中国生物质能发展现状及应用探究

解云翔

(利兹大学 地球与环境学院，英国西约克郡 LS29JT)

中国目前面临两大严峻的能源挑战：一是能源需求提高和价格上涨，对进口能源的依赖性日益提升，以煤炭为基础的能源供应方式亟需改变; 二是农村能源安全，城乡不平等以及黑碳与温室气体排放问题。作为世界上最大的碳排放国，政府正积极寻找降低化石能源消耗的方式以应对环境危机。根据《巴黎协定》[1]设定的“将全球平均气温升幅控制在比工业化前水平高出2℃ 以内”的长期气候目标，国际社会把发展重心放在各种负排放技术，以求在本世纪中叶实现近零甚至净负排放。然而，根据国际能源署 (IEA) 的数据[2]，中国未来对化石燃料的需求将继续增加，到 2040年，中国的人均能源消耗量将超过欧盟，进而导致一系列与气候变化和生物多样性相关的环境和生态风险。对此，政府于2020年9月宣布了一项雄心勃勃的计划，从2021年减少碳排放并于2060年实现碳中和，从而提高人们的生活质量和福祉，并促进国家发展。

具有碳捕捉和储存性能的生物能源已成为煤炭、石油和天然气之后的世界第四大能源，2016年约占全球可再生能源供应的70%，成为各国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，也可提供电网电力、热能和液体生物燃料。生物质是提供生物能源的原料，它是一种从农业或森林废物中提取的天然材料、有机废物、动物尸体、农家肥和城市垃圾等(见图1)。由于中国的生物质储量丰富，政府与从业者也因此尝试研究利用生物质资源发电、供暖，并在近几十年不断取得进展。

图1 生物质的四种来源

1 中国生物质资源及潜力评估

消费是促进产业发展的源动力，而居住在中国60%以上人口的农村地区是中国生物能源消费的主要部分，他们通过燃烧农作物秸秆来做饭和取暖。为了鼓励生物质发电，中国国家发展与改革委员会(发改委)制定了多项鼓励政策用于支持生物能源的发展，并于2006年设置了高额补贴。然而，由于生物质生产的分散、小规模和季节性的特点让生物质发电厂的原料成本高于预估。因此，市场垄断现象在2000年初期时有发生，那时中国的生物质发电厂投资并没有成本效益。但是，在2004-2006年，中国拥有大约1.3亿公顷的农田，每年产生超过6亿吨的农作物残留物[3]。因此，如果以高效并且低成本方式(例如用较小规模的发电机组或加入其他材料与生物质混合燃烧)对这些农业残留物加以利用，他们每年生产出来的能量将会带来巨大效益。政府认识到了这一点并寻求解决方案，2007年，国家发改委在中国可再生能源中长期发展规划中提出：增加生物质利用，并计划于2020年达到有机垃圾发电机容量700万千瓦。因此，从2006年至今，生物能源技术发展的同时，从业者们也对中国生物能源潜力进行大量的批判性评估。

一项全面评估了位于中国边缘土地的非食品能源植物的生物能源潜力的研究结果[4]表明，中国适合能源植物生长的边际土地总面积达13 034万公顷。这项2011年的研究给中国生物能源的发展注入了强大的信心与客观动力，因为仅仅将这片土地的三十分之一用于种植能源植物，生物燃料的产量就将到达1 339万吨(国家可再生能源发展规划预计到2020年非食用植物开发生物燃料1 200万吨)。这对中国具有重要意义，它对种植后将提高边际土地利用率(边际土地占中国总土地面积的12.9%)和生物多样性的预测提供了宝贵的数据支持。同年，另一项研究分析了在中国用芒草这种拥有强大根茎和根系的植物用于二代能源作物的可行性。研究结果是积极的，因为约14种芒草类植物中有7种原产于中国，物种丰富度高。因此，把这两项同年的研究结合起来，在边际地区种植芒草将是一项明智且值得选择的政策。随着时间推移，2017年的一项研究[5]分析了对土地退化与荒漠化严重的黄土高原(边际土地)实施种植生物能源原料政策的可行性，分析结果显示这将有效缓解土壤流失。更重要的是，在黄土高原种植高生物量产量的植物具有增加森林覆盖率、扩大农田、固碳和创造可持续的植被恢复系统等益处，同时还会为当地农民带来更高经济回报。可见，仅仅是关于边际土地的利用就显示出了中国进行生物质能源原料单独种植的巨大潜力。

作为农业大国，中国有大量农业残留物资源(见图2)。以农作物秸秆为首农业残留物是生产生物能源最主要的原材料之一，因为他们易于收集且成本较低。有从业者于2020年[6]建立了一个评估继续秸秆的能源利用技术的综合模型，计算了生态秸秆还田量，可利用秸秆资源分布与密度，平均最大经济收益半径和可用残留物的潜在数量。评估模型以数据直观展现出了在环境和成本约束下的中国秸秆资源潜力，并显示出黑龙江与内蒙古不适宜规划实施秸秆能源项目，但中西部地区非常适宜。因此，从技术与成本和秸秆资源量的角度看，中国有继续发展生物能源的潜力，未来能源供应中生物能源的占比将继续提升。2020年，有研究人员以中国为例，基于地理信息系统评估了农业废弃物用于生物能源的可持续潜力，结果证实了各省份农业残留物的潜力巨大，最大为每年27.8 TWH。即使应用的方法与研究渠道不同，但这些随着时间进展的越来越具有突破性的研究都表明了中国发展生物能源的巨大潜力。因此，中国政府应加大投资并更多关注生物质能这一清洁能源，它带来的益处也远不止为电地热提供清洁电源，降低碳排放，这是一项重要的战略选择。

图2 生物质能的几种原料：秸秆，葵花籽，废弃木料等

2 生物能源的益处与中国生物能源产业的发展现状

2015至2017年间[7]，24个国家的137名专家联合分析了与生物能源生产和可持续性相关的一系列问题，专家一致认为生物能源对缓解气候变化具有显著作用。生物质发电也会产生温室气体排放，但比化石燃料少。一项调查选取印度北方邦进行了生物质能与不可再生能源的温室气体排放对比与评估，其结果再次证实了生物质能显著减少二氧化碳等温室气体排放的事实。因此，在生物质能发电这种循环经济中，缓解气候变化的作用会很大程度增强政府投资的信心，这也是生物质能的最大优势之一。同时，生物质能发电产业所需要建设的工厂与设备的造价与经济成本低，拥有低投入高回报的属性。在种植生物质源材料的地区，当地的土壤质量，水质和数量，生物多样性，空气质量和生产力均有所提升，这是生物能源产业带来的巨大环境优势。因此，从业者与政府甚至不需要再为分析生物质能的优势而花费时间，现有的资料与调研结果已经证实了它的诸多益处。

进行利益相关者分析时，一项研究[8]试探性地探索了中国农民对发展森林生物能源的看法：来自8个省份的573户家庭的受访者中，33%的人愿意使用生物能源并参与到基地建设中。因为位于生物能源基地周围的当地农民是真正的参与者和利益相关者，所以他们对于这项复杂的过程的认知和支持度非常重要。在英国，多位研究人员认为，有必要详细了解农民的观念，从而提前他们经营森林和落实相关政策的积极性并得到公众支持。因此，提高农民的接受程度将是从业者研究的重点任务，广泛的互动交流，公众参与和集体学习是合适的途径。另一项非常相关的利益相关者分析是关于电力消费者的，他们对于生物质电力的接受度和支付意愿是推动产业发展的源动力。2018年的一项关于中国公众对生物质发电偏好的分析表明，消费者对于生物质电力的接受度与他们的学历呈正相关，学历越高则接受度越高。该研究还发现，大多数受访的消费者因生物质发电能减少雾霾而展示出强烈的支付意愿。可以看出，利益相关者会因为某项技术对于生态有利而乐于接受，总的来说，中国的利益相关者普遍接受生物能源的发展。

当前，生物质能在中国的发展现状呈持续向好趋势，在政府政策和财政激励措施下达后，中国正从以作物为基础的生物能源向非以作物为基础过渡。但是，中国的生物质发电起步较晚且占比较小，政府于2003年才陆续批准了有关秸秆发电的项目，相比于世界上从1970年就开始起源，中国还需要在该领域持续发展。在2017年底，中国生物质发电机容量已达14.76 GW。因此，政府的政策与资金支持已经使中国的生物能源产业位居世界前列，但是还有大量潜力等待开发，未来发展仍前景光明。

3 生物能源和生物燃料的局限性

一些研究表明，在中国的农村地区仍有许多人直接通过燃烧生物质的方式做饭和取暖，这引发了许多关于生物质能局限性和解决方案的讨论。生物质能产业的劣势包括融资渠道，核心技术，产业协同和过度竞争，并且如果处理不好，生物质能的发展也会对环境产生负面影响。这是因为有些企业的技术可能会产生二次污染和污染物的转化，进而产生风险。对此的解决方法是对产业链进行全面的评估，从而避免泛美地区曾经出现过的生物多样性流失的教训。然而，从更深层次的视角看，生物质发电与光伏和风能发电不同，它需要劳动力来运输秸秆等农业残留物。这直接导致了成本的管控问题，因为农民是运输生物质的主要劳动力，但他们的运输效率不高。据统计，秸秆收集成本占生物质发电总成本的64%[2]。因此，一个值得思考的问题是如何保证农民收入的情况下降低秸秆的运输成本，同时保证企业的利润。

另一个风险是关于使用生物质燃烧进行烹饪的人的健康问题。中国纵向健康长寿调查组织对65岁以上且使用生物质燃料的老年人进行健康状况的检查，内容包括注意力、语言、记忆力、视觉和心里状态等三十个项目，调查结果显示生物质燃料直接燃烧会增加老年人认知障碍的风险[9]。对此，可能的解释是生物质燃烧后产生的气体对人体造成了一定的损害，通风设备不佳也是可能的原因。同年的另一项研究对中国南方农村接触生物质燃料的女性进行了代谢与身体机能的检查，结果显示她们患高血压的概率更高。很大一部分原因是她们家中的通风性过差，导致燃烧后的气体堆积从而造成了家庭空气污染(家庭空气污染影响全球30亿人，已导致250万人死亡)。因此，提高家庭通风性能和改变农村直接燃烧生物质做到与取暖的传统是适合的解决方案。

对于生物质能发电，供应链风险是非常相关且值得注意的，因为供应链的运行不流畅，近年来中国不少生物质发电厂商都是微利或亏损状态。与太阳能和风能发电相比，生物质能的供应链复杂很多，包括种植、收获、运输、聚合、储存和转化生物质等多个过程，并且它是一种生物活性物质，不同于生物惰性的化石燃料[10]。在这种复杂的供应链中，还夹杂着许多供应商与服务商，中间的差价给生物质电厂带来了巨大的财政压力。因此，政府在出台各项激励政策的同时，还应对相关企业进行资金扶持与供应链调配，这样才能从根本上解决生物能源发展的障碍，帮助企业走出困境。

4 中国生物能源和生物燃料的未来发展

在建设更具可持续性的城市道路中，清洁能源的利用是无法绕开的话题，这也侧面证实了作为最主要能源之一的生物质能未来将继续发展。本文之前的部分已经分析过生物质能从2006年至今的实质性发展，因此本部分将从中国1998年开始对生物质能的展望开始分析，进而试探性判断它的未来发展方向。1998年中国现有的利用生物质能技术有直接燃烧、生物转化、机械转化和水解，共四种，并且从业者提出了改进炉灶与沼气技术，生物质气化与生物质压块的展望。这四项展望于2006年前已经全部做到，因为当时的生物质能公司虽然设备老旧效率低，但生物质气化与压块已完全具备能力与条件。在经历的十多年的发展后，从业者于2010年提出了新的愿景：新的生物能源工厂应高度适应当地土地并且不破坏环境，增加候选生物质植物种类并进行量产，发展更现代化的设备，增强荒地与沙漠的利用，特定场所应用特定植物[11]。至此，由于国家下达的各种政策并提供部分资金支持，整个产业的发展迅速，相关企业数量翻倍，并且出现了更多关于生物质能发电的生命周期评估框架。虽然仍处于起步阶段，但已经出现五种不同的生物质直燃系统，与常规燃料共燃的混合系统也已普遍存在。在2020年，中国生物质气化和生物液体燃料的产生已经形成规模，并成为世界第二大生物质能生产国，相关技术已经与世界最高水平接近，但仍存在大量发展潜力。

图3 生物质能提供的积极碳循环

欧盟于2018年提出了雄心勃勃的发展目标：在2030年与2050年期间不断扩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产量并提高比率。关于未来几十年的预测，随着工业化进程和全球人口的增加，生物质作为最可靠的清洁能源之一，将继续扩大其比重，世界各国的相关技术也将不断发展。因为政府近年来制定各种相关政策，未来对于沙漠与边缘土地的利用，技术的不断提升，生物质能在中国也因此将获得更多关注，占更多能源比重。

生物能源已成为世界上最主要的化石燃料替代品之一，发展生物质能可以把农业废弃物和城市垃圾有效利用起来去创造收益。更重要的是，它还能对国家内的边缘土地和荒漠进行利用，从而带来有固定土壤，缓解水土流失等等有利于环境和生物多样性的诸多益处。然而，生物质能也有产业链复杂从而导致企业成本过高，盈利困难等局限性。在中国农村地区普遍存在的直接燃烧生物质进行做饭与取暖的行为会对人的身体带来一些伤害。但是，有良好的解决方案去应对这些障碍，同时利益相关者们也对继续发展生物质能产业表示支持。因此，政府于从业者将继续致力于发展生物质能技术以应对传统化石能源的碳排放带来的环境问题与气候危机，利用好该技术的发展潜力，从而为建设更具可持续性的城市做出贡献。