基于沼气的负荷跟踪多联产微电网用于农村农业社区的技术经济与生命周期分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic and life cycle analysis of a load-following poly-generation microgrid for rural agrarian communities

　　

本研究提出并设计了一种基于沼气的多联产系统，并进行了技术经济分析，以满足农村地区烹饪、其他家用电力负荷以及农产品干燥和冷却的能源需求。该集成系统包括厌氧消化池（AD）、内燃机（ICE）、吸收式制冷机、筒仓干燥器和CO₂捕集单元。ICE通过调整其功率输出以适应电力需求的变化，从而实现高水平的灵活性运行。基于先进随机估计技术，根据电器的功率额定值和使用时间窗口对能源需求进行建模。在尼日利亚北部一个未通电农村社区的模拟条件下，该系统可满足约94.6%的综合烹饪和家庭能源需求。剩余未满足的负荷主要归因于与电力烹饪相关的用电高峰时段。系统集成了一个补充燃气灶，以稳定ICE能源供应的波动，通过专用换热器确保为吸收式冷却和谷物干燥过程提供稳定的能源供应。所提系统提供足够的热能，可利用吸收式制冷机在7°C下实现160 kW的冷却能力；筒仓干燥器可每小时干燥约1,900 kg玉米，将其含水率从25%降至13%。储罐中的多余沼气通过胺洗涤去除CO₂并经过林德-汉普森循环（Linde-Hampsons cycle）液化，以生产液化生物甲烷（LBM），用于将原料运输至AD工厂，运输距离为90公里。所提系统的平准化度电成本（LCOE）估计为0.055美元/千瓦时，投资回收期为8年。最后，一项“从摇篮到大门”的生命周期评估（LCA）估算该多联产系统的全球变暖潜势（GWP）为51.01克二氧化碳当量/千瓦时。

研究人员针对农村农业社区的能源困境，设计并评估了一套创新的多联产微电网系统。在撒哈拉以南非洲，近一半人口无法获得电力，这严重制约了农村地区的经济与产业发展，并导致农产品采后损失巨大。生物质能作为一种稳定、易得的可再生能源，为解决此类问题提供了潜力。尽管基于生物质的多联产系统已有研究，但现有工作往往将家庭用能、负荷估算、能量管理与农业能源需求割裂开来，缺乏在单一集成框架下对农村社区全谱能源需求（特别是生产性农业需求）的全面考量。为填补这一空白，本研究提出了一种动态的、基于沼气的负荷跟踪（Load-Following, LF）多联产微电网，并对其进行了技术经济与全生命周期分析，旨在证明其为农村社区提供可靠、经济、清洁且能促进农业发展的综合能源解决方案的可行性。

为开展本研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，采用随机负荷估算模型（RAMP）对目标农村社区的综合能源需求进行动态、高精度评估。其次，设计并构建了以厌氧消化（AD）、内燃机（ICE）为核心，耦合吸收式制冷、农产品干燥及沼气升级液化（LBM）的集成多联产系统。第三，开发了基于两台不同功率额定ICE的新型负荷跟踪控制策略，以实现发电与实时需求的动态匹配。最后，对系统进行了全面的技术经济分析（含净现值、平准化度电成本等指标）和基于ISO标准的生命周期评估（LCA）。本研究的案例分析基于尼日利亚北部一个假设的未通电农村农业社区。

### 研究结果与讨论

**RAMP随机负荷需求估算**
传统基于访谈或固定假设的负荷估算方法无法捕捉农村社区能源需求的实时随机变化。本研究采用RAMP模型，通过定义电器数量、功率额定值、使用模式及其随机变异性，生成了更贴近现实的多时间尺度负荷曲线。估算结果显示，所研究社区的综合能源需求呈现出显著的日间和日内波动特征，为后续系统设计与匹配提供了可靠输入。

**系统描述与负荷跟踪控制策略**
所提动态多联产系统由AD、ICE、废热利用系统（含换热器、干燥器、吸收式制冷机）、沼气存储、升级及液化单元组成。系统采用新颖的LF控制策略，核心在于根据实时估算的电力需求，智能调度两台具有不同功率额定值和效率的ICE运行。当需求低于较小ICE的额定功率时，仅启动该ICE；当需求增加时，启动较大ICE；当需求超过总装机容量或两者均处于部分负荷时，通过补充燃气灶稳定吸收式制冷和干燥过程的热源供应。该策略旨在提高供电稳定性、降低供电不足概率并提升系统经济效益。

**技术经济分析**
经济性分析基于系统的资本成本、原料成本及运维成本进行。计算得到的平准化度电成本（LCOE）为0.055美元/千瓦时，与当地柴油发电或小规模离网可再生能源成本相比具有竞争力。净现值（NPV）为正，投资回收期（PB）为8年，表明该项目在财务上具备可行性。敏感性分析显示，系统经济性对资本成本和沼气原料成本的变化较为敏感。

**生命周期评估（LCA）**
基于“从摇篮到大门”边界的LCA评估了系统的环境足迹。结果表明，该多联产系统的全球变暖潜势（GWP）为51.01克CO₂eq/千瓦时。该值显著低于柴油发电或传统生物质直燃发电的排放水平，环境效益明显。系统的碳排放主要来源于沼气生产、运输以及辅助设备（如燃气灶）的燃料燃烧过程。

**结果与讨论**
综合技术模拟与分析表明，所设计的系统能够满足社区约94.6%的综合能源需求。未满足部分主要出现在电烹饪的用电高峰时段。系统的热能产出充足，支持吸收式制冷机提供稳定的制冷服务，并驱动筒仓干燥器高效处理农产品。将过剩沼气升级并液化为LBM用于原料运输，不仅解决了供需错配问题，还通过替代柴油运输显著降低了项目的全生命周期碳足迹。与现有研究相比，本工作的创新性在于首次将高精度的随机负荷估算、专为农业社区设计的多联产配置、动态负荷跟踪控制以及沼气升级液化环节集成于一个统一的分析框架内，实现了从需求侧到供给侧，再到衍生服务的全链条优化。

### 结论

本研究通过MATLAB-Simulink平台建模与仿真，构建了一个创新的集成废弃物制能源系统。研究结论证实，利用农村废弃物（生物质）为农村社区生产清洁、可负担的能源在技术上是可行的，经济上是可盈利的，且在环境上是可持续的。该集成系统不仅能够可靠地满足家庭和农业的多元化能源需求，还能通过生产液化生物甲烷支持本地化的循环经济，为农村社区的能源安全、经济韧性与可持续发展提供了有力的技术方案与实证支持。