[论文解读] Integrated Investment and Operational Planning for Sugarcane-Based Biofuels and Bioelectricity under Market Uncertainty

Carolina Monteiro, Bruno Fanzeres+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Capital Investment and Risk Analysis被引用 0

一句话总结

本论文在价格与原料不确定性下，开发了一个两阶段随机优化模型，将投资与运营决策整合用于甘蔗生物质设施，并提供开源实现（OptBio）。

ABSTRACT

Sugarcane biomass is a strategic resource for the energy transition, particularly in Brazil, where it underpins electricity and ethanol production. Investment planning is challenged by diverse production pathways, price volatility, and feedstock variability. This work develops a two-stage stochastic optimization model integrating investment and operational decisions for sugarcane facilities. The model aims to support robust planning for diversified biomass plants, aiding the sector's decarbonization. The first stage defines capacity expansion under economies of scale through a power-law cost function. The second stage defines operational decisions under price and feedstock uncertainty, modeled via scenarios and Conditional Value-at-Risk. \answer{From an investor's perspective, the objective is to minimize risk-adjusted net costs. In addition to its methodological contributions, this work also provides an open-source implementation of the proposed capacity expansion planning framework, referred to as extit{OptBio}.} A Brazilian case study shows risk-neutral strategies favor sugar/ethanol but are vulnerable, whereas risk-averse strategies promote diversification. Sensitivity analyses indicate biomethane and hydrogen may become viable with favorable prices, while biochar boost productivity and profitability.

研究动机与目标

• 在价格与可获得性不确定性下，权衡投资成本与风险调整后的运营支出，以实现甘蔗生物质设施的平衡投资与运营。
• 在扩产时捕捉资本支出中的非线性规模经济。
• 表征超出糖和乙醇等基础产出的广泛甘蔗衍生产品与工艺。
• 提供一个开源的产能扩展框架，以实现可重复性与更广泛的应用。

提出的方法

• 建立一个两阶段随机规划，第一阶段在带有封装幂律成本函数的规模经济下选择产能扩展。
• 第二阶段在给定产能与情景实现的情况下对年度运营进行优化，通过投入单价与销售产品收入实现净成本最小化。
• 用情景集来表示价格与产产品可用性的不确定性，并使用CVaR来衡量风险，融合期望成本与尾部风险。
• 采用分段线性近似与二进制变量来线性化规模经济关系，以实现可解性。
• 将两阶段问题改写为等价的基于情景的MILP，适用于标准求解器。
• 提供一个名为 OptBio 的开源 Julia/JuMP 实现，数据存储在 SQLite。

实验结果

研究问题

• RQ1 在面对价格与原料不确定性时，甘蔗生物质设施应如何扩展产能？
• RQ2 将CVaR 基于风险偏好的引入对投资与运营决策有何影响？
• RQ3 在风险考虑下，哪些生产路径（如生物甲烷、氢气、生物炭）变得有吸引力？
• RQ4 如何在可解的优化模型中准确表示资本支出中的非线性规模经济？

主要发现

• 风险中性策略往往偏向糖/乙醇，但容易受到价格波动影响。
• 偏好风险的策略促进多元化，改善风险-收益权衡。
• 在有利价格条件下，生物甲烷与氢气可能成为可行选项。
• 生物炭可提升生产率与盈利能力；废弃物转化为能源路径增加收入来源。
• 一个开源的 OptBio 实现使框架的重复性与更广泛的使用成为可能。