解讀生物能源：新能源產業及對環境、生態與社會經濟發展的影響*

文/趙 軍

1中國科學院科技政策與管理科學研究所 北京 100190

2中國科學院研究生院 北京 100049

3中國科學院院士工作局 北京 100190

化石能源一直是近現代經濟社會發展的基石，然而目前正面臨著日益枯竭的困境。因此，開發新型可再生能源成為解決能源安全問題的必經之路。生物能源是一種重要的可再生能源，但是生物能源對于促進新能源產業的發展及其對生態環境變化、糧食安全和經濟發展等方面的潛在影響，一直也是爭論熱點，而世界各國又不得不對生物能源發展做出抉擇。在這一抉擇過程中，必須充分且客觀地認識生物能源的前景、挑戰與風險，準確地把握其發展方向。

1 新能源產業中的生物能源

煤、石油、天然氣等化石能源是由上古時代的動植物遺骸沉積于地下數百萬年，經復雜的物理化學變化而形成的，它是目前全球消耗的主要能源，每年占全球消耗能源的80%以上[1]。隨著社會經濟快速發展，化石能源有限儲量和人類日益增長的能源需求之間的矛盾正在不斷凸顯，開發更加清潔的可再生能源是世界能源產業的必然趨勢。

在生物能、太陽能、風能、地熱能、水能、氫能、核能等新能源中，生物能源比較特殊，它的使用理論上不會凈增溫室氣體排放，同時能在一定范圍內維持甚至增加陸地土壤的碳儲量，從而可有效地解決化石能源枯竭和全球環境污染問題。

1.1 生物質能源概述

生物質能源（Biomass energy），又稱生物能源（Bioenergy），是指來源于生物質原料的可再生能源。生物質原料，如農業中的糧食作物、飼料作物，工業中的木材、纖維、化學制品加工殘留物，生產和生活中的廢棄物以及細菌、藻類等微生物的發酵產物等，都可用于生產各種形式的生物質能源，或轉化為電能熱能等其他能源形式[2]。依據原料來源不同、產品形態不同，生物質能源可以劃分為不同類別。較為公認的劃分方式，是2008年聯合國糧農組織（FAO）根據利用效率和加工程度不同，將生物質能源分為初級生物燃料（如木質作物、木質顆粒等天然未加工生物質，用于日常生活和小型生產等，直接燃燒獲得能量）和高級生物燃料（如燃料乙醇、生物柴油、沼氣、發酵氫氣等加工后的生物能源）。其中，高級生物燃料由于產生的能量更高，應用范圍更廣而成為現階段生物能源發展的主體[3]。

燃料乙醇是目前世界上生產和使用最普遍的生物燃料。2010年全球燃料乙醇的生產占全部生物燃料累積投資的54%，其中主要集中于美國和巴西[1]。理論上，任何含有大量糖、淀粉或纖維素等糖類物質的原料都可以用于生產燃料乙醇。乙醇混合燃料可以改進發動機的燃燒效果，減少一氧化碳、二氧化硫、未燃碳氫化合物和煙塵等致癌物質的排放。因而，已經有越來越多的國家明令要求在汽油中添加一定量（10%—15%）乙醇作為運輸燃料（Gasohol），以緩解石油消費壓力，同時限制大氣污染物的釋放[1,4]。

生物柴油是植物油或動物脂肪與某些醇類及氫氧化物催化劑經過酯化作用而獲得的一種長鏈脂肪酸單烷基酯[1]。從世界范圍看，最常用的原料有油菜籽，還有大豆、棕櫚、椰子、麻風樹以及向日葵、各種麻類及藻類植物、動物脂肪。生物柴油可以和礦物柴油混合使用，甚至不經混合也可直接用于任何未經改造的壓燃式發動機。生物柴油中較高的氧含量有助于充分燃燒，且含硫量低，大大降低了環境污染物的排放。

第一代生物燃料產業，主要依賴于玉米、小麥等糧食作物作為原料，成本較高，其發展很大程度上依賴于政府補貼。第二代生物燃料則擴大了生物質原料的取材范圍，不僅可以利用現有作物的非食用部分，如糧食植物經食物提取后所剩的莖、葉、表皮等，還可利用芒草、柳枝稷、麻風樹等其他非食用目的的植物，甚至包括木屑、樹皮等工業廢棄物和水果壓榨所剩的果肉纖維等[5]，生產成本有望顯著降低，且能夠減少90%的溫室氣體排放。由此可見，原料廣泛的“第二代生物燃料”能夠在更大范圍內提供燃料供應，同時產生更大的環境效益。目前世界各國都加大了對發展第二代生物燃料的投入力度。

1.2 生物能源在新能源產業中的角色

相比于其他形式的新能源，生物能源在原料來源、燃料形式和環境可持續性等方面表現出其特有的優勢：

首先，生物能源不僅取材自各種能源作物，還可以利用農業、畜牧業、林業的加工剩余物、畜禽糞便以及工業的副產品和廢水廢渣、城市生活垃圾等，因而具有廣泛的原料多樣性。

其二，生物能源的產品形式多樣。既可以用于直接燃燒供熱和發電，又可以用作交通運輸燃料，還可以在提供能量的同時聯產生物塑料、生物纖維以及生物化工原料等產品，促進形成龐大的生物制造產業體系。

其三，生物燃料燃燒后的全部有機物質均能進入地球的物質循環，所釋放的二氧化碳（CO2）也會重新被植物吸收再次作為生物質能源被固定，從而可以實現零碳循環。物質上的永續性、資源上的可循環性使得生物能源產業先天具備低碳環保的生產特征。

另外，生物能源產業可以促進工農業聯動，創造更多農村就業機會，增加農民收入，帶動農村經濟發展；還能促進制造業、建筑業、汽車運輸、航空航天等其他行業發展。生物能源在生物經濟中將扮演重要角色。

2 生物能源的環境影響

除了對能源安全問題的關注之外，對于環境可持續發展的考慮也是在世界范圍內發展生物能源產業的另一個重要推動力。減緩環境污染、減少溫室氣體排放已成為許多國家設立推動生物能源產業支持性政策措施的明確目標之一。

2.1 生物能源的環境裨益

事實上，化石能源也是古老的生物質能，但由于化石能源中所含的碳元素已離開地球碳循環太久，燃燒化石能源相當于將地下的碳元素以CO2的形式釋放到大氣中，從而給環境造成了溫室氣體的凈增加。這種能量的損耗以及空氣的污染都是不可逆的。相比之下，各種植物和農作物在生長過程中通過光合作用直接將大氣中的CO2轉化成有機物儲存在生物質中，轉化為生物能源燃燒后，會再以CO2的形式回歸大氣。這種碳循環所需的時間相對較短，因此，生物能源有時也被稱作“碳中性”能源。使用生物能源替代化石能源最直接的環境優勢正是它可以減少溫室氣體和酸性氣體的排放，并在一定范圍內維持大氣與陸地中碳含量的平衡[6]。

然而，值得注意的是，從生物燃料的角度看，其對于能量的凈供給量，不僅取決于該生物燃料中的能量成分，同時還取決于生產這種生物燃料所耗費的能量。人們將一種生物燃料中所含有的能量與其生產中消耗的化石能量的比值稱為化石能量平衡（fossil energy balance），用以衡量各種生物能源凈能量的高低[7]。傳統化石燃料的化石能量平衡理論上應為1.0，但由于原油煉制和運輸上的部分能源消耗，該數值在實際的汽油和柴油生產中僅為0.8—0.9[3]。不同的作物原料在生產同種生物燃料時的化石能量平衡差別很大。例如，生產燃料乙醇，玉米的化石能量平衡為2.0，而甘蔗最高可達到8.0。因此，巴西利用甘蔗的生物質殘留物為原料生產乙醇是一個極為成功的選擇。以纖維素為原料的化石能量平衡可以超過10.0[8]，因此以木質纖維素為基礎的“第二代生物燃料”在能量平衡中的優勢也表明其很可能成為未來替代能源的發展趨向。

另外，一些國家或地區生物質能源原料基于城市和工業廢料，也可以為環境可持續發展做出巨大貢獻。如包括用農業和食品加工廢料厭氧產生沼氣，產生的沼氣經傳統的熱電聯產裝置（CHP）燃燒產能，系統產生的固體廢渣則作為有機混合肥料出售，形成循環經濟；或直接通過工業木屑等生物質氣化，為城市居民供熱、供電[6]，形成“零污染”的生物能源體系。

2.2 生物燃料與環境效益

盡管生物能源在理論上是“碳中性”，但也有人質疑其對環境一定會產生積極的影響。與計算化石能量平衡的原理相似，利用生命周期評價（life-cycle assessment，LCA）方法，可以計算生物燃料的溫室氣體平衡（greenhouse gas balance）[9]，它表示一種生物燃料在其整個生產和使用期間的溫室氣體總排放量與生產和使用等能效的化石燃料所排放的溫室氣體總量之間的比較[3]。計算結果顯示，雖然理論上生物質能源是碳中性的，但是在生產和使用過程中各個隱藏環節中的額外碳排放卻是不容忽視的。若在生產加工中采用的方法不當，生物燃料可能比化石燃料產生的溫室氣體還要多。如，在作物種植中，由于施加含氮化肥而釋放出的溫室氣體N2O，其導致溫室效應的潛力比CO2高出約300倍[10]；又如，生產燃料乙醇的玉米每公頃每年可固定約1.8噸CO2，而作為第二代生物燃料作物的柳枝稷（switchgrass）每年每公頃最多能儲存8.6噸的CO2，但若將草場或林地轉變成農田來種植這些作物，就將一次性釋放每公頃300噸以上CO2[11]。若為追求生物能源產量，而將原本的森林或農作物用地改作種植能源作物，相當于釋放了土壤中儲藏的碳，在大量碳排放后可能需要很多年才能通過替代化石燃料取得的減排得以恢復，此舉顯然有失明智[12]。這說明并非所有形式的生物質能源都會對溫室氣體平衡產生積極影響。

目前生物燃料的生命周期評價主要集中于美國和歐洲的生物柴油以及巴西的甘蔗乙醇，也還有一些對棕櫚油、麻風樹、木質纖維素和生物甲烷等進行的研究。研究發現，乙醇和生物柴油等第一代生物燃料較化石燃料的減排幅度為20%—60%；相比之下雖然第二代生物燃料目前的商品化規模還很小，但與汽油和柴油相比，其減排程度卻可達到70%—90%[3]，因而第二代生物燃料具有更強的環境效益。

3 生物能源在生態可持續發展中的利弊權衡

生物能源產業是一種土地密集型能源生產形式。如前述分析，土地用途轉變會對碳排放造成一定影響。除此之外，發展生物能源對土壤、水和生物資源等生態環境都會產生影響。據國際能源署預測，未來幾十年內全球用于生物燃料及其副產品生產的土地面積將增加到現在的3—4倍[1]。生物能源產業的進一步發展可能會占用畜牧業草場及其他農作物用地甚至天然森林，還可能增加對未開墾土地的壓力。

相對于土壤資源的壓力，水資源短缺是一個更嚴重的問題。隨著生活用水和工業用水增加，再加上氣候變化，最終可以供農業利用的水資源量越來越少[3]。在生物能源產業中，不少主要能源作物（如玉米、甘蔗、棕櫚等）都需要大量的淡水灌溉才能達到商業化產量[13]。以燃料乙醇為例，每生產1加侖則需要消耗大約4加侖的水[14]。若在干旱和半干旱地區發展種植能源作物則需要額外的灌溉水供給。此外，在生產過程中的洗滌、蒸餾、冷卻等環節也需要消耗大量水，這勢必讓業已匱乏的淡水資源面臨更大威脅。

土壤與水資源的質量也會受到生物燃料生產的影響。施用化肥、殺蟲劑和除草劑等可能會引起水污染，造成局部水域和土壤的富營養化，水體含氧量嚴重降低，從而導致水生生物可能無法生存。北美最大的河流密西西比河灌溉了美國境內40%的土地，也恰恰由于密西西比河流域的大范圍玉米及其他農作物，因施用化肥而使大量的氮與磷經由河流流入墨西哥灣，刺激水生藻類過度繁殖，大量藻類死亡后沉入海底分解，消耗了海水中過多的氧氣，使得其他海洋生物缺氧死亡[15]。在美國，燃料乙醇的發展更使得玉米的種植量不斷加大，并促使更多的林地和草場改作農田，進一步加重土壤侵蝕、地表沉積，施用化肥造成過多氮磷元素滲入地下水源，匯入河流與海洋。

生物能源的發展對于野生和農業生物多樣性的影響也同樣不可小覷。雖然在生物燃料擴大生產時退化土地的開墾對于局部生態系統具有一定的積極作用，但與之相比，因作物種植面積擴大，以農田取代原自然生態系統所帶來的水土流失和生物多樣性破壞等負面影響則顯得弊大于利。生物多樣性流失的首要禍端就是占林為田后造成的生物棲息地的喪失[16]。研究預測，在美國中西部地區20%的邊際土地上，因經濟和政策等激勵因素，擴張種植生物能源作物（玉米和大豆）將導致鳥類的豐富度減少7%—65%[17]。另外，農田集約化生產也使得作物品種相對單一，因而也會因遺傳多樣性水平較低而使農業生物多樣性流失[18]。俗稱假高粱的石茅就是一種曾被人工引進的飼用牧草，但其很快卻成了困擾美國16個州的侵略型雜草。石茅泛濫生長，與棉花、大豆競爭資源以致作物減產，其中僅3個州每年因此至少損失3000萬美元。因此，必須謹慎關注如何管理和發展生物燃料，在確保社會收益最大化的同時，使生態環境風險降到最低。

4 生物能源與社會經濟發展

過去10多年中，大多數發達國家和部分發展中國家頒布新能源與環境政策推動了生物質能源產業的發展，這與社會經濟發展之間的相互作用也在不斷發生變化。

4.1 能源農業與國際貿易

生物能源的快速發展，將農業與能源空前緊密地聯系在一起。它們的關系主要體現在生物能源在農業和貿易領域的市場競爭力上。一方面，石油資源的短缺和國際原油價格的不斷上漲，使得燃料乙醇、生物柴油等生物燃料與汽油、柴油等化石燃料在能源市場上形成直接競爭；另一方面，在農產品市場上生物燃料生產與糧食和飼料的加工亦形成拮抗關系。近年來，越來越多的貿易往來也不再限于鄰近國家和地區，生物燃料和原料的國際貿易快速攀升。此時，放松或限制生物燃料產品貿易政策都有可能對未來產量和消費模式產生很大影響。如果有完善的國際貿易體制，能源產品的流通可同時為出口國和進口國建立互惠關系：一方面出口國可以借此增加額外收入并增加就業機會，另一方面進口國又可實現溫室氣體減排和復合燃料多樣化。由此可見，國際貿易準則對于全球生物燃料發展至關重要。

生物能源產業發展有助于豐富農村產業結構，減少貧困，促進能源農業發展。在巴西的能源產業中，對石油化工行業1個就業崗位的投資是22萬美元，而生物燃料行業僅為1.1萬美元。這意味著在石化行業創造1個就業崗位，就可以在燃料乙醇行業創造多個就業崗位。在我國，生物質原料多分布在東部經濟發達地區，與風能、水能、太陽能資源富集區與終端市場分離不同，那里人口密集、能源需求最大，生物質資源不僅具有儲藏量的優勢，更存在區位上的優勢[19]。生物能源產業原料在“三農”，而加工和市場在工業和城市，是構建新型工農城鄉關系的最佳紐帶和抓手。

4.2 糧食安全

據FAO數據，全球有超過9.25億人存在嚴重的營養不良問題，其中16%來自發展中國家[20]。隨著生物能源產業的發展，原本供給食用或飼料加工的作物（如玉米、大豆等）被轉而用于生產生物燃料，可能讓一些國家和地區面臨土地競爭和糧食安全的威脅。生物燃料的擴大生產將對貧困人口的糧食安全問題產生何種影響，是生物能源發展的又一重要議題。生物能源的生產并不是造成糧食危機的主要原因，最根本原因是原油價格影響著生物燃料價格從而影響農產品價格。

事實上，沒有一種生物燃料可以在不影響糧食供應的同時大規模替代石油[7]。生物燃料的原料作物同時也和其他農作物爭奪生產資料。當生物燃料需求抬高了作物原料的價格時，以相同資源為基礎的農產品價格也都會隨之水漲船高。即便使用非糧作物生產生物燃料，也不一定能夠消除糧食和生物燃料之間的競爭。雖然糧價上漲一般會對農村貧困人口的購買力造成負面影響，但農村貧困人群也可能從生物能源產業所催生的勞動力就業機會中受益。農產品價格的上漲將會刺激原料產區對低技能農業生產者的勞動力需求，促進農民收入增加。如有合理的政策扶持和價格補貼，仍有機會將糧食安全的風險降至最低。

4.3 生物能源產業的戰略決策

在當前能源危機、資源危機、環境危機的全球局勢下，大多數發達國家和發展中國家都將生物能源作為解決問題的突破口。目前，已有許多成熟的政策被各國所采用，如強制規定在汽油中混入乙醇等生物燃料；對生產、配送的補貼和稅收激勵機制；設置關稅壁壘用以保護本國生物燃料生產等等[2]。但這些恐怕還遠遠不夠。良好的政策措施，不但需要保證產業的經濟效益，還要考慮節能收益、溫室氣體減排、資源與生物多樣性保護以及糧食安全等。生物能源產業的可持續發展，迫切需要更合理、更完善、更有效的產業政策。這要求決策者和管理者對各種生物燃料的各個生產與使用環節具備清晰且準確的認識，并能夠對其中每一部分所產生的各方面影響進行系統的評估。由于政策的制定往往受到社會、經濟、農業、貿易、資源、環境等多方面的制約，因而制訂一套各個領域通用的評價方法顯得至關重要，如化石能量平衡、生命周期評價、溫室氣體平衡等的計算方法以及標準化的可持續準則[3]。

發展生物能源，只有政府對這一新生領域提供政策支持，生物燃料才有可能在市場上同化石燃料競爭。在農業經濟方面，可以適當加入投資激勵機制，包括：為大型生物能源加工廠提供融資渠道，通過配套撥款提高農民參與積極性，降低采用新技術的經營風險，同時為小規模生物燃料生產者提供所得稅抵免等。

生物能源產業政策的制定還必須注意要有預見性和適應性。決策者必須要考慮到圍繞全球生物能源領域相關的各種潛在作用和影響，充分估計各方面的風險與不確定性，并能夠根據產業運行中出現的問題和產業環境的變化及時調整產業結構和發展方向，使政策的最終實現更具可行性。實現這一點還需要依靠各國間建立良好的國際協調合作，制定規范的國際貿易準則，利用現有機制開展國際對話，更好地了解生物能源產業在國際能源領域中的影響，確保在國際體系支持下的可持續發展。

5 生物能源的未來

全球能源和食品需求量仍會繼續飛速增長，這必將進一步加劇化石燃料的使用。雖然當前化石能源在世界能源領域內仍占主導地位，生物能源僅占能源市場中很小份額，而成品生物燃料（乙醇、生物柴油等）僅占全部生物能源總量的1.9%，但生物能源在未來具有巨大發展潛力。據國際能源署預測，全球生物燃料使用將從現在的1mb/d（百萬桶/日）增長到2035年的4.4 mb/d[1]。同時，以第二代生物燃料為主的新型生物能源也會在不久的將來躋入生物能源主流。生物能源需要在理性分析和完善指導下走出一條可持續發展產業道路。未來一個核心問題是如何在協調環境影響和潛在利益的同時滿足全球能源和食品的需求，進而打造出一個嶄新的生物能源時代。這是一個復雜的問題，不能用簡單的解決方案來處理。未來的生物能源是一個需要全球能源專家、生物學家、經濟學家、環保人士、工程師與各地政府乃至社會公民一起合作努力的共同事業[12]。

1 IEA.World energy outlook 2010，2010.

2 DemirbasA.Political,economic and environmental impacts of biofuels:Areview.Applied Energy,2009,86:S108-S117.

3 FAO.The State of Food and Agriculture 2008:Biofuels:prospects,risks and opportunities.Rome,2008.

4 Farrell AE,Plevin R J,Turner B T et al.Ethanol can contribute to energy and environmental goals.Science,2006,311(5760):506-508.

5 Somerville C,Youngs H,Taylor C et al.Feedstocks for lignocellulosic biofuels.Science,2010,329(5993):790-792.

6 Bioenergy I.Benefits of Bioenergy,2005.

7 Hill J,Nelson E,Tilman D et al.Environmental,economic,and energetic costs and benefits of biodiesel and ethanol biofuels.Proc Natl Acad Sci USA,2006,103(30):11206-11210.

8 Rajagopal D,Zilberman D.Review of environmental,economic and policy aspects of biofuels.World Bank Policy Research Working Paper，No.4341.Washington,DC:World Bank,2007.

9 von Blottnitz H,Curran MA.Areview of assessments conducted on bio-ethanol as a transportation fuel from a net energy,green house gas,and environmental life cycle perspective.Journal of Cleaner Production,2007,15(7):607-619.

10 Del Grosso SJ,MosierAR,Parton WJ et al.DAYCENT model analysis of past and contemporary soil N2O and net greenhouse gas flux for major crops in the USA.Soil&Tillage Research,2005,83(1):9-24.

11 Searchinger T,Heimlich R,Houghton RAet al.Use of US croplands for biofuels increases greenhouse gases through emissions from land-use change.Science,2008,319(5867):1238-1240.

12 Tilman D,Socolow R,Foley JAet al.Energy.Beneficial biofuels—the food,energy,and environment trilemma.Science，2009,325(5938):270-271.

13 Grossmann IE,Martin M,Ahmetovic E.Optimization of Water Consumption in Second Generation Bioethanol Plants.Industrial&Engineering Chemistry Research，2011,50(7):3705-3721.

14 Keeney DR,Muller M.Water Use by Ethanol Plants:Potential Challenges.In:Institute for Agriculture and Trade Policy，2006.

15 Donner SD,Kucharik CJ.Corn-based ethanol production compromises goal of reducing nitrogen export by the Mississippi River.Proc Natl Acad Sci USA，2008,105(11):4513-4518.

16 Curran LM,Trigg SN,McDonald AK et al.Lowland forest loss in protected areas of Indonesian Borneo.Science，2004,303(5660):1000-1003.

17 Fargione J.Is bioenergy for the birds?An evaluation of alternative future bioenergy landscapes.Proc Natl Acad Sci USA，2010,107(44):18745-18746.

18 Palmer MW.Biofuels and the environment.Science，2007,317(5840):897-898.

19 Yin XL,Wu CZ,Yuan ZH et al.The development of bio energy technology in China.Energy.2010,35(11):4445-4450.

20 FAO.The State of Food Insecurity in the World 2010.Rome，2010.

趙 軍 中科院院士工作局綜合處處長，原微生物所人事教育處處長。1977年8月出生。中科院科技政策與管理科學研究所在職博士研究生，有6年知名企業高層管理工作經歷，曾當選為首屆中國MBA新銳人物，并獲最佳創新獎。研究領域涉及生物產業、戰略管理、人力資源管理、組織文化。曾主持或參與多個管理課題，在《中國科學院院刊》、《管理學家》、《清華教育研究》等刊上發表多篇論文。E-mail:zhaoj@im.ac.cn