来源：Environ Sci Pollut Res Int | 编译：DNA Lab Space
导读
面对能源结构转型与废弃物管理的双重压力，意大利博洛尼亚大学团队提出了一种基于生物燃料电池（BFC）的废弃生物质资源化技术，可在处理废弃物的同时联产能源与土壤改良剂。本研究采用生命周期评价（LCA）方法，从实验室规模数据出发，系统评估了该技术从摇篮到坟墓的环境影响，并通过多情景敏感性分析探索了技术放大优化的可能路径。结果表明，BFC技术在与传统厌氧消化和堆肥工艺的竞争中具备环境可行性，但能量消耗与营养盐回收是决定其环境表现的关键杠杆。
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，推动能源体系向可持续方向转型。蔬菜类生物质被视为可再生且储量丰富的资源，在全球废弃物中占据可观份额——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总量的一半。欧洲工业/农业废弃物占农业活动产物的46%（约4.42亿吨），在能源回收与减废方面潜力巨大。然而，这类废弃物常被直接填埋或焚烧，不仅向大气和地下水释放污染物，还产生强效温室气体甲烷。欧盟已出台多项指令与策略，旨在减少供应链各环节的食物浪费。在此背景下，探索既能利用生物质废弃物的能量潜力、又能减轻其环境负担的可行技术路径，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，用于量化某一过程、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。依据ISO系列标准，LCA框架包括确定研究目标与系统边界、开展清单分析以量化输入与输出、评估环境影响以及解释结果以支持决策。
目标与范围界定
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）为功能单位编制电池生产的生命周期清单。随后将基础设施组装的材料与能量流纳入电池使用阶段，以识别整个累积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使用以履行其功能——处理生物废弃物并联产能源与土壤改良剂。因此，通过调整功能单位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）来表达该功能。电池制造（1p）被纳入使用阶段内考虑，影响根据所考虑的各种寿命情景进行分配。假设该技术寿命为10个周期（代表当前实验室规模的情景），电池制造（1p）的负担除以10。
依据文献，模拟BFC使用时的功能单位选择遵循联合研究中心指南。由于该过程有两个输出，决定采用基于原料的方法。鉴于所使用原料来自废弃物，以处理质量作为功能单位优于土地使用面积，后者更适用于原料来自专用作物的情况。此外，ISO标准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，功能单位由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改良剂和能源，两者均被视为传统制造过程中的可避免产品。
在此步骤中还确定了研究目标。首先是评估实验室阶段废弃物BFC生产和使用的环境影响。其次是在识别BFC的环境热点后创建优化情景。优化后，进一步比较所研究技术与更成熟的生物质处理替代方案，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
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数据库中仅涵盖了全球市场上大量化学品中的一小部分。
本研究中，电池生产和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质量。这使得清单具有相对较低的不确定性。尽管如此，仍需进行一些近似以完成清单，特别是能源消耗和土壤改良剂方面。
仅有一条流（增材制造）可获得精确的能源消耗数值，其他情况下所需电力通过考虑仪器功率（kW）乘以使用时间（h）计算。在可行时，能源消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）通过考虑设备相对于最大允许值的性能来计算。当烘箱在低于上限的温度（T）下工作时，Pmax值乘以按以下公式计算的校正因子：ΔT工作/ΔT最大。所有分配均在SI_2中的电子表格细节中明确说明。
表1给出了一个计算示例，显示了估算加热器能源消耗的数据。根据数据表了解设备参数（最大功率、温度和体积）后，消耗按样品所占体积（0.5升）和使用温度（30°C）进行分配。功率消耗值计算如下：Pmax × 时间 ×（ΔT/ΔTmax）×（占用体积/体积）。
表1 加热器能源消耗计算
| 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 |
| 占用体积 | 0.5 L |
| OccVol/Vol | 4.09E−03 |
| 能源消耗 | 0.12 Wh |
3D打印机的功率输出为360 W，根据假设的初步计算，产生的功率输出为2520 Wh，这是非常高的功耗。因此，决定使用能够实时检测打印机功耗的仪器进行及时测量。由此获得的数值为1270 Wh，约为最初假设的一半，可视为高质量水平的数据。本研究中，实验室规模主要设备（如冷冻柜）基础设施相关的生命周期影响未被考虑，因为超出范围且可忽略不计。
输入物质通量均准确，因为可以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，输出清单的准确度较低，因为实验室测试尚未进行。使用葡萄糖作为模型分子无法提供关于未来输出组成的精确信息。因此，进行了近似以表示含有平均废弃生物质流中营养素的肥料。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。这些值也用于估算营养物含量。考虑的元素为氮、钾和磷。为模拟最终土壤改良剂组成，计算了所有营养物输入，并通过假设不同形式估算相应肥料输出。假设100%营养物回收率，不考虑相关肥料纯化步骤的能源消耗。N、K和P转化为相应肥料：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线情景后，制定了各种其他情景。这些包括三种不同电池寿命预期（情景1）、试剂变更（情景2）、能源结构变更（情景3）以及能源优化（情景4）。
研究结果
本研究结果分为三部分：（i）研究BFC参考情景以评估电池组装（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），旨在探讨该过程如何改进以用于未来放大；（iii）与欧洲市场上现有成熟技术的传统废弃生物质处理情景进行比较。
BFC基线情景
BFC组装的生命周期影响评价结果（考虑FU = 1p）如图3所示。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占成分的45%，水也占相同比例，但相同用量下水的环境影响小得多。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）占整个能源消耗的99.3%。
与能源消耗相关的大部分影响来自煤炭能源；事实上，虽然煤炭仅占能源结构的11%，但使用ReCiPe 2016方法时却占影响的34%。使用CED方法时其贡献下降至16%。使用第二种方法时，天然气（占能源结构的40%）的影响从12%（ReCiPe 2016）显著增加至48%。
BFC生产相关影响值在整个电池寿命中的影响如图4a所示。该图绘制了使用周期数（x轴）与BFC组装中累积资源消耗（y轴）的关系。选择CED作为参考方法。值得注意的是，图表显示约400个周期时制造影响降至10%以下。此后，经过1000个周期，BFC组装相关影响相对于总量几乎可忽略不计。因此，电池使用约1000小时可视为足以使其具有竞争力。
情景1的生命周期影响评价结果收集于图4b。10c对应迄今为止在实验室进行的基线测试。与电池使用预期相关的另一个有趣参数是能量收支平衡点，即电池生产所消耗的能量在多少个周期后被回收。生产电池的能源消耗为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）才能等于制造期间使用的能量。鉴于能源生产是该技术的主要目标之一，而生产期间的消耗绝非可忽略，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，只需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预期寿命的数据。影响数据见SI（表S8–9，S11–12）。
使用周期越多，BFC组装对总体影响的贡献越低。根据结果，237c配置的累积单一分数减少了−80%，4750c配置减少了−83%，BFC制造对总量的贡献在10c配置中为76%，在237c和4750c中分别变为16%和1%。这些贡献如图4a所示。
进一步贡献分析以颜色阴影矩阵形式报告于图5中。该图以ReCiPe 2016中点方法表示结果。这样便于直观地看到每个步骤相对于每个类别总影响的贡献变化。
三种情景之间的差异在于电池本身，在10c配置中电池贡献最高。另一方面，在237c和4750c情况下其影响最小。这里，最大的负担与能源消耗（GW、SOD和IR）以及磷酸的使用（TEu）相关。关于能源消耗，主要来自加热和泵送的电力需求（分别为11.97和11.25 Wh）。它们是通过"生命周期清单"部分所述近似方法以保守方式计算的。虽然这些能源消耗数值看似较高，但重要的是要注意它们在放大过程中可能会降低。进一步的贡献分析揭示了H3PO4的重大环境影响取决于其生产过程，即涉及磷酸盐矿物酸攻击（H2SO4）方法的湿法工艺。该过程使用磷酸盐岩石、大量水，以及每公斤H3PO4约1.3公斤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在该过程中与其他试剂相比用量更大。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。影响差异更大的事实是，使用ReCiPe 2016方法评估时，H3PO4每公斤的环境影响高于NaOH。另一方面，使用CED方法时差异减小（H3PO4为21.6 MJ/kg，NaOH为19.7 MJ/kg）。方法之间的这种差异源于每种方法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，H3PO4在这些领域影响更大，与NaOH相比获得更大的加权。对于碱，大部分影响来自通过电解转化氯化钠所用的电力。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[原文此处截断]。
讨论与解读
本研究对一种创新的BFC技术进行了潜在环境影响评估，该技术用于处理生物质残留物以联产能源和肥料。由于BFC处于实验室规模开发阶段，采用了早期LCA分析。评估计算了全部资源消耗和ReCiPe 2016方法的18个影响类别。进行了多项敏感性分析，以探讨模型如何受BFC不同参考使用寿命、替代试剂的使用、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与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营养物被回收，就具备环境竞争力。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使用光伏系统补充需求来缓解。然而，本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。不过，已计划进一步测试以检查其在真实基质上的行为。
编译者解读
该研究展示了早期技术开发阶段嵌入LCA评估的典型范式——在实验室数据尚不完整时，通过合理的近似假设（如100%营养物回收率）构建前瞻性环境画像。方法上值得借鉴的是对3D打印能耗进行实测修正而非依赖理论估算，这显著提高了清单质量。从合成生物学应用角度看，该BFC技术若未来与工程菌株结合以提升能量输出和营养物转化效率，其环境竞争力有望进一步增强。局限在于葡萄糖模型分子与真实废弃物流的差异，以及未考虑营养物纯化能耗的乐观假设，可能使结果偏向理想化。放大过程中的能量优化与营养回收策略将是决定该技术能否从实验室走向工业应用的关键。
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