能源植物的研究與開發(fā)利用

據(jù)統(tǒng)計，按目前的水平開采世界已探明的能源，煤炭資源尚可開采100年、石油30～40年、天然氣50～60年，能源危機和環(huán)境污染已成為當(dāng)今社會面臨的巨大挑戰(zhàn)，能源安全正在愈來愈深刻地影響著當(dāng)今社會和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。中國作為能源消耗大國正面臨日趨嚴峻的能源安全問題，尋找新的可替代能源也因此變得更加迫切。生物能作為新能源的一種，其受關(guān)注程度遠遠超出太陽能、風(fēng)能以及潮汐能等。由目前生物能源的發(fā)展情況來看,它的開發(fā)和利用符合可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀和循環(huán)經(jīng)濟的理念，因此將逐漸成為全球主導(dǎo)性的清潔、可再生的替代能源[1]。

1 生物能源的特點

生物能源，又稱綠色能源，主要是指利用可再生或循環(huán)的有機物質(zhì)(能榨油或產(chǎn)油的植物、可供厭氧發(fā)酵的藻類和植物及其殘體、有機廢棄物等)為原料生產(chǎn)的能源，其利用形式主要包括沼氣、生物制氫、生物柴油催化合成和燃料乙醇等。其中, 燃料乙醇是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的生物能源。

生物能源具有以下優(yōu)點:(1)儲量豐富；(2)環(huán)保性好。生物能源不含硫化物，不會產(chǎn)生酸雨，且在自然條件下即可實現(xiàn)生物降解，因而不會污染環(huán)境；(3)可再生。生物能源屬于可再生資源，能有計劃地進行種植和開采；(4)推廣性強。產(chǎn)生物能源的植物分布面積廣，可就地取材，成本低廉，易于普及推廣；(5)使用安全，不會發(fā)生爆炸或泄漏；(6)生產(chǎn)過程較簡單，可以儲存與運輸。

2 能源植物的概念及分類

在生物能源中，能源植物(Energy plant)具有基礎(chǔ)地位。綠色植物通過光合作用固定二氧化碳和水，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在生物質(zhì)內(nèi)部，這種生物質(zhì)能實際上是太陽能的一種存在形式。植物能源是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源。因此，廣義的能源植物幾乎包括所有植物。但就目前的技術(shù)水平，還不能將所有植物都用于能源開發(fā)。因此，一般意義上講能源植物又稱石油植物、柴油植物或生物燃料油植物，通常是指那些利用光能效率高、具有合成較高還原性烴的能力、可產(chǎn)生接近石油成分和可替代石油的產(chǎn)品的植物以及富含油脂、糖類、淀粉類、纖維素等的植物[2]。能源植物除直接燃燒產(chǎn)生熱能外，也可通過一系列技術(shù)轉(zhuǎn)換(物理方法、化學(xué)方法和生物方法)生產(chǎn)出不同品種的能源，如固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)燃料等，如果需要還可以生產(chǎn)電力能源等。

根據(jù)能源植物的化學(xué)成分及其用途，可將其分為3類：(1)淀粉和糖類能源植物，用于生產(chǎn)燃料乙醇，主要有甘蔗、玉米、甜高粱、馬鈴薯、魔芋等；(2)油脂植物，經(jīng)酯化過程可形成脂肪酸甲酯類物質(zhì)，即生物柴油，主要有油菜、棕櫚、向日葵、花生、麻瘋樹、油楠等；(3)木質(zhì)纖維素類植物，用于生產(chǎn)固體顆粒燃料，通過轉(zhuǎn)化可獲得熱能、電能、氣體和液體燃料，主要有芒草、柳枝稷、桉樹等[3～6]。目前, 全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)40多種能源植物，包括喬木、灌木、草類等，主要集中在夾竹桃科、大戟科、蘿摩科、菊科、桃金娘科以及豆科。主要開發(fā)利用和最具潛能的能源植物見表1[7]。

表1 主要開發(fā)利用和最具潛力的能源植物

3 國內(nèi)外能源植物的研究及開發(fā)利用現(xiàn)狀

3.1 國外能源植物的研究與開發(fā)利用現(xiàn)狀

20世紀70年代全球爆發(fā)能源危機，石油輸出國組織成員國臨時停止向歐美國家出口石油，歐美國家即著手研發(fā)生物能源以替代礦物能源。2005 年油價猛漲，使得替代化石能源的研究倍受關(guān)注，并取得很大的進展。

20世紀80年代，美國加州大學(xué)的化學(xué)家、諾貝爾獎獲得者梅爾文·卡爾文提出了建立“能源農(nóng)場”的設(shè)想，他認為：既然某些植物能將碳化物轉(zhuǎn)化成碳氫化合物膠汁，那么其它能進行光合作用的植物也能合成類似石油的物質(zhì)。1986年，他在加利福尼亞種植了大面積的石油植物獲得成功，1 hm2可收獲120～140 桶石油。此后全球迅速掀起了一股研究開發(fā)石油植物的浪潮[2,8,9]。許多國家都制定了相應(yīng)的研究開發(fā)計劃, 如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農(nóng)場計劃和巴西的酒精能源計劃等。

甘蔗是發(fā)展能源植物的首選材料。巴西是甘蔗生產(chǎn)大國，從1975 年開始實施“酒精替代計劃”，制定了一系列的經(jīng)濟資助和免稅政策，自1979 年首輛以燃料乙醇為驅(qū)動的乙醇汽車問世以來，至今約有1/3 的汽車被改造成了“酒精汽油兩用汽車”，使溫室氣體排放量減少了20%。 2008年巴西以甘蔗為原料的燃料乙醇已經(jīng)取代了該國40%～50%以上的汽油消費，成為世界上唯一不供應(yīng)純汽油的國家。從巴西首都里約熱內(nèi)盧到偏遠的亞馬遜熱帶雨林，隨處可見的加油站都在出售汽油和酒精。除此之外，美國建立了100多萬hm2的石油速生林；日本建立了可年產(chǎn)石油100多桶的石油植物試驗場；菲律賓建立了1.2萬hm2的銀合歡樹研究基地，據(jù)估計成熟后可收石油1000萬桶。隨著研究的不斷深入，越來越多的能源植物被發(fā)現(xiàn)[10]。

目前,發(fā)達國家用于規(guī)模生產(chǎn)生物柴油的原料有大豆(美國)、油菜籽(歐共體、加拿大)、棕櫚油(東南亞)、甘蔗(巴西)。日本、愛爾蘭等國用植物油下腳料及食用回收油作原料生產(chǎn)生物柴油。歐美許多國家結(jié)合本國特點制定了生物柴油發(fā)展綱要,出臺了相關(guān)的優(yōu)惠政策推動生物柴油生產(chǎn)及應(yīng)用。許多國家對投放市場的生物柴油都采取了免稅政策和低稅率政策，以鼓勵民眾使用生物柴油,保護生態(tài)環(huán)境[5]。

3.2 我國能源植物研究與開發(fā)利用現(xiàn)狀

與發(fā)達國家一樣，我國同樣面臨著能源短缺和環(huán)境污染的巨大挑戰(zhàn)。自1993年我國由石油凈出口國變?yōu)閮暨M口國以來，石油進口量逐步上升。我國石油儲量是世界總儲量的2%，但消費量卻是世界第二，進口依存度近40%；二氧化硫和二氧化碳的排放量也比較嚴重。

我國幅員遼闊，地域跨度大，水熱資源分布多異，能源植物資源種類豐富，發(fā)展生物質(zhì)能大有可為。其中主要的科屬有大戟科、樟科、桃金娘科、夾竹桃科、菊科、豆科、山茱萸科、大風(fēng)子科和蘿摩科等。據(jù)統(tǒng)計，我國約1.5 萬種有經(jīng)濟價值的植物，具有能源開發(fā)價值的約4000 種。值得注意的是我國種植油料能源樹種歷史悠久，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)麻瘋樹、烏桕、光皮樹、文冠果、黃連木、漆樹、山桐子等30 多種，而油料樹種的油脂是生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)良原料。新近調(diào)查表明，我國能夠規(guī)?；玫纳镔|(zhì)燃料油木本植物有10 種，這10 種植物均蘊藏著巨大的潛力，具有廣闊的發(fā)展前景[2,6]。

我國能源植物的研究及開發(fā)利用起步較晚，開發(fā)的產(chǎn)品主要是生物柴油和燃料乙醇。生物柴油產(chǎn)業(yè)得到了國家政府部門的高度重視和支持，并列入國家計劃。“十五”期間提出發(fā)展各種石油替代品，將生物與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、能源與資源環(huán)境等項目列入國家863 計劃，將大力發(fā)展生物液體燃料確定為國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。“十一五”期間，規(guī)劃生物柴油原料林基地建設(shè)規(guī)模83.91萬hm2，原料林全部進入結(jié)實期后，將形成年產(chǎn)生物柴油125 萬多t的原料供應(yīng)能力。目前，已有一些頗具實力的企業(yè)和國外大型能源企業(yè)進入麻瘋樹生物柴油這一領(lǐng)域，在各地籌建起有相當(dāng)規(guī)模的生物柴油生產(chǎn)企業(yè)，預(yù)計全國麻瘋樹種植面積至少可達200萬hm2，顯示了良好的資源開發(fā)前景[2,10]。

燃料乙醇產(chǎn)業(yè)也取得了可喜的成果。其中，陳糧轉(zhuǎn)化燃料乙醇計劃已于2000年啟動，目前已達到年產(chǎn)100 萬t規(guī)模;而秸稈酶解發(fā)酵燃料乙醇新技術(shù)已經(jīng)試驗成功，正逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

3.3 我國能源植物的開發(fā)利用前景

隨著改革開放的不斷深入，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，對能源的需求消費總量不斷增加，人均能源資源嚴重不足日趨明顯，人們逐漸重視研究和利用新能源，以可再生能源替代有限的化石能源。能源植物的發(fā)現(xiàn)給人類利用能源提供了新的途徑, 研究和使用能源植物為世界各國能源可持續(xù)利用帶來了新的希望。目前，世界上許多國家都開始開展能源植物的研究，并通過引種栽培，建立新的能源基地，以滿足對能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和植物能源的需求。專家認為，植物能源將成為未來可持續(xù)能源的重要部分，隨著石油的日益稀缺和技術(shù)的逐步提高，能源植物將改變地球的能源結(jié)構(gòu)，能源植物具有廣闊的開發(fā)利用前景。

我國除現(xiàn)有的耕地、林地和草地作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)外，尚有近1億hm2益農(nóng)益林荒山荒地，可以用于發(fā)展能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)。特別是在貧困山區(qū)種植能源林，不僅能恢復(fù)植被建設(shè)，改善其生態(tài)環(huán)境，又能提高山區(qū)人民的收入和生活水平，積極開發(fā)第三產(chǎn)業(yè)。篩選和種植優(yōu)質(zhì)、高效的能源植物，不但可以彌補化石燃料的不足，緩解過分依賴大量進口石油的被動局面，而且有助于水土保持和改良低效土壤，以達到保護和建設(shè)生態(tài)環(huán)境的目的[11]。在工業(yè)應(yīng)用上，積極促進生物能源的研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，形成產(chǎn)業(yè)化，必將在柴油引擎、柴油發(fā)電、空調(diào)設(shè)備和農(nóng)村燃料等方面顯示其廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

在化石能源漸趨枯竭、能源消耗不斷增加、保護環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展趨勢下，積極開發(fā)可再生的植物能源，因地制宜利用植物油替代燃料油，多能互補、綜合利用，能促進能源消費結(jié)構(gòu)從單一化向多元化轉(zhuǎn)變。

總之，加強能源植物開發(fā)利用的研究,實施我國可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略，已成為實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展和建設(shè)環(huán)境友好的和諧社會的重要課題。

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