世界生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀及方向

車長波 袁際華

國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心

世界生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀及方向

車長波 袁際華

國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心

20世紀(jì)90年代以來,以燃料乙醇和生物柴油為代表的第一代生物質(zhì)能得以發(fā)展。目前,美國為第一大燃料乙醇生產(chǎn)國,巴西位居第二,歐盟各國則是最主要的生物柴油生產(chǎn)地,其他國家也都在積極發(fā)展生物質(zhì)能。生物質(zhì)能的發(fā)展帶來糧食種植結(jié)構(gòu)偏重玉米、糧食供應(yīng)總量下降、糧食(油料)價格振蕩上升、糧食危機引發(fā)動蕩等一系列問題。因此開發(fā)第二代、第三代生物燃料(即非糧生物燃料)成為世界各國關(guān)注的重要課題。但由于麥稈、草和木材等農(nóng)林廢棄物為主要原料(第二代生物燃料)的技術(shù)成本較高,真正商業(yè)化的項目較少;而第三代生物燃料是以微藻為原料生物燃料的油脂很難提煉,從海藻中提煉生物燃料的研究正處于實驗室階段,距離商業(yè)化階段還比較遠(yuǎn)。因此,第一代生物質(zhì)能短期內(nèi)不會被第二、三代生物燃料所替代,第二、三代生物質(zhì)能將是人類的理性選擇,也是生物燃料必然的發(fā)展方向。

全世界 生物質(zhì)能源 現(xiàn)狀 面臨問題 發(fā)展趨勢 燃料乙醇 生物柴油

20世紀(jì)90年代以來,美歐等能源消費大國和巴西等農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易大國開始大力發(fā)展新型可再生能源——生物質(zhì)能[1]。當(dāng)前,生物質(zhì)能為以燃料乙醇和生物柴油為代表的第一代生物質(zhì)能,其發(fā)展建立在對農(nóng)業(yè)資源大量占用和對農(nóng)產(chǎn)品大量消耗基礎(chǔ)之上,能源與農(nóng)業(yè)及農(nóng)產(chǎn)品被直接聯(lián)系在一起,有可能過度開發(fā)而引發(fā)一系列問題。

1 開發(fā)現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來,由于國際能源價格基本上維持在高價位區(qū)間,為這一階段的生物燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了極大的支撐。玉米、甘蔗等糧食的能源化在全球很多地方得以推廣[2]。隨著2008年食用商品價格的高企,人們開始指責(zé)燃料乙醇的生產(chǎn)導(dǎo)致了全球糧食價格的高升,但全球生物燃料近年來卻依然保持快速增長。根據(jù)Clean Edge的數(shù)據(jù),2008年全球生物燃料(主要指燃料乙醇和生物柴油)的產(chǎn)值達(dá)到348億美元,較2007年的產(chǎn)值254億美元增加37%。

1.1 美國

2005年,美國替代巴西躍升為世界頭號燃料乙醇生產(chǎn)國,為美國經(jīng)濟(jì)帶來了豐厚利益[3]。從2001—2006年,美國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)為聯(lián)邦政府和地方州政府分別增加稅收19億美元和16億美元;同時,美國相應(yīng)減少石油進(jìn)口1.7億桶,減少支出外匯87億美元。2008年,美國燃料乙醇的生產(chǎn)能力增加了27億加侖(1美加侖≈3.785 L,下同),比2007年增加34%;燃料乙醇加工廠增加31家,總數(shù)達(dá)到170家,總產(chǎn)能為105.69億加侖/a;燃料乙醇產(chǎn)量達(dá)到90億加侖,年增長率為38.5%。美國可再生燃料協(xié)會(RFA)認(rèn)為,美國燃料乙醇近年來的快速增長主要得益于乙醇的新型生產(chǎn)技術(shù)以及纖維素轉(zhuǎn)化技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用[4]。美國2007年出臺的《能源獨立和安全法》規(guī)定,到2022年前,要求國內(nèi)汽車中加入360億加侖的生物質(zhì)燃料,主要是乙醇。美國環(huán)保署2010年10月13日宣布,同意將美國汽油中的乙醇含量上限由目前的10%提高到15%,但只推薦2007年以后生產(chǎn)的汽車使用。

1.2 巴西

巴西是第二大燃料乙醇生產(chǎn)國。與美國主要采用玉米不同,巴西主要利用甘蔗發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。通過原料的綜合利用,巴西顯著降低了燃料乙醇的成本,是世界上燃料乙醇生產(chǎn)成本最低的國家。2008年,巴西的甘蔗種植面積增加,種植品種更趨多樣化,再加之良好的氣候條件和燃料乙醇技術(shù)方面的投資增加,乙醇產(chǎn)量接近70億加侖,較2007年的50億加侖的產(chǎn)量增長近40%。巴西在燃料乙醇的發(fā)展戰(zhàn)略上除了倡導(dǎo)本國消費以減輕對石油的依賴之外,還鼓勵進(jìn)行國際貿(mào)易。巴西的雙燃料汽車已達(dá)500萬輛,巴西政府強制在汽油中添加乙醇燃料的比例從2007年7月起提高到25%。巴西燃料乙醇年產(chǎn)量的18%左右向美國、委內(nèi)瑞拉、印度、韓國、瑞典和日本等國出口。從巴西的資源看,發(fā)展甘蔗乙醇的潛力還很大。

1.3 歐盟

歐盟是世界上最主要的生物柴油生產(chǎn)地,生產(chǎn)原料主要是菜籽油。歐盟提出,到2020年生物柴油的使用量將占所有交通燃料的10%。為此,歐洲議會免除生物柴油90%的稅收,歐洲國家對替代燃料的立法支持、差別稅收以及油菜生產(chǎn)的補貼,共同促進(jìn)了生物柴油產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。2008年歐盟27國的生物柴油產(chǎn)量為775.5×104t,年增長率為35.7%,其中德國、法國、意大利、比利時和波蘭5個國家的生物柴油產(chǎn)量占?xì)W盟27國總產(chǎn)量的3/4。

燃料乙醇在歐盟生物能源產(chǎn)業(yè)中是第二大生物燃料僅次于生物柴油,原料主要是谷物及甜菜等。目前,歐盟現(xiàn)有生物燃料乙醇生產(chǎn)廠58家。2006—2008年實際產(chǎn)量分別為125×104t、135×104t和170×104t;此外,歐盟還從國外進(jìn)口燃料乙醇。歐盟要求傳統(tǒng)燃料(如汽油)必須至少摻入2%的乙醇或其他生物燃料,今后10 a生物燃料乙醇消費將達(dá)到每年約10億加侖。

1.4 其他國家

加拿大生產(chǎn)燃料乙醇的原料主要是玉米和小麥。根據(jù)加拿大可再生燃料協(xié)會2004年發(fā)表的《世界乙醇與生物燃料報告》,2004年加拿大燃料乙醇總產(chǎn)量達(dá)到2.45×108L,比2003年增加了20%,位居世界第14位。

印度從2002年開始生產(chǎn)生物燃料,2003年起進(jìn)行燃料乙醇試點,有12個邦推廣使用含5%燃料乙醇的汽油(E5),計劃把摻入燃料乙醇的比例提高到10%。印度是世界第二產(chǎn)糖大國,產(chǎn)糖量接近巴西,但是豐富的原料用于生產(chǎn)燃料乙醇的數(shù)量遠(yuǎn)低于巴西,而主要是把甘蔗制糖的副產(chǎn)品糖蜜用做生產(chǎn)燃料乙醇,印度計劃大力開發(fā)甜高粱燃料乙醇。

中國生物能源生產(chǎn)起步較晚,到2007年燃料乙醇總產(chǎn)量為160×104t。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會制定的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》,到2010年,我國生物能源生產(chǎn)目標(biāo)具體為:燃料乙醇200×104t,生物柴油20×104t;到2020年,燃料乙醇1 000×104t,生物柴油200×104t。

2 面臨問題

目前各國發(fā)展的第一代生物質(zhì)能源使用的原料主要是玉米、甘蔗、油料作物。其中美國主要是玉米和大豆油,歐盟則是玉米、小麥、大麥、菜籽油、甜菜和大豆油,巴西為甘蔗和大豆油,加拿大為玉米和小麥,中國和印度為玉米,馬來西亞、印度尼西亞為棕櫚油[5]。糧食作為生物質(zhì)能生產(chǎn)的主要原料勢必帶來一系列問題。

2.1 糧食種植結(jié)構(gòu)偏重玉米

由于美國是世界最大的糧食生產(chǎn)和出口國,而生物質(zhì)能源的主要原料又是與小麥、稻谷兩大主要糧食存在直接資源競爭關(guān)系的玉米,因而國際社會普遍關(guān)注美國的玉米燃料乙醇戰(zhàn)略對國際糧食供求的影響。統(tǒng)計資料顯示,因大規(guī)模發(fā)展生物質(zhì)能源,美國三大糧食作物的種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為明顯的變化。與2003年相比,2007年美國三大作物的總種植面積下降了1.51%,其中小麥的種植面積下降了3.87%,稻谷下降了8.33%,但玉米的種植面積卻上升了21.99%。種植結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致其三大糧食出口全面下降,其中玉米下降 28.17%,小麥下降 9.13%,稻谷下降4.29%,總量達(dá)到1 661.50×104t作物。

2.2 糧食供應(yīng)總量下降

盡管世界小麥、玉米和大米的產(chǎn)量仍然在增長,但因生物質(zhì)能源的發(fā)展耗費了大量的玉米、小麥和粗糧, 2003年以來,世界食用糧供給下降。其中,作為最大糧食出口國的美國,其2003年三大糧食出口占世界總出口的比重是38.97%,而2006年則降至34.54%。

2.3 糧食(油料)價格振蕩上升

生物質(zhì)能生產(chǎn)消耗糧食也是引起糧食(油料)價格上漲的原因之一。自2006年以來,世界糧油價格迅速上漲,并在2007年進(jìn)一步攀高,比2006年上漲37%。其中小麥上漲 63%,玉米上漲 26.7%,大米上漲16.4%,油料依品種不同漲幅為60%～70%不等。路透社商品研究所數(shù)據(jù)顯示,糧食和油料種子價格指數(shù)自1971年以來呈上升趨勢,目前處于新一輪上漲周期的爬坡階段,國際糧價在中期內(nèi)仍將上行。

2.4 糧食危機引發(fā)動蕩

2008年以來,糧食危機席卷全球,部分國家和地區(qū)因缺糧出現(xiàn)饑荒、混亂和不穩(wěn)定局面,貧窮的發(fā)展中國家是糧食危機的主要受害者,由于糧食普遍不能自給,居民的恩格爾系數(shù)很高,糧價飛漲,購買活命糧成為無法承受的沉重負(fù)擔(dān)。發(fā)達(dá)國家居民的恩格爾系數(shù)只有15%,糧食危機對其影響不大。這些國家又都是世界糧食的主要生產(chǎn)國和出口國,趁糧食短缺哄抬糧價大發(fā)橫財。糧食危機將對國際關(guān)系和國際形勢產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。

生物質(zhì)能源的大規(guī)模發(fā)展已經(jīng)給世界糧食安全造成較嚴(yán)重影響,未來的影響將會更大。根據(jù)2007年美國新能源法案,到2020年美國生物乙醇產(chǎn)量將達(dá)到360億加侖,大約要耗費1 442.91×104t玉米(相當(dāng)于2007年美國玉米產(chǎn)量的41.2%)。按照美國2007年的玉米單產(chǎn)計算,玉米種植面積要增加152.17萬公頃(1公頃=10 000 m2)。耕地資源的有限性和用途的競爭性使得小麥和稻米的種植面積必然會下降,勢必影響世界糧食安全。在全球生物質(zhì)能源發(fā)展過程中,若不能統(tǒng)籌考慮綜合協(xié)調(diào)將會導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。

3 發(fā)展趨勢

3.1 生物質(zhì)能是人類實現(xiàn)能源可持續(xù)的重要領(lǐng)域

生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的主產(chǎn)地——美國、巴西、歐盟各國都制定了生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃,并且已經(jīng)開始商業(yè)化生產(chǎn)或者修建生產(chǎn)設(shè)施。美國預(yù)計到2016年,生物能源要替代5%的汽油,替代13%的交通消耗柴油。歐盟到2020年,可再生能源將占能源消耗總量的20%,生物燃料在交通燃料消費中的比重達(dá)到10%。各國政府為此不僅出臺一系列財政補貼、投資政策、稅收優(yōu)惠、用戶補助等經(jīng)濟(jì)激勵政策,為生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更好的支持,而且通過規(guī)劃和政府指令,確保生物能源的長期持續(xù)發(fā)展。

3.2 第二、三代生物質(zhì)能是人類的理性選擇

當(dāng)前,世界上生產(chǎn)燃料乙醇的原料主要是玉米、甘蔗等,生產(chǎn)生物柴油的原料主要是大豆、菜籽油等,需要利用大面積土地擴大種植,與糧爭地。因此,走原料多元化之路是長遠(yuǎn)之策。開發(fā)非糧生物燃料(第二代、第三代生物燃料)成為世界各國關(guān)注的重要課題,也是生物燃料的必然發(fā)展方向。

第二代生物燃料指的是以麥稈、草和木材等農(nóng)林廢棄物為主要原料,采用生物纖維素轉(zhuǎn)化為生物燃料的模式,主要有纖維素乙醇技術(shù)、合成生物燃油技術(shù)、生物氫技術(shù)、生物二甲醚技術(shù)等眾多發(fā)展方向,其中,纖維素乙醇和合成生物燃油是最為重要的第二代生物燃料產(chǎn)品。目前第二代生物燃料的技術(shù)成本較高,真正商業(yè)化的項目較少。

第三代生物燃料是以微藻為原料生產(chǎn)的各種生物燃料,也稱為微藻燃料。微藻作物可以用來生產(chǎn)植物油、生物柴油、生物乙醇、生物甲醇、生物丁醇、生物氫等生物燃料。微藻作物可以在海洋或者廢水中養(yǎng)殖,不會污染淡水資源,對生態(tài)環(huán)境的危害相對較小。微藻燃料的研發(fā)始于1978年美國能源部資助的“水上能源作物計劃”,起初是以生物氫為目的,1982年逐漸轉(zhuǎn)向了生物柴油和燃料乙醇。除美國外,以色列、歐洲各國、加拿大、阿根廷、澳大利亞和新西蘭等國家也逐步開始了微藻燃料的研發(fā)。

3.3 第一代生物質(zhì)能短期內(nèi)不會被替代

從目前科技水平進(jìn)步看,短期內(nèi)第一代生物質(zhì)能不可能被第二、三代生物質(zhì)能所替代。因為第二代生物燃料目前的問題在于用來分解纖維素的酶成本太高,用不可食用的纖維素生產(chǎn)酒精也需要先把它們變成糖類。而第三代生物燃料的油脂很難提煉,從海藻中提煉生物燃料的研究正處于實驗室階段,距離實現(xiàn)商業(yè)化階段還比較遠(yuǎn)。

4 結(jié)論

1)美國為第一大燃料乙醇生產(chǎn)國,巴西位居第二,歐盟是最主要的生物柴油生產(chǎn)地,其他國家也都在積極發(fā)展生物質(zhì)能。

2)生物質(zhì)能的發(fā)展帶來糧食種植結(jié)構(gòu)偏重玉米、糧食供應(yīng)總量下降、糧食(油料)價格振蕩上升、糧食危機引發(fā)動蕩等一系列問題。

3)生物質(zhì)能是人類實現(xiàn)能源可持續(xù)的重要領(lǐng)域,第一代生物質(zhì)能短期內(nèi)不會被第二、三代生物質(zhì)能所替代,第二、三代生物質(zhì)能將是人類的理性選擇。

[1]閆逢柱,喬娟.國際生物質(zhì)能源發(fā)展的評價——動機、支持措施及對世界糧食供求影響視角[J].財貿(mào)研究,2009,20 (3):53-60.

[2]李景明,王宏巖,趙群.中國新能源資源潛力及前景展望[J].天然氣工業(yè),2008,28(1):149-153.

[3]丁聲俊.生物能源發(fā)展全球冷熱不均[N].中國經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報, 2010-04-15(A04).

[4]陳暉.全球生物質(zhì)能發(fā)展概況(2004—2009)[EB/OL]. (2010-03-11)[2010-12-10]http:∥www.istis.sh.cn/list/ list.aspx?id=6484.

[5]閔恩澤,姚志龍.我國發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)與對策[J].天然氣工業(yè),2008,28(7):1-4.

Developing trend of biomass energy sources in the world

Che Changbo1,Yuan Jihua1
(Research Center on Petroleum Resources Strategy,Ministry of L and and Resources,Beijing100034,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 31,ISSUE 1,pp.104-106,1/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Since the 90s of the 20th century,the first generation of biomass energy sources,represented by fuel ethanol and biodiesel, has been well developed.In this paper,through an analysis of the current situation and the facing problem in the biomass energy development all over the world,its future developing trend is predicted.Currently,the U.S.A is the largest ethanol producer,Brazil is the second-largest fuel ethanol producer,EU becomes the main biodiesel producer,and the other countries are also actively develo-ping biomass energy sources.But on the other hand,such biomass energy development has also brought about a series of problems, such as an overly corn-emphasized grain planting structure,a decrease in total food supply,an increase of food(cooking oil)price, and even the social instability caused by the food crisis.However,biomass energy sources are still the important field for human beings to achieve sustainable energy development so the second and the third generations of non-grain biomass energy sources have become the world focus and will be the ultimate goal of biomass energy development.Agricultural and forest residues like straw of wheat,hay,and wood chips,etc.are taken as the main raw materials by the second generation of biomass energy sources,the dealing of which needs a significantly high cost and makes the commercial production almost inaccessible;while oils seem more difficult to be abstracted from micro algae as the raw material by the third generation of biomass energy sources,and the related research is still at the laboratory stage.In conclusion,the first generation of grain-based biomass energy sources will not be easily replaced by the second or the third generation of non-grain ones within a short term but the latter two generations will be possibly a rational choice for human beings in the future.

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車長波,研究員,南開大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)碩士,國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心副主任;長期從事礦產(chǎn)和油氣資源管理、潛力評價、政策分析及戰(zhàn)略研究工作。地址:(100034)北京市西城區(qū)阜內(nèi)大街88號。電話:(010)66558855。E-mail:chechangbo@ tom.com

車長波等.世界生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀及方向.天然氣工業(yè),2011,31(1):104-106.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.025

2011-01-11 編輯 趙 勤)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.025

Che Changbo,researcher,holds an M.Sc.degree,being mainly engaged in research of mineral and hydrocarbon resource management,potential assessment,policy analysis,and strategy planning.

Add:No.88,Funei Avenue,Xicheng District,Beijing 100034,P.R.China

Tel:+86-10-6655 8855E-mail:chechangbo@tom.com

English Editor:JIANGJing-ping TAN Rong-rong

Tel:+86-28-8601 3013

E-mail:jjplynth@hotmail.com