中國生物質(zhì)能發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用探究

解云翔

(利茲大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，英國西約克郡 LS29JT)

中國目前面臨兩大嚴峻的能源挑戰(zhàn)：一是能源需求提高和價格上漲，對進口能源的依賴性日益提升，以煤炭為基礎(chǔ)的能源供應(yīng)方式亟需改變; 二是農(nóng)村能源安全，城鄉(xiāng)不平等以及黑碳與溫室氣體排放問題。作為世界上最大的碳排放國，政府正積極尋找降低化石能源消耗的方式以應(yīng)對環(huán)境危機。根據(jù)《巴黎協(xié)定》[1]設(shè)定的“將全球平均氣溫升幅控制在比工業(yè)化前水平高出2℃ 以內(nèi)”的長期氣候目標，國際社會把發(fā)展重心放在各種負排放技術(shù)，以求在本世紀中葉實現(xiàn)近零甚至凈負排放。然而，根據(jù)國際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)[2]，中國未來對化石燃料的需求將繼續(xù)增加，到 2040年，中國的人均能源消耗量將超過歐盟，進而導(dǎo)致一系列與氣候變化和生物多樣性相關(guān)的環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險。對此，政府于2020年9月宣布了一項雄心勃勃的計劃，從2021年減少碳排放并于2060年實現(xiàn)碳中和，從而提高人們的生活質(zhì)量和福祉，并促進國家發(fā)展。

具有碳捕捉和儲存性能的生物能源已成為煤炭、石油和天然氣之后的世界第四大能源，2016年約占全球可再生能源供應(yīng)的70%，成為各國替代化石燃料的重要替代品。生物能源可以被用作家庭燃料，也可提供電網(wǎng)電力、熱能和液體生物燃料。生物質(zhì)是提供生物能源的原料，它是一種從農(nóng)業(yè)或森林廢物中提取的天然材料、有機廢物、動物尸體、農(nóng)家肥和城市垃圾等(見圖1)。由于中國的生物質(zhì)儲量豐富，政府與從業(yè)者也因此嘗試研究利用生物質(zhì)資源發(fā)電、供暖，并在近幾十年不斷取得進展。

圖1 生物質(zhì)的四種來源

1 中國生物質(zhì)資源及潛力評估

消費是促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動力，而居住在中國60%以上人口的農(nóng)村地區(qū)是中國生物能源消費的主要部分，他們通過燃燒農(nóng)作物秸稈來做飯和取暖。為了鼓勵生物質(zhì)發(fā)電，中國國家發(fā)展與改革委員會(發(fā)改委)制定了多項鼓勵政策用于支持生物能源的發(fā)展，并于2006年設(shè)置了高額補貼。然而，由于生物質(zhì)生產(chǎn)的分散、小規(guī)模和季節(jié)性的特點讓生物質(zhì)發(fā)電廠的原料成本高于預(yù)估。因此，市場壟斷現(xiàn)象在2000年初期時有發(fā)生，那時中國的生物質(zhì)發(fā)電廠投資并沒有成本效益。但是，在2004-2006年，中國擁有大約1.3億公頃的農(nóng)田，每年產(chǎn)生超過6億噸的農(nóng)作物殘留物[3]。因此，如果以高效并且低成本方式(例如用較小規(guī)模的發(fā)電機組或加入其他材料與生物質(zhì)混合燃燒)對這些農(nóng)業(yè)殘留物加以利用，他們每年生產(chǎn)出來的能量將會帶來巨大效益。政府認識到了這一點并尋求解決方案，2007年，國家發(fā)改委在中國可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃中提出：增加生物質(zhì)利用，并計劃于2020年達到有機垃圾發(fā)電機容量700萬千瓦。因此，從2006年至今，生物能源技術(shù)發(fā)展的同時，從業(yè)者們也對中國生物能源潛力進行大量的批判性評估。

一項全面評估了位于中國邊緣土地的非食品能源植物的生物能源潛力的研究結(jié)果[4]表明，中國適合能源植物生長的邊際土地總面積達13 034萬公頃。這項2011年的研究給中國生物能源的發(fā)展注入了強大的信心與客觀動力，因為僅僅將這片土地的三十分之一用于種植能源植物，生物燃料的產(chǎn)量就將到達1 339萬噸(國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃預(yù)計到2020年非食用植物開發(fā)生物燃料1 200萬噸)。這對中國具有重要意義，它對種植后將提高邊際土地利用率(邊際土地占中國總土地面積的12.9%)和生物多樣性的預(yù)測提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。同年，另一項研究分析了在中國用芒草這種擁有強大根莖和根系的植物用于二代能源作物的可行性。研究結(jié)果是積極的，因為約14種芒草類植物中有7種原產(chǎn)于中國，物種豐富度高。因此，把這兩項同年的研究結(jié)合起來，在邊際地區(qū)種植芒草將是一項明智且值得選擇的政策。隨著時間推移，2017年的一項研究[5]分析了對土地退化與荒漠化嚴重的黃土高原(邊際土地)實施種植生物能源原料政策的可行性，分析結(jié)果顯示這將有效緩解土壤流失。更重要的是，在黃土高原種植高生物量產(chǎn)量的植物具有增加森林覆蓋率、擴大農(nóng)田、固碳和創(chuàng)造可持續(xù)的植被恢復(fù)系統(tǒng)等益處，同時還會為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來更高經(jīng)濟回報?？梢?，僅僅是關(guān)于邊際土地的利用就顯示出了中國進行生物質(zhì)能源原料單獨種植的巨大潛力。

作為農(nóng)業(yè)大國，中國有大量農(nóng)業(yè)殘留物資源(見圖2)。以農(nóng)作物秸稈為首農(nóng)業(yè)殘留物是生產(chǎn)生物能源最主要的原材料之一，因為他們易于收集且成本較低。有從業(yè)者于2020年[6]建立了一個評估繼續(xù)秸稈的能源利用技術(shù)的綜合模型，計算了生態(tài)秸稈還田量，可利用秸稈資源分布與密度，平均最大經(jīng)濟收益半徑和可用殘留物的潛在數(shù)量。評估模型以數(shù)據(jù)直觀展現(xiàn)出了在環(huán)境和成本約束下的中國秸稈資源潛力，并顯示出黑龍江與內(nèi)蒙古不適宜規(guī)劃實施秸稈能源項目，但中西部地區(qū)非常適宜。因此，從技術(shù)與成本和秸稈資源量的角度看，中國有繼續(xù)發(fā)展生物能源的潛力，未來能源供應(yīng)中生物能源的占比將繼續(xù)提升。2020年，有研究人員以中國為例，基于地理信息系統(tǒng)評估了農(nóng)業(yè)廢棄物用于生物能源的可持續(xù)潛力，結(jié)果證實了各省份農(nóng)業(yè)殘留物的潛力巨大，最大為每年27.8 TWH。即使應(yīng)用的方法與研究渠道不同，但這些隨著時間進展的越來越具有突破性的研究都表明了中國發(fā)展生物能源的巨大潛力。因此，中國政府應(yīng)加大投資并更多關(guān)注生物質(zhì)能這一清潔能源，它帶來的益處也遠不止為電地?zé)崽峁┣鍧嶋娫?，降低碳排放，這是一項重要的戰(zhàn)略選擇。

圖2 生物質(zhì)能的幾種原料：秸稈，葵花籽，廢棄木料等

2 生物能源的益處與中國生物能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

2015至2017年間[7]，24個國家的137名專家聯(lián)合分析了與生物能源生產(chǎn)和可持續(xù)性相關(guān)的一系列問題，專家一致認為生物能源對緩解氣候變化具有顯著作用。生物質(zhì)發(fā)電也會產(chǎn)生溫室氣體排放，但比化石燃料少。一項調(diào)查選取印度北方邦進行了生物質(zhì)能與不可再生能源的溫室氣體排放對比與評估，其結(jié)果再次證實了生物質(zhì)能顯著減少二氧化碳等溫室氣體排放的事實。因此，在生物質(zhì)能發(fā)電這種循環(huán)經(jīng)濟中，緩解氣候變化的作用會很大程度增強政府投資的信心，這也是生物質(zhì)能的最大優(yōu)勢之一。同時，生物質(zhì)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)所需要建設(shè)的工廠與設(shè)備的造價與經(jīng)濟成本低，擁有低投入高回報的屬性。在種植生物質(zhì)源材料的地區(qū)，當(dāng)?shù)氐耐寥蕾|(zhì)量，水質(zhì)和數(shù)量，生物多樣性，空氣質(zhì)量和生產(chǎn)力均有所提升，這是生物能源產(chǎn)業(yè)帶來的巨大環(huán)境優(yōu)勢。因此，從業(yè)者與政府甚至不需要再為分析生物質(zhì)能的優(yōu)勢而花費時間，現(xiàn)有的資料與調(diào)研結(jié)果已經(jīng)證實了它的諸多益處。

進行利益相關(guān)者分析時，一項研究[8]試探性地探索了中國農(nóng)民對發(fā)展森林生物能源的看法：來自8個省份的573戶家庭的受訪者中，33%的人愿意使用生物能源并參與到基地建設(shè)中。因為位于生物能源基地周圍的當(dāng)?shù)剞r(nóng)民是真正的參與者和利益相關(guān)者，所以他們對于這項復(fù)雜的過程的認知和支持度非常重要。在英國，多位研究人員認為，有必要詳細了解農(nóng)民的觀念，從而提前他們經(jīng)營森林和落實相關(guān)政策的積極性并得到公眾支持。因此，提高農(nóng)民的接受程度將是從業(yè)者研究的重點任務(wù)，廣泛的互動交流，公眾參與和集體學(xué)習(xí)是合適的途徑。另一項非常相關(guān)的利益相關(guān)者分析是關(guān)于電力消費者的，他們對于生物質(zhì)電力的接受度和支付意愿是推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動力。2018年的一項關(guān)于中國公眾對生物質(zhì)發(fā)電偏好的分析表明，消費者對于生物質(zhì)電力的接受度與他們的學(xué)歷呈正相關(guān)，學(xué)歷越高則接受度越高。該研究還發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)受訪的消費者因生物質(zhì)發(fā)電能減少霧霾而展示出強烈的支付意愿?？梢钥闯觯嫦嚓P(guān)者會因為某項技術(shù)對于生態(tài)有利而樂于接受，總的來說，中國的利益相關(guān)者普遍接受生物能源的發(fā)展。

當(dāng)前，生物質(zhì)能在中國的發(fā)展現(xiàn)狀呈持續(xù)向好趨勢，在政府政策和財政激勵措施下達后，中國正從以作物為基礎(chǔ)的生物能源向非以作物為基礎(chǔ)過渡。但是，中國的生物質(zhì)發(fā)電起步較晚且占比較小，政府于2003年才陸續(xù)批準了有關(guān)秸稈發(fā)電的項目，相比于世界上從1970年就開始起源，中國還需要在該領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展。在2017年底，中國生物質(zhì)發(fā)電機容量已達14.76 GW。因此，政府的政策與資金支持已經(jīng)使中國的生物能源產(chǎn)業(yè)位居世界前列，但是還有大量潛力等待開發(fā)，未來發(fā)展仍前景光明。

3 生物能源和生物燃料的局限性

一些研究表明，在中國的農(nóng)村地區(qū)仍有許多人直接通過燃燒生物質(zhì)的方式做飯和取暖，這引發(fā)了許多關(guān)于生物質(zhì)能局限性和解決方案的討論。生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的劣勢包括融資渠道，核心技術(shù)，產(chǎn)業(yè)協(xié)同和過度競爭，并且如果處理不好，生物質(zhì)能的發(fā)展也會對環(huán)境產(chǎn)生負面影響。這是因為有些企業(yè)的技術(shù)可能會產(chǎn)生二次污染和污染物的轉(zhuǎn)化，進而產(chǎn)生風(fēng)險。對此的解決方法是對產(chǎn)業(yè)鏈進行全面的評估，從而避免泛美地區(qū)曾經(jīng)出現(xiàn)過的生物多樣性流失的教訓(xùn)。然而，從更深層次的視角看，生物質(zhì)發(fā)電與光伏和風(fēng)能發(fā)電不同，它需要勞動力來運輸秸稈等農(nóng)業(yè)殘留物。這直接導(dǎo)致了成本的管控問題，因為農(nóng)民是運輸生物質(zhì)的主要勞動力，但他們的運輸效率不高。據(jù)統(tǒng)計，秸稈收集成本占生物質(zhì)發(fā)電總成本的64%[2]。因此，一個值得思考的問題是如何保證農(nóng)民收入的情況下降低秸稈的運輸成本，同時保證企業(yè)的利潤。

另一個風(fēng)險是關(guān)于使用生物質(zhì)燃燒進行烹飪的人的健康問題。中國縱向健康長壽調(diào)查組織對65歲以上且使用生物質(zhì)燃料的老年人進行健康狀況的檢查，內(nèi)容包括注意力、語言、記憶力、視覺和心里狀態(tài)等三十個項目，調(diào)查結(jié)果顯示生物質(zhì)燃料直接燃燒會增加老年人認知障礙的風(fēng)險[9]。對此，可能的解釋是生物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的氣體對人體造成了一定的損害，通風(fēng)設(shè)備不佳也是可能的原因。同年的另一項研究對中國南方農(nóng)村接觸生物質(zhì)燃料的女性進行了代謝與身體機能的檢查，結(jié)果顯示她們患高血壓的概率更高。很大一部分原因是她們家中的通風(fēng)性過差，導(dǎo)致燃燒后的氣體堆積從而造成了家庭空氣污染(家庭空氣污染影響全球30億人，已導(dǎo)致250萬人死亡)。因此，提高家庭通風(fēng)性能和改變農(nóng)村直接燃燒生物質(zhì)做到與取暖的傳統(tǒng)是適合的解決方案。

對于生物質(zhì)能發(fā)電，供應(yīng)鏈風(fēng)險是非常相關(guān)且值得注意的，因為供應(yīng)鏈的運行不流暢，近年來中國不少生物質(zhì)發(fā)電廠商都是微利或虧損狀態(tài)。與太陽能和風(fēng)能發(fā)電相比，生物質(zhì)能的供應(yīng)鏈復(fù)雜很多，包括種植、收獲、運輸、聚合、儲存和轉(zhuǎn)化生物質(zhì)等多個過程，并且它是一種生物活性物質(zhì)，不同于生物惰性的化石燃料[10]。在這種復(fù)雜的供應(yīng)鏈中，還夾雜著許多供應(yīng)商與服務(wù)商，中間的差價給生物質(zhì)電廠帶來了巨大的財政壓力。因此，政府在出臺各項激勵政策的同時，還應(yīng)對相關(guān)企業(yè)進行資金扶持與供應(yīng)鏈調(diào)配，這樣才能從根本上解決生物能源發(fā)展的障礙，幫助企業(yè)走出困境。

4 中國生物能源和生物燃料的未來發(fā)展

在建設(shè)更具可持續(xù)性的城市道路中，清潔能源的利用是無法繞開的話題，這也側(cè)面證實了作為最主要能源之一的生物質(zhì)能未來將繼續(xù)發(fā)展。本文之前的部分已經(jīng)分析過生物質(zhì)能從2006年至今的實質(zhì)性發(fā)展，因此本部分將從中國1998年開始對生物質(zhì)能的展望開始分析，進而試探性判斷它的未來發(fā)展方向。1998年中國現(xiàn)有的利用生物質(zhì)能技術(shù)有直接燃燒、生物轉(zhuǎn)化、機械轉(zhuǎn)化和水解，共四種，并且從業(yè)者提出了改進爐灶與沼氣技術(shù)，生物質(zhì)氣化與生物質(zhì)壓塊的展望。這四項展望于2006年前已經(jīng)全部做到，因為當(dāng)時的生物質(zhì)能公司雖然設(shè)備老舊效率低，但生物質(zhì)氣化與壓塊已完全具備能力與條件。在經(jīng)歷的十多年的發(fā)展后，從業(yè)者于2010年提出了新的愿景：新的生物能源工廠應(yīng)高度適應(yīng)當(dāng)?shù)赝恋夭⑶也黄茐沫h(huán)境，增加候選生物質(zhì)植物種類并進行量產(chǎn)，發(fā)展更現(xiàn)代化的設(shè)備，增強荒地與沙漠的利用，特定場所應(yīng)用特定植物[11]。至此，由于國家下達的各種政策并提供部分資金支持，整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅速，相關(guān)企業(yè)數(shù)量翻倍，并且出現(xiàn)了更多關(guān)于生物質(zhì)能發(fā)電的生命周期評估框架。雖然仍處于起步階段，但已經(jīng)出現(xiàn)五種不同的生物質(zhì)直燃系統(tǒng)，與常規(guī)燃料共燃的混合系統(tǒng)也已普遍存在。在2020年，中國生物質(zhì)氣化和生物液體燃料的產(chǎn)生已經(jīng)形成規(guī)模，并成為世界第二大生物質(zhì)能生產(chǎn)國，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)與世界最高水平接近，但仍存在大量發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3 生物質(zhì)能提供的積極碳循環(huán)

歐盟于2018年提出了雄心勃勃的發(fā)展目標：在2030年與2050年期間不斷擴大生物能源在所有能源消耗中的占比，探索剩余的土地可用性，提高生物能源作物的產(chǎn)量并提高比率。關(guān)于未來幾十年的預(yù)測，隨著工業(yè)化進程和全球人口的增加，生物質(zhì)作為最可靠的清潔能源之一，將繼續(xù)擴大其比重，世界各國的相關(guān)技術(shù)也將不斷發(fā)展。因為政府近年來制定各種相關(guān)政策，未來對于沙漠與邊緣土地的利用，技術(shù)的不斷提升，生物質(zhì)能在中國也因此將獲得更多關(guān)注，占更多能源比重。

生物能源已成為世界上最主要的化石燃料替代品之一，發(fā)展生物質(zhì)能可以把農(nóng)業(yè)廢棄物和城市垃圾有效利用起來去創(chuàng)造收益。更重要的是，它還能對國家內(nèi)的邊緣土地和荒漠進行利用，從而帶來有固定土壤，緩解水土流失等等有利于環(huán)境和生物多樣性的諸多益處。然而，生物質(zhì)能也有產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜從而導(dǎo)致企業(yè)成本過高，盈利困難等局限性。在中國農(nóng)村地區(qū)普遍存在的直接燃燒生物質(zhì)進行做飯與取暖的行為會對人的身體帶來一些傷害。但是，有良好的解決方案去應(yīng)對這些障礙，同時利益相關(guān)者們也對繼續(xù)發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)表示支持。因此，政府于從業(yè)者將繼續(xù)致力于發(fā)展生物質(zhì)能技術(shù)以應(yīng)對傳統(tǒng)化石能源的碳排放帶來的環(huán)境問題與氣候危機，利用好該技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?，從而為建設(shè)更具可持續(xù)性的城市做出貢獻。