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冰蓄冷与电池储能在可持续奶牛养殖中的混合可再生能源系统双目标优化

储能系统的集成是实现混合可再生能源系统在农业领域有效部署的关键。本文提出一种双目标优化模型，用于确定可持续奶牛场的最优储能配置，并对电池储能系统(BES)与冰基冷热能储存系统(CTES)进行直接技术经济与环境效益比较。该模型采用非支配排序遗传算法II(NSGA-II)，以案例农场（位于厄瓜多尔）为研究对象，在光伏、风电、沼气及太阳能热技术应用场景下，实现净现成本和CO2二氧化碳排放量的同步最小化。研究表明，两种储能方式均具有显著效果；但在高制冷需求场景中，冰储能因其更具成本效益的减排优势表现尤为突出。采用光伏、沼气、太阳能集热器与冰储能等可再生能源技术的方案，成功实现了64%的CO2电池在制冷需求饱和后则展现出更高的灵活性。本研究强调，储能技术的选择是平衡小型食品加工可持续性与经济性的关键决定因素。

引言

应对全球气候变化已将"2050年实现净零排放"列为首要任务，更多国家、城市及行业正加入这一行动。然而达成该目标需要付出巨大努力，尤其在能源系统转型方面。正如文献[1]指出，这需要通过能效提升、行为模式转变以及在工业、建筑和交通等领域推行可再生能源等措施来实现。食品行业作为工业体系的重要组成部分，据文献[2]数据显示，其占全球能源消耗的30%并贡献了20%的温室气体排放。在食品行业排放中，畜牧业具有显著影响，其温室气体排放量占人类活动总排放的14.5%。如文献[3]所强调，肉类与乳制品产业是该领域的关键排放源。
目前针对减少能源相关排放的策略研究尚少。如文献[4]提出的乳制品制造业脱碳路线图模型所示，研究者通过模拟不同加热燃料类型、制冷运输方案及配送基础设施方案的生产过程，表明该计划到2050年可减少高达90.2%的碳排放。同样，文献[5]的研究显示，爱尔兰某乳制品厂通过将精益六西格玛方法与ISO 50001标准相结合，优化了其能源消耗。该研究发现，将重油替换为天然气并实施新型蒸汽锅炉设计，显著CO2排放量减少近50%。另一项关于奶酪行业的研究分析了其环境与经济可持续性。该研究发现，通过实施热集成技术并利用乳清发酵生产生物乙醇和动物饲料，可显著降低气候变化影响和生命周期成本。如文献[6]所述，结果显示气候变化指标和生命周期成本分别降低了148%和158%。
乳品加工业需要大量能源用于冷却，其中电力是主要能源。研究表明，该行业冷却用电需求可占总用电需求的60%[7]，甚至高达91%[8]。此外，加工环节所需热能是第二大能源需求。在发展中国家，木柴是加热的主要能源，而柴油用于发电，这对CO2排放问题[9]。基于这一事实，研究人员提出了基于可再生能源的多联产系统。例如，文献[10]采用太阳能集热器、光伏发电和地源热泵来降低温室气体排放；他们强调太阳能系统的间歇性对运行构成挑战，而高额投资则是另一个关键问题，尤其在小型应用场景中更为突出。文献[11]分析了乳制品行业的另一种多联产系统，该系统配备生物消化器用于热电联产、燃烧器供热，太阳能电池系统发电，吸收式制冷机提供冷却；这些能源选择符合循环经济原则。文献[12]的另一项研究考察了乳制品行业热电联产技术路径，发现这些系统通过将废热完全整合到生产流程中，可带来显著优势。此外，他们提及纳入光伏技术可降低CO2排放产生重大影响，同时可节省高达20%的能源。
乳制品行业沼气技术的应用已得到广泛研究。[13]的研究表明，采用太阳能与沼气混合系统的小型奶牛场若饲养超过50头牛即可盈利。此外，[14]指出沼气工厂的可行性取决于奶牛数量，美国环境保护署(EPA)建议实现经济可行性至少需要500头奶牛的养殖规模。[15]的另一项研究则提出，确保正向现金流的最低养殖规模为250头奶牛。与此同时，[16]强调由于可回收粪便量更大，围栏育肥牛场比草场放牧体系更适合采用厌氧消化技术。
业界其他研究则着眼于提升可再生能源与蓄热技术的应用效能。例如，文献[17]将乳品农场作为综合能源系统进行分析，指出蓄热装置通过替代电池需求，可显著降低运行成本与排放量。如冰蓄冷等储热系统能有效减少运营支出——通过在电价低谷期制冰，并于电价高峰时段释放冷量，此类系统可帮助企业实现成本节约，文献[18]对此进行了具体阐述。更值得注意的是，[19]研究发现，与传统系统相比，在区域供冷系统中采用冰蓄冷技术可使绝对成本降低9.2%。虽然冰蓄冷系统可能需要更高的初始投资，但[20]指出其投资回收期较短。此外，[8]还阐明，与传统制冷机组相比，冰蓄冷系统可与可再生能源结合使用，从而进一步降低运行成本。
能源可持续性被定义为对整个能源系统的负责任使用，包括如[21]所述利用可再生能源资源，并确保这些资源在加工、储存、运输和使用过程中的可持续方法。大量研究探讨了乳制品行业的能源规划，重点关注生产链中制造、分销和挤奶等各环节的可持续解决方案，这些研究在[4]、[12]、[17]、[22]中有所展示。然而现有分析往往孤立地处理离散流程，例如挤奶和粪便管理。以挤奶过程中的高耗能环节——冷却系统——与粪便这一现场资源为例，鲜有研究将其作为一个综合能源系统来分析，其中粪便处理产生的废热或沼气可用于抵消能源负荷。虽然部分研究提及乳制品行业的冰蓄冷技术，但可持续性并非其主要关注点。为促进可持续发展，他们在未来研究中提出了诸如沼气等技术方案，如文献[17]所示。另一项研究[12]则建议在乳制品行业的可持续性研究中采用生物质能。
HOMER pro软件[23]被广泛应用于本地或分布式能源系统(DES)[24]的能源规划领域。该软件作为微电网设计的国际标准工具，能够对离网型和并网型电力系统进行综合评估。HOMER通过优化算法和敏感性分析方法来评估不同系统配置方案，其运行模拟基于逐时段能量平衡计算，并对发电机组与蓄电池进行调度管理。该软件还具备可行性验证功能，可对包括安装及运行费用在内的全生命周期成本进行估算。
表1列出了近期HOMER pro在不同应用领域的研究案例。该表格详细展示了各项研究采用的技术方案，包括并网系统(Gd)、光伏发电(PV)、蓄电池(Bat)、沼气(Bg)、生物质能(Bm)、氢能(H)及燃料电池(FC)等技术类型，同时说明了系统配置方案以及研究是否涉及CO2排放量评估
如前所述，HOMER pro虽应用广泛但主要聚焦于总成本最小化，当需要优化其他参数时这一特点反而成为局限。因此部分研究如文献[36]所述，已开始探索多目标优化算法。但大多数研究仍仅考虑经济性指标，例如文献[37][38][39]中提及的发电成本最小化、平准化能源成本或系统年化成本等参数。其他研究者将该问题视为多目标函数，随后为简化计算将其转化为单目标函数，如文献[40]所示。多项研究已分析了各类多目标优化算法，包括文献[41]提出的改进粒子群算法、文献[42]中的混合整数线性规划多目标优化、文献[37][40]采用的多目标遗传算法（MOGA），以及文献[39]应用的灰狼优化器和布谷鸟搜索算法。最新研究进展持续完善这些方法，例如评估混合系统容量与成本信用的可靠性驱动优化框架[43]，以及采用人工兔优化算法等元启发式技术实现电池储能系统成本最优配置[44]。然而，尽管这些研究展示了适用于通用微电网优化的先进方法，但其应用领域存在明显差异。此类研究通常既未针对乳制品加工设施中制冷主导的负荷特性进行优化，也未评估基于冰蓄冷的热能存储作为电化学电池替代方案的经济性，以满足冷藏需求。
文献综述表明，部分学者已对乳品行业的能源需求及其对CO2排放问题。然而这些研究仅聚焦于成本优化，未将排放因素纳入优化流程。此外，能源规划研究虽探索了多种可再生能源形式，但鲜有将可再生能源与生物消化器技术结合应用于乳品行业的案例。值得注意的是，现有研究均未涉及冰蓄冷设施的实施成本考量。本研究的核心重点是对两种不同的能源存储技术——电化学电池与冰基蓄冷技术——进行对比分析，以评估其对于乳制品设施特定负荷曲线的适用性。为弥补这些研究空白，本研究旨在回答以下核心问题：何种混合可再生能源与储能技术配置能最优实现成本与[此处保留原文未完成部分]CO2小型乳品设施排放的影响开展研究？针对该问题的核心贡献包括：
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    一种为小型乳制品设施设计的创新型能源系统，结合太阳能、沼气和蓄热技术，以满足发展中地区小型运营场所的典型需求。
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    冰基蓄能系统在工业制冷需求方面与电池系统的性能相当，同时具有潜在的成本优势，这对传统的储能方法提出了挑战。
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    多标准优化方法识别出能显著减少排放的技术组合，同时确保资源受限的运营商在经济上可行，从而解决了小规模食品加工行业采用可再生能源的经济性障碍。
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