来源：Environ Sci Pollut Res Int | 编译：DNA Lab Space
导读
生物燃料电池（BFC）有望同时应对能源多样化与废弃物管理两大挑战——将废弃生物质转化为能源与肥料。本研究采用生命周期评价（LCA）方法，以实验室规模数据为基础，系统评估了该技术的环境足迹，并探讨了循环寿命、试剂替代、可再生能源及热回收等优化情景。结果表明，BFC技术在环境表现上可与成熟的厌氧消化和堆肥工艺竞争，但需重点降低能耗并提高养分回收率。
研究背景
全球能源需求持续攀升，气候变化与环境退化问题日益严峻，推动能源结构向可持续替代来源转型。植物生物质被视为可再生且储量丰富的资源，在全球废弃物中占比可观——据估算，废弃食物与修剪产生的绿色废弃物约占全球废弃物质量的一半。欧洲工业/农业废弃物中，农业活动产生的废弃物约占46%（约4.42亿吨），其在能源回收和废弃物减量方面的潜力备受关注。然而，这些废弃物常被填埋或焚烧而不进行能量回收，导致污染物释放至大气与地下水，同时产生强效温室气体甲烷。为此，欧盟已出台多项指令与战略，旨在减少供应链各环节的食物废弃物产生。探索既能利用生物质废弃物能量潜力、又能减轻其环境负面影响的有效方法，已成为当务之急。
研究方法
生命周期评价（LCA）是一种分析性且国际标准化的方法（ISO 2006a；ISO 2006b），用于量化过程、产品或系统在整个生命周期或部分生命周期中的潜在环境影响。从摇篮到坟墓的LCA考虑从资源开采、生产、使用、回收直至废弃物处置的完整链条，确定所有直接或间接的排放与资源消耗（Curran 2012）。根据ISO系列标准，LCA框架包括：定义研究目标与系统边界、开展清单分析（LCI）以量化输入与输出、评估环境影响（LCIA）以及解释结果以支持决策。
目标与范围定义
如图1所示，分析分为两个阶段。第一阶段，以1个单位（1个电池单元 = 1p）为功能单位（FU）编制电池生产的LCI。随后将基础设施组装的材料与能量流纳入电池使用阶段，以识别跨累积的"从摇篮到大门"生命周期中的制造影响。分析的第二阶段评估电池的使用以履行其功能，即处理生物废弃物以联产能源与土壤调理剂。因此，通过调整FU并规定一个使用周期内可处理的固定生物质数量（相当于9.08克废弃生物质）来表达功能。由此，电池制造（1p）被纳入其使用阶段考虑。影响根据所考虑的不同寿命情景进行分配。假设该技术寿命为10个周期（代表当前实验室规模情景），电池制造（1p）的负担除以10。
根据文献（Cucurachi et al. 2022），模拟BFC使用的功能单位选择遵循联合研究中心指南（Manfredi et al. 2011）。由于该过程有两个输出，决定采用基于原料的方法。鉴于所用原料来自废弃物，以处理质量作为FU优于土地使用量，后者更适用于原料来自专用作物的情况（Cucurachi et al. 2022）。此外，ISO标准（ISO 2006b）建议尽可能避免分配。本研究中，通过系统边界扩展避免了分配（符合ISO标准）。如上所述，功能单位以系统处理的生物质数量表示，因为该技术的主要目标是处理废弃生物质以联产土壤调理剂和能源，两者均被视为传统制造过程中的可避免产品。
在此步骤中还设定了研究目标。首先是评估实验室阶段废弃物BFC生产与使用的环境影响。第二个目标是在识别BFC的环境热点后创建优化情景。优化后，进一步进行比较，将所研究技术与更成熟的生物质处理替代方案进行对比，评估影响的绝对值。最后，研究旨在评估在不经任何燃烧步骤的情况下从生物质获取能源的环境可行性。
生命周期清单分析
清单分析是常规LCA中最耗时且资源密集的部分之一。涉及化学品时困难更大，原因之一是当前LCI数据库中仅涵盖全球市场上大量化学品中的一小部分（Maranghi 2020）。
本研究中，电池生产与使用的原始数据直接来自开发者团队。该数据集主要代表前景信息，在技术、时间和地理相关性方面具有最高数据质量，使得清单具有相对较低的不确定性。尽管如此，为完成清单仍需进行一些近似处理，特别是能源消耗和土壤调理剂方面。
仅有一条流（增材制造）获得了精确的能耗数据，其他情况下所需电力通过仪器功率（kW）乘以使用时间（h）计算（Giménez et al. 2015）。在可行时，能耗按试剂在仪器内所占体积分配（例如在烘箱中加热时）。仪器功率（P）通过设备性能相对于最大允许值的比例计算。当烘箱在低于上限的温度（T）下工作时，Pmax乘以修正系数：ΔT工作/ΔT最大。所有分配均在SI_2的电子表格中明确说明。
表1给出了一个计算示例，展示了估算加热器能耗的数据。根据数据表获知设备参数（最大功率、温度和体积）后，按样品所占体积（0.5升）和使用温度（30°C）分配消耗。功率消耗计算如下：Pmax × 时间 × (ΔT/ΔTmax) × (所占体积/总体积)。
表1 加热器能耗计算
| 参数 | 数值 |
|------|------|
| Pmax | 1600 W |
| Tmax | 300°C |
| 体积 | 122.2 L |
| 时间 | 0.5 h |
| T | 30°C |
| ΔT/ΔTmax | 3.57E−02 |
| 所占体积 | 0.5 L |
| 所占体积/总体积 | 4.09E−03 |
| 能耗 | 0.12 Wh |
3D打印机的功率输出为360 W，根据假设的初始计算，所得功率输出为2520 Wh，这是非常高的功耗。因此决定使用能实时检测打印机功率消耗的仪器进行及时测量。由此获得的数值为1270 Wh，约为初始假设的一半，且被认为具有高质量水平。本研究中，实验室规模主要设备（如冷冻柜）的基础设施相关生命周期影响未纳入考虑，因其超出范围且可忽略。
输入物质通量均为精确值，因为可从实验室规模测量中获得原始数据，仅需少量近似。另一方面，输出清单精度较低，因为实验室测试尚未开展。使用葡萄糖作为模型分子无法提供未来输出组成的精确信息。因此，进行了近似处理以表征含有平均废弃生物质流中养分的肥料。为使模型更接近现实，将9.08克葡萄糖替换为ecoinvent数据库中相同量的标准生物质（Wernet et al. 2016）。这些数值也用于估算养分量。所考虑的元素为氮、钾和磷。为模拟最终土壤调理剂组成，计算了所有养分输入，并通过假设不同形态估算相应肥料输出。假设100%养分回收，不考虑相关肥料纯化步骤的能耗。N、K和P转化为相应肥料形态：元素氮、氧化钾和二氧化磷。清单见SI（表S1–5）。
在建立基于实验室数据的基准情景后，制定了各种其他情景，包括三种不同电池寿命预期（情景1）、试剂变更（情景2）以及能源优化（情景4）等。
研究结果
本研究结果分为三部分：（i）研究BFC参考情景，评估电池构建（FU = 1p）及其使用（FU = 9.08克处理生物质），同时评估设备的不同参考使用寿命；（ii）研究优化技术（BFC优化），探讨未来放大过程中工艺的改进方向；（iii）与欧洲市场上成熟的废弃生物质处理传统情景进行比较。
BFC基准情景
BFC构建的LCIA结果（FU = 1p）见图3（表S6–7）。分析显示，最大影响来自3D打印机的使用（两种方法均为66%）和ABS（两种方法均为31%），ABS是电池的主要构成材料。完整数据见SI。
按质量计，ABS占组成成分的45%，水也占相同比例，但等量使用的水影响小得多。事实上，按相同质量比较，它们的影响相差4个数量级。在能源方面，打印阶段（7小时）占整个能耗的99.3%。
与能源消耗相关的大部分影响来自燃煤能源；事实上，虽然煤炭仅占能源结构的11%，但使用ReCiPe 2016方法时其影响占比达34%。使用CED方法时其贡献下降至16%。在第二种方法中，天然气（占能源结构40%）的影响从12%（ReCiPe 2016）显著上升至48%。
BFC生产影响在整个电池寿命中的变化见图4a。该图绘制了使用周期数（x轴）与BFC构建中累积资源消耗（y轴）的关系，选用CED作为参考方法。值得注意的是，图中显示约400个周期时制造影响降至10%以下。此后，1000个周期后BFC组装相关影响相对于总量几乎可忽略。因此，电池使用约1000小时即可视为足以使其具备竞争力。
情景1的LCIA结果汇总于图4b。10c对应迄今在实验室进行的基准测试。与电池使用预期相关的另一个有趣参数是能源收支平衡点，即电池生产所消耗的能量在多少个周期后被回收。电池生产的能耗为1270 Wh，产生的能量为5.4 Wh，因此需要237个周期（1个周期 = 1个工作小时）才能与制造期间消耗的能量持平。鉴于能源生产是该技术的主要目标之一，且生产过程中的消耗绝非可忽略，这一平衡点的存在对技术放大具有重要意义。计算证实了实现能量增益所需的周期数。如上所述，每个周期等于1个工作小时。因此，考虑每天使用电池6个周期，仅需40天的使用即可摊销制备电池相关的能源消耗。
后者（4750c）如前所述，基于文献中关于普通燃料电池寿命预期的数据（Hua et al. 2020）。影响数据见SI（表S8–9，S11–12）。
使用周期数越大，BFC构建对总体影响的贡献越低。结果表明，237c配置的累积单一分数降低了−80%，4750c配置降低了−83%；BFC制造占总影响的贡献在10c配置中为76%，在237c和4750c配置中分别降至16%和1%。这些贡献见图4a。
进一步贡献分析以颜色深浅矩阵形式报告于图5（表S10，S13）。该图以ReCiPe 2016中点方法展示结果，便于直观观察各步骤相对于每个影响类别总量的贡献变化。
三种情景的差异在于电池本身，其在10c配置中贡献最高。而在237c和4750c情况下其影响极小。此时最大负担来自能源消耗（GW、SOD和IR）和磷酸的使用（TEu）。能源消耗主要来自加热和泵送的电力需求（分别为11.97和11.25 Wh），通过"生命周期清单分析"部分描述的近似方法以保守方式计算。虽然这些能耗数值看似较高，但需注意它们在放大过程中可能下降（见情景4结果；"能源优化（情景4）"）。进一步贡献分析揭示了H3PO4的重大环境影响取决于其生产过程，即磷酸盐矿物的湿法工艺——涉及硫酸（H2SO4）酸解方法（Althaus et al. 2007）。该过程使用磷酸盐岩、大量水以及每千克H3PO4约1.3千克H2SO4。硫酸的使用占整个累积影响（单一分数）的47%。磷酸的环境影响还归因于其相对于过程中其他试剂的大量使用。水是最丰富的试剂，环境影响显著较低，而H3PO4的用量是氢氧化钠（NaOH）的三倍。影响差异更大的原因在于，使用ReCiPe 2016方法评估时，H3PO4每千克的环境影响高于NaOH。另一方面，使用CED方法时差异缩小（H3PO4为21.6 MJ/kg，NaOH为19.7 MJ/kg）。方法间的差异源于各自使用的不同加权方案。ReCiPe 2016方法对被认为更显著的环境影响（如人类健康和生态系统质量）赋予更高权重，因此在这些领域影响较大的H3PO4获得比NaOH更大的加权。对于碱，大部分影响来自氯化钠电解转化所用的电力（Kurt and Bittner 2006）。事实上，使用ReCiPe 2016方法分析影响显示，其中12%与NaCl相关，而几乎……
讨论与解读
本研究对一种创新的BFC技术（用于处理生物质残留物以联产能源和肥料）的潜在环境影响进行了评估。由于BFC尚处于实验室规模开发阶段，故采用早期阶段LCA分析。评估计算了全部资源消耗及ReCiPe 2016方法的18个影响类别。研究进行了多项敏感性分析，以考察模型受BFC不同参考使用寿命、替代试剂使用、可再生能源比例提高以及模拟BFC放大的能源优化装置的影响。随后，选择厌氧消化和堆肥作为传统生物废弃物处理工艺进行比较。BFC取得的结果令人鼓舞，只要能源消耗最小化且试剂中的养分得以回收，其在环境方面可以具有竞争力。试剂相关影响可通过使用替代品来降低，能源消耗可通过回收反应热和利用光伏系统补充需求来缓解。然而，研究存在一些局限性：首先是工艺规模——BFC仅在实验室规模下使用葡萄糖作为模型分子进行测试，后续计划在真实基质上开展进一步测试以验证其行为。
编译者解读
该研究在BFC技术开发早期即引入LCA评估，体现了"设计阶段即考虑环境足迹"的前瞻性思维。方法上值得借鉴之处在于：以实验室实测数据（如3D打印机1270 Wh实测值）替代理论估算，显著提高了清单质量。237个周期达到能源收支平衡的计算，为技术放大提供了明确的量化参考。然而，100%养分回收假设和葡萄糖模型分子的使用，使结果偏乐观——真实废弃物的复杂组成可能降低输出肥料品质。未来研究应关注真实基质验证与养分回收效率的实测数据。从合成生物学应用视角看，BFC作为一种无需燃烧即可产电的生物电化学系统，与合成生物学的"绿色制造"理念高度契合，其放大过程中的能耗优化路径（如情景4所示）值得进一步探索。
参考来源
Rossi E, Cespi D, Maggiore I, Setti L, Passarini F. Energy from waste biomass: an LCA study on a biofuel cell at early design stage. Environ Sci Pollut Res Int. 2024. PMID: 38926307. DOI: 10.1007/s11356-024-34068-1.
PMID: 38926307