综述：一种基于技术经济学的木质纤维素生物燃料热解路径评估方法：系统性回顾与元分析

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：A techno-economic evaluation of pyrolysis pathways for lignocellulosic biofuels: A systematic review and meta-analysis

　　塞缪尔·萨尔庞·阿萨莫阿 | 特里斯坦·布朗 | 罗伯特·W·马尔姆斯海默
纽约州立大学环境科学与林业学院可持续资源管理系，1 Foresty Dr，锡拉丘兹，NY 13210，美国

**摘要**
通过热解转化木质纤维素生物质为可再生运输燃料提供了一种有前景的途径；然而，报道中的技术经济结果存在较大差异，这限制了一致的基准评估和商业化指导。本综述综合了2019年至2025年间发表的50项技术经济评估（TEA）研究，并统一了最低销售价格（MSP），以便直接进行跨研究比较。结果表明，初级热解燃料和升级燃料之间存在明显差异。初级热解燃料（PPF）通常成本较低，平均MSP约为0.57美元/升。相比之下，升级热解燃料（UPF）的成本更高且变化更大，平均MSP为1.23美元/升，范围在0.12至3.53美元/升之间。初级燃料的规模经济效应更为明显（R2 = 0.28），而升级燃料的规模经济效应较弱（R2 = 0.02），这表明升级强度及其相关的成本负担越来越主导成本结构，从而降低了规模对MSP的相对影响。在所有研究中，燃料产量和原料成本始终是最具影响力的经济驱动力。文献计量学分析显示，TEA与生命周期评估和机器学习方法的整合程度日益增加。包括45Z清洁燃料生产信贷在内的政策工具在加强项目经济性和推进商业化方面发挥着关键作用。

**引言**
全球向可持续能源的转变激发了人们对利用木质纤维素生物质生产生物燃料的浓厚兴趣。这种生物质包括农业残留物和林业废弃物，是生成“即用型”碳氢化合物的理想原料，可以无缝整合到现有燃料基础设施中。然而，虽然木质纤维素生物质转化为碳氢化合物燃料为重载运输等难以电气化的行业提供了巨大的脱碳机会，但这一途径也面临许多挑战。这些挑战包括生物质转化技术的技术复杂性、高初始资本投资、与生物质收集和运输相关的物流问题，以及市场接受度和监管政策的不确定性。此外，必须对其环境效益进行严格评估，以确保总体影响确实低于传统化石燃料。

木质纤维素生物质转化为碳氢化合物燃料的可行性关键在于所采用的转化技术。尽管迄今为止商业化程度有限，但已经开发并优化了多种技术，如生化转化（例如酶水解和发酵）和热化学转化（例如气化和热解）。每种技术路径在效率、可扩展性和与现有基础设施的整合方面都具有独特的优势和挑战。例如，生化转化路径常常面临酶成本和工艺产率方面的问题，而热化学方法可能需要更高的温度和/或压力，这可能具有较高的资本密集度。由于本综述的主题是快速热解的技术经济潜力，因此讨论主要集中在这种路径上。

**热解**是一种重要的热化学方法，用于在无氧条件下对生物质进行热分解，以生产生物油、合成气和生物炭。其优点包括能够处理多种原料，并适用于分散式生产系统。然而，优化产品产量和质量以及将生物油升级工艺整合到现有炼油厂基础设施中的挑战仍然是进一步开发的重点领域。此外，热解系统的经济可行性和环境影响受到生物炼油厂位置的重要影响。区域因素如原料种类、土地类型、可用性、成本、资本和运营费用、税收水平、土壤组成、生物炭市场以及物流在决定其财务可行性方面起着关键作用。全面了解这些区域差异对于评估快速热解转化木质纤维素生物质生产负碳能源的最新进展至关重要。

**生物油的市场价值**
生物油是快速热解系统的主要产品，其市场价值取决于其预期用途。生物油可用作工业加热的直接能源，升级为运输燃料，或作为高价值化学品的原料。每种应用的经济可行性取决于多个因素，包括生物油的质量和组成、升级技术的成本和可用性，以及竞争燃料和化学品的市场状况。例如，用于运输燃料的生物油需要经过氢处理的深度精炼和升级，尽管会增加生产成本，但符合运输行业对可持续替代品日益增长的需求。相反，用于工业加热的生物油可能需要较少的升级，但由于应用范围有限和来自天然气或煤炭等其他能源的竞争，其市场价值较低。在政策支持不足或生产和运输成本较高的地区，生物油的生产和利用的经济可行性可能会受到显著限制。因此，了解这些动态对于制定生产策略和优化供应链以满足特定市场需求同时保持成本效益和环境效益至关重要。

**特朗普政府之前的努力**
在特朗普政府之前，美国减轻温室气体（GHG）排放的努力有所加强，尤其是在交通运输领域，这是该国最大的直接温室气体排放来源。为了实现2050年的净零温室气体排放目标，美国政府正在推动生物燃料的发展和采用，作为交通运输脱碳的可持续解决方案，特别是在航空和海运等难以电气化的领域，这些领域的脱碳面临重大技术和财务障碍。

**文献综述**
少数综述论文探讨了经济变量对通过快速热解将木质纤维素生物质转化为燃料的最低销售价格（MSP）的影响。然而，一些作者探讨了影响MSP的各种过程方面，突出了影响热解技术经济结果的复杂因素。例如，Patel等人回顾了将木质纤维素转化为燃料的技术，考虑了技术经济评估（TEA）及其在多种产品联产路线中的环境权衡。同样，Makepa等人回顾了木质纤维素生物质生物燃料的供应链和TEA，确定了影响FP系统经济表现的财务因素和不确定性。Ali等人回顾了用于增强生物氢生产的木质纤维素生物质，重点关注暗发酵制氢预处理方法的有效性。El Bari等人回顾了催化快速热解（CFP），探讨了木质纤维素生物质作为CFP替代原料的适用性。虽然几项综述研究了通过热解转化木质纤维素生物质为燃料的TEA，但大多数研究仍主要是描述性的，并未明确分析关键经济变量如何影响不同研究中的MSP。因此，目前仍难以明确成本驱动因素及其在不同研究中的变化情况。

**本研究的工作内容**
本研究通过提供一项全面且更侧重于量化的TEA研究综述，弥补了这一空白。本文不是关注个别路径或孤立案例研究，而是探讨了原料特性、工艺条件、催化剂使用、产品产量、升级要求和工厂容量等关键因素如何共同影响广泛研究中的MSP。通过结合TEA结果和结构化的敏感性分析视角，本研究确定了这些变量的相对重要性，并强调了假设和系统设计的差异如何塑造经济结果。分析表明，尽管规模经济有助于降低初级热解燃料系统的成本，但在升级燃料配置中，其影响显著减弱。在这些系统中，升级要求和相关成本负担在确定MSP方面起着更主导的作用，往往限制了扩大工厂规模的成本降低效益。这些发现提供了对热解系统经济驱动因素的更清晰、更全面的理解，为提高其成本竞争力和可扩展性提供了实用见解。这种整合对于确定最具成本效益的工艺参数和优化生产系统以实现经济和环境可持续性至关重要。

**成本结构**
TEA中的成本结构涉及对与产品或服务生产和交付相关的所有成本的全面评估。该方法首先识别和估算资本支出（CapEx），包括设备、基础设施和技术的初始投资成本。随后分析运营支出（OpEx），涵盖原材料、劳动力、维护、公用事业等其他运营费用。

**木质纤维素生物质**
木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，是全球可再生能源框架中的基本资源。其可用性和可持续性使其成为生产生物燃料、生物化学品和其他生物产品的关键原料，极大地推动了全球清洁能源解决方案的采用。这些原料包括玉米秸秆和小麦秸秆等农业残留物以及林业废弃物。

**热解系统**
热解系统具有高度灵活性，可以适应各种原料和操作规模，使其成为生物油生产的基石技术。热解的一个关键优势是能够将多种木质纤维素生物质（包括农业残留物、林业副产品和专用能源作物）转化为液态生物油。热解的效率受多种因素影响，包括反应器类型、工艺温度和加热速率等。

**方法论**
本研究进行了全面的综述，重点关注通过快速热解将生物质转化为燃料的相关研究。相关研究主要来源于Scopus和Web of Science，使用了图1中所示的精心选择的关键词。

**研究文章分析**
对快速热解木质纤维素生物质的研究趋势分析表明，50篇综述文章中有17篇（占总数的34%）专门讨论了生物油和初级燃料产品（如酚类油）的TEA。其余33篇文章则深入探讨了将热解产品升级为更高价值的专业燃料和其他增值产品。

**使用机器学习的最新TEA建模**
快速热解过程的TEA最新进展越来越多地利用机器学习（ML）来提高成本建模和过程优化的精度和效率。通过利用人工神经网络（ANNs）、随机森林和支持向量机等ML算法，研究人员可以根据原料组成、工艺条件等输入参数预测关键经济指标，如生物油产量、生产成本和资本支出。

**结论**
这项全面综述展示了通过热解将木质纤维素生物质转化为生物燃料的当前进展和持续挑战。虽然规模经济对升级燃料的影响较弱，但升级的复杂性和相关处理需求在成本结构中起着更大作用。

**作者贡献声明**
Malmsheimer Robert：撰写——综述与编辑、监督、方法论、数据管理。
Tristan Brown：撰写——综述与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、数据管理。
Asamoah Samuel：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。

**写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT来提高可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

**资金支持**
本研究的资金由美国农业部农业和食品研究计划（USDA AFRI）通过 Grant #2022–68016–36153 提供。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。