生物質能源產業技術發展趨勢

文/劉秀花

生物質能源產業技術發展趨勢

文/劉秀花

隨著石油、煤炭等化石能源的日益減少，世界各國正面臨著不同程度的化石能源短缺和生態危機，開發和利用清潔可再生能源已成為各國關注的焦點，世界各國紛紛將生物質能源作為解決資源、環境、經濟問題的有效途徑和重要手段。有效、合理開發生物質能不僅可以緩解能源短缺，而且對于保護生態環境和減排溫室氣體具有重要現實意義。

生物質（Biomass）是指通過生物體的光合作用形成的有機物質或由其轉化的物質，例如動物體及排泄物。可利用的生物質包括森林、農作物及農作物廢棄物、農林加工廢棄物和動物糞便。生物質的主要成分為纖維素、半纖維素、木質素、脂類、蛋白質、淀粉、灰分和芳香族物質。其中，纖維素、半纖維素和木質素是不易被人和動物利用的物質，脂肪和芳香族化合物是重要的動植物提取物。由于生物質是通過光合作用固定CO2形成的有機物，因此生物質燃燒后釋放的CO2與光合作用時固定的CO2相當，是一種CO2零排放的能源物質，對保護生態環境減少溫室氣體排放具有重要意義。

生物燃料是可再生能源的重要組成部分，對交通運輸業（陸運、空運和海運）的可持續發展有舉足輕重的作用。例如液體的和氣體的生物燃料：生物柴油、生物醇類（生物酒精、生物甲醇和異丙醇），生物二甲醚（bio-DME），生物油、生物氣（沼氣），生物氫氣，以及填埋場氣（主要是CH4）等等。不同于石油，生物燃料被視為是CO2中性的，因為再其產生過程中吸收了同樣數量的CO2，燃燒釋放量不可能增加。此外，許多生物燃料是含氧的（如生物醇），有助于降低燃燒過程中含氮化合物顆粒的排出量。

我國生物質能源的現狀與發展趨勢

我國非常重視生物質能的發展。“十二五”期間，國家下發多個文件指導生物質能源的發展。國務院發布的《國家“十二五”科學和技術發展規劃》、《國家能源科技“十二五”規劃（2011-2015）》、國家發改委2012年7月下發《可再生能源“十二五”規劃》都明確了發展生物質能源的產業目標。國家能源局特別發布《生物質能發展“十二五”規劃》，明確了生物質能的發展目標。到2015年我國生物質液體燃料將到達500萬噸。低成本纖維乙醇、生物柴油等先進非糧生物液體燃料的技術進步，為生物燃料更大規模發展創造了條件，以替代石油為目標的生物質能梯級綜合利用將是將來主要發展方向。

生物質能，是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉化為固體、液體和氣體燃料，是取之不盡、用之不竭的一種可再生能源，因此生物質能是太陽能的一種表現形式。

我國現階段生物質能源發展的原料主要是油料植物、秸稈及動物糞便等傳統生物質資源。據估算，2012年我國廢棄的農作物秸稈資源7.4億噸，折合3.2億噸標準煤；農產品加工廢棄物1.4億噸，折合標準煤0.17億噸；禽畜糞便7.8億噸，折合標準煤5.3億噸；林木生物質資源10億噸，折合標準煤5.8億噸；生活垃圾3.1億噸，折合0.45億噸標準煤，但生物質資源的實際利用量在1億噸標準煤左右，約占可利用總量的15%～20%，因此具有較大的發展潛力。我國生物質能源發展的一個基本原則是“不與人爭糧，不與糧爭地”，因此，生物質能源主要來自于農林廢棄物。

到2015年，生物質能年利用量超過5000萬噸標準煤。其中，生物質發電裝機容量1300萬千瓦、年發電量約780億千瓦時，生物質年供氣220億立方米，生物質成型燃料1000萬噸，生物液體燃料500萬噸。建成一批生物質能綜合利用新技術產業化示范項目。

全球生物能源技術發展趨勢

理想的生物燃料應該是能夠用非食品原料廉價生產，常年供應且能方便地使用現有供應設施，其能量密度與汽油或柴油相當。可以使用10%～25%（E10-E25）混合生物乙醇汽油的汽車數量正在增加。新型彈性燃料車輛能夠燃燒任意混合比例的生物乙醇，包括百分之百的水合乙醇（E100）。類似的，生物柴油也可以任意比例混合，混合的比例已經從現在的2%～5%（B2-B5）設定到未來的10%～20%（B10-B20）。與生物乙醇比較，生物柴油含有更高的碳含量，能夠產生類似于傳統柴油相當的熱值。生產成本尤其是原材料的價格是目前更高比例混合生物燃料的限制因素。

第一代生物燃料是目前商業化較成功的生物燃料，包括生物乙醇和生物柴油，其原料是甘蔗、玉米、小麥、谷物、菜籽油，蔬菜油和提取的動物脂肪。第一代生物醇（生物乙醇）是通過啤酒酵母發酵來源于作物的植物糖和淀粉產生的，這些作物包括甘蔗、甜菜和玉米。巴西生物乙醇生產以甘蔗為原料，而美國主要是以玉米為原料生產生物乙醇。第一代生物柴油的生產是對植物油的化學修飾完成的，如油菜、棕櫚樹和大豆等，植物油脂和提煉的動物脂肪通過脂肪酸甲酯化作用生產生物柴油。然而，第一代生物燃料的原材料直接與食品或飼料產品形成競爭，其發展是不可持續的，會導致食物商品價格的飆升，使其進一步推廣受限制。因此生物燃料的發展與推廣需要第二代、第三代甚至第四代生物燃料的發展。

第二代生物燃料已經有了初步發展，其原料包括木質纖維素，生物廢棄物，固體廢棄物。木質纖維素難以降解，從木質素纖維形成可發酵糖要經過多步驟處理，例如原材料前期處理、采用物理的、化學的或生物的進行預處理、可溶性半纖維素糖從固體纖維物中分離出來的固、液分離、酶水解纖維素產生可發酵的葡萄糖等木質纖維素利用中，相當大的精力集中到真菌纖維素降解酶酶解途徑的研究。酶解過程涉及一個聯合過程，是末端葡萄糖水解酶和纖維素外切酶共同作用，兩種酶都隸屬于典型的糖苷水解，是通過攻擊寡糖-多聚糖底物的異構中心中的水分子來實現的。木質纖維素酶的酶活性低、酶解成本高是木質纖維素利用的一個瓶頸。

生物柴油是指由動植物油脂（脂肪酸甘油三酯）與醇（甲醇或乙醇）經酯交換反應得到的脂肪酸單烷基酯，最典型的是脂肪酸甲酯。與傳統的石化能源相比，其硫及芳烴含量低、閃點高、十六烷值高、具有良好的潤滑性，可部分添加到石化柴油中。但是使用動植物油脂生產生物柴油造成與人和動物爭資源的現象。一種新型的油脂生產正在形成——微生物油脂，微生物油脂可以利用農作物秸稈通過發酵方式工廠化生產，不僅可以廢物利用，而且節省土地，用其生產的生物柴油接近石化柴油的性能，有較好的發展潛力。

第三代生物燃料是基于藻類物質的新一代燃料，利用它們產生的碳水化合物、蛋白質、蔬菜油生產生物柴油和氫氣。據估計，藻類產量可達61000升/公頃，相比之下，作物如大豆、菜子的產量分別是200升/公頃、45升/公頃。微藻類特別是小球藻細胞內脂類的積累能夠達到其生物質50%。產生的生物油通常酸值較低，有利于生物柴油的合成。微藻類具有第一代、第二代生物燃料原材料不能比擬的優勢。微藻類能夠使用海水和污水養殖，不會與食品生產形成競爭。

第四代生物燃料主要利用代謝工程技術改造藻類的代謝途徑，使其直接利用光合作用吸收CO2合成乙醇、柴油或其他高碳醇等，這是當前最新技術。雖然該技術尚處于實驗室研究階段，但在環保、成本等方面的優勢已經可以預期。

生物能源產業展望

據統計2010年大約1200億升生物燃料產量用于運輸業，幾乎是2005年的2倍。全球現有生物燃料市場生物乙醇占近80%，其余的主要是生物柴油。市場主要是第一代生物燃料，美國是最大的生物乙醇生產國，產量為490億升，第二位是巴西，產量為280億升，分別占全球輸出的57%和33%。歐盟領導著生物柴油生產，占2010年世界生物柴油市場的53%。預期到2020年，全球生物燃料的總產量為2000億升，其中生物乙醇1550億升，生物柴油450億升。

將來生物燃料將在能源技術的應變上占有重要的地位，白色生物技術在生產生物燃料和化學原料領域具有較大的潛力。第一代生物燃料技術已經成熟，但與食品生產原料競爭。未來生物燃料的發展與推廣需要第二代（木質素纖維、生物廢棄物、固體廢物）和第三代（藻類和藍細菌）技術應用到新興生物燃料的生產。

新一代生物燃料短期內取得商業化成功具有較大的挑戰性。新一代生物燃料的試點和規模化示范仍需繼續進行，因為與取得商業化成功的第一代生物燃料相比其生產成本過高。無論是熱化學的還是生物化學的技術手段，目前還沒有清晰最佳技術途徑。

新一代生物燃料產業要想獨立生存，必須聯合所有可利用的產品，就相當于原油的精煉，這就是生物精煉。生物基經濟取決于生物精煉的概念將會提供更多的經濟利益，其手段是形成生物基化合物和產品，如精細化工，潤滑油和溶劑。

（作者單位：商丘師范學院生命科學學院）