中国生物燃料乙醇供应链优化研究：以甜高粱为原料的创新方案
中国生物燃料乙醇供应链优化研究：以甜高粱为原料的创新方案
随着全球能源短缺和环境问题日益严峻，生物液体燃料作为替代能源的重要性日益凸显。其中，甜高粱作为生产燃料乙醇的能源作物展现出巨大潜力。本文针对我国燃料乙醇需求高涨与产量增速缓慢的矛盾，系统探讨了生物燃料乙醇原料来源、供应链设施布局及其优化方案，为实现产业的经济效益和环境效益最大化提供了科学依据。
生物液体燃料是缓解能源短缺和减少温室气体排放的有效途径之一。甜高粱作为生产燃料乙醇的能源作物，具有巨大的发展潜力。然而，我国在未受新冠疫情影响之前生物燃料乙醇年产能仅为 322 万吨/年，距离全国车用燃料乙醇需求仍相差 1000 万吨/年。因此，在我国双碳目标背景下，面对燃料乙醇需求高涨与产量增速缓慢的矛盾，科学地评估我国燃料乙醇发展潜力、优化我国燃料乙醇供应格局是实现我国燃料乙醇产业走向高效益低碳化道路的前提。
我国生物燃料乙醇原料来源及潜力评估
本研究的主要目标是探索我国能源作物甜高粱的发展潜力，提出解决甜高粱乙醇供应链产业布局方面问题的方法，以实现我国甜高粱乙醇供应链产业布局优化的目标。为此，本文提出了一个结合空间信息技术与供应链优化模型的中国甜高粱乙醇供应链优化框架。首先，以宜能边际土地资源为系统边界，利用作物生长过程模型，在公里格网尺度上模拟甜高粱生产潜力；其次，考虑设施特点和区位影响因素，基于 GIS 方法构建选址模型，确定供应链重点设施的最优候选位置；最后，以生命周期分析法为研究框架，构建甜高粱乙醇供应链优化模型，在经济成本和碳排放双重目标下进行分析和求解，并通过不同情境的综合对比分析，提出我国甜高粱乙醇供应链最优布局方案。
图2 甜高粱生产潜力评估。(A) 中国适合种植甜高粱的边际土地的空间分布， (B) 中国甜高粱地上生物量（干重）模拟结果的空间分布。
供应链设施布局优化
（1）获取边际土地能源作物甜高粱产量作为甜高粱乙醇供应链的原料来源（图2）。
②采用空间信息技术求取同质性土地单元：根据 DSSAT 模型所需的气象、土壤、地形等数据，与宜能边际土地空间分布图叠加分析，求取同质性土地单元模块，为输入 DSSAT 模型做准备；
③作物模型参数优化：基于参考文献、专家报告资料和能源作物试验基地实地考察数据，对作物模型参数进行敏感性分析，并通过 GLUE 方法优化作物品种参数；
（2）确定生物燃料供应链的交通网络和基本单元的候选位置（图3）。
①确定原料收购站候选位置：基于泰森多边形方法，确定候选原料收购站的位置、数量和容量；
②确定乙醇加工厂候选位置：综合考虑县级行政边界、铁路和公路运输网络、水体分布、城乡分布、人口规模、现有工厂位置和生物质产量分布等因素，利用缓冲区分析和区域统计分析方法，确定乙醇加工厂的最佳候选位置；
图3 甜高粱原料收购站和乙醇加工厂选址模拟。四种收购站数量的原料供应区域划分结果：(A) 50个， (B) 100个， (C) 150个， (D) 200个， (E) 候选乙醇加工厂位置的分布。
（3）进行甜高粱乙醇供应链整体布局优化（图4）。
基于生物质产量分布、供应链各设施的候选位置、生物质采购成本、单位运输成本、各设施单位建设和运营成本等数据，构建一个混合整数线性规划模型，对燃料乙醇供应链进行优化。该模型可为供应链网络设计、乙醇加工厂规模、数量和位置、供应方案和物流调度等相关决策提供最优解决方案。
此外，对模型中的关键参数进行敏感性分析，寻找影响乙醇供应链成本与碳排放目标的主要因素，综合评价甜高粱乙醇供应链的优势和不足，提出相关的改进措施与优化建议，进一步提升供应链的经济效益和环境效益。
图4 甜高粱乙醇供应链的优化布局和综合效益。(A) 经济优化下，从原料收集站到乙醇加工厂的最佳供应网络。(B) 经济优化下，从乙醇加工厂到汽油调配中心的最佳供应链。(C) 环境优化下，从原料收集站到乙醇加工厂的最佳供应网络。(D) 环境优化下，从乙醇加工厂到汽油调配中心的最佳供应链。(E) 经济优化下的最低生产成本分解。(F) 环境优化下的最低碳排放分解。(G) 经济目标与环境目标之间权衡的帕累托最优曲线。
研究结论与展望
通过以上的实验结果，本文的得出以下重要结论：
(1) 估算了中国边际土地甜高粱的生产潜力和能源潜力。结果显示，中国适合种植甜高粱的边际土地面积约为33.9万平方公里，边际土地上甜高粱的总地上生物量（干重）约为5.9539亿吨，可转换为约3721.2万吨燃料乙醇。据估计，2020年中国汽车燃料乙醇需求约为1300万吨。因此，边际土地的甜高粱产量可以满足全国范围内10%汽车的乙醇汽油所需的原料供应需求。
(2) 提出了以经济和生态效益为约束的中国甜高粱乙醇供应链优化方案。利用精确模拟得出的边际土地甜高粱产量作为原料，以燃料乙醇需求为目标，计算得出基于道路运输网络的甜高粱乙醇供应链年最低成本为2112.53亿元，年最低碳排放量为8878.1亿千克。最低成本的供应链布局方案建议在胡焕庸线附近建立大型乙醇加工厂。
总结与展望
本研究在精细空间尺度和实际需求下探索了中国甜高粱乙醇生产潜力和供应链优化，推动了中国燃料乙醇领域的研究进展，并为其他生物质原料乙醇供应链的发展提供了关键参考。然而，在实际生产中，甜高粱乙醇供应链面临多种不确定性，未来研究应关注除运输方式、原材料生产和乙醇需求外的其他不确定性因素。此外，还需考虑将科学技术创新、政策、社会经济条件和产业模式的约束转化为社会效益和能源效益等，以使优化结果更具实用性。
本文原文来自The Innovation