生物质能源产业发展现状与展望

普罗

摘要：指出了生物质能源是一种清洁可再生能源，在当前能源危机的背景下，研究其发展现状具有迫切性。对国内外生物质能源研究的重点进行了阐述，同时对于存在的问题进行了分析，对以后的发展趋势进行了展望。

关键词：生物质能源;产业化;能源危机;能源作物;进展

中图分类号：TK6

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0172-04

1引言

生物质是指通过光合作用产生的动植物、微生物及其产生的废弃物。生物质能源就是利用生物质通过化学转化生成的生物柴油、生物乙醇、生物天然气等形态的能源。随着石油价格的攀升、气候变暖、能源短缺及《联合国气候变化框架公约》的约束，生物质能源越来越受到许多国家的关注，也是科学研究的焦点之一。

2国外发展现状

为应对资源短缺，缓解对于化石燃料的依赖，各国投入大量的人力、物力、财力发展新的可以循环的清洁高效能源，随着水电、风力发电等的开发利用，各国将焦点集中在生物质能源的研究和开发上。国际上已经产业成熟化的生物质能源项目有欧盟的菜籽油生物质能源项目、美国的大豆生物质能源项目、巴西的甘蔗生物质能源项目及马来西亚的棕榈油生物质能源项。

2.1国外燃料乙醇的研究

燃料乙醇生产量较大的国有是美国和巴西，其产量占据了全球的90%以上。其生产燃料乙醇主要依赖于谷物淀粉、蔗糖和甜菜。其中，加拿大和美国主要使用玉米，巴西主要使用甘蔗，欧盟主要使用质量差、变质的小麦。燃料乙醇的生产技术已经成熟，乙醇汽油混合物替代纯粹汽油也在逐步的推广。

2.2国外生物柴油的研究

生物柴油主要的生产地是欧盟，其主要使用的原材料是菜籽油。预计到2020年，生物柴油将占据欧盟使用交通燃料的10%以上。生物柴油之所以在欧盟发展迅速，离不开政策的支持。欧盟减免了生物柴油90%的税收，还从立法、补贴原材料生产、促进销售等多方面推动生物柴油产业的发展。2008年，欧盟生物柴油的生产量达775.5万t，并且保持年35.7%的增长率。

1991年，生物柴油研究才刚刚起步。到20世纪末，随着技术的成熟和能源短缺的加剧，生物柴油产业得到了扩张式的发展。1991年，生物柴油全球产量为0.91万t;2000年，生物柴油全球产量达到了73万t;2008年，生物柴油全球产量达到7020万t。美国、法国、意大利和巴西生产生物柴油的主要原料是菜籽油。泰国、马来西亚和印度尼西亚生产生物柴油的主要原料是棕榈油。

2.3国外沼气的研究

沼气是生物质在特定条件下，通过发酵而产生的可燃烧气体。瑞典PURAC公司将动物粪便、食物废弃物及动物加工剩余物作为原料生产沼气，沼气通过纯化措施可供燃气汽车使用。目前，在瑞典已有520辆轿车、64辆公交车使用沼气作为动力燃料。德国将生物质产生的沼气用于发电，取得了良好的效果。1999年，德国就有850家小型沼气发电站，1年后小型沼气发电站就达到了2000余家‘阳。

2.4国外生物制氢研究

生物制氢是当前生物质能源研究的热点之一，有广阔的前景。随着对能源危机和温室效应的进一步认识和科学技术的发展，生物制氢研究引起了人们的重视。1999年，在南非金山大学的实驗内，实现了实验室条件下植物纤维素发酵制氢技术的突破。新加坡南洋理工大学在生物制氢方面，研究聚焦于污泥厌氧产氢技术，从理论上揭示了此种方法可放大的可行性。

3中国发展现状

我国发展生物质能源产业具有大量的原材料资源。生物质原材料包括：林木、灌草藤、陈化粮、林业生产下脚料、植物秸秆、淀粉类、糖类、麦类、植物油等。根据国情，生物质能源的原料来源应以有机废弃物和利用荒山荒地栽植的能源植物为主，从农林两条线出发考虑，①可充分利用农业生产剩余物，包括秸秆、藤蔓、根茎等，将其转化为生物质能源;②充分利用田间地头、边角地、低产田地等种植适应性好的能源作物，作为生物质能源的原料;③森林抚育剩余物、林业生产剩余物、家具生产剩余物等大量的林业木质边角料可以作为生物质能源的原料;④充分依托商品林地、林业边际性土地发展生物质积累迅速的能源林、薪炭林等，发林业生物质产业。

3.1中国燃料乙醇的研究

燃料乙醇在我国已经实现了工厂化万吨级的生产，技术已经成熟。其主要使用的原料有陈化粮（小麦、玉米）、能源作物（甘薯、马铃薯）、含糖作物（甜菜、甘蔗）。纤维素类（纤维能源植物、农业剩余物、林业剩余物等）受技术的限制，还未实现规模化生产。

2005年，随着技术的发展，结合消化陈化粮的实际，国家批准筹建了河南天冠燃料乙醇、吉林燃料乙醇、安徽丰原燃料乙醇、黑龙江华润乙醇4家企业规模化生产燃料乙醇。投产后，年生产燃料乙醇达130万t，成为燃料乙醇生产大国。随着生产的持续，陈华粮迅速的被消化，再加上小麦、玉米价格的上涨，利用粮食作为原料的生物乙醇生产项目遇到了发展瓶颈。国家层面更愿意企业利用非粮原料开发和生产燃料乙醇。2009年，广西科学院成了我国首个国家非粮生物质能源工程技术研究中心，标志着我国非粮生物质能源研究进入了新阶段。

能源作物薯类也是我国发展燃料乙醇优良原材料之一，其含糖、淀粉量高，可种植面积广，适应性较强，单位产量高，转化公益与玉米、小麦类似。现阶段，我国甘薯种植面积已达700万ha，产量约1.5亿t。由中粮集团投资建设的以木薯为原料年产20万t燃料乙醇示范项目以投产，取得了良好的效益。

3.2中国生物沼气的研究

生产沼气的主要原料有人畜粪便、作物秸秆、残羹剩饭、杂草杂灌、水草等等。沼气是种植业、养殖业剩余物、废弃物下游净化的完美链条，成为政府重视，政府支持，农民欢迎的优质项目，是建设美丽乡村的重要手段之一。农业部门不完全统计数据显示，我国沼气年产量已达80×104万m3，大中型沼气工程达3556处，城市污水净化沼气池工程49300余项。沼气池项目是民生项目，是农民增收项目，也是环保项目。种植业（饲料）养殖业（粪便、下脚料）沼气工程（沼液、沼渣）种植业（饲料、农产品）养殖业农业循环经济发展的模式在我国部分地区发展十分良好。我国沼气工程技术成熟，所需零部件可标准化生产，基建队伍完备，沼气技术服务成熟，已经具备了规模化发展的条件。

3.3中国生物柴油的研究

生物柴油是可再生能源之一，其主要原料有油菜籽油类油料作物、地沟油、动物油脂、工程微藻类水生油料植物、木本油料植物等。发展生物柴油，可缓解化石燃料的压力，同时有利于保护环境。

相比西方国家，我国生物柴油的研究和产业化相对落后。1981年，我国科学家初次尝试棉籽油、菜籽油生产生物柴油的研究。此时，国外公司已在山东省和黑龙江省建设了25万t和20万t级产业化工厂。随着我国技术研究的深入，现阶段，我国在海南省、福建省建设了万吨级生产示范项。相比油料为原料生产生物柴油，利用植物纤维生产生物柴油还处于研究示范阶段，转化成本高，油品不易控制成为了其发展的瓶颈，有待科技投入研究。

3.4中国生物质发电研究

生物质能源发电相比燃料乙醇、生物沼气、生物柴油，其具有原料更广泛，产业化技术相对成熟的特点。当前生物质发电项目以直燃发电为主。2006年，我国在山东省建设了第一座生物质直燃发電厂，并顺利投产发电。接下来的2年间，又有18个生物质直燃发电厂投产发电，总装机容量45万kW。

生物质能源发电项目被国家列为《新兴能源产业发展规划》中，预计到2020年，我国非化石燃料占能源消费比重将达到15%以上，其中，生物质发电项目的贡献将达到2.4亿t标准煤以上。

3.5中国生物制氢研究

生物制氢具有环境友好、排放物无污染的特点。1990年，哈尔滨工业大学研究小组以有机废水为研究对象，研究了发酵法生物制氢技术，在理论方面取得了一定的突破，并首次完成了生物制氢中试。河北省农林科学院引进南非金山大学的发酵法生物制氢技术，以植物纤维素为研究材料，实现了纤维素发酵制氢效果，成本有所降低，产氢速率有所提高，转化效果没有得到较大改善，研究结果对产业化生物制氢具有一定的理论指导意义。河北省农林科学院还尝试将甜高梁作为生物制氢原料，提高了生物制氢的生产率和安全性能，为生物制氢产业化提供了理论依据和新路径。

4存在问题

4.1粮食危机下的第一代生物质能源艰难抉择

现阶段，各国生物质能源产业化项目以第一代生物质能源为主。其生产原料的来源主要小麦、玉米油料作物等粮食。随着农业技术的发展，国际粮食产量和供给能力在不断提高。但粮食工厂化消化，势必引起与人争食的境遇，造成社会问题。以美国为例，其是世界上最大的粮食出口国。随着本国燃料乙醇的产业的发展，2003～2006年，粮食出口量降低了4%，这不仅仅影响了全球粮食供给，也直接导致国际粮食价格波动性增长。预计到2020年，美国燃料乙醇的生产量会进一步扩大，将达到360亿加仑，大约要消耗1442.91万t玉米（相当于2007年美国玉米产量的41.2%），消耗量及其惊人。

耕地资源和生产力是有限的，第一代生物质能源生产导致的用途竞争，必然会导致国际粮食安全，从而会导致人口安全。若不能够全球各国参与制定第一代生物质能源产业发展规划，合理利用粮食生产生物质能源产品，必将会导致无法估量的后果。

4.2能源植物规模化扩张带来的问题

由于生物质能源利益的驱使，能源植物（包括能源作物）的种植将不会按照荒山荒地、边角地种植模式，而是会产生规模化种植。过度消耗土地资源，并迅速移除，从而很有可能会导致土壤结构破坏、资源承载力降低、生态环境破坏、土壤沙化、生物多样性降低等严重的生态问题。

生物质能源产业作为新兴产业，能提供可再生能源，是值得提倡的，但原料的来源需以不破坏生态环境为前提。能源植物（包括能源作物）的种植应充分考虑土地的承载力和休养生息。在实施能源植物（包括能源作物）种植前，应有农业、环保、能源等相关部门作出充分的环境评价，制定详细的种植方案，避免造成“二次污染”问题的出现。

4.3制约产业化的瓶颈

生物质能源的持续发展，需要廉价的原材料，成本相对适宜的生产工艺，及优质的市场接受能力。但现阶段，除巴西的甘蔗生物乙醇项目能够达到自身盈利外，其余项目均需要国家补贴、税收优惠等措施才得以正常运转。盈利效果不理想的主要原因就是生产工艺成本还无法较好的降低到市场可以接受的范围。

制约我国生物质能源产业化的瓶颈是原材料和技术。从粮食安全的角度考虑，我国不可能将大量的粮食作为生物质能源的原材料。纤维素类生物质能源开发还很不成熟，无法实现产业化生产。我国生物质能源产业化生产面临生物柴油的发酵、纤维素生物质制酒精、生物质能源的液化技术、提炼技术研究、转基因技术在能源农业上的应用等诸多技术问题，有待科研攻关。

5发展趋势

在能源危机的大背景下，生物质能源作为可再生、无污染（或污染小）的能源，受到国际社会的高度重视，也是科学家研究的焦点。开发利用生物质能源具有深远的战略意义。美国已制定了能源农场计划，印度计划实施绿色能源工程。日本制定了阳光计划，诸多国家正在为破解生物质能源技术瓶颈，实现能源替代不断努力和投入。

5.1政策方面

生物质能源产业发展较好的国家美国、巴西、欧盟各国均制定了生物质能源规划。其中，欧盟计划到2020年，可再生能源替代率达到20%，在交通燃料中的替代率达到10%以上。各国为支持生物质能源产业发展，出台了一系列税收优惠、政府补贴、用户补助等激励政策。此外，还通过法律和政府确保生物质能源健康持续发展。

《可再生能源法》的颁布，为我国生物质能源产业发展提供了法律保障。但行业规章、细则并没有及时的跟进，扶持政策没有具体化。我国应制定操作性较强的生物质能源发展规划、政策，设立专门领导小组，统筹各部门为生物质能源生产企业提供服务，缩短审批时间，实现快速发展。

5.2技术方面

国际上技术相对成熟的生物质能源产业项目有玉米制燃料乙醇、甘蔗制燃料乙醇、大豆制生物柴油、菜籽油制生物柴油等。均属于第一类生物质能源的范畴，存在与粮争地，占用耕地的问题。因此，需要技术上突破，走非粮生物质能源之路。

第二代生物质能源的原来以纤维类秸秆、木质边角料、灌藤草为主，需实现生物纤维转化为生物乙醇、生物柴油、合成燃料、生物制氢及化学衍生产品等。第二代生物质能源生产工艺成本高、转化率低成为了其发展的直接瓶颈，尚未实现大规模商业化，有待技术突破。

6中国生物质能源产业发展之路

6.1第一类生物质能源

生物乙醇、生物柴油依靠粮食作物的现状暂时无法改变，因为第二代生物燃料目前的问题在于用来分解纤维素的酶成本太高，用不可食用的纤维素生产酒精也需要先把它们变成糖类。而第三代生物燃料的油脂很难提炼，从海藻中提炼生物燃料的研究正处于实验室阶段，距离实现商业化阶段还比较远。此外，就单纯第一类生物质能源而言，成本依然很高。没有国家的扶持，大多数企业依然无法实现产业化和自我盈利。

6.2纤维素生物质

第二代纤维生物质精炼技术是以纤维素生物质为原材料替代当前以粮食、糖、动植物油脂作为原材料的技术，其生产工艺路线和第一代生物炼制生产工艺路线基本相同区别在于首先要设法将纤维素生物质中的碳水化合物（主要是纤维素）水解为单糖产品，然后以单糖为原材料进行发酵及后处理。

针对第二代生物质精炼技术存在的难以克服的盈利难题，淮北中润生物能源技术开发有限公司利用纤维素水解酶，使得成本可能下降到原来的1/30。公司同时还拥有独家常温常压预处理技术以及产出纤维素乙醇和接近纤维素乙醇量的汽油技术。然而，启动并于年初完成整条中试线运转后发现，即使在同时产出等量纤维素乙醇和汽油的情况下，生产成本仍然远高于市场销售价格。

就现代生物质能源而言，无论是第一类、第二类、第三类，都面临一些技术难题，虽然第一类依靠粮食的生物乙醇、生物柴油、生物发电有了一定的突破，但是依然成本高，没有真正形成产业化。科学研究需要加大投入、期许技术在不久的将来有较大突破。

6.3能源林建设

在化石能源日益枯竭的情况下，发展森林生物质能源已成为世界各国能源替代战略的重要选择。按照林业局编制的《全国能源林建设规划》，我国要建设能源林示范基地67万hm2。到2020年能源林达到1333万hm2，可以提供600多万t生物柴油，满足1100多万kW装机容量发电厂的燃料需求。森林生物质能源是一种高度清洁的能源，是减少温室气体排放，防止全球环境恶化的一种科学选择，其显著特点在于资源和环境的双赢，以及生态、经济、社会效益的协调统一。因此发展林木生物质能源林具有重大意义。

6.4藻类生物质能源发展前景

藻类生物质的研究还处在初期阶段，但是发展前景很好。藻类在产油、制造乙醇方面都有着无法比拟的优势。同时海域面积广阔，也不存在与人类争夺土地，争夺粮食的危機，所以中国需要抓住机遇，攻坚克难，努力实现突破，实现产业化。

6.5政策支撑

发展生物质能源产业涉及国家能源安全问题，从产业起步到产业形成都需要政府给予大力扶持。国外的经验也证明了政策支持对该产业的发展具有至关重要的作用。总结各国对生物质能源产业的扶持政策可供国内借鉴。①对生物质能源采取研究开发投资补贴、建设投资补贴、产出补贴、消费补贴措施;②政府采购生物质能源产品，以促进该产业的发展;③给予一定的税收优惠，提高企业投资和生产积极性;④设立生物质能源发展的补偿机制或基金，完善生物质能源企业的认证机制。