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美国可再生能源发展现状与分析 精选

已有 7434 次阅读 2018-7-22 16:04 |个人分类:科研|系统分类:海外观察| 美国, 可再生能源, 现状

         2018年春节期间,有幸参加重庆市人力与社会保障局组织的优秀中青年新能源与智能汽车骨干人才赴美培训项目,在本次培训行程中,来自美国环境保护署(EPA: Environmental Protection Agency)Richard Ezike博士于2018年124讲解了美国在可再生能源汽车方面的管制以及条款。另外,活动组织方安排学员赴可再生燃料协会(RFA: Renewable Fuels Association)进行业务访问,与该协会会长Bob Dinneen进行了深入交流。通过学习和交流,谈一下对美国可再生能源方面的认识和理解,尤其是燃料乙醇的发展现状以及推广应用经验。对美国的可再生能源发展现状进行了初步了解,撰写了综述文章并发表于《西南汽车信息》,现在科学网转载:

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1. 美国发展可再生能源的动机

美国发展可再生能源的主要动机包括国家能源战略和环境保护两方面。

在能源安全方面,美国发展可再生能源已有几十年的时间,一直将其视为国家能源战略的重要组成部分,制定了有针对性的、积极的产业促进政策,使其成为保障国家能源安全、改善环境、促进农村发展、提供农民收入水平、调节粮食供需波动的主要手段。石油危机带来美国可再生能源的产业化。美国的可再生能源生产始于上世纪70年代末第二次石油危机时期。由于石油价格的不断上涨和对于他国石油的依赖,促使美国最终决心发展可再生能源,优化原本的能源结构,保障国家能源安全,如图1所示。


1. 美国石油生产、进口及消费情况

在环境保护方面,洛杉矶在上世纪50年代先后发生了两次“光化学烟雾”,造成数百名65岁以上老人因呼吸系统衰竭而死亡。这催生了1970年联邦《清洁空气法》的颁布,《清洁空气法》也成为美国推广可再生能源的第一个法案,为生物燃料乙醇的发展提供了法律依据。1979年,建立了联邦政府的“乙醇发展计划”,开始推广使用含10%乙醇的混合燃料。1990年,美国国会通过《清洁空气法案(修正案)》,要求在39个一氧化碳排放超标地区必须使用含氧量2.0%的含氧汽油(相当于添加5.7%的乙醇,这些地区汽油的销量约占全美汽油市场的20%)。2005年,美国《2005年能源政策法案》明确在全美范围实施可再生燃料标准(RFS),规定2012年、2022年可再生燃料的用量必须分别达到或超过132亿加仑(3942万吨)、360亿加仑(1.07亿吨)。过去几十年中,美国已成为世界上最大的可再生能源的生产国和消费国,使用可再生能源在降低温室气体排放以及改善环境方面起到了积极作用。Richard Ezike博士指出,目前世界各国都在大力发展电动汽车,但是从图2所示的温室气体排放比例来看,如果电动汽车的电力来源主要依靠火力发电(29%火力发电),电动汽车对降低温室气体排放依然难以起到决定性作用。

2 温室气体来源及排放比例

2. 美国可再生能源的使用情况

    在美国能源政策和环境政策的推动下,美国不断摸索生物柴油、燃料乙醇、氢气燃料等再生能源在交通系统中应用实践,不同燃料类型的能源在交通系统中的使用比例如图3所示。


3 不同燃料类型的能源使用比例

从图中看出,美国曾在2000左右大量使用甲醇燃料作为汽车用可再生能源,当时认为甲醇燃料汽油具有环保、成本低、节省资源等优点,被认为是一种新型节能燃料。在动力性方面,甲醇辛烷值高,抗爆性好,自身含氧,燃烧热效率高。在排放方面,甲醇是含氧化合物,具有燃烧完全等特性,因此,可有效降低一氧化碳和碳氢化合物的排放,减少有害气体的排放,另外,使用甲醇燃料汽油可以大幅降低汽车燃料使用价格。然而,通过长期研究表明,甲醇在合成过程中消耗的能源数量较大,并且在使用过程中会产生一定量的污染,这与使用甲醇燃料最初的环保目标产生了冲突。

另外,据RFA协会介绍,美国曾使用MTBE作为燃油添加剂,MTBE即国内所说的甲基叔丁基醚,能能提高汽油的氧含量。美国许多大城市以及整个加利福尼亚州,从20世纪90年代中期起,为了减少大气污染,在汽油里添加了MTBE。但美国研究人员通过调查发现,MTBE对饮用水的污染远比想象得更加严重。更为严重的是,这种化合物残留在井下可形成持久的危害。即使禁止使用MTBE后的很长一段时间内,它仍将残留在水源里继续造成污染。

由于甲醇燃料和MTBE燃料都存在污染问题,目前,美国已经基本上没有使用以上两种燃料作为汽车可再生能源,上述两种燃料已基本被生物柴油和乙醇燃料替代。

其中,生物柴油是直接或间接来源于生物的化工产品,可用于柴油机的燃料油。是通过植物油(如大豆油、花生油、菜籽油等)、废弃的餐饮油和动物脂肪为原料制取的以脂肪酸甲酯为主的新型燃料,其性质与石化柴油非常相近。与由石油制备的普通柴油相比,生物柴油是一种清洁的可再生资源,它有高十六烷值;硫和芳烃含量低,污染少;分子中还含有氧,有助于燃烧,降低了CO 的排放量;还具有较高的闪点,使用较安全;具有较好的低温启动性。与传统燃料的温室气体排放相比较,虽然氮氧化合物的排放有所升高,但PMCOHC等气体排放均有所下降。因此,自2010年以来,美国生物柴油的需求量和生产量均有大幅提升,如图4所示。虽然美国生物柴油的增长势头较强,但是与乙醇燃料相比较,其产量及应用推广方面依然存在较大的差距,下面将对美国乙醇燃料的相关现状进行介绍和分析。

 


4 生物柴油排放特点及生产情况

3. 美国乙醇燃料使用情况及分析

RFA协会的数据显示,2016年全球燃料乙醇年产量约7500万吨。美国和巴西燃料乙醇的年产量分别达到4578万吨和1950万吨,位列世界前两位,占世界总量的80%以上。2016年中国燃料乙醇的产量为260万吨,共调和乙醇汽油(含10%乙醇的混合汽油)约2600万吨,与当年全国汽油总消费量相比,乙醇汽油仅占20%。中国燃料乙醇的发展与美国相比,差距较大。


5 世界主要乙醇燃料生产国产量(万吨)

2016年,美国不仅是全球最大的燃料乙醇生产国,也是全球最大的燃料乙醇出口国。2016年美国燃料乙醇出口达到5年内的最高水平,达到10亿加仑,连续7年成为燃料乙醇净出口国。2016年,其燃料乙醇出口到世界50个不同国家和地区,如图6所示。


6 美国燃料乙醇出口基本情况

由于美国和巴西是燃料乙醇的最大生产国,因此,两国之间的燃料乙醇进出口关系直接影响着全球的燃料乙醇交易总体情况,图7表示了美国燃料乙醇进出口情况变化,从图中可以看出,在2009年之前,美国的出口量远小于进口量,这是由于巴西主要使用蔗糖作为生产燃料乙醇的主要原料,而在此之前,蔗糖价格一直处于较低水平,从而使得燃料乙醇价格比美国要低,大量出口到美国。而在美国,玉米是燃料乙醇的主要原料,最近几年美国玉米大丰收,降低了燃料乙醇的生产成本,也对燃料乙醇产量增加作出了贡献。因此从2010年开始,美国燃料乙醇的出口量远大于进口量,如图7所示。

7 美国燃料乙醇的进出口情况

在美国,燃料乙醇主要以来作为机动车汽油的调配组份(即制成乙醇汽油,主要是调配体积比最高到10%,也称为E10,此外还有E15E85)。美国生产燃料乙醇主要采用玉米发酵法实现,部分学员提出采用玉米发酵是否会造成粮食短缺问题。

8 生产200蒲式耳玉米所需要的面积数及用于燃料乙醇的玉米总量

RFA协会给出如下基本情况:美国从上世纪70年代开始大规模使用生物燃料乙醇后,在这40年时间里,玉米产量则由1.48亿吨增长到3.53亿吨,玉米产量迅速增加的最大动力来源就是生物燃料乙醇。虽然美国玉米产量不断提升,但并没有出现严重的库存压力。同时,燃料乙醇的生产非但没有与人争粮,反而带动了玉米单产逐年提高。RFA协会Bob Dinneen会长认为,对农民而言,真正的风险来自谷物价格下跌从而抑制全球农业投入,超低的粮食价格会抑制发展中国家农民进入市场的意愿,使他们陷入勉强维持生计的困境。图8为每生产200蒲式耳(容量单位)玉米所需要的面积数以及美国用于燃料乙醇所需要的玉米总量。

4. 美国可再生能源发展对我国能源战略的启示

2017年,中国原油对外依存度已超过60%。适度发展燃料乙醇和生物柴油等可再生能源,是有利于能源安全和环境的战略选择。从美国和巴西等可再生能源产业较为成熟的国家可以看出,通过立法手段直接对燃料乙醇的用户及销售商提供财政补贴,并严格贯彻执行相关法规和政策;同时,结合我国实际国情,大力发展纤维素燃料乙醇、煤(合成气)制乙醇等关键技术的创新和突破,形成明显的成本优势。从而有效借鉴国外燃料乙醇产业发展的成功经验,结合自身资源禀赋和技术实际,发展有中国特色的可再生能源产业。

 

注:文中数据来自于本次培训的课程内容以及RFA协会网站,同时,参考网络相关报道介绍。




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