生物能源發(fā)展現(xiàn)狀與戰(zhàn)略思考

黃瑞榮， 盛宣才， 任開磊， 劉志偉， 朱安明*

(1.國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設計院，浙江 杭州 310019；2.國家林業(yè)和草原局昆明勘察設計院，云南 昆明 650031)

化石資源是現(xiàn)代工業(yè)和人類生活文明的物質(zhì)基礎，石油、煤炭、天然氣不僅提供了基本能源[1]，而且還提供了99%的有機工業(yè)原料。隨著對能源需求的不斷增加，石油等非再生性化石能源逐漸枯竭，進入到20世紀末葉，世界范圍內(nèi)的能源危機日益嚴重，國際上相繼發(fā)生了多次能源危機[2-3]，給全球的經(jīng)濟造成了巨大損失，能源問題成了全世界共同面臨的難題。據(jù)專家預計，如果按照當前水平開采全球已探明的能源，煤炭資源可開采100年，天然氣可開采50～60年，石油也將在100年后被耗盡[4]。隨著我國能源資源匱乏和能源結(jié)構不合理問題日益突出，我國已成為僅次于美國的世界第二大能源消耗國，能源對外依存度不斷提高，石油安全問題十分突出，能源短缺已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸[5]。因此，尋找可再生替代能源也是我國當前社會發(fā)展過程中面臨的重要難題。為維持人類文明高水平持續(xù)發(fā)展，勢必需要尋求一種新的能源利用方式。這種新的能源及其利用方式，在提供可再生清潔能源和資源的同時，可減少環(huán)境污染且不影響糧食安全。其中，生物能源是最理想的可再生能源之一，其清潔轉(zhuǎn)化利用技術開發(fā)是未來經(jīng)濟發(fā)展的希望與方向[6]。

生物能源，又稱生物質(zhì)能源，是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用能轉(zhuǎn)化為化學能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量。合理開發(fā)利用可再生生物能源，可以緩解能源危機，減少溫室氣體排放，維持碳平衡；其污染低，相比化石能源有巨大的儲存量[7-9]，優(yōu)勢極其明顯。且生物能源產(chǎn)業(yè)是一種土地密集型能源生產(chǎn)形式[10]，大力發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)可以解決三農(nóng)問題。以糧食為原料的生物能源已在許多國家開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，然而基于糧食安全，開發(fā)木質(zhì)纖維素是當前國內(nèi)外生物能源開發(fā)的最優(yōu)選擇。本文以生物能源的定義及特點為出發(fā)點，探討了生物能源的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，同時對生物能源的進一步開發(fā)利用進行了展望。

1 生物能源的定義與特點

生物能源是太陽能以化學能形式儲存在生物中的一種能量形式，是以生物質(zhì)為載體的能量，是綠色可再生能源。生物能源產(chǎn)業(yè)已成為近年來全球性新興產(chǎn)業(yè)。生物能源來源廣泛，原料多樣化，幾乎所有有機物均可用作原料。其中包括糖質(zhì)原料(菊芋、甘蔗、甜菜、甜高粱等)，淀粉原料(玉米、甘薯、木薯)，木質(zhì)纖維素原料(柳枝稷、芒草、木本植物、農(nóng)作物秸稈、林木廢棄物)，非食用油脂原料(油菜、向日葵、棕櫚、花生、麻瘋樹、油楠、續(xù)隨子、綠玉樹、古巴香膠)和其他有機廢棄物(動物廢棄物、城市垃圾等)[11]。世界各國對生物能源開發(fā)投入了前所未有的關注，以生物質(zhì)為原料轉(zhuǎn)化的生物柴油、生物酒精、生物制氫等新型生物能源陸續(xù)被研發(fā)，并制定了相應計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農(nóng)場和巴西的酒精能源計劃等。

目前世界生物能源開發(fā)可分為3個板塊，一是以生物乙醇為代表的美巴板塊，領跑在前；二是突出環(huán)保和產(chǎn)品多元化的歐洲板塊，緊緊跟上；三是起步較晚的跟進板塊，有中國、日本、印度等國。在產(chǎn)品上，領跑的是生物乙醇，隨后是固體燃料、沼氣和生物柴油等。

依據(jù)原料來源不同、產(chǎn)品形態(tài)不同，生物能源可以劃分為不同類別。較為公認的劃分方式是2008年聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)根據(jù)利用效率和加工程度不同，將生物能源分為初級生物燃料(如木質(zhì)作物、木質(zhì)顆粒等天然未加工生物質(zhì)，用于日常生活和小型生產(chǎn)等，直接燃燒獲得能量)和高級生物燃料(如燃料乙醇、生物柴油、沼氣、發(fā)酵氫氣等加工后的生物能源)。

1.1 初級生物燃料

生物質(zhì)顆粒燃料是把樹皮、木屑和秸桿等，在加熱、高壓的條件下壓縮形成的顆粒狀成型物。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前生物質(zhì)顆粒燃料在發(fā)達國家已被大量生產(chǎn)和利用。目前國內(nèi)部分高校和科研機構已開展了生物質(zhì)顆粒成型技術的研究，已經(jīng)可以生產(chǎn)從秸稈粉碎加工到壓縮成型等各個環(huán)節(jié)的系列產(chǎn)品，生物煤目前也已經(jīng)有了一定范圍的應用[12]。

薪炭林作為生物質(zhì)顆粒燃料的主要來源，目前國際上對薪炭林的利用主要是將其轉(zhuǎn)化為電力、液體燃料和固化成型燃料等，在一定范圍內(nèi)減少和替代礦物燃料的使用，發(fā)展高效、清潔、低污染、低成本的生物氣化發(fā)電、液化等技術。國外生物發(fā)電能源主要樹種有柳樹(美國、英國、瑞典)、楊樹(瑞典)、按樹(丹麥、加拿大、澳大利亞)、美洲蘇合香、美國印第安納楓、一球懸鈴木與刺槐等[13]。我國對生物發(fā)電能源樹種的開發(fā)起步較遲，主要樹種有紫穗槐、刺槐、柳樹[14]。

1.2 高級生物燃料

高級生物燃料由于產(chǎn)生的能量更高，應用范圍更廣而成為現(xiàn)階段生物能源發(fā)展的主體。

1.2.1 燃料乙醇

燃料乙醇是目前世界上生產(chǎn)和使用最普遍的生物燃料。2010年全球燃料乙醇的生產(chǎn)占全部生物燃料累積投資的54%，其中主要集中于美國和巴西(甘蔗乙醇)。乙醇混合燃料可以改進發(fā)動機的燃燒效果，減少一氧化碳、二氧化硫、未燃碳氫化合物和煙塵等致癌物質(zhì)的排放。因而，已經(jīng)有越來越多的國家明令要求在汽油中添加一定量(10%～15%)乙醇作為運輸燃料，以緩解石油消費壓力，同時減少大氣污染物的釋放。我國部分地區(qū)石油中強制添加乙醇，亦是為節(jié)能減排。

燃料乙醇是指以玉米、小麥、薯類、高粱、甘蔗、甜菜等糧食作物和非糧食作物為原料，經(jīng)過發(fā)酵、蒸餾制得乙醇，脫水后再添加變性劑，成為專門用于燃料的乙醇。燃料乙醇使用有兩種方法，一是以乙醇為汽油的“含氧添加劑”，通常這種無鉛汽油約含10%的乙醇，另一種方法是使用乙醇代替汽油，這方面的工藝也十分成熟。從技術路線看，燃料乙醇的生產(chǎn)技術大致分為六糖路線和五糖路線兩類。六糖路線原料主要為經(jīng)濟農(nóng)作物，分淀粉類作物和糖類作物；五糖路線原料為秸稈等纖維素，經(jīng)降解和發(fā)酵產(chǎn)生木糖，進而生產(chǎn)乙醇。國際上成熟的乙醇路線是六糖路線，但存在較為嚴重的原料供應瓶頸。纖維素(五糖)路線是燃料乙醇發(fā)展的最終路線，但目前缺乏高效五糖轉(zhuǎn)化菌種以及纖維素酶高效生產(chǎn)工程化技術。

乙醇生產(chǎn)原料根據(jù)其加工的難易，可分為以下3類：① 糖類，來自甘蔗、甜菜等；②淀粉，來自玉米、谷子等；③木質(zhì)纖維，來自秸稈、蔗渣等。表1分別列出了利用3種典型生物質(zhì)資源制取燃料酒精的背景問題、工藝對策及其優(yōu)缺點[15]。

表1 3種典型生物質(zhì)資源制取燃料酒精的背景問題及工藝特點

1.2.2 生物柴油

生物柴油是植物油或動物脂肪與某些醇類及氫氧化物催化劑經(jīng)過酯化作用而獲得的一種長鏈脂肪酸單烷基酯，是可代替石化柴油的再生性柴油燃料。從世界范圍看，最常用的原料有油菜籽，還有大豆、棕櫚、椰子、麻風樹[16]以及向日葵、各種麻類及藻類植物、動物脂肪。生物柴油可以和礦物柴油混合使用，甚至不經(jīng)混合也可直接用于任何未經(jīng)改造的壓燃式發(fā)動機。生物柴油中較高的氧含量有助于充分燃燒，且含硫量低，大大降低了環(huán)境污染物的排放。

生物柴油是歐盟國家發(fā)展的重點，主要利用油菜籽生產(chǎn)生物柴油，瑞典已建成相當成熟的熱電聯(lián)產(chǎn)技術和商業(yè)化運行系統(tǒng)，德國生物能源的發(fā)展處于世界前列，生物能源占一次性能源消費的2.3%，占可再生能源市場60%以上，它可以直接在柴油機上使用(B100)或與柴油以任意比例混合使用(如B20)[17]。有研究表明：生物柴油循環(huán)和柴油循環(huán)的能量效率相近，分別是80.55%和83.28%。生物柴油循環(huán)的石化能效比大大提高，大約是柴油的4倍，這充分說明了生物柴油的可再生本質(zhì)。生物柴油循環(huán)中石化質(zhì)CO2排放降低了78.45%，使用生物柴油有利于減少溫室效應。使用生物柴油，柴油機排氣管有害物質(zhì)的排放大大降低，CO下降了46%，THC下降了37%，PM10下降了68%，但NOx比使用柴油時上升了8.89%。生物柴油大規(guī)模生產(chǎn)的挑戰(zhàn)性在于脂肪和油的來源有限，且原料成本占生物柴油成本的60%～70%。

近年來雖然我國在燃料油能源樹種分布、選擇、培育及其加工利用等方面進行了一些研究工作，但總的來看目前在能源植物開發(fā)方面的研究還較少，對我國油脂植物資源種類、分布缺乏足夠的了解，特別是對油脂植物的含油率及含油品質(zhì)認識不足，對能源植物良種篩選和高效培育技術研究較少，導致了目前在生物能源樹種開發(fā)中存在較大盲目性，在油脂植物利用上存在單一性，極大地限制了生物能源樹種的開發(fā)規(guī)模。我國生物能源樹種主要有黃連木、油楠樹、油桐(海南)等。

1.2.3 沼氣

一些國家或地區(qū)生物能源原料基于城市和工業(yè)廢料，并可為環(huán)境可持續(xù)發(fā)展做出巨大貢獻。如包括用農(nóng)業(yè)和食品加工廢料厭氧產(chǎn)生沼氣，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置(CHP)燃燒產(chǎn)能，系統(tǒng)產(chǎn)生的固體廢渣則作為有機混合肥料出售，形成循環(huán)經(jīng)濟；或直接通過工業(yè)木屑等生物質(zhì)氣化，為城市居民供熱、供電，形成“零污染”的生物能源體系。

1.2.4 生物制氫

氫是重要的工業(yè)原料，也是最理想的未來能源，其中氫燃料電池被世界公認為是今后燃料電池的主導。世界對氫的需求較大，僅1998年全世界就建造了近20座制氫廠。當前主要從化石燃料、生物質(zhì)和水來制備氫，其中約有90%的氫來源于天然氣反應或者輕油組分的蒸氣重整法。碳的氣化和水的電解是工業(yè)制氫的另一主要方法，但都需消耗大量能量，還會對環(huán)境造成污染。然而，生物制氫過程可以在常溫常壓下進行，且不需要消耗很多能量。生物制氫過程不僅對環(huán)境友好，而且開辟了一條利用可再生資源的新道路。對于生物制氫，氫氣的純化與儲存是一個很關鍵的問題[18]。

生物制氫是利用生物質(zhì)通過微生物發(fā)酵而獲得氫氣。生物制氫包括生物質(zhì)氣化制氫和微生物發(fā)酵制氫2種。利用生物質(zhì)如秸稈等裂解氣化制備氫氣是一種非常有前景的氫氣生產(chǎn)方法，目前國外已完成中試；微生物發(fā)酵制氫是另一種有前景的氫氣制備方法。目前我國科學家已獲得了能高效產(chǎn)氫的微生物，可以小規(guī)模地進行生物制氫。

目前生物制氫過程主要有利用藻類或者青藍菌的生物光解水法；有機化合物的光合細菌(PSB)光分解法；有機化合物的發(fā)酵制氫；光合細菌和發(fā)酵細菌的耦合法和酶法制氫。

2 我國生物能源的現(xiàn)狀及問題

2.1 糧食及能源安全問題

能源安全是國家戰(zhàn)略安全保障基礎之一，我國的能源問題相當嚴重，每年原油進口量非常大。以石油為原料的液體燃料燃燒造成大量的污染物，如美國經(jīng)過多年的統(tǒng)計，空氣中主要污染物如CO2和顆粒懸浮物的約70%來自各種燃料燃燒的排放物，硫化物等污染物主要是來自于燃料燃燒。有限儲量的化石燃料的減少、能源需求的不斷增長以及化石燃料燃燒造成的環(huán)境污染和溫室效應，使21世紀的能源面臨巨大挑戰(zhàn)。生物能源雖然可減排減污，但并非所有形式的生物能源都會對溫室氣體平衡產(chǎn)生積極影響。

在國家禁止以糧食為原料生產(chǎn)生物能源的背景下，我國生物能源研究轉(zhuǎn)向非糧原料和邊際土地的利用上[19]。研究表明，我國非糧生物資源豐富，只要合理開發(fā)和利用，不但不會威脅糧食安全，反而能保障糧食生產(chǎn)，同時，利用我國廣闊的邊際土地規(guī)劃種植能源作物，以解決糧食原料的不足。此外，隨著科學技術的發(fā)展，利用海洋藻類生產(chǎn)生物柴油，用人工細菌或胚胎微生物生產(chǎn)類似于汽油和柴油的能源替代品等技術趨于成熟，生物能源產(chǎn)業(yè)可以逐漸擺脫對農(nóng)田的依賴，解決與糧食爭地的沖突。

2.2 產(chǎn)業(yè)鏈成本與轉(zhuǎn)換效率問題

我國生物能源由于起步較晚，生物煉制總體技術落后于美國、巴西等先進國家，且目前產(chǎn)業(yè)化、商品化規(guī)模小[20]，這對于生物煉制產(chǎn)品的經(jīng)濟和環(huán)境競爭力有很大影響。這一點突出體現(xiàn)在產(chǎn)品生產(chǎn)效率相關指標上，如能耗、水耗等。纖維素熱值偏低，資源分散和運輸貯藏成本偏高。受綜合原料、技術等因素影響，以生物燃料為代表的生物煉制企業(yè)普遍存在產(chǎn)品成本較高的問題[21]。

生物能源所需原材料的來源和質(zhì)量也受到一定的限制。首先，原料制約生物能源發(fā)展的一個典型案例就是我國的生物柴油。目前，發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)的主要障礙是生產(chǎn)成本高，大約為石化柴油的1.5倍。以油菜籽為原料的生物柴油，其成本70%～95%是原料費用。因此，是否擁有充足、低值和高品質(zhì)的原料來源是發(fā)展生物燃料產(chǎn)業(yè)的前提。大部分非糧作物的種植主要需要利用各類邊際土地，種植地域分布上相對于糧食更加分散，并且都有一定地域局限性，例如木薯只適合廣東、廣西和海南等地區(qū)種植，這就增加了原料收集運輸?shù)睦щy，也極大地限制了生產(chǎn)企業(yè)的選址。

第二就是原料質(zhì)量，生物能源所需的原材料質(zhì)量成為產(chǎn)業(yè)化盈利的關鍵因素。原材料質(zhì)量主要反映了生物質(zhì)中纖維素的晶體特性和木質(zhì)素固定連結(jié)特征，其決定了木質(zhì)纖維素降解轉(zhuǎn)化為生物燃料的成本、轉(zhuǎn)化效率和二次污染。沒有足夠數(shù)量和優(yōu)良品質(zhì)的生物質(zhì)原材料作保證，木質(zhì)纖維素燃料產(chǎn)業(yè)將難于贏利和大規(guī)?；a(chǎn)。

2.3 環(huán)境影響

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的三廢處理會大量消耗淡水資源，在生產(chǎn)過程中的洗滌、蒸餾、冷卻等環(huán)節(jié)也需要消耗大量水資源。土壤與水資源的質(zhì)量也會受到生物燃料生產(chǎn)的影響，但只要經(jīng)營得當，甚至有可能改良土壤理化性質(zhì)，朝著好的方面發(fā)展。同時，占林為田導致生物多樣性下降也是眾多學者研究的方向[22]。我國在十八大以來，建設生態(tài)文明體制日漸完善，對林地的占用將逐漸減少。

3 發(fā)展生物能源的思考及對策

3.1 相關配套政策扶持

研究預測，在美國中西部地區(qū)20%的邊際土地上，因經(jīng)濟和政策等激勵因素，擴張種植生物能源作物(玉米和大豆)將導致鳥類的豐富度減少7%～65%。所以如何謹慎關注、合理引導顯得尤為重要。發(fā)展生物能源將涉及多個領域(農(nóng)業(yè)、化工、生物、環(huán)境、能源)、多個部門(如經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)、能源、財政、環(huán)保等)，因此有必要在相關行政部門設立專門機構來促進、指導和調(diào)控我國生物能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，國家多個部門也應加大專項經(jīng)費，大力資助生物能源整個產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)和配套工程。

3.2 完善國際貿(mào)易準則，實現(xiàn)互利共贏

如果有完善的國際貿(mào)易體制，則能源產(chǎn)品的流通可同時為出口國和進口國建立互惠關系，一方面出口國可以借此增加額外收入并增加就業(yè)機會，另一方面進口國又可實現(xiàn)溫室氣體減排和復合燃料多樣化。由此可見，國際貿(mào)易準則對于全球生物燃料發(fā)展至關重要[23-25]。

3.3 提高生物能源質(zhì)量

提高生物能源質(zhì)量主要從以下兩個方面展開，一是能源作物與能源植物的培育與種植，二是能源作物生物質(zhì)相關降解轉(zhuǎn)化技術的創(chuàng)新與優(yōu)化。選育能源作物和能源植物可以從源頭或本質(zhì)上解決生物能源原料質(zhì)和量的問題，能源作物選育是開展大規(guī)模生物燃料生產(chǎn)的前提條件，生物資源的多樣性和木質(zhì)纖維素高效降解的(品質(zhì))核心技術是關鍵要素。針對不同能源作物木質(zhì)纖維素結(jié)構與組成的特點，設計出低成本、高效率和少二次污染的方法與途徑，并對殘余生物質(zhì)再利用，以提高其綜合利用價值。

3.4 生物煉制與石油煉制一體化

由于生物煉制與石油煉制的相似性，如果將生物煉制企業(yè)與大型石化企業(yè)的生產(chǎn)過程結(jié)合起來，對公用工程、副產(chǎn)品綜合利用及控制管理流程進行優(yōu)化配置，可產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。大型生物煉制企業(yè)的規(guī)劃和建設涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等多方面，在項目規(guī)劃和建設時，應積極鼓勵考慮當?shù)匾延械氖髽I(yè)基礎，在相關技術條件滿足要求時，兩類企業(yè)建設可以相互結(jié)合，采取一體化設計、建設、生產(chǎn)。對于生物煉制企業(yè)，這在一定程度上可以實現(xiàn)建設和生產(chǎn)成本最小化，同時實現(xiàn)原料利用效率、土地利用效率和產(chǎn)品價值最大化，同時也可減輕國家對生物煉制企業(yè)的補貼壓力。依托大型石油化工項目建設生物煉制項目，將兩者進行一體化優(yōu)化，可以使建設成本和運行成本更低，資源利用更加合理，物流運輸更加便捷，不但能夠直接創(chuàng)造經(jīng)濟和環(huán)境效益，而且能夠緩解生物煉制所面臨的諸多困難，有助于產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展，是促進我國生物能源發(fā)展的有效對策之一，對我國能源、化工等行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3.5 堅持可持續(xù)發(fā)展

實行清潔生產(chǎn)，實現(xiàn)綜合利用、循環(huán)利用、盡量減少排放和能耗[26-27]；將能源開發(fā)與廢物處理結(jié)合起來，如在生物制氫中可以優(yōu)先考慮以城市垃圾和工業(yè)廢水為原料；在整體、協(xié)調(diào)、再生、循環(huán)的前提下合理建設以生物能源為紐帶的生態(tài)產(chǎn)業(yè)園，如沼氣工程等。

在綜合利用時，除考慮近期重點發(fā)展生物燃料外，也應規(guī)劃中期和長遠發(fā)展，便于在未來增加產(chǎn)品種類，擴大生產(chǎn)規(guī)模。這就需要在當前產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、項目和企業(yè)配套設施建設等問題上做到遠近兼顧，綜合考慮。同時，注重人才培養(yǎng)與關鍵技術攻堅，建設國家級、區(qū)域性研究開發(fā)平臺，建成中國可持續(xù)能源體系，總量上基本滿足中國經(jīng)濟社會發(fā)展的能源需求，結(jié)構上對化石能源的依賴度降低到60%以下，可再生能源成為主導能源之一。生物能、太陽能、水能等可再生能源技術實現(xiàn)規(guī)?；蜕虡I(yè)化應用，力爭突破核聚變能技術。

4 結(jié)束語

全球性能源安全問題給生物能源及可再生能源提供了良好的發(fā)展時機。生物能源可以緩解環(huán)境壓力及對石油能源的迫切需求，同時是農(nóng)業(yè)農(nóng)村朝陽產(chǎn)業(yè)。發(fā)展生物能源，要依托農(nóng)村、農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)工程協(xié)同發(fā)展，推動生物能源產(chǎn)業(yè)健康、有序、穩(wěn)步發(fā)展。