通过混合生物质能与太阳能实现可持续的多代发展：动态建模、热化学储能及绿色甲烷生产

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable multigeneration via hybrid biomass-solar energy: Dynamic modeling, thermochemical storage, and green methane production

提出一种新型生物质-太阳能混合多代能源系统，集成S-Graz循环、超临界CO?循环、聚光场及钙循环热化学储热子系统，实现白天太阳能驱动与夜晚储热联动的连续运行，同时通过质子交换膜电解器和甲烷化反应器实现CO?捕获与绿色甲烷合成。系统完成4E（能源、熵、经济、环境）综合评估，结果显示净现值达4483万美元，电价0.0801美元/kWh，敏感性分析表明太阳能辐射、生物质进料率和储热比例对性能影响显著。

　　本文探讨了一种新型的生物质-太阳能混合多联产系统，旨在实现供热、发电和绿色甲烷的联合生产。该系统融合了先进的热力学组件，包括超临界二氧化碳循环、S-Graz动力循环、反射镜场以及基于可逆碳酸钙/氧化钙反应的热化学储能子系统。通过将系统分为两个运行模式——白天依赖太阳能驱动，夜间则利用储存的热能运行，该系统实现了24小时连续运行的能力。此外，系统还整合了质子交换膜（PEM）电解器和甲烷化反应器，将捕获的二氧化碳与产生的氢气转化为绿色甲烷，从而推动碳循环利用。

研究强调了系统在多联产方面的潜力，尤其是在减少碳排放和提升能源利用效率方面。通过全面的4E分析（能量、效用、经济和环境），评估了系统的整体性能。经济分析结果显示，该系统的净现值达到4483万美元，内部收益率为20.53%，单位发电成本为8.01美分/千瓦时，简单的投资回收期为6.03年。敏感性分析表明，太阳辐射强度、生物质进料速率以及热化学储能比例对系统整体性能具有显著影响。

在能源转型过程中，可持续生物燃料的生产是一个关键挑战。甲烷作为一种清洁替代传统化石燃料的能源形式，具有高能量密度和与现有天然气基础设施的兼容性，因此其生产至关重要。通过近零排放工艺生产绿色甲烷是实现碳中和目标的重要手段。生物质气化产生的合成气（syngas）富含一氧化碳和氢气，是制备生物燃料的理想原料。然而，甲烷化过程需要稳定的氢气来源。PEM电解器因其稳定性、高效率、可扩展性和可利用可再生能源（如太阳能或风能）进行运行，已成为氢气生产的重要解决方案。

研究回顾了近年来关于生物质和太阳能集成多联产系统的相关文献。例如，Shokri等人（2024）设计了一种生物质驱动的多联产系统，可同时生产热能、电能、氢气和淡水，其系统效率为67.7%，氢气产量为22.3千克/小时，能源成本为11.4美元/吉焦。Abedinia等人（2024）提出了一种结合Kalina循环、合成气驱动的固体氧化物燃料电池（SOFC）、PEM电解器和海水淡化技术的系统，实现了53.7%的能源效率和38.2%的效用效率，投资回收期为4年。Wang等人（2024）设计了一个集成生物质气化、PEM电解、地热能、热电发电机和热驱动蒸馏（HDH）海水淡化技术的系统，其效用效率为47.9%，输出功率为5958千瓦，产品成本为56.9美元/吉焦，氢气产量为56.1千克/小时。Zhang等人（Zhang和Sobhani，2024）开发了一种基于生物质的综合系统，可生产热能、电能、冷却和饮用水，通过粒子群优化方法优化系统，实现了38.5%的效用效率，输出功率为41112千瓦，冷却能力为1384千瓦，热能输出为28414千瓦，产品成本为18.7美元/吉焦，净现值为7520万美元。

在太阳能和生物质能的集成方面，多联产系统展现出显著的优势。这些系统不仅提高了整体效率，还减少了环境影响，通过同时生产多种有价值的输出，如热能、冷能、电能、氢气和淡化水等，实现了资源的高效利用。Sharifishourabi等人（2024）开发了一种生物质-太阳能多联产系统，结合了热力学循环和氢气生产，实现了71.25%的效用效率和37.68%的能源效率。经济评估表明，初始投资为5380万美元的情况下，净现值可能在2054年达到6870万至173400万美元之间，具体取决于氢气价格的波动范围。Sabbaghi等人（2024）设计了一种结合生物质和太阳能的多联产系统，集成了跨临界二氧化碳循环、燃气轮机和朗肯循环，其中PEM电解器用于氢气生产。该系统的效用效率为15.2%，能源效率为20.2%，产品成本为0.007554美元/秒，环境影响为0.0008611点/秒。Altayib和Dincer（2024）设计了一个大型的生物质-太阳能系统，用于沙特阿拉伯的Al Lith地区，实现了53%的能源效率和45%的效用效率，年产量包括1036吉瓦时的电力、858吉瓦时的热能、23吉瓦时的冷能、11300吨的氨、1800吨的尿素、113000吨的氢氧化钠和905000立方米的淡水。他们优化了生物质氧气气化器的参数，选择了氧气与生物质的比例为0.15和蒸汽与生物质的比例为0.1。Yang等人（2024）设计了一个基于太阳能和生物质的联合发电、制冷和供热系统，采用了有机朗肯循环进行分析，结果显示单位效用成本在2.742至27.1兆瓦/兆瓦之间，效用经济成本在41.11至507.1美元/兆瓦时之间，突显了优化太阳能收集器效率和关键组件的重要性。

在多联产系统中，二氧化碳的捕获对于减少温室气体排放和实现碳中和目标具有重要意义。研究重点在于推进碳捕获与利用（CCU）技术，优化可再生能源的整合，并提高经济可行性。Zhang等人（2023）设计了一种系统，通过食品废弃物等离子气化和固体氧化物燃料电池（SOFC）实现电力、冷却、供热和除湿的联合生产，系统净效用效率为51.15%，热能效率为84.22%，电能效率为54.60%，二氧化碳去除率高达97.17%。Safder等人（2024）提出了一种近零二氧化碳排放的多联产系统，利用生物质气化生产氢气和甲醇，氢气产量为190千克/小时，甲醇产量为430.25千克/小时，效用效率为71.63%，能源效率为78.13%，有效减少了78.5%的二氧化碳排放。Jasim等人（2024）开发了一种多联产系统，结合了二氧化碳分离和液化循环，系统输出功率为42.72兆瓦，液化二氧化碳产量为612千摩尔/小时，天然气产量为18010千摩尔/小时，效用效率为87.72%，能源效率为32.08%，二氧化碳成本为0.0728美元/千克，电力成本为0.0466美元/千瓦时。Zhang等人（2025a）对Allam循环进行了改进，实现了41.22%的能源效率和57%的效用效率，同时实现了零二氧化碳排放，系统通过电还原将二氧化碳转化为甲烷，展示了可持续能源生产的潜力。

本文的研究重点在于提出一种能够实现全年动态评估的新型系统，分析了不同季节和日间运行周期对系统性能的影响。此外，系统设计还注重实现近完全的二氧化碳捕获，采用了S-Graz循环这一先进的氧燃料燃烧技术，能够在发电单元中实现近完全的二氧化碳捕获，但该技术在文献中鲜有提及。S-Graz循环与反射镜场相结合，利用太阳能集中输入，实现了电力、工艺热能和绿色甲烷的联合生产。为了应对太阳能的间歇性，系统还集成了基于碳酸钙/氧化钙反应的热化学储能子系统，白天吸收太阳能热能进行碳酸钙的吸热分解，夜间释放储存的热能进行碳酸钙的放热重组，从而实现高密度、长时长的热能储存。这种设计不仅确保了系统的连续运行，还提升了整体的能源利用效率。

系统由六个主要部分组成：气化单元、S-Graz循环、反射镜场、超临界二氧化碳（S-CO?）循环、热化学储能子系统以及二氧化碳储存单元。其中，S-Graz循环运行在生物质能源上，而其他部分则在白天由太阳能驱动，夜间由热化学储能系统提供能量。系统的能量和质量流动图示见图2。研究通过详细的能量和效用分析，量化了系统的热力学效率、单位发电成本、投资回收期和二氧化碳减排量，提供了在实际成本和资源假设下系统可行性的全面视角。

在验证研究结果的准确性方面，本文的模拟数据与Eisavi等人（2022）的研究进行了比较，结果表明甲烷化单元的模拟误差小于1%。此外，为了评估气化单元的性能，还进行了进一步的验证工作。这些验证不仅确保了模拟结果的可靠性，还为后续的优化提供了坚实的基础。

研究还探讨了生物质进料速率对系统输出的影响。通过对比白天和夜间运行模式下的关键系统输出，发现随着生物质进料速率从1500千克/小时增加到2500千克/小时，系统的净输出得到了显著提升。这一发现为优化生物质气化单元的运行参数提供了重要依据，有助于提高系统的整体性能和经济性。

综上所述，本文提出了一种结合生物质和太阳能的新型多联产系统，能够实现供热、发电和绿色甲烷的联合生产，同时实现二氧化碳的捕获和再利用。该系统不仅在能源效率和经济性方面表现出色，还通过动态建模和敏感性分析，揭示了不同季节和日间运行周期对系统性能的影响，为未来的可持续能源系统设计和优化提供了有价值的参考。