農(nóng)村規(guī)模化養(yǎng)殖耦合生物質(zhì)發(fā)電問題分析

張婷婷，司 展，胡晶晶，宋明亮

(1.國家電網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110003；2.安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230601；3.合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230041；4.沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

能源是人類社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的資源。隨著資源分配和使用的多樣化，資源質(zhì)量下降、獲取難度加大、稀缺性加劇以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)惡化等長期挑戰(zhàn)能源系統(tǒng)的可持續(xù)性。而規(guī)?；B(yǎng)殖基地收集的排泄物在進(jìn)行有效處理后，對果蔬培植、農(nóng)業(yè)發(fā)展及清潔能源利用等方面都產(chǎn)生了重大作用。以下以養(yǎng)豬業(yè)為例，在規(guī)?；B(yǎng)殖后[1]，如何解決現(xiàn)代智慧養(yǎng)殖中的能源持續(xù)穩(wěn)定供給問題成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。

1 規(guī)?；B(yǎng)殖的轉(zhuǎn)型問題

當(dāng)前養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)開始向自動化和智能化轉(zhuǎn)變，通過加快信息技術(shù)的利用進(jìn)行畜禽舍自動清糞處理、溫度控制、揮發(fā)性氣體檢測和病蟲害防治等。電力的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)是規(guī)?；B(yǎng)殖轉(zhuǎn)型過程中的主要瓶頸之一，特別是在供暖、機(jī)械和監(jiān)測系統(tǒng)用電等方面。農(nóng)村規(guī)模化養(yǎng)殖供電的主要挑戰(zhàn)有三點(diǎn)。首先，國內(nèi)的農(nóng)村家用電系統(tǒng)較為完善，但在生態(tài)養(yǎng)殖環(huán)境較好、人煙稀少的農(nóng)村地區(qū)，規(guī)?；B(yǎng)殖的電力需求難以滿足，特別是在需求高峰期的電力供給不足，無法滿足規(guī)?；B(yǎng)殖的負(fù)荷；其次，農(nóng)村供電的可靠性不足，如配電能力和微電網(wǎng)的可靠性不高；最后，規(guī)模化養(yǎng)殖注重智能化和無人化，從而導(dǎo)致需求行為的變化，如現(xiàn)代化養(yǎng)殖經(jīng)營的機(jī)械化、電氣化等。

因此，農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智能農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無法應(yīng)對這種轉(zhuǎn)變，迫切需要可行的解決方案。

2 清潔能源面臨的挑戰(zhàn)

由于大多數(shù)類型的清潔能源存在波動性和間歇性，大規(guī)模清潔能源發(fā)電的整合將對電網(wǎng)產(chǎn)生重大影響，并且清潔能源的時(shí)空分布不均勻、供需增長不平衡和輸配電能力不足等問題，也都限制了清潔能源的生產(chǎn)和使用。而在專供規(guī)?；B(yǎng)殖的清潔能源消費(fèi)中，主要面臨以下兩個(gè)挑戰(zhàn)。

1) 電力系統(tǒng)的操作問題，簡單來說，就是研究如何在電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)狀態(tài)下，做出正確的決策。其中包括規(guī)?；B(yǎng)殖供電系統(tǒng)的承載問題、最優(yōu)控制/模型預(yù)測控制問題和市場清算問題。根據(jù)應(yīng)用程序，操作問題可以轉(zhuǎn)化為仿真問題和優(yōu)化問題，這就像是給電力系統(tǒng)制定一個(gè)實(shí)時(shí)的“操作指南”，確保電力供應(yīng)既穩(wěn)定又高效。

2) 電力系統(tǒng)的規(guī)劃問題，則是關(guān)于如何設(shè)計(jì)和建設(shè)一個(gè)高效、可靠的電力系統(tǒng)，特別是針對大規(guī)模養(yǎng)殖場這樣的特殊需求。其中，最優(yōu)規(guī)劃則是尋找最佳的設(shè)計(jì)方案，比如確定發(fā)電機(jī)組的大小和安裝位置，以便在滿足需求的同時(shí)，成本最低、效率最高。

解決上述問題，清潔能源的使用過程將會更加順暢，低碳效果更明顯。

3 生物質(zhì)發(fā)電的優(yōu)勢

我國生物質(zhì)資源豐富，具有一定的潛在發(fā)展優(yōu)勢。生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用方法可歸結(jié)為生物法(微生物法)、化學(xué)處理法、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法三種。其中，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)是將低品位能源通過各種化學(xué)手段轉(zhuǎn)變成能量密度高的高質(zhì)量能源的最有效方法。近年來，國內(nèi)投資的生物質(zhì)發(fā)電廠運(yùn)營較為穩(wěn)定，部分發(fā)電廠年供電量均在15萬MW以上(見表1)。

表1 國內(nèi)企業(yè)的生物質(zhì)發(fā)電廠詳細(xì)信息(部分)

此外，何家欣[2]分析了生物質(zhì)發(fā)電在建設(shè)和運(yùn)行階段與風(fēng)能和太陽能發(fā)電的環(huán)境影響。其研究結(jié)果顯示，在系統(tǒng)建設(shè)階段，生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)生二氧化碳(等效)約1 700 t/MW，排放量相對較少；在運(yùn)行階段，生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目平均每年減排二氧化碳(等效)達(dá)到131 462 t，大于同等裝機(jī)容量的風(fēng)能和太陽能。生物質(zhì)發(fā)電廠在運(yùn)行后可以在較短的時(shí)間內(nèi)（0.39年）實(shí)現(xiàn)凈減排。生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的生命周期二氧化碳(等效)排放量在42～85 g/kWh之間。因此，從環(huán)境績效的角度來看，生物質(zhì)能是值得支持的[3]。

4 規(guī)?；B(yǎng)殖和清潔能源系統(tǒng)聯(lián)系

規(guī)?；B(yǎng)殖通過消耗電力來啟動供料系統(tǒng)、排泄物清理系統(tǒng)、控制溫度等，能源供給可由太陽能或者風(fēng)力發(fā)電供給，產(chǎn)生的生物質(zhì)可用于果蔬種植和生物質(zhì)發(fā)電，如圖1所示。

圖1 規(guī)?；B(yǎng)殖耦合生物質(zhì)發(fā)電示意

中國是一個(gè)具有風(fēng)能、太陽能、水電等豐富清潔能源的農(nóng)業(yè)大國。農(nóng)業(yè)活動和清潔能源生產(chǎn)大多位于農(nóng)村地區(qū)，這為清潔能源與農(nóng)業(yè)的一體化提供了巨大的機(jī)會[4]。隨著小康社會全面建成和農(nóng)村能源消費(fèi)的不斷增加，農(nóng)村清潔能源的發(fā)展不僅可以改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，支持鄉(xiāng)村振興，而且在緩解能源緊張、降低農(nóng)業(yè)電價(jià)方面發(fā)揮重要作用。

清潔能源消費(fèi)可分為當(dāng)?shù)叵M(fèi)和遠(yuǎn)程消費(fèi)兩種。一般來說，光伏溫室發(fā)電通常用于光照充足地區(qū)的當(dāng)?shù)叵M(fèi)，這有助于充分利用當(dāng)?shù)氐那鍧嵞茉?，提高?dāng)?shù)氐碾娏鬏敽凸?yīng)水平。此外，如果沒有足夠的清潔能源來發(fā)電，遠(yuǎn)程清潔能源發(fā)電也可以作為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)電力供應(yīng)。一方面可以避免遠(yuǎn)程清潔能源的浪費(fèi)，解決清潔能源消納問題；另一方面可實(shí)現(xiàn)多周期和全過程的調(diào)整，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的支出。

5 生物質(zhì)耦合發(fā)電

劉潔[5]提出了將清潔能源電力系統(tǒng)融入智能農(nóng)業(yè)的路線圖，但現(xiàn)實(shí)中仍然面臨著一定的技術(shù)瓶頸。規(guī)模化養(yǎng)殖與生物質(zhì)等清潔能源的消費(fèi)流程如圖2所示。

圖2 規(guī)?；B(yǎng)殖與生物質(zhì)等清潔能源的消費(fèi)流程

5.1 多時(shí)間尺度耦合

畜禽舍生產(chǎn)排泄物、果蔬堆肥需要和生物質(zhì)發(fā)電之間存在著時(shí)間尺度上的差異，國內(nèi)傳統(tǒng)的發(fā)電可以是連續(xù)的，而生物質(zhì)發(fā)電依賴畜禽舍堆糞時(shí)間及揮發(fā)性氣體的產(chǎn)生時(shí)間，并且植物生長的時(shí)間與小時(shí)、日、月和季節(jié)呈非線性關(guān)系。因此，多時(shí)間尺度耦合是智能農(nóng)業(yè)與清潔能源消費(fèi)一體化需要解決的第一個(gè)瓶頸。

在完成變量的收集后，即：排泄物產(chǎn)生的時(shí)間、生物質(zhì)反應(yīng)的時(shí)間、農(nóng)田堆糞產(chǎn)肥的時(shí)間等，基于普拉卡什和Hjelmstad(PH方法)、Gravouil和組合安全(GC方法)提出兩種基于外部軟件的耦合算法。這些方法涉及不重疊的分區(qū)，并采用雙舒爾方法，加強(qiáng)在與拉格朗日乘子界面上的速度連續(xù)性。此外，Ghanem[6]提出了一個(gè)基于時(shí)空的多時(shí)間尺度多模型耦合的一般框架，該框架引入了拉格朗日乘子的特定插值和時(shí)間積分算子參數(shù)。在能量考慮的基礎(chǔ)上，Brun[7]描述了一種獲得不同時(shí)間積分方案的多時(shí)間步長耦合一般方法。該方法是基于休斯引入的偽能量測量來證明隱式-顯式算法的穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有的關(guān)于多時(shí)間尺度耦合的研究并沒有滿足多系統(tǒng)的剛度和靈活性的需要，這導(dǎo)致規(guī)?；B(yǎng)殖和能源系統(tǒng)的耦合仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。

為了解決多時(shí)間尺度耦合問題，林子雨[8]提出了基于三點(diǎn)預(yù)測的探測(TPFP)，在時(shí)間序列延遲相關(guān)分析中，當(dāng)延遲位置較大時(shí)，允許一個(gè)較小的誤差，從而可以有效地處理大部分延遲的多重情況。于洪潔[9]研究利用快速和慢速兩個(gè)變量來分析系統(tǒng)復(fù)雜的動態(tài)行為，以不同時(shí)間尺度變量的初始值和頻率作為控制參數(shù)，建立了雙時(shí)間尺度變量的剛?cè)嵝择詈稀?/p>

綜上所述，多系統(tǒng)的剛性和靈活的時(shí)間尺度仿真和分析技術(shù)為解決畜禽舍養(yǎng)殖過程的生物質(zhì)輸入和清潔電力系統(tǒng)輸出的多時(shí)間尺度的差異提供了一個(gè)潛在的解決方案。

5.2 生產(chǎn)和供給需求

畜禽舍排泄物生物質(zhì)發(fā)電采用厭氧阻流反應(yīng)器-微生物燃料電池-微生物電解電池組合系統(tǒng)(ABR-MFC-MEC)[10]，其主要發(fā)生的電解反應(yīng)如下所示。

1）MFC的電極反應(yīng)如下。

2）MEC的電極反應(yīng)如下。

該聯(lián)合工藝具有在幾乎零能量輸入生物燃料生產(chǎn)的情況下有效處理糞便廢水的潛力，生物質(zhì)發(fā)電組合系統(tǒng)ABR-MFC-MAE采用的畜禽舍廢水特點(diǎn)如表2所示。

表2 畜禽舍廢水的特點(diǎn)

采用ABR-MFC-MEC聯(lián)合系統(tǒng)處理糞便廢水。使用與常規(guī)化糞池相同的液壓保留，即使進(jìn)水化學(xué)需氧量(COD)高于1 500 mg/L，銨離子為110 mg/L，出水COD仍低至50 mg/L。脫碳和反硝化的發(fā)生使得連通沼氣中的甲烷含量略低，氮?dú)夂枯^高的原因。此外，可以從組合系統(tǒng)中獲得(452.5±10.5) mV的額外輸出電壓。

對此，供給的一大問題將轉(zhuǎn)化為畜禽舍排泄物的清理與收集過程。按照司展[1]的方法對畜禽舍排泄物進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，而清理過程則采用人體工程學(xué)模擬，在數(shù)值積分中確定最佳清理時(shí)間，可結(jié)合揮發(fā)性傳感器采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來佐證清理效果。因此，在采用ABR-MFC-MEC組合系統(tǒng)完成生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化過程時(shí)，確定豬舍中最佳清理時(shí)間將給最佳供給生物質(zhì)和生產(chǎn)能源提供了可能的條件。

5.3 供給消耗比例

準(zhǔn)確的測量是實(shí)施智能農(nóng)業(yè)的最基本的要求，故在完成畜禽舍和耦合發(fā)電的過程之前，要分析體系供給和其消耗的比例。在確定基本的生物質(zhì)發(fā)電之后需要完成光伏發(fā)電的計(jì)算，以及考慮種植所在區(qū)域年平均日照的時(shí)間。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為提升供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要做好電力系統(tǒng)和電力設(shè)備的穩(wěn)定性監(jiān)測，通過分析他們的運(yùn)行情況，了解電力設(shè)備運(yùn)行的效率和電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)前的電力監(jiān)測技術(shù)只能單獨(dú)對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測范圍較小，監(jiān)測效果不理想。通過合理的大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用，規(guī)?；B(yǎng)殖系統(tǒng)可以詳細(xì)地反映系統(tǒng)中龐雜的數(shù)據(jù)和信息，推斷系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障，針對性地做好系統(tǒng)的保護(hù)工作，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其中對耦合鏈路進(jìn)行分析，以了解多能系統(tǒng)的相關(guān)耦合機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；B(yǎng)殖、清理、飼養(yǎng)、育種等一系列無人化、智慧化操作[11-17]。Ehsan Elahi等[12]應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化商業(yè)家禽農(nóng)場的能源輸入，以實(shí)現(xiàn)能源和成本節(jié)約策略。訓(xùn)練模型確認(rèn)了農(nóng)場能源輸入的低效使用，以及在給定能源輸出量下能源輸入的3.37 %過度使用(燃料能源的過度使用達(dá)到了51.02 %)，其中最主要的因素是多種能源使用的冗余與重復(fù)。因此，在規(guī)?；B(yǎng)殖系統(tǒng)中，確定最優(yōu)耦合能源網(wǎng)絡(luò)的消耗與供給比例尤為重要。

在電力混合系統(tǒng)的使用中，焦萍紅等[13]提出了一種聯(lián)合有功和無功功率的操作策略來確定最優(yōu)的能源供給和消耗比例，其中包括儲能系統(tǒng)(ESS)的優(yōu)化充放電策略、聯(lián)合概率分析、基于價(jià)格的需求響應(yīng)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)框架下的優(yōu)化算法。其中ESS系統(tǒng)是通過Fourier-Legendre級數(shù)模擬儲能系統(tǒng)的充放電特性，以捕捉其狀態(tài)?？紤]到間歇性可再生能源(IRE)的不確定性，通過聯(lián)合概率分布來評估IRE的輸出。即研究了損失負(fù)荷(VoLL)和功率削減(VoPC)的價(jià)值，以應(yīng)對不確定性帶來的風(fēng)險(xiǎn)。這種基于價(jià)格的有功和無功集成需求響應(yīng)能夠有效地調(diào)整有功和無功負(fù)荷，改善電壓質(zhì)量。

在新能源-電力耦合網(wǎng)絡(luò)中，國外學(xué)者Tathagata Sarkar[15]等構(gòu)建了集成太陽能光伏、風(fēng)能和生物質(zhì)能源的混合微電網(wǎng)，通過HOMER模擬軟件進(jìn)行了不同可再生能源的容量選擇，并提供不同可再生能源、釩氧化還原流電池(VRFB)儲能和負(fù)載配置的真實(shí)數(shù)據(jù)，建立了峰值負(fù)載削減。項(xiàng)目在實(shí)地安裝了一個(gè)10 kW太陽能光伏、1 kW風(fēng)力發(fā)電和15 kW生物質(zhì)發(fā)電機(jī)集成1 kW 6 h VRFB儲能的微電網(wǎng)，并驗(yàn)證了模擬模型的性能；同時(shí)這樣的混合微電網(wǎng)在滿足日常能源需求時(shí)，還將帶來23 %的項(xiàng)目投資回報(bào)率。

在氫能-電力耦合網(wǎng)絡(luò)中，國外學(xué)者Erdal Aydin[16]提出了一個(gè)MILP模型，用于在天氣間歇性和需求不確定性下識別集成能源網(wǎng)格的最優(yōu)設(shè)計(jì)和運(yùn)營。提出了一種實(shí)用的基于概率的場景生成方法來處理與風(fēng)速、太陽輻射、氣溫、人口和城市電力需求相關(guān)的不確定性。(模型中使用風(fēng)力渦輪機(jī)額定功率100～200 000 kW、光伏的額定功率100～200 000 kW、生物質(zhì)發(fā)電機(jī)額定功率2 500～500 000 kW、燃?xì)夤采l(fā)電機(jī)額定功率3 350～670 000 kW、甲烷反應(yīng)釜額定功率51 300～51 300 kW) MILP模型在考慮約束和目標(biāo)的情況下(主要包括：設(shè)備選擇和尺寸決策、單位承諾和運(yùn)營約束、設(shè)備存儲約束、系統(tǒng)輸入和輸出的非負(fù)約束、物料和功率平衡、成本約束、CO2排放約束)，確定最優(yōu)的設(shè)備配置和運(yùn)營策略，以實(shí)現(xiàn)能源的有效供給和消耗。

在實(shí)際案例中，位于德國的巴登-符騰堡州是具有高總體過剩電力和高數(shù)量過剩發(fā)電小時(shí)數(shù)的地區(qū)，同時(shí)有一個(gè)現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施。確定能源系統(tǒng)的供應(yīng)最優(yōu)供給消耗比例，對于地區(qū)節(jié)能環(huán)保尤為重要，Sarah Henni[14]提出的理論框架和地理信息系統(tǒng)軟件(GIS)建模方法來識別和評估Power-to-Gas (PtG)技術(shù)在配電網(wǎng)絡(luò)中的潛力。主要方法包括GIS建模、時(shí)間分辨率分析和PtG潛力評估，其中PtG潛力評估是通過空間和時(shí)間建模來確定了哪些區(qū)域?qū)⒚媾R過剩的可再生能源發(fā)電，從而可能需要PtG技術(shù)來解決。這包括評估網(wǎng)絡(luò)部分的擁堵情況，以及在這些區(qū)域部署PtG工廠的潛在經(jīng)濟(jì)可行性。所有評估的PtG工廠規(guī)模(從2 MW到10 MW)在不考慮避免賠償成本的情況下都是盈利的，盈利額大約為54 歐元/MWh。

6 結(jié)束語

通過提出畜禽舍與生物質(zhì)耦合的清潔能源發(fā)電路線，實(shí)現(xiàn)清潔能源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高效利用?；谵r(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析養(yǎng)殖業(yè)與清潔能源系統(tǒng)耦合的瓶頸和包括多時(shí)間尺度耦合的相關(guān)技術(shù)，確定清潔能源生產(chǎn)與需求消耗比例，高效利用畜禽舍資源，促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，在減少環(huán)境污染的同時(shí)也將助力國家實(shí)現(xiàn)雙碳的目標(biāo)。