论文标题：Techno-Economic Analysis of Biogas Production with Vinasse and Co-Digestion with Vinasse and Filter Cake for Annexed Plants: Case Study in Paraná State, Brazil

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-8783/5/1/10

期刊名： Biomass

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一、引言

近年来，由于能源需求旺盛，化石燃料作为主要能源来源，温室气体排放和其他污染物已成为全球关注的问题。天然气是一种可用于发电和供热的化石燃料，由于其二氧化碳排放量约为其他化石燃料的一半，因此被认为更加环保。沼气有潜力替代全球20%的天然气，并具有其他优势，例如减少温室气体排放，以及最大限度地减少工业、家庭和农业产生的废弃物。

利用酒糟生产沼气可以成为一种潜在的能源，并有助于改善酒糟在灌溉施肥中的利用条件。此外，文献已证实该工艺的经济可行性。在不同地点开展技术、经济和环境研究，以及探索协同消化的替代方案，对于大规模实施沼气生产至关重要。这有利于能源结构的多元化和环境影响的减少。因此，本研究旨在评估在巴西巴拉那州利用沼气发电的技术和经济可行性，并将酒糟的单一消化与协同消化进行比较。

二、材料与方法

本研究采用2022年总面积为518,018公顷的收获区数据，其中面积最大的区域（塔佩雅拉市）达21,000公顷，而科罗内尔维维达、马尔基尼奥和皮尼亚朗等市镇的面积则为100公顷左右。这些数据用于分析该州的产量分布以及这些区域内附属酿酒厂的选址。需要注意的是，本研究未考虑面积小于100公顷的区域。工厂的年运行时间假定为8200小时。

三、分析与结果

3.1. 收获区域分布及附属酿酒厂位置、沼气和电力生产潜力以及避免的排放量

图 1. 2022 年巴拉那州各市镇和中区划分的甘蔗收割面积以及附属酿酒厂的位置。市镇和中区划分的数据来自巴西地理统计研究所 (IBGE1)，甘蔗加工厂的位置信息来自各企业的官方网站。

图 2. 根据附属酿酒厂的处理能力，沼气生产和电力生产的潜力。

图 2 分别展示了根据附属酿酒厂的碾磨能力，通过酒糟单一消化和酒糟与滤饼共消化生产沼气和电力的潜力。

图 3. 根据甘蔗厂的碾磨能力，通过单独消化酒糟和共同消化酒糟与滤饼，避免的潜在 CO₂ 排放量。

在图 3 中，可以通过单一消化和共消化产生的沼气中的甲烷含量来观察利用酒糟以及酒糟和滤饼进行发电时 CO₂ 排放量的减少情况。

3.2 经济分析

图 4. 甘蔗厂的净现值 (NPV) (a) 单一糖酒糟消化和 (b) 糖酒糟和滤饼共消化。

图 4 显示了以下甘蔗厂根据年电力销售量计算的净现值 (NPV)：Coopcana（360 万吨）、Junqueira 工厂（350 万吨）、Santo Inácio 工厂（260 万吨）、Jacarezinho 工厂（250 万吨）、Dacalda（150 万吨）和 Florestópolis 工厂（100 万吨）。

图 5. 以美元/兆瓦时 (US$/MWh) 为单位的平准化能源成本 (LCOE)，基于甘蔗加工能力（以每季收获季加工的吨数计）。

根据加工能力，本研究分析的甘蔗糖厂的结果如图 5 所示：Coopcana（360 万吨）、Junqueira 工厂（350 万吨）、Santo Inácio 工厂（260 万吨）、Jacarezinho 工厂（250 万吨）、Dacalda（150 万吨）和 Florestópolis 工厂（100 万吨）。

图 6. 净现值 (NPV) 与甘蔗厂每季加工能力的敏感性分析。

如图 6 所示，甘蔗加工厂的净现值 (NPV) 随着制糖能力的提高而增加，而共消化工艺的 NPV 更高。这些结果与其他分析相符，表明加工更多甘蔗以及共消化酒糟和滤饼在经济上具有优势。根据图 6 中描述的相关性，可以确定每季甘蔗的最低制糖能力，此时 NPV 等于零，从而确定了项目可行性的阈值。当 NPV 低于零时，项目不可行；当 NPV 高于零时，项目可行。对于酒糟的单一消化，制糖能力为 76万吨时 NPV 为零；而对于共消化，制糖能力为 53 万吨时，NPV 为零。

图 7. 净现值 (NPV) 与电力销售价格和甘蔗加工厂产能的敏感性分析。较低的 NPV 值对应于销售价格 -30% 的变化，中等值代表基准情景，较高的 NPV 值对应于销售价格 +30% 的变化。

如图7所示，当销售价格上涨时，由于收入增加，净现值（NPV）也会上升。电力销售价格对厌氧消化项目的净现值有显著影响，尤其是在制糖能力较低的情况下，因为此时净现值的波动幅度更大。

四、展望与结论

本研究评估了巴西巴拉那州不同制糖能力的甘蔗糖厂利用酒糟厌氧消化以及酒糟与滤饼共厌氧消化生产沼气和电力的潜力。此外，还对厌氧消化进行了经济性分析。结果表明，共厌氧消化具有优势，因为可用于消化的有机物含量更高，沼气产量也更高。

从经济角度来看，结果表明共厌氧消化和更高的制糖能力是最佳解决方案。这一结论可以从更高的折现净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和投资回报率（ROI）以及更低的平准化能源成本（LCOE）得到验证。此外，敏感性分析表明，对于共厌氧消化和更高的制糖能力，电力销售价格对净现值的影响较小。

总之，在巴西巴拉那州的甘蔗种植业中实施厌氧消化发电技术，可以成为分散能源生产、提高甘蔗种植业可持续性的替代方案。

期刊介绍

主编：Dr. Dimitris P. Makris

期刊Biomass

2025 CiteScore：6.7

Time to First Decision：19.4 Days

Acceptance to Publication：4.8 Days