niweidou的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/niweidou 倪维斗,清华大学教授,博士生导师,中国工程院院士。

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谈谈生物质能的利用及评价指标(一) 精选

已有 5325 次阅读 2009-12-28 13:01 |个人分类:未分类|系统分类:观点评述|关键词:可再生能源,生物质能| 可再生能源, 生物质能

目前,因化石能源的资源开发和应用所引起的环境问题越来越严重,使得可再生能源的发展越来越引起人们的注意,各国都投入大量的资金和科技资源进入可再生能源领域的研究与开发。与世界平均水平相比,我国人均资源更为贫乏、石油更为短缺、大量煤炭直接燃烧引发的环境问题更为严重,因而加大力度开发利用可再生能源是完全可以理解的,也是正确的。但因可再生能源的发展所涉及的方面比化石能源大得多,对人类和生态等多方面的影响尚不能十分清晰地预测,且对可再生能源,尤其是生物质能源的开发和利用将消耗大量的谷物或挤占其他经济作物的种植面积,而我国地少人多,粮食、食品供应体系薄弱,因而对可再生能源,尤其是生物质能源的发展一定要十分谨慎和理性,一定要结合中国国情科学地制定相关的发展规划和政策。

近几年来,世界燃料乙醇的生产快速增长,其产量从1985年到2005年20年间增长了3倍。2005年,全世界燃料乙醇的产量为3428万t,乙醇作为燃料占全世界汽油消费量的2%;生物柴油从1995年才发展起来,目前其年产量为226万t。

在美国,燃料乙醇快速发展的一个重要原因是世界谷物和油品价格比发生了变化。由表1可以看出,谷物价格相对于油价越来越低廉。以前,美国用粮食出口所得可以抵消石油进口的费用,但在2004年,美国粮食出口的收入只占石油进口费用的13%,为进口石油,美国花了1320亿美元,美国进口石油,出口粮食越来越吃亏。所以,用粮食做燃料以减少石油进口,在经济上是合算的,这是美国发展燃料乙醇的主要驱动力。2004年,美国生产燃料乙醇34亿加仑,占汽油总需求量的2%。

表1 谷物与石油价格的变化与比值

年份

谷物价格

(美元/蒲式耳)

石油价格

(美元/桶)

石油-谷物价格比

(蒲式耳/桶)

1950

1.89

1.71

1

1980

4.70

35.71

8

1990

3.09

22.99

7

1995

4.82

17.20

4

2000

3.10

28.20

9

2005

3.90

52.20

13

注:1蒲式耳(BU)=8加仑(gal)=35.24升(美制)。

目前,巴西年生产燃料乙醇达40亿加仑,可替代40%的汽油需求;巴西甘蔗的种植面积从2004年的530万公顷增至800万公顷,生产的甘蔗50%用于生产燃料乙醇。据说,巴西已与中国、日本商谈乙醇出口的问题。

欧洲在生物柴油方面走在世界前列,欧洲各国正大力推行以植物油为主要原料的生物柴油,但其原料大部分是进口的。

2004年德国生物柴油的产量是104万t,主要原料是油菜籽,可替代3%的柴油需求。德国准备在最近几年将生物柴油的年产量增加150%。

法国生物柴油的年产量为45万t,德、法按规划都准备在2010年用生物柴油替代5.75%的柴油需求。

美国生物柴油的年产量达89.3万t,其主要原料为大豆。

亚洲国家如印尼、马来西亚等国用棕榈果实生产生物柴油,出油率高。目前,欧洲正大量从这些国家收购棕榈油以生产生物柴油。

生物液体燃料应用的重要指标

1)全生命周期能量转换效率

全生命周期能量转换效率就是输入能量与作为燃料输出能量的比值,如:甘蔗榨出糖液以后,其渣可以用作燃料来加热和脱水,故把甘蔗作为整体来看,输入能量是1,输出能量是9;甜菜输入能量为1,输出能量为1.9;玉米就要差一些,若工艺先进,大抵是输入能量为1,输出能量为1.5,若工艺落后,其能量的输出与输入之比只有1.2或是更小,甚至会达到1:1。

与全生命周期能量转换系数相关的是全生命周期二氧化碳排放。这是一个非常重要的指标。譬如说用玉米做乙醇,就必须要把玉米从种植、运输、加工等环节所耗费的能量都考虑进去。如翻地、施肥(目前我国氮肥的主要原料是天然气和煤,是耗能产业)、收割、运输、加热、发酵、脱水等环节都需要外来能量的输入。在我国,一般是生产1 t乙醇需3.5 t玉米,在生产过程中需要0.6~0.8 t煤。我们用可再生能源的目的是开拓能源利用的新途径,使能源的来源多样化,同时考虑到作物在生长时从大气中吸收CO2,在随后作为燃料应用时放出CO2,一吸一放,似乎CO2的排放应该为零。但实际上,从生命周期考虑,有些生物燃料不仅没有增添新的能量,相应的CO2减排的能力也很小。所以,对任何可再生能源的作用必须从全生命周期的效率和排放来考虑,这样才能有一个客观的评价。

为了评价可再生能源中有多少份额是真正可再生或者是真正绿色的,特提出净可再生能源系数(或称之为绿色程度,简称为绿度)的概念,该系数的物理意义是:生物质加工后得到的能量有多大比例是真正可再生的。系数越低,表示可再生度越小,意味着这种可再生能源实际上对增加能源供应、减排CO2的贡献越小。

据某些专家研究,风力发电设备的制造与安装要耗费自身150天左右的发电量,考虑到其寿命为20年,则有较高的绿度。其他可再生能源,如光伏发电等,这个系数则要低得多。

2)
土地利用系数

土地利用系数是衡量土地的利用(单位输出所需土地的大小以及对土地质量的要求,如盐碱程度)和单位土地产出的一个标准,单位土地的产出对类似我国这样土地资源匮乏的国家十分重要。中国有多少土地可以用来生产有关植物以获得乙醇、生物柴油,这个问题必须深入研究。目前各种统计数据五花八门,相互之间差别很大,有些资料提出的所谓边际土地量非常大,实际上把已经退耕还林、退耕还草以及一些适宜种粮食但现在由于种种原因(如农民离家外出打工)弃耕的土地都算进去了,致使估计的可种植能源植物的土地面积偏大。
表2  多种植物的乙醇和生物柴油单位面积产出比较

产出品名称

植物名称

平均生产量

(升/公顷)

当量汽油

(升/公顷)

比例系数

(以甘蔗为1.0

乙醇

(热值是汽油的67%

甜菜(法国)

6703

4491

1.08

甘蔗(巴西)

6213

4162

1

木薯(尼日利亚)

3845

2576

0.62

甜高粱(印度)

3511

2352

0.565

玉米(美国)

3321

2225

0.535

小麦(德国)

2599

1741

0.418

生物柴油

(热值是柴油的90%

棕榈油

4709

4238

1

可可籽

2518

2206

0.452

油菜籽

958

862

0.2

花生

844

760

0.177

向日葵

768

691

0.16

大豆

524

472

0.11



对生物柴油来说,棕榈果实单位面积出油最多,其他作物相对要小得多。由于这个原因,东南亚及南美等地大量种植棕榈树,甚至不惜砍伐雨林作为代价,从而引起新的生态问题(如破坏了生物的多样性、影响CO2的吸收等)。我国从因地制宜的角度出发,应采取哪几种植物、在基因方面要做哪些研究、如何种植、如何示范等等都要进行扎扎实实的研究工作,当然,麻风树果实可以作为其中可选植物之一。

3)粮食安全(包括饲料)与生态评估

目前在世界上生产燃料乙醇和生物柴油的原料主要是玉米、甘蔗和棕榈,按当前的发展,即使在玉米、甘蔗和棕榈资源比较丰富的国家,也会出现不少社会和生态方面的问题,如:由于市场好,巴西大量种植甘蔗用于生产乙醇,致使亚马逊河雨林保护受到威胁,大片的森林被砍伐后减少了CO2汇,破坏了生态环境;美国大量用玉米生产乙醇,引起世界性粮食涨价;印尼、马来西亚大量种植棕榈树,引发了食品安全和生物多样性问题。已有报道:由于大量的棕榈油被用于生产生物柴油,导致棕榈油的价格上涨,当地居民不得不一定程度地割舍他们喜爱的油炸食品。

我国生产燃料乙醇和生物柴油的原料不可能以棕榈或甘蔗为主,必须要通过生物工程来培植耐旱、耐碱、单位面积出油率高的植物。

我国是人多地少的国家,土地资源较为匮乏,我国的农业耕地首先要保障十几亿人的吃饭问题,同时要考虑到粮食还要用作饲料等问题。我国是最大的猪肉消费国(约5000万t/年),每1kg猪肉要耗费3~5kg粮食,保证饲料供应也是我国食品安全的一个大问题。那么,我国若大量种植生产燃料乙醇和生物柴油的能源植物,是否会挤占农业耕地或多样性生物及森林的种植面积,引发粮食安全(包括饲料)或生态环境方面的问题?另外,由于我国土地比较分散,在种植生产燃料乙醇和生物柴油的能源植物时,以下2个方面的问题将十分突出且很难解决:大面积、低密度种植和集中大生产(即大量低能量能源植物的收集、运输和存储)的矛盾;连续的大生产和农作物成熟、收割季节性的矛盾。比如:甜高粱成熟收割以后,数星期内糖分将大量降低,其储存问题很难解决。以上问题是我国发展生物质能源时应综合考虑的问题。

我国的生态、自然条件要比美国、巴西、马来西亚差得多,发展生物质燃料一定要有一个度,以平衡各方面的影响。这个度是多少?需要深入研究和示范。

4水耗系数

按世界较先进水平,种植收获1 t干玉米需耗水350 t,种植收获1 t干小麦需耗水500 t(包括自然降水)。由于我国大多数采用漫灌方式,且灌渠漏水多,所以,种植收获1 t干小麦要耗水1000 t。也就是说,粮食是用大量的水换来的,若用粮食来生产液体燃料,则每吨生物替代燃料耗水极大。若1 t粮食耗水1000 t,意味着1 t当量汽油要耗水5000 t,这在我国是要慎重考虑的,因为我国水资源只有世界平均水平的1/4!

考虑到水资源的利用问题,目前,世界上把生物质利用的希望寄托在纤维素转化乙醇上,但该项技术远没有达到商业化程度,其中一样存在转换效率低、耗水量大和经济性差等问题。

节选自倪维斗《生物质能利用的现状、前景及应用指标》,全文发表于《电力技术经济》 2009年第2期。






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