）。假設PB與BIGCC的生物質供應量相同，此時PB更新為PB′，PB′的ESI降低至2.73（圖6），而具有較高發電效率BIGCC的ESI則較大。這也表明需要考慮生物質供應量這一重要因素的變化。
結合圖5和6可以發現，只有在適當的碳稅或上網電價補貼下，BIGCC的可持續優勢才會得以凸顯。因此，對于BIGCC的發展而言，一方面需要合適的政策激勵；另一方面需加快技術提升，減少設備的投資和運行成本，進而提高BIGCC的可持續性。此外，研究還發現碳稅變化對各BECCS的ESI影響明顯，這表明對于BECCS的可持續性而言，碳稅可能是一種更有效的激勵政策。
2.2.3生物質供應量
李欣等[41]研究指出，若電廠處于工業密集型區域，則有可能會存在多廠之間的生物質資源競爭問題，進而導致電廠不能滿負荷運行。本文研究的生物質發電系統均默認為生物質供應量充足。因此，現實中有必要研究生物質供應量對系統可持續性的影響。PB的ESI與2個變量之間的關系見圖7[39]。減少生物質供應量導致ESI變化較大，約是增加服務年限時ESI變化的2.27倍。當供應量減少50%，ESI下降至1.84，這與Pang等[39]研究結果接近。此外，與北美等國家生物質資源集中分布不同，我國生物質分布零散且電廠建設密集，存在生物質資源供應與電廠部署規模不匹配的問題。因此，在未來的發展中，需全面調查當地生物質資源的可用性，并展開小規模（15~300MW）試行[48]，進而合理規劃電廠的選址和裝機容量。
3結論
本文運用能值分析對8種典型的生物發電系統展開對比評估，討論在不同碳稅、上網電價補貼和不同生物質供應量下系統的可持續性，并得到以下結論。
1）與傳統燃煤電廠相比，發電系統使用生物質燃料可顯著降低碳排放量，降幅約為48%~83.6%。部署CCS后，系統負排放效益顯著（-942.2~-201.5gCO2/（kW·h））。此外，生物質發電系統的環境負載率（ELR）、可持續性指數（ESI）均優于燃煤發電系統，這也表明生物質碳中和燃料的應用優勢。
2）在BECCS中，ESI由大到小依次為“PB+CCS”、“PBC+CCS”、“BIGCC+CCS”、ABECCS、BIGFC。對于“BIGCC+CCS”，未來需重點對其氣化和發電過程進行優化，以提高效率并減少資本投入。由于目前技術成熟度低，高昂的發電成本是制約ABECCS和BIGFC發展的重要原因。
3）碳稅和上網電價補貼是生物質發電系統的有效激勵政策。對于BECCS，碳稅對其ESI的影響更大。當不征收碳稅時，耦合CCS會導致各系統ESI降低31.1%~46%；當碳稅超過0.456元/kg時，BECCS的可持續發展優勢相對明顯。
4）生物質供應量的敏感性分析也凸顯了合理規劃生物質發電系統的重要性。由于電廠空間位置不同，生物質供應鏈會存在差異。為避免因原料供應不足而導致的系統可持續性較低，前期需對某一地區生物質來源及供應穩定性進行充分調研，才能確定合適的選址和裝機容量。
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