生物质发电能耗和温室气体排放分析

生物质发电能耗和温室气体排放分析

贾涛

山东丰源生物质发电股份公司  山东枣庄  277300

摘要：近年来，在“双碳”政策背景下，根据相关政策规划，全球能源结构在进一步调整并向清洁化发展，新能源供给逐步代替传统能源成为主力能源供给模式。其中生物质发电是利用生物质能进行发电，一般包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾燃烧发电。发展生物质发电，实施煤炭替代，可显著减少二氧化碳和二氧化硫排放，产生巨大的环境效益，是解决全球能源短缺的重要途径之一。本文以东北某生物质热电联产项目为例，根据方法学CM-075-V01,通过核算边界确定计算排放量，讨论和分析该方法学的适用性。

关键词：生物质发电；温室气体排放；二氧化碳治理

近年来，我国生物质发电量占可再生能源发电量的比重逐年增加，从2015年占比3.9%增长到2021年的6.6%，生物质发电正逐渐成为我国可再生能源发电的新生力量。同时，生物质发电行业也面临着巨大的生存压力，生物质发电厂是典型的“小电厂、大燃料”，机组单位投资成本高、燃料耗量大，国内大部分发电项目自投运以来亏损严重，面临巨大的经营压力。

我国作为全球最大的温室气体排放国家，为更好地应对和引领全球气候变化、履行大国责任，通过积极建设碳排放权交易市场控制二氧化碳排放。目前，我国已累计备案自愿减排方法学约200个，涉及可再生能源利用、碳汇造林、生物质利用、固体废弃物处理、甲烷利用、天然气利用、公共交通、建筑、农业等诸多行业领域《CM-075-V01生物质废弃物热电联产项目(第1版)》作为备案的方法学之一，主要适用于燃烧（或掺烧）生物质的热电厂项目活动。

1减排量核算

项目活动为新建生物质热电厂，根据方法学和本项目的情况，项目边界的空间范围包括:项目活动发电厂;项目电厂所在的电力系统(电网)中的所有电厂；生物质运输到项目现场的路径；生物质废弃物弃置和腐烂的地点；项目产生的蒸汽提供给当地的用户。具体涵盖的排放源包括：基准线发电和供热排放的C02、基准线生物质无控燃烧或腐烂排放的CH4、项目活动现场消耗的化石燃料燃烧排放的C02、项目活动生物质废弃物场外运输产生的C02、项目活动生物质废弃物燃烧的CH4。确定基准线和项目排放时项目边界包括或排除的温室气体排放源如表1所示。

表1项目边界内应包含或排除的排放源

另外，在发电厂的装备中，还包含了生物燃料的预处理装置和生物燃料的产生装置。在此基础上，介绍了一种新型的生物质预处理系统。发电装置主要由锅炉，汽轮机，发电机，水泵及其它辅助装置组成。采用50 t/h的秸草直接燃烧锅炉2台，1台（发电功率15 MW）的高温、高压水轮机1台；对不可再生能源的消耗量和温室气体的排放量，以千瓦时为单位；各种水泵，鼓风机，除氧器等等，均以t为单位，按化工装置的系数来计算；电厂设备消耗的不可再生能源主要为钢材。

2方法分析

本文将利用结合过程式或投入产出法的混合生命周期评估方法对五种生物质发电系统的能耗和GHG排放进行评估，用过程式方法分析计算直接能耗和排放，用投入产出法计算间接能耗和排放，减少过程分析截断误差。利用公式：项目减排量=基准线排放量-项目活动排放量。其中，基准线排放量=基准线发电和供热排放+基准线生物质无控燃烧或腐烂排放；项目活动排放量=项目活动现场消耗的化石燃料燃烧排放、项目活动生物质废弃物场外运输排放、项目活动生物质废弃物燃烧排放。对于生物质发电系统，化石能源消耗量是衡量其可再生性的重要指标，化石能源消耗越大，系统的可再生性就越差。生物质发电系统全生命周期化石能源消耗计算公式如下:

                  （1）

式中：Ele为全生命周期总能耗；Em,n为单元过程m消耗的n类物质或服务；Cn为n类物质或服务对应的化石能源强度，化石能源包括煤、石油和天然气。

本文介绍了生物质气化发电系统的主要技术参数（表2）。能耗是指直接与间接一次能源消费之间的关系。经过计算，1 MW汽化发电系统的能量消耗为0.258 GJ (/GJ)，也就是1GJ发电所需的一次化石能源为0.258 GJ。5.5 MW汽轮发电机组由于具有很高的发电效率，所以其耗能比较少。能源替代率是指以生物质能为基准的化石能发电时，所节约的一次化石能与参照体系的一次化石能消费之比。结果表明，两种系统的能量替代率都在90%以上，说明了该系统的可持续发展。

表2生物质气化发电系统能量指标

在生物质能资源有限的情况下，对生物质能发电的影响主要是对原料的消耗。在表2中，节约能源的费用是指用来代替矿物燃料的每一单位能量消耗的原料数量。同时，该装置具有较高的发电效率，其原料消耗比1 MW低得多。在1 MW及5.5 MW机组的能源消耗中，农业部分的能源消耗分别为24%及18%，而在发电部分的能源消耗中，农业部分的能源消耗分别为48%及55%。在农事活动中，化肥（特别是氮肥）的输入是最重要的环节，因此，边界条件的选取会对成果产生较大的影响。在能耗方面，5.5 MW机组较1 MW机组具有明显的优越性。在不计农业投资的条件下，两种系统的能耗与替代率相差不大，分别为0.196 （GJ/GJ）千瓦时，93.1%；

生物质发电系统产生的GHG排放主要有两类，即直接与间接。其中，直接排放的N2O主要来自于燃煤和农田施氮两个方面；间接排放主要包括两个方面：一是由燃料生产引起的，也就是燃料的上游排放；二是与装置、设备有关的废气排放。本文燃料燃烧产生的排放以IPCC缺省值进行计算，温室气体全球变暖潜值比例取CO2∶CH4∶N2O=1∶21∶310。

3核算方法的优化

对于减排量的核算过程中，基准线排放是占比较大的，也是影响最终减排量的关键。基准线排放中，发电和供热排放占比95%以上。发电和供热排放量的核算方法原理相同，都是采用排放因子法，其中基准线发电排放量=年供电量×电力排放因子，基准线供热排放量=年供热量/锅炉效率×燃煤C0,排放因子，公式中年供电量和年供热量为项目设计值或实测值，电力排放因子、锅炉效率、燃煤C0,排放因子均采用缺省值。发电排放量核算中，电力排放因子采用的是主管部门公布的年度减排项目中国区域电网基准线排放因子。该排放因子分区域电网，以2019年度而言，对于相同的生物质项目，东北电网和南方电网排放因子差异约为0.15,C02·MWh,相差了近20%，对于发电量大的项目其减排量差异将会很大。

建议在排放因子方面，可以考虑采用全国统一的平均电网基准线排放因子，这样更能体现公平性。同时考虑科学性，建议主管部门每年更新减排项目电网基准线排放因子，近年来我国电力结构不断优化，可再生能源发电装机容量和消纳比例不断提升，每年更新更符合更能够及时准确客观评估减排效应。供热排放量核算中，锅炉效率、燃煤C02排放因子均采用缺省值。方法学考虑的基准线情景为燃煤锅炉直接供热，所以根据供热量、锅炉效率、燃煤C02排放因子去计算基准线情景排放量。实际情况中，纯供热的情景不多，大多数还是燃煤热电联产。对于燃煤热电联产，该核算方法适用性就不是十分准确。建议对于供热排放量的核算可以更为简化，参考现在碳市场热力排放量的核算，跟电力一样，给出年度减排项目热力排放因子，这样核算更简化，也避免核算方法不适用于实际场景的情况发生。

4结语

由于生物质含硫量一般比作为我国主要能源的煤炭低，所以生物质能发电系统在减少GHG排放的同时，也能实现S02的减排。所考察的生物质发电系统，能源替代率为91%~98%，每替代1G一次化石能源，各系统消耗的生物质原料量在1.05~2.39GJ，1MW气化发电系统的生物质原料消耗量最高，25MW混燃和140MW混燃发电系统的原料消耗量最低。

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