國際生物能源研究開發現狀和趨勢

朱萬斌，李 杰，袁旭峰，程 序，王小芬

(中國農業大學生物質工程中心，北京 100193)

1 國際可再生能源研發的重點是生物能源

奧巴馬政府延續了前任的可再生能源戰略，在就職演說中旗幟鮮明地提出，“我們將致力于開發太陽、風和土地，為汽車和工廠提供燃料和動力”。“開發土地”即開發土地生長的生物質的生物能源。美國能源部于2009年底起停止了對氫燃料電池電動車研發的支持，改而大力支持發展生物燃料和低碳生物能源。2010年度，美國生物質能研發的撥款為太陽能和風能的5.8倍(生物質能、太陽能和風能3 項分別為10.04 億、1.75 億和1.73 億美元)。

為了促進生物燃料的研發，奧巴馬2009年5月組建由美國農業部(USOA)、能源部和環境保護署(EPA)首長組成的生物燃料部際工作組(biofuels interagency working group)，并為生物燃料的研發主要是生物煉制增撥7.865億美元[1]。該工作組2010年2月3日發表第一份報告:《日益增長的美國的燃料——一種新的戰略目標》(Growing America’s Fuel)。指出，雖然美國已經具有年產120億gal(1 gal=3.785 L，約相當3180萬t)生物燃料的產能，但距離2022年應用360億gal生物燃油(其中210億gal為先進的生物燃料)和2010年生產100億gal纖維類乙醇的目標還相差甚遠。為此采取協調促進生物燃料生產的重大措施。一是責成美國環境保護署制定新的燃料標準(RFS2)，汽油中的乙醇含量上限由目前的10%提高到15%;自2000年開始，美國汽車業已著手生產可適用于最高可添加85%乙醇的燃料即E85燃料的靈活生物燃料汽車(flexible fuel vehicle，FFV)，目前已有800萬輛投入使用。二是責成美國農業部提出生物能源作物生物量援助計劃(BCAP)，提供種植者補貼資金，以增加和確保第二代生物燃料的原料供應——年提供10億t生物質原料。該報告強調加強政府與美國私營部門伙伴關系，通過跨部門努力和以小企業為中心的模式建立先進生物燃料生產及市場。農業部長維爾薩克說:“推進生物質和生物燃料生產有潛力創造綠色就業機會，這是奧巴馬政府正在努力重建(rebuild)和振興(revitalize)美國農村的多方面努力中的一個。”環保署署長麗莎·杰克遜說，可再生燃料標準將有助于給數百萬美國人，特別是在農村的人帶來新的經濟機會[2]。

針對玉米乙醇的局限性，美國還提出“先進生物燃料”(advanced biofuel)概念。先進生物燃料指玉米乙醇以外的一類生物燃料，它們的全生命周期溫室氣體排放量比石化燃料至少低50%。包括木質纖維類乙醇，玉米以外的其他能源作物以及有機廢棄物為原料的乙醇，生物質基(熱解氣化合成)生物柴油，各類原料產生的沼氣，生物質基丁醇[3]。

瞄準大幅增強國家實力的戰略目標，美國能源部推出了類似“前瞻性國防研究計劃”的戰略性能源換代技術研究計劃，并設立了專門管理部門(advanced research projects agency，ARPA)。國會批準在2008―2012財政年間撥款49億美元[4]。ARPA-E的特點是針對提高石油自給水平、改善所有部門能效、減少溫室氣體排放以及維護美國在全球能源技術開發利用方面的領導地位的四大目標，鼓勵富有革命性的研究。2010年首輪3700多份研究申報書中，生物能源占15%。太陽能占18%;風能只占5%;核能更少，只占2%;燃料電池占6%;提高能效占14%;智能電網占6%。

瑞典農業科學大學能源和技術系的L.Svetlana研究組2009年查詢了ISI Web of Knowledge數據庫內所有有關可再生能源的研究文獻，共獲9724篇。其中，關于生物能源的有 4911篇，占第一位(50%)。而關于水電、風能和太陽能的只分別占18% 、16% 和 4%[5]。

德國是歐盟發展生物能源積極國家之一，可再生能源現已占總能源消費量的16%。2010年政府對新能源和氣候變化的研究投入達10億歐元。2010年9月28日，總理默克爾宣布了該國向低碳能源轉型的藍圖[6]，要求在未來40年里，結束幾個世紀以來對石化能源的依賴。2050年可再生能源占總能源消費量的比率提高至60%，并減少80%的溫室氣體年排放量。實現這些目標的手段是采取60項措施，實行能源“綠色革命”，重組能源結構。被列為重大措施的是發展生物能源，風能以及電動汽車(2030年達600萬輛)，2011年春將出臺相應的能源研究計劃。

瑞典則是歐盟中對通過可再生能源減排溫室氣體和實現能源自給最激進的國家。20世紀70年代，其能源消費對石油的依存度高達77%。但到2003年已銳降至32%。2006年，瑞典首相佩爾松宣布，瑞典將在2020年成為全球首個告別石油的國家。自那之后，該國的可再生能源研發明顯加速。2010年4月7日，瑞典可持續發展部部長薩爾林對媒體重申了這一宏偉目標。稱到2020年將沒有汽車再使用汽油，生活用能(如電力、取暖)不再使用燃料油。

世界生物乙醇兩大領跑國之一的巴西，把生物燃料放在該國優先地位，作為應對世界經濟危機的重大舉措。巴西生產乙醇的潛力非常大:目前全國用于農業的耕地僅占國土面積的7%，而用于生產甘蔗的耕地僅占耕地面積的6%，為570萬hm2(8550萬畝)。該國2005年甘蔗乙醇的產量為155億L(1240萬 t)，計劃到2025年年產900億 L(7200萬t)，遠期規劃年產量 4000億 L(3.2億t)。除國內消費外，主要向美國、日本和印度等國出口。巴西全國公民協會主席Dilma Rossef 2008年在國際生物質能大會上指出:“目前全國以乙醇替代了50%的汽油，這一比例還在快速提高。自2003年啟動靈活燃料汽車(FFV)市場以來，已有700多萬輛。現在銷售汽車中90%以上是FFV汽車。在發展中國家，生物燃料應放在優先地位，以應對世界經濟危機。”

2 國際特別是美國生物能源研發的重點是第二代生物乙醇

2009年全世界的燃料乙醇產量是5859萬t，生物柴油1360萬t。其中，美國170家一代生物乙醇企業生產了3400萬t(107.5億gal)。國際能源署(IEA)2009 年發表的《世界能源展望》預測[7]，到2030年，生物燃油將能替代全球交通運輸用汽、柴油總需求量的9%(相當于11.7×1018J);而到2050年，這個比率將達到26%(相當于112×1018J)。其中，90%的量將是第二代生物燃料(包括纖維類乙醇，Bio-SNG即生物合成天然氣，BTLDiesel即生物質轉化的柴油替代品如二甲醚DME)。而其一半將來自非經合組織成員國，中國和印度將占到19%。

近十年來，歐盟生物乙醇的產量從2000年的200×1000 L，增至2009年的105000×1000 L。歐盟的生物柴油應用量占全世界的80%以上。產量從2004年的230萬t，2008年產能增為1600萬t。

2007年3月，歐盟首腦會議制訂了2020年的三個“20%”目標:a.減排溫室氣體20%(比1990年基數);b.提高能效20%;c.可再生能源占能源總消費量的20%，其中，生物燃料占到運輸燃料的10%。2009年歐盟的若干研究機構推出了《生物能源未來發展路線圖》(From inconvenient rapeseed to clean wood:a European road map for biofuels)[8]。提出為了大幅減少溫室氣體排放和實現2020年的目標，僅靠第一代生物燃料遠遠不夠。必須大力開發第二代生物燃油，并使之在2015年前后進入實際應用，2030年居主導地位(屆時生物能源占總能源的35%)。為了確保木質纖維類原料的供應，必須加大多年生能源作物的研發力度。此外，還要從7個方面加大政策支持的力度。2009年10月，歐盟委員會通過了低碳技術發展計劃(SET-Plan)，要求在未來10年對低碳技術追加500億歐元的公共及私營投資，并且制定了低碳技術產業的發展路線圖。指出生物燃料的研發重點不能只局限于轉化技術，還應重視整個生物質從原料到各種產物的增值利用及相關技術。

2.1 值得注意的動向

國際可再生能源和“第二代生物能源”主要是木質纖維類乙醇，經歷了近幾年的研發“熱”。主要是設法降低生產成本特別是酶的成本，為玉米秸稈纖維素乙醇的大規模產業化生產創造條件。丹麥的Novozymes生物技術公司稱，已將玉米秸稈纖維轉化成糖所用的酶制劑的成本降低了30%。實驗室價格已降至每加侖10～18美分(1 gal=3.785 L)。然而近來這一發展的勢頭似受到挫折。2010年8月出版的Science可再生能源專集傳達的信息是，可再生能源成為“支柱性”能源所需的時間，要比原先預測的長，可能需要半個乃至一個世紀[9]。美國國會2007年通過的《能源獨立與安全法》(EISA)曾強制性規定，到2022年須使用可再生燃料360億gal。其中，纖維素乙醇(“第二代生物燃料”)年用量須達160億gal。但由于生產成本的下降遠未達到預想的速度，加以木質纖維類原料酸預處理造成的環境問題未能妥善解決，發展的勢頭減退。美國環境保護署2010年7月宣布，將原定到2011年纖維素乙醇須達2.5億gal的指標，幾十倍地大幅度下調為650萬～2550萬 gal。Hoffert和 Davis等在最新出版的Science分別發表論文，均認為按照目前替代能源的發展速度，到2050年將大氣CO2濃度穩定在450 ppm(1 ppm=10-6)以及增溫效應低于0.7℃的目標無法實現[10，11]。

2.2 科學界與產業界在第二代生物燃料發展重點上認識有分歧

相對于美國政府和生物燃料業界把重點完全放在一、二、三代生物燃油上，科學界的態度有很大的不同。2009年8月，美國科學院、美國工程院和美國國家研究會聯合組建的委員會，完成了大型決策咨詢報告——《美國能源的未來》[12]。報告認為，鑒于美國是世界少數幾個煤的開采和使用的最大國家之一，煤的儲量也極大，因此，“第二代生物乙醇”起到的將只是“過渡性作用”。更多的將是生物質熱化學轉化的烴類燃油(所謂“生物質變油”，biomass to liquid(fuel)，BTL)。而且主要是用生物質與煤的混合物作原料轉化的一類特殊生物能源，起名為“煤/生物質變油”(coal-and-biomass-toliquid(fuel)，CBTL);由于生物質在CBTL中取代了約45%的煤，而生物質能是全生命周期碳凈排放為零，因此，煤/生物質混合基燃油——液態烴類的最終碳凈排放量，會比單用煤轉化的燃油以及石油基汽/柴油大幅減少，從而有助于實現大幅度減排溫室氣體特別是CO2的國家目標。該報告預測，到2035年，煤/生物質混合基燃油，單獨使用煤轉化的液態烴類燃油，加上第二代生物燃油即纖維類生物乙醇，合計可約日產500萬桶，相當于目前美國交通運輸用石化燃料日消費量(1400萬桶)的35%。

2.3 “第三代生物燃油”的研發

雖然對用藻類生產生物柴油——“第三代生物燃油”的研究已有50年的歷史。美國能源部燃油開發辦也曾在1978―1996年間設立過利用水塘水面及發電廠排出的CO2廢氣生產油藻、進而轉化生物柴油的“水生物種研究計劃”(ASP)，但真正全球性大規模的研發工作還是近十余年的事。近年來世界各國十分重視微藻生物柴油技術的研發。Shell與美國從事生物燃料業務的HR Biopetroleum組建Cellena合資公司，投資70億美元開展微藻生物柴油技術的研究。美國第二大石油公司Chevron與美國能源部可再生能源國家實驗室合作研究微藻生物柴油技術。以色列Inverture Chemical與 Seambiotic合資建設開放池光生物反應器系統的微藻生物柴油工業示范裝置。美國國防部試用了微藻生物柴油，發現其具有優異的低溫性能，特別適宜寒冷地區使用。荷蘭AlgaeLink已開始向全球銷售其封閉式光生物反應器，并提供相關技術支持，該公司還與荷蘭皇家航空公司共同開發用于航空領域的“微藻航油”。

然而當前全世界已有的油藻生產的主要目的，尚非生物能源而是食物及飼料的添加劑。其年產量(5000 t，干藻重)也完全無法與已大量用作生物柴油原料的棕櫚油的年產量(400萬t)相比。通過對全部替代歐洲國家年柴油消費總量(4億m3)的理論測算，以油藻的生產率4萬L/(hm2·a)(含油率50%)計，不僅目前的油藻生物質產量須增加3個數量級，而且成本須降低10倍。即便如此，尚需要相當于葡萄牙一國面積的土地。專家確信，“第三代生物燃油”將在未來10～15年后走上大規模生產和應用之路[13]。

在藻類生物柴油的開發上，目前存在著兩種對立傾向:一種是急于擴大生產性試驗的規模，希望盡快實現商業化。另一種則強調尚需進一步加大研究的深度，主張穩步發展。筆者認為，可行的途徑必定是經過多學科研究的配合，對整個產業鏈即從基礎生物學研究，藻種選育和基因工程的遺傳改良，生物過程工程，直到生物煉制和全系統設計，作分別的研究和優化的整合，最終實現對油藻所有成分的高價值利用[14]。

在提高油藻生產效率方面，重點是優良品種的選育乃至采用基因工程人工合成兼具若干優異光合和儲存生理特性的“理想光合型”藻細胞，包括盡快繪制出若干品種的全基因系列測序圖譜。其次是進一步探明藻細胞組織內成油的機理。例如，應激(培育藻的環境條件惡變)會使藻細胞內油脂的形態和儲存點發生變化，從而增加嗣后提取油脂的能量消耗。又如如何使油藻在光飽和條件下(晴天的一般情況)，仍能有較高的光合效率。

在降低成本和能量投入方面，改進收獲、(離心機)濃縮和破細胞壁后超臨界CO2萃取藻油提取油等工藝是關鍵。例如，培育細胞壁(藻油的儲存處)較薄但又較堅固的藻種便是一條可行途徑。

經濟地生產油藻，應是在低成本獲取大量生物柴油原料的同時，還要通過生物煉制產出相當數量的、高價值的有機化學合成基礎物(又名“砌塊”化學物質如乙醇、丙三醇等)，食物營養物和飼料添加劑等。以植物蛋白為例，由于油藻的蛋白質含量為40%，如果以油藻生物柴油全部替代歐洲國家每年的柴油消費總量，則可年產3億t油藻蛋白。這個數量是目前歐洲國家每年進口1800萬t大豆獲得的蛋白質量的40多倍。

3 生物天然氣和生物質顆粒燃料兩類生物能源異軍突起

近年來，國際上對可再生能源前景的評價出現了兩種趨勢。一種觀點以美國前副總統戈爾為代表，認為美國可以在10年內在發電領域用可再生能源和真正潔凈無碳能源完全取代化石能源[15];持更激進觀點的還有美國斯坦福大學教授Jocobson和Delucchi，他們2009年在《科學美國人》上發表宏偉設想，目標是全球在2030年實現可再生能源化[16]。

另一種觀點則認為，從近三百年的歷史表明，能源的換代和轉型是較漫長的過程。Smil認為，可再生能源全面替代化石能源需要1～2個世紀[17]。國際應用系統科學研究所(IIASA)的Arnulf Grubler指出，可再生能源需面臨從制取、轉換到運輸的一系列基礎設施的巨大挑戰。并且為了全面使用，還要像當年為了使用化石能源那樣，研發出諸如蒸汽機、內燃機、氣輪機和燃氣輪機等專用設備。為了實現這些目標，需要更長的時間和更多的投資[18]。

Richard Kerr等人更認為，化石能源的三大獨特優點——能量密度大，易于運輸和儲存，以及能量利用的轉化率高——是可再生能源無法與之匹敵的。基于石油、天然氣這類高質能源的社會，很難在使用可再生能源后仍保持高的生活質量。因此他們對可再生能源全面替代化石能源的前景更表示懷疑[19]。然而這種看法卻完全忽略了一個事實:即沼氣和生物質顆粒燃料(“生物煤”)雖然也屬于可再生能源，但在與化石能源特性的相比居于劣勢的眾多可再生能源中，它倆卻是例外。近年來，生物天然氣和生物質顆粒燃料兩類生物能源在歐盟國家異軍突起，發展勢頭強勁。

使用天然氣能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于減少酸雨形成，延緩溫室效應，從根本上改善環境質量。因此，作為一種潔凈能源，天然氣的研發廣受青睞。

“非常規天然氣”——頁巖氣，煤層氣，以及沼氣、垃圾填埋氣等正在成為世界天然氣行業新的生長點。頁巖氣(shale gas)現已成為美國最熱點勘探對象之一。對頁巖氣的研究特別是黑色頁巖沉積、頁巖氣生成等方面的持續研究和取得的大量研究成果，極大地促進了頁巖氣勘探開發和生產。1998年，頁巖氣僅占全美天然氣總產量的2.3%，而2008年已占15%(1000億m3);并由于潛在資源量多達28.3萬億m3，“拯救了正陷于資源枯竭中的美國天然氣產業”[20]。而在歐洲，由沼氣凈化和提純得到的“生物天然氣”正在形成大的“氣候”[21]。

20世紀90年代中期以來，沼氣在歐盟國家的利用態勢發生了重大的轉折，進入一個全新的產業化和商品化階段。如今，在不少歐盟國家，尤其是德國、瑞典、奧地利等，由城市和鄉村的固、液有機廢棄物加上專用能源作物產出的沼氣，經凈化和提純成為生物天然氣，或直接通入天然氣管網，或以壓縮氣方式送至汽車加氣站。正在成為一大可再生能源產業[22]。

大規模生產的沼氣不但替代煤發電和供熱(熱電聯產，CHP)，而且凈化和提純后(“生物天然氣”)還替代天然氣作為車用燃料和民用燃氣。瑞典、奧地利和瑞士已分別有數萬輛使用生物天然氣的汽車。德國2010年已有5000座大型沼氣工廠，以往沼氣主要用于熱電聯產，2009年發電產能達1597 MW，超過水電而僅次于風電(德國是全球第一風電大國)。預計到2020年，沼氣發電產能將占總發電產能的10%。近年來，開始轉向經凈化和提純成為生物天然氣后，直接注入天然氣管網或用壓縮罐送至汽車加氣站。出現以上態勢的背景，首先是歐盟的《生物燃料指令》規定到2010年底，生物燃油在交通運輸燃油總消費量中的比例必須不少于5.75%，以及出臺對替代燃油的補貼政策。其次是這些國家的政府希望擴大清潔能源，包括由可再生能源生產的所謂“綠色電能”的使用，從而大幅度減少溫室氣體的排放量;再次是為了減少對從俄羅斯進口天然氣的過分依賴，提高能源自給水平。

北歐國家地處泰加原始森林，林木采伐和下腳料資源極其豐富。地處寒溫帶至寒帶的這些國家常年有長達7～8個月的取暖期。以往取暖的能源主要靠電和天然氣。20世紀70年代的世界能源危機，激發了對森林資源的開發利用。樹皮、鋸末、枝叉及木材加工下腳料是最主要的生物質原料，其次是農作物秸稈。為了適應工業化利用的需要，松散、體積大而能量密度低的生物質原料必須通過壓粒(pellet)或壓塊(briquette)，改變形態、能值特性，燃燒效率大幅度提高。為此，以瑞典為代表的歐洲國家的的科研單位和生物能企業對壓粒(塊)工藝和設備開發做了大量的工作。僅瑞典一國即有十幾家制造壓粒(塊)設備及其附帶的取暖、發電設備的跨國企業。早在2002年，瑞典全國采暖用能總量(546億kW·h)中，來自生物質能的已占到60%。2005年生物質顆粒(塊)燃料的消費量達150萬t，比上一年增加25%;此后繼續快速增長，2009年已超過200萬t。

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