《Biomass and Bioenergy》：A critical review of techno-economic analysis for producing transportation fuel from biomass pyrolysis
编辑推荐：
生物质热化学转换制备运输燃料的技术经济分析研究显示，2010-2024年相关文献年增长率达15%，农业残留为最优 feedstock，HDO技术成本高但有效。摘要：该研究系统综述了生物质热化学转换（尤其是 pyrolysis）制备运输燃料的技术经济分析，指出农业残留为最优 feedstock，HDO技术虽成本高但有效提升生物原油品质，并揭示 feedstock、pyrolysis类型及升级工艺显著影响经济可行性。
昌德拉·坎塔·卡纳尔（Chandra Kanta Khanal）| 萨加尔·卡弗莱（Sagar Kafle）| 苏希尔·阿迪卡里（Sushil Adhikari）
生物系统工程系，350 Mell街，奥本大学（Obern University），奥本，阿拉巴马州（AL），36849，美国
摘要
交通运输行业严重依赖化石燃料，导致高排放量和环境问题。生物质通过热化学过程（尤其是热解）提供了生产运输燃料的替代方案。然而，相关的技术和经济挑战阻碍了其可行性，因此需要对其进行关键评估以了解影响其可行性的因素。通过对Scopus和Web of Science中收录的810篇研究文献进行文献计量分析，评估了出版和研究趋势。此外，通过选取26篇最相关的文章，系统地评估了从热解油生产运输燃料的技术经济分析。研究发现，该领域的出版物数量逐年增加，2010年至2024年的年均增长率约为15%，从2010年的15篇增加到2024年的89篇。基于农业的原料是研究最广泛的原料类型，而热解是最常用的热化学过程。近年来，通过加氢处理（如加氢处理和氢裂化）进行升级的研究势头显著增强，但由于对氢的需求较高，成本也相对较高。最低燃料售价（MFSP）在每升0.51美元到2.59美元之间，这受到原料和处理方式的影响显著。农业残留物（如玉米秸秆和稻草）具有较低的成本优势，而藻类和工业残留物的成本较高。研究表明，原料、热解类型和转化过程对技术经济性能（特别是最低燃料售价和整体经济可行性）有显著影响，强调了仔细考虑这些参数的必要性。
引言
全球人口的快速增长、工业活动和城市化进程显著增加了能源需求，进而导致温室气体（GHG）排放量的增加。在全球温室气体排放总量中，交通运输行业约占15%，这主要是由于其对化石燃料的依赖，从而导致大量排放和环境退化[[1], [2], [3]]。这种日益增长的排放负担，加上化石资源的有限性，凸显了迫切需要可持续和可再生的替代方案来满足交通运输行业的燃料需求[4]。生物质作为一种全球范围内可获得且碳中性的资源，通过热化学过程（如热解）生产低排放运输燃料具有巨大潜力[5]。然而，了解运输燃料生产的完整经济可行性，必须考虑与生物质生产、加工和燃料转化相关的费用[6]。因此，技术经济评估（TEA）的重要性日益受到重视，这是一种系统全面评估产品或过程技术性能和经济可行性的工具。
生物质可以利用多种技术转化为可持续的运输燃料，包括热化学、生物和化学过程。其中，热化学转化因其高效地将生物质转化为可持续燃料、化学品和能源而备受关注。主要的热化学转化过程包括热解、气化、水热液化、燃烧和热焦化[7]。在这些过程中，热解是将生物质在无氧条件下加热至450–650°C以生产生物油、炭和气体的方法[10]。产品的产量和质量取决于多种因素，包括原料性质、反应器设计、温度、催化剂、停留时间和压力[11]。然而，通过热解生产的生物油含有氧化有机化合物和水，使其不稳定且具有腐蚀性，因此需要进一步处理以提高其与炼油燃料的兼容性[12]。已经开发出多种升级技术来提高生物油的质量，包括加氢处理/脱氧（HDO）、催化裂化、酯化和不同的物理方法[13]。其中，HDO是最常用且技术上可行的方法之一[14,15]。该技术特别有效地去除氧化物并提高燃料的稳定性[16]。人们对基于热解的生物燃料的兴趣日益增加，是因为它们有望减少对化石燃料的依赖，并解决废物处理和排放等环境问题[17]。这一过程为传统化石燃料提供了有前景的替代方案，有助于燃料来源的多样化和温室气体排放的减少。然而，必须仔细考虑上游排放和生产基于热解的燃料的经济可行性，以确保其可持续性和可扩展性。
多项研究应用TEA评估了在不同升级路径和原料条件下从热解油生产运输燃料的可行性[[18], [19], [20]]。这些分析对于评估资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）等关键经济指标至关重要[21]。TEA研究不仅有助于确定将热解油转化为可再生燃料的经济可行性，还支持选择最佳的生产路线和工艺配置。此外，TEA为研究界提供了有价值的反馈，帮助识别成本效益高且可扩展的解决方案。这一分析框架有助于提高工艺效率，并指导未来的研究工作，以实现经济可行和工业上可行的燃料生产策略。
多项研究回顾了使用各种升级技术从热解油生产运输燃料的TEA。其中许多研究[[22], [23], [24], [25]]主要是描述性的，缺乏系统性的方法。虽然一些综述确实考虑了TEA框架，但往往缺乏技术和经济方面的整合，以及研究趋势的考量。具体而言，关键参数（如研究趋势、技术成熟度（TRL）、热解类型和升级技术的影响、原料变化以及最低燃料售价（MFSP）要么被简要讨论，要么完全忽略。例如，参考文献[[26], [27], [28]]的研究主要关注成本估算，涵盖CAPEX、OPEX和市场可行性，但没有明确探讨这些参数如何共同影响整体技术经济性能。尽管Sorunmu等人（2019）[24]的研究提供了关于TRL的宝贵见解，并报告了选定的研究中的MFSP值，但该综述是描述性的，没有采用明确的文献选择时间框架，也没有整合研究趋势分析。此外，MFSP值直接来自个别研究，没有考虑报告年份的差异，这限制了研究之间的有意义比较。因此，尽管该综述提供了TEA、生命周期评估（LCA）和TRL概念的重要综合讨论，但它没有提供基于趋势的、系统可比的跨原料、热解配置和TRL水平的TEA评估。目前，关于从热解油生产运输燃料的TEA的全面系统评估仍然有限，包括技术方面和经济因素的研究趋势。这凸显了现有文献中的显著空白，并强调了进行综合和方法严谨分析的必要性。
为了解决上述研究空白，本研究系统全面地回顾了从生物质热解生产运输燃料所涉及的技术和经济因素。这种方法提供了对热解基燃料生产可行性、可扩展性和整体潜力的更全面视角。因此，为了更深入地探讨这一空白，本研究首先研究了通过热化学途径生产运输燃料的研究趋势。在发现热解是一种广泛研究且前景广阔的技术后，对应用于这一过程的技术经济评估方法进行了系统调查。分析涵盖了关键的技术经济指标，包括TRL、CAPEX、OPEX和MFSP。此外，研究强调了在选择最具影响力的参数（如原料、热解类型和升级技术）时必须考虑的关键因素。这项工作回顾和讨论了在进行运输燃料生产的热解过程技术经济评估时应遵循的技术和经济因素，这可以为行业在选择适当的原料和热化学途径生产运输燃料提供有价值的指导。
方法论
首先，本研究通过系统方法确定了通过热化学转化过程生产运输燃料和生物燃料的研究趋势（图1）。然后，对与通过热解过程生产运输燃料相关的最相关的技术经济评估文章进行了全面调查。
出版趋势
与通过热化学转化生产运输燃料和生物燃料相关的出版物数量总体呈上升趋势，但多年来有所波动。值得注意的是，2023年的出版物数量最多，表明学术界对该领域的兴趣日益增长（图S1）。2010年至2014年间，仅发表了136篇文章，年均约为27篇。从2015年到2019年，这一数字增加到每年约50篇，2024年超过了84篇
敏感性和不确定性分析
为了评估假设对报告的经济结果的影响，综合了26篇技术经济研究中的敏感性和不确定性分析。所有选定的研究都采用了某种形式的敏感性或情景分析来测试MFSP估计的稳健性。然而，只有少数研究（5项研究）进行了正式的不确定性分析，使用了蒙特卡洛模拟等概率方法。因此，文献中报告的MFSP值应
局限性和未来方向
尽管本研究对从生物质热解生产运输燃料的TEA研究进行了系统和综合的评估，但仍存在一些局限性和不确定性来源。这些局限性主要是由于可用文献的范围有限、技术经济假设的差异以及研究中报告实践的不一致性所致。
本研究的主要局限性在于TEA数据集的规模
结论
全球范围内，已经开展了通过热化学转化过程生产替代运输燃料的研究，特别关注热解技术。过去出版物数量总体呈增长趋势，这一趋势未来可能会持续。在各种原料中，基于农业的原料由于成本低且易于获取而受到最多研究。系统方法的关键发现表明，快速热解是一项成熟的技术
CRediT作者贡献声明
昌德拉·坎塔·卡纳尔（Chandra Kanta Khanal）：撰写——初稿、软件开发、方法论设计、调查、数据分析、概念化。萨加尔·卡弗莱（Sagar Kafle）：撰写——审阅与编辑、可视化设计、方法论设计、概念化。苏希尔·阿迪卡里（Sushil Adhikari）：撰写——审阅与编辑、监督。
科学写作中关于生成式AI的声明
生成式AI工具被用于优化代码，Grammarly Pro被用来提高手稿的可读性和语言质量。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本出版物得到了阿拉巴马农业实验站和美国农业部国家食品与农业研究所的Hatch计划（ALA0-24-0-01858）的支持。作者（CKK）感谢Ghanashyam Khanal在经济分析方面的支持，以及在手稿准备过程中提供的宝贵反馈。
