生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及展望

1、第 21卷 第 12期 2005年 12月農(nóng) 業(yè) 工 程 學報T ransacti ons ofthe CSA E Vo l . 21N o. 12D ec . 2005 , 吳文良 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 , 北京 100094 :生物質(zhì)能是當前能源和生態(tài)環(huán)境領域研究的熱點 。 該文鑒于目前能源 、 生態(tài)環(huán)境狀況以及生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀 、 所 處的戰(zhàn)略地位 , 對當前生物質(zhì)能研究的四個熱點 :生物質(zhì)能開發(fā)利用潛力 、 生物質(zhì)能利用對生態(tài)環(huán)境影響 、 生物質(zhì)能開發(fā)利 用技術研究 、 生物質(zhì)能開發(fā)利用可行性分析及其發(fā)展前景進行了闡述 , 同時就發(fā)展生物質(zhì)能需要解決的問題作了簡要的分 析 ,

2、進而對生物質(zhì)能開發(fā)利用研究有個全面的科學的認識 。在能源需求 、 , 生物質(zhì)能在未 。:生物質(zhì)能 ; 生物質(zhì) ; 能源 ; 生態(tài)環(huán)境 ; 可持續(xù)發(fā)展:S 21; X 71 文獻標識碼 :A ( 1220012204 周中仁 , 吳文良 . :. Zhou p ro bi ass energy J . T ransacti ons of the CSA E , 2005, 21(12 :15. (in 收稿日期 :2005207225修訂日期 :2005211213基金項目 :國家 “ 十五” 科技攻關項目 (2002BA 516A 06作者簡介 :周中仁 (1980- , 男 , 安徽全椒人

3、, 博士生 , 主要從事生物 質(zhì)能與農(nóng)村農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究 。北京中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境 學院 , 100094。 Em ail :zhongrenzh 163. com通訊作者 :吳文良 (1961- , 男 , 教授 , 博士生導師 , 北京中國農(nóng)業(yè) 大學資源與環(huán)境學院 , 100094。 Em ail :w uw enl cau . edu . cn0引言能源是人類社會生存 、 國民經(jīng)濟發(fā)展的必備資源和 重要戰(zhàn)略物資 。 占目前世界一次能源供應 87. 7%1的 化石能源 , 因其不可再生性 、 稀缺性以及附帶產(chǎn)生的諸 多嚴重環(huán)境問題 , 已經(jīng)制約人類的可持續(xù)發(fā)展 。 世界能 源 委員會

4、在 1992年世界能源資源調(diào)查 報告 2中指 出 , 以目前的消費速度 , 全世界已探明的煤 、 石油和天然 氣儲量將分別在 262年 、 49和 57年后用完 。 不管該數(shù) 據(jù)是否精確 , 它至少說明了化石能源以目前的消費方式 將影響未來人類的發(fā)展 , 能源將成為未來人類社會發(fā)展 的瓶頸 。 此外 , 化石能源的大量使用也是大氣中 CO 2、 SO 2等溫室氣體和污染氣體濃度不斷提高的一個非常 重要原因 , 大氣中 CO 2濃度由 1958年的 315L L 上升到 2003年 376L L , 并呈逐年加劇趨勢 3。能源緊缺以及由其產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境惡化 , 使得當今 能源和環(huán)境科學研究的一個

5、重要領域是尋找新的替代 能源 。 在這些新能源中 , 由于核能 、 大型水電具有潛在的生態(tài)環(huán)境風險 4, 風能和地熱等具有區(qū)域性資源制約 , 大力發(fā)展受到限制和質(zhì)疑 , 而生物質(zhì)能卻以資源豐富 、 生態(tài)環(huán)境友好光彩奪目 。 生物質(zhì)能服務的對象主要是農(nóng) 村生產(chǎn) 、 生活用能 , 對于中國有著 7. 5億農(nóng)民的具體國 情以及生物質(zhì)資源豐富 、 農(nóng)村用能短缺 、 品位低的現(xiàn)實 , 大力發(fā)展生物質(zhì)能 , 直面 “三農(nóng)” 、 能源和環(huán)境三大主 題 5, 具有重要的戰(zhàn)略意義 。1生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀生物質(zhì)指任何形式 (除化石燃料及其衍生物 的有 機物質(zhì) , 包括農(nóng)林作物及其殘體 、 水生植物 、 人畜糞便 (

6、動物殘體 、 城市生活和工業(yè)有機廢棄物等 。 生物質(zhì)能 指利用具有能源價值的植物和有機廢棄物等生物質(zhì)作 為原料生產(chǎn)出各種形式的能源 。 全球生物質(zhì)資源豐富 , 每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)約 1700億 t , 其能量相當 于世界主要燃料貢獻的 10倍 , 而作為能源的利用量還 不到總量的 1%6, 開發(fā)潛力巨大 。 目前生物質(zhì)能是世 界第四大消費能源 , 位于石油 、 煤和天然氣三大常規(guī)能 源之后 , 占世界總能耗的 11%7。 鑒于發(fā)展水平 、 資源 稟賦等差異 , 不同國家和地區(qū)生物質(zhì)能消費在總能耗中 所占比例差別很大 :發(fā)達國家普遍在 3%左右 , 如美國 為 4%, 芬蘭 、 瑞典和奧

7、地利較高 , 分別為 18%、 16%和 13%8; 而整個發(fā)展中國家占有的比重較大為 33%, 在 非洲地區(qū)更高達 55%, 如蘇丹 , 生物質(zhì)能占國家總的能 量消費量的 87%9。中國生物質(zhì)資源豐富 , 目前生物質(zhì) 能消費占總能耗的 15%左右 。 據(jù)統(tǒng)計 , 2000年中國農(nóng)作 物秸稈產(chǎn)量約為 6. 9億 t , 每年秸稈直接田間焚燒達 23億 t ; 森林每年合理提供薪柴量約在 1. 5億 t 以 上 10; 畜牧業(yè)發(fā)展迅速 , 畜禽糞便年排放量達到 17. 3億t ; 城鎮(zhèn)生產(chǎn) 、生活廢棄物排放量也極其巨大 , 僅以城市 生活垃圾為例 , 年排放量達 1. 3億 t , 并以較快速度

8、增 長 ; 總的生物質(zhì)資源量大約相當于 6. 5億 t 標準煤 4。 經(jīng)過研究示范 , 1998年中國節(jié)能爐灶用戶達到 1. 85億 ; 戶用沼氣池為 688萬戶 , 此外還發(fā)展了 748座農(nóng)村大中 型沼氣池和 5萬座城市污水高效厭氧發(fā)酵工程 ; 200多 個秸稈氣化站等 ; 目前 , 生物質(zhì)能在中國利用量相當于 1. 76億 t 標準煤 4。2生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀生物質(zhì)能已成為能源和環(huán)境領域研究的新熱點 , 研21 究方向可以概括為 4點 :(1 生物質(zhì)能開發(fā)利用潛力 ; (2 生物質(zhì)能利用對生態(tài)環(huán)境影響 ; (3 生物質(zhì)能開發(fā)利 用技術研究 ; (4 生物質(zhì)能開發(fā)利用可行性分析及其發(fā) 展前景

9、。2. 1生物質(zhì)能開發(fā)利用潛力基于生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀研究 , 結合資源稟賦 、 生態(tài) 環(huán)境現(xiàn)狀和科技進步水平可以估算生物質(zhì)能的開發(fā)潛 力 。 目前大量的研究就是從整個能源角度探討生物質(zhì)能 的利用潛力 。 2050年全球生物質(zhì)能貢獻潛力的變幅在 100450EJ a 11, 12; 區(qū)域和國家尺度上的生物質(zhì)能潛 力也有大量研究 8, 13, 14:拉丁美洲 、 非洲和東南亞 , 2050年 分 別 為 64. 78、 43. 6和 23. 55EJ a , 歐 盟 為 26. 3 EJ a , 美國 、 英國和印度分別為 15. 89(2050年 、 2. 1和 0. 934. 56(2010年

10、EJ a , 等等 。會 、 經(jīng)濟 、 ,。 此外 , 明晰生物質(zhì)能發(fā) 展與制約因素之間的作用機制能幫助生物質(zhì)能潛力精 確計算 , 對未來能源戰(zhàn)略研究具有重要意義 。中國生物質(zhì)能開發(fā)潛力研究涉及到國家 、 區(qū)域和農(nóng) 戶不同層次以及不同發(fā)展階段的狀況 。 通過 中國農(nóng)村 地區(qū)能源形勢分析 15可以看出 , 隨著農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展 , 未來生物質(zhì)能供應將轉向高品位終端能源 , 傳統(tǒng)的直接 燃燒比例將逐漸降低 , 這已為歷史發(fā)展所證實 。 根據(jù)鄧 可蘊等 16的預測 , 在中國農(nóng)村地區(qū) , 到 2010年 、 2020年 和 2050年 , 生物質(zhì)能開發(fā)利用量占能源總量供應的比 例將分別為 18. 8%、

11、 17. 4%、 13. 8%, 雖然比例有所下 降 , 但生物質(zhì)能開發(fā)的總量則呈上升趨勢 , 分別達到 2. 39、 2. 74和 2. 88億 t 標準煤 , 其中運用現(xiàn)代技術開發(fā) 的生物質(zhì)能占總生物質(zhì)能利用量的比例分別為 41. 8%、 72. 4%和 95. 0%。 據(jù)測算 , 中國理論生物質(zhì)能資源為 50億 t 左右標準煤 , 是目前中國總能耗的 4倍左右 17; 根 據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃目標 , 到 2020年 , 可開發(fā)生物質(zhì) 資源量至少可達 15億 t 標準煤 18。2. 2生物質(zhì)能利用對生態(tài)環(huán)境的影響生物質(zhì)能研究的一個很重要出發(fā)點是減少溫室氣 體 CO 2釋放量 。從整個生命

12、周期來說 , 生物質(zhì)能對全球 C 貢獻基本上為 “ 0” ; 生物質(zhì)能利用對 C 貢獻來自所有 收集 、 運輸和預處理過程中化石燃料利用造成的 CO 2排放 。 生物質(zhì)能總體利用過程中相對于化石燃料 CO 2減排是顯著的 , 采用高效合理的利用方式 , CO 2減排率 能達到 90%左右 。 生物質(zhì)能替代化石能是減少 CO 2排 放的有效措施之一 。其次 , 生物質(zhì)能對化石能源的替代能夠減少 SO 2, NO x 等污染物質(zhì)排放 。 不同生物質(zhì)燃燒的污染氣體排 放系數(shù)有大量研究報道 19, 20, 通過研究發(fā)現(xiàn) :提供相同 能量 , 煤的硫 、 氮氧化物排放量分別是秸稈的 7倍和 1. 15倍

13、 ; 用 1萬 t 秸稈替代煤炭能量 , 煙塵排放將減少 100t 。生物質(zhì)能發(fā)展的另外一個很重要方面是對生物多 樣性的影響 , 通常認為多年生的本地作物替代一年生農(nóng) 作物能夠保護生物多樣性 ; 相反如果用生產(chǎn)生物質(zhì)能的 作物替代自然覆蓋 , 比如森林和濕地 , 那么生態(tài)系統(tǒng)的 功能將削弱 , 生物多樣性將降低 21。 此外 , 生物質(zhì)能利 用對水土流失 、 土壤肥力變化和水污染等生態(tài)環(huán)境問題 都有重要影響 21, 22。生物質(zhì)能發(fā)展是 “大功大敗” 之舉 , 利用適當可以解 決能源 、 生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展難題 ; 反之 , 任其自由浪 費 、 閑置或過度開發(fā) , 將使得這些問題變得更加嚴峻

14、, 制 約人類可持續(xù)發(fā)展 。2. 3, 如日本 的 “陽光計劃” 、 美國的 “能源農(nóng)場” 、 印度的 “綠色能源工 程” 和巴西的 “酒精能源計劃” 等 5, 21, 23, 其它一些國家 如丹麥 、 荷蘭 、 德國 、 法國 、 芬蘭等也對生物質(zhì)能技術進 行了深入研究 , 擁有了具有自主知識產(chǎn)權的優(yōu)勢技術 。 中國對生物質(zhì)能技術的開發(fā)和利用也非常重視 , 自 20世紀 80年代以來 , 政府一直將生物質(zhì)能利用技術的研 究與應用列為重點科技攻關項目 , 現(xiàn)已涌現(xiàn)出一大批優(yōu) 秀科研成果和成功的應用范例 ; 目前 , “農(nóng)林生物質(zhì)工 程” 被國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃 (20052020 列為重大

15、專項 , 國家 863計劃也于近期決定啟動 “生物能源技術 開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化” 項目 。目前 , 國內(nèi)外已有的生物質(zhì)能利用技術歸納起來有 五種 , 即直接燃燒技術 、 熱化學轉換技術 、 生物轉換技 術 、 液化技術和有機垃圾處理技術 24。秸稈生物質(zhì)能利 用技術成熟 、 綜合效益高的方式主要有沼氣技術 、 氣化 技術 、 氣化發(fā)電和秸稈成型等 25; 木質(zhì)生物質(zhì)能利用技 術 , 目前主要圍繞氣化 、 液化和炭化進行 ; 對于人畜糞 便 、 城鎮(zhèn)廢水 、 工業(yè)和生活有機垃圾則通過以厭氧發(fā)酵 為核心技術的沼氣工程來制備能源 。 中國生物質(zhì)能利用 技術發(fā)展方向 , 一是沼氣利用技術 , 二是生物質(zhì)熱轉

16、化 技術 ; 發(fā)達國家生物質(zhì)能利用技術主要定位于把生物質(zhì) 轉化為電力和運輸或燃燒燃料 。2. 4生物質(zhì)能開發(fā)利用可行性分析及其發(fā)展情景 生物質(zhì)資源目前的開發(fā)規(guī)模還遠遠低于其開發(fā)潛 力 , 制約生物質(zhì)能的利用因素主要有 :經(jīng)濟性 、 技術性 、 品位差和室內(nèi)污染等 。 在農(nóng)村生活燃料供應中 , 傳統(tǒng)的 生物質(zhì)直接燃燒方式由于不衛(wèi)生 、 收集耗時等原因 , 其 所占比例逐漸下降 , 在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)已基本為化石燃料 所代替 ; 而通過生物質(zhì)能轉化技術獲得的優(yōu)質(zhì)能源生產(chǎn) 成本普遍過高 , 和化石能源產(chǎn)品競爭處于不利地位 , 因 而也很難為消費者接受 。生物質(zhì)能量密度低 , 分布不集中 , 長距離運輸具

17、有 不經(jīng)濟性 , 適合分散發(fā)展 , 以柳樹木屑為例 , 其產(chǎn)生的能 量與它用卡車運輸 250km 所耗能量相當 26。 科研人員 對規(guī)模在 5MW 左右的生物能生產(chǎn)模式非常關注 , 從 中長期來說 , 分散的 15MW 生物質(zhì)氣化和能量生產(chǎn) 31第 12期 周中仁等 :生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及展望 系統(tǒng)以及生物燃料 (如生物柴油 、 燃料乙醇等 生產(chǎn)將是 比較有前景的方向 4。 木質(zhì)生物質(zhì)是研究最多的一個領 域 , 在瑞典經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)查幾個處理方案 , 發(fā)現(xiàn)把木質(zhì)生 物質(zhì)提煉成顆粒燃料代替煤燃燒 , 除了長期大量減少 CO 2排放 , 同時在經(jīng)濟上也可行 27。生物質(zhì)氣化集中供 氣經(jīng)過成本分析具有競爭

18、力 , 并在山東等地運行良 好 28; 制備液體燃料技術也取得了很大成績 , 如巴西乙 醇燃料已占該國汽車燃料消費量的 50%以上 23。 生物 質(zhì)能技術的傳播受到障礙可能與他們外部發(fā)展的變化 更有關系 , 而不是其本身技術的表現(xiàn) 29。生物質(zhì)能開發(fā)必須克服兩個關鍵障礙 。 一是降低生 物質(zhì)能的成本 , 只有生物質(zhì)能產(chǎn)品的價格低于市場同類 型的化石能源價格 , 它才會被消費者接受 ; 其次 , 利用生 物質(zhì)能 , 特別是在發(fā)展能源作物 ,不利影響 ,來主要是技術 、面 6, 25。化石能源在逐漸稀缺過程中 , 它的機會成本將越來 越高 , 同時伴隨環(huán)境成本逐步內(nèi)部化趨勢 , 化石能源的 市場價

19、格會逐漸上升 ; 依靠科技進步 , 生物質(zhì)能開發(fā)成 本會逐漸降低 。 有研究顯示到 2050年發(fā)達國家生物質(zhì) 發(fā)電和液體燃料比常規(guī)能源具有更強競爭力 ; 在中國 , 20202050年生物質(zhì)能利用技術已經(jīng)成熟和完善 , 生 物質(zhì)能具備與化石能競爭的條件 , 各地建成許多中小型 生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng) , 形成分散的能源體系 30?？梢灶A見不 久的將來生物質(zhì)能將大展宏圖 。3生物質(zhì)能開發(fā)過程中需要解決的問題生物質(zhì)能盡管發(fā)展空間巨大 , 但是如果對其涉及的 問題認識不深刻 , 將影響生物質(zhì)能的發(fā)展步伐 。 在生物 質(zhì)能開發(fā)過程中需要解決的問題總結起來 , 可以概括為 以下幾方面 :技術開發(fā)力度 , 政策扶

20、持 、 法律保證 、 資金 支持 , 開發(fā)模式和可持續(xù)性評價 。3. 1技術開發(fā)力度生物質(zhì)能開發(fā)技術已有大量研究并取得了一系列 成果 , 但對于實現(xiàn)其市場競爭優(yōu)勢還遠遠不夠 。 技術進 步是生產(chǎn)效率提高的前提 , 是降低生物質(zhì)能成本和加強 市場競爭性的一項重要措施 , 因此要加大生物質(zhì)能技術 研究 。 由于生物質(zhì)存在種類復雜多樣 、 分布分散和能量 密度低等先天 “劣勢” , 在開發(fā)高品位能源時要比化石燃 料復雜 , 如污泥和工業(yè)廢水 , 除了采用燃燒技術和物化 轉化技術 , 還要采用生物轉化技術 , 因而需要對一些特 殊轉化技術進行深入研究 。3. 2政策扶持 、 法律保證和資金支持政策的支

21、持是事物良好發(fā)展的重要外部環(huán)境 。 生物 質(zhì)能作為目前能源領域的 “弱勢產(chǎn)業(yè)” 更需要政策的扶 持 。 歐盟 15國生物質(zhì)能的發(fā)展關鍵在于政策的保證上 。 生物質(zhì)能發(fā)展具有良好的生態(tài)環(huán)境效益 , 但這些都沒有 內(nèi)部化 , 造成了收益外泄 ; 而化石能源產(chǎn)生的環(huán)境成本 也沒有內(nèi)部化 , 結果影響了生物質(zhì)能的發(fā)展 。 國家需要 加大環(huán)境立法 , 使產(chǎn)品造成的生態(tài)環(huán)境效應轉化為貨 幣 , 體現(xiàn)到產(chǎn)品價格中去 。 此外 , 生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)作為新興 綠色產(chǎn)業(yè) , 需要大量資金投入 , 政府在信貸 、 融資等方面 都應該給生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造便利條件 , 甚至于政策傾 斜 。3. 3開發(fā)模式生物質(zhì)分布分散 ,

22、能量密度低 , 運輸 、 處理等成本 高 。 在能源開發(fā)時應采用多樣化利用模式 , 對于農(nóng)村地 區(qū)分散現(xiàn)象可以采用沼氣池 、 生物質(zhì)氣化集中供氣技 術 , 對于大型污水處理廠等可以采用大型沼氣工程等技 術 , ;, 、 不太成熟 、 效益 。 生物質(zhì)能 , 不同用 。3. 4可持續(xù)性評價生物質(zhì)能開發(fā)利用不當會產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境和社會問 題 。 以秸稈為例 , 當其大量離開農(nóng)田系統(tǒng) , 土壤肥力會逐 漸降低 , 土壤質(zhì)量會不斷退化 , 如果沒有其他有機物回 補 , 農(nóng)田將處于不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài) , 因而秸稈可離開農(nóng) 田量 , 或者秸稈離開農(nóng)田 , 社會經(jīng)濟系統(tǒng)如何回補農(nóng)田 系統(tǒng) , 這些過程機理都需要深

23、入研究 。 對于能源作物 , 不 同品種的耗水特性 、 生態(tài)適宜性以及與糧食安全的關系 等等這些生態(tài) 、 社會問題都需要進行深入細致研究 。 只 有這樣才能夠避免生物質(zhì)能開發(fā)過程中引發(fā)出其他生 態(tài)環(huán)境和社會問題 , 從而使生物質(zhì)能的開發(fā)處于一種可 4全球能源危機不斷出現(xiàn) , 以及化石能源大量使用產(chǎn) 生的生態(tài)環(huán)境問題 , 使得環(huán)境友好 、 資源豐富的生物質(zhì) 能成為能源和生態(tài)環(huán)境領域研究的重點 。 概括起來主要 是生物質(zhì)能開發(fā)利用潛力 、 生物質(zhì)能利用對生態(tài)環(huán)境影 響 、 生物質(zhì)能開發(fā)利用技術研究和生物質(zhì)能開發(fā)利用可 行性分析四個方面 。 生物質(zhì)能由于科學研究較遲 , 重視 、 投資力度不夠 ,

24、總體上使得目前生物質(zhì)能開發(fā)相對于化 石能源處于競爭不利地位 。 在生物質(zhì)能的開發(fā)過程中 , 應加大技術研發(fā) , 政策扶持 、 法律保證 、 資金支持 , 開發(fā) 模式和可持續(xù)評價等方面的研究 。 在能源 、 生態(tài)環(huán)境和 發(fā)展經(jīng)濟三大要素拉動下 , 生物質(zhì)能在不遠的將來一定 會走向能源的主流舞臺 , 為解決源短缺 、 生態(tài)環(huán)境惡化 和農(nóng)民增收等問題做出巨大貢獻 。參考文獻 1唐煉 . 世界能源供需現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 J . 國際石油經(jīng) 濟 , 2005, 11(3 :30-33.2林宗虎 . 論未來的中國能源 J . 自然雜志 , 2001, 23(3 : 125-130.3 大 氣 中 CO 2濃

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