气象条件影响下的微藻产量分析——完善生命周期数据清单

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在众多可再生清洁能源之中,生物质能源是可实现气体、液体、固体之间三相转化的清洁能源,对全球碳贡献基本为“零”,发展潜力巨大。微藻生物能源通过提取微藻细胞中的油脂制成生物柴油。微藻资源储量大、比传统能源作物单位重量含油量高、生长周期短,同时可在盐碱地、旱地等非粮用地养殖,具有独特的发展优势。然而,微藻生物能源商业化发展的可行性需要通过生命周期模型分析,评估计算微藻生物能源生产从微藻养殖到最终生物柴油使用全过程每个步骤资源的投入和产出,计算系统对资源的净消耗和环境影响,找出存在的问题,从而为商业化发展提出针对性的改进建议。  现阶段的微藻生物能源生命周期分析主要集中在微藻生产阶段工艺的分析,评估微藻收获、油脂提取和藻油生产等过程的效率,发现其工艺消耗大量的能源。其中,有的生物能源生产全系统的净能量产出为负,经济效益并不乐观。因此,生产工艺需要不断地优化,同时生命周期分析数据也会不断改变。然而,现有的生命周期只分析特定地点、特定生产设备的效率,对于环境和设备的改变,需要重新采集数据,适应性较低。除了生产工艺部分,微藻生物能源生命周期分析还应分析微藻生长养殖阶段的产量以及蒸散发量等数据。但现有的生命周期较少研究生长阶段,对微藻水分消耗分析则更少,往往以研究报告中的平均微藻产量和自由水面的蒸发量值分别作为实际微藻产量和蒸散发量进行计算,与实际情况存在一定的差异。  因此需要具体分析微藻生长阶段的情况,研究环境要素对其生长的影响,量化生长模型计算产量,为生命周期分析提供产量数据,便于计算单位产量的资源消耗,同时,也可以为研究微藻生长的最佳环境条件提供参考。目前关于微藻生长的环境影响分析研究大多采用实验室数据,缺乏实际参考意义。在研究实际户外微藻养殖时,缺乏气象数据也是目前面临的巨大挑战。  为分析微藻生长情况,本研究以兆凯生物能源中心开放式光反应器硅藻养殖为实例,获得微藻2012年3月至10月的日产量数据,同时从深圳市气象局和深圳大学城北大气象观测站收集相应的温度、光照、湿度等气象资料。本研究阐述如何在缺乏气象资料时计算当地太阳辐射、蒸散发量等相关气象要素值,并通过聚类分析模拟产量模型,研究其对产量的影响。然后,利用GREET(Greenhouse Gasses,Regulated Emissions,and Energy Use in Transporta-tion)模型在微藻产量数据和相关数据库获得的生产过程输入和产出数据基础上进行微藻生物能源生命周期分析。  数据分析表明,在兆凯地区,年平均温度大约25度,在此温度条件下,温度和微藻日产量的相关性较小,其线性拟合优度R2为0.464。相对于温度,太阳辐射对硅藻生长的影响较大,其与微藻日产量的线性拟合优度R2为0.656,具有显著相关性。因此通过聚类分析量化太阳辐射和微藻生长模型,其二次方程拟合优度为0.877,微藻生长达到最大产量0.829g·L-1时所需太阳辐射值为429.9 MJ·m-2·mon-1。蒸散发量与产量的线性关系拟合优度为0.637,相关性显著,接着通过聚类分析量化蒸散发量和微藻生长模型,其拟合优度也达到了0.807,当蒸散发量达到4.63mm时,日产量有最大值0.825g·L-1。同时,太阳辐射与蒸散发量也有显著相关性,其sigmoidal曲线拟合优度达0.962。太阳辐射对蒸散发量影响较大的区间是9.67-12.67 MJ·m-2,当太阳辐射值超过12.67 MJ·m-2时,其变化不再影响蒸散发量,微藻养殖系统的蒸散发量维持在4.63 mm左右,达到饱和状态。GREET生命周期分析显示微藻生物能源生产的能源消耗及温室气体排放较传统石油、柴油约减少一半以上,但仍然大于传统生物能源。其能量消耗大部分来自于藻油生产阶段,其中,藻油提取步骤能耗占总能量消耗的40%,微藻养殖和收获部分的能消占总能耗的31%。因此,为了大规模发展微藻生物能源生产,其工艺需要进一步完善和优化,以减少其能量消耗和污染气体的排放。  本文量化微藻产量的方法可计算不同地域和气象条件的微藻产量,结合不断改变的工艺生产设备参数,可及时评估最新微藻生物能源生产系统的效率,增强生命周期分析的应用性。变化环境中产量和蒸散发量的计算为生命周期分析提供准确数据清单,取代传统以报告平均值带入计算的方法,提高生命周期分析的准确性。同时,太阳辐射和蒸散发对微藻生长有显著影响,大规模微藻养殖需要考虑此气象要素对生长的影响,选择适宜环境,提高产量。
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