以系統(tǒng)全面科技創(chuàng)新助生物質(zhì)能躍升發(fā)展

■ 中國科學(xué)院廣州能源研究所副所長 孫永明

加強(qiáng)可再生清潔能源技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，推動我國能源結(jié)構(gòu)綠色化、低碳化、自主化轉(zhuǎn)型已成為當(dāng)前勢在必行的時代任務(wù)。在光伏、風(fēng)電、海洋能等諸多可再生能源中，生物質(zhì)能是唯一一種基于光合作用固定二氧化碳形成的可再生碳基能源，可以伴隨農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城市生活等過程以廢棄物形式產(chǎn)生，具有儲量大、分布廣、易獲得的獨(dú)特優(yōu)勢。同時，生物質(zhì)能在使用過程中由于光合作用構(gòu)建的二氧化碳循環(huán)作用而不產(chǎn)生額外的溫室氣體排放，具有天然的零碳屬性，是理想的“零碳型”可再生清潔能源，長期以來受到廣泛關(guān)注。

我國生物質(zhì)能技術(shù)研發(fā)捷報(bào)頻傳

我國作為幅員遼闊的農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源豐富。據(jù)估算，生物質(zhì)年產(chǎn)量約為34.9 億噸，相當(dāng)于4.6 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中主要包含農(nóng)作物秸稈及林業(yè)廢棄物約11.8 億噸，養(yǎng)殖畜禽糞便約18.7億噸，城市生活垃圾約3.4 億噸。然而，豐富的資源稟賦下，我國生物質(zhì)利用量僅為4.6 億噸左右，能源化利用率較低，占比不超過15%。造成生物質(zhì)資源的大量浪費(fèi)主要是受到原料收儲難、轉(zhuǎn)化效率低、技術(shù)成本高、產(chǎn)品附加值低、關(guān)鍵裝備缺乏等多方面因素制約所致。事實(shí)上，不同地區(qū)生物質(zhì)收集環(huán)節(jié)中原料分類、運(yùn)輸儲存等成本受規(guī)模化、機(jī)械化和市場化程度差異較大，導(dǎo)致生物質(zhì)原料成本波動極大，嚴(yán)重降低了生物質(zhì)原料大范圍流通的動力。另一方面，生物質(zhì)能源化轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)中由于現(xiàn)有技術(shù)成熟度不足，規(guī)模化應(yīng)用少，能源產(chǎn)品種類單一、綜合附加值低等因素制約，導(dǎo)致了生物質(zhì)能源化利用的市場動力不足。不同于石油化工體系，不同來源的生物質(zhì)原料存在較大的組成和結(jié)構(gòu)特性差異，難以通過單一的技術(shù)方案及工程裝備實(shí)現(xiàn)不同種類生物質(zhì)資源的統(tǒng)一轉(zhuǎn)化，這導(dǎo)致了生物質(zhì)資源大規(guī)模轉(zhuǎn)化利用難問題進(jìn)一步加劇。解決生物質(zhì)能規(guī)模化、市場化應(yīng)用難題仍需要通過技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的突破得以實(shí)現(xiàn)。

我國高度重視生物質(zhì)能技術(shù)研發(fā)布局，自首個生物質(zhì)能相關(guān)的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位燃料的基礎(chǔ)問題研究”部署以來，依托各類項(xiàng)目支撐，在生物質(zhì)氣化發(fā)電、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、生化轉(zhuǎn)化以及催化轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系。目前，我國在生物質(zhì)能技術(shù)領(lǐng)域有了長足的發(fā)展，部分技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。生物質(zhì)發(fā)電方面，浙江大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與中節(jié)能合作，于2007 年在江蘇宿遷建成運(yùn)行了世界第一臺全秸稈原料的循環(huán)流化床鍋爐，原料燃燒效率達(dá)到89%-92%，打破了丹麥在該技術(shù)領(lǐng)域的壟斷。截至2022 年底，我國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)總量連續(xù)四年位居全球第一。生物天然氣方面，開發(fā)了典型養(yǎng)殖廢棄物發(fā)酵耦合利用技術(shù)，調(diào)質(zhì)發(fā)酵原料產(chǎn)氣率提高30%以上，每噸廢棄物原料生物天然氣產(chǎn)氣量50 立方米以上，全過程無廢水和廢渣排放，并建成規(guī)模化生物天然氣工程超8700 處。生物質(zhì)液體燃料方面，生物乙醇、生物柴油技術(shù)快速產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，產(chǎn)能與產(chǎn)量已位居世界前列，建立了非糧木質(zhì)纖維素原料發(fā)酵生成醇類產(chǎn)品技術(shù)，纖維乙醇濃度達(dá)到70 克/升，綜合成本不高于6300元/噸。

在新型高性能燃料開發(fā)方面，我國近年在生物航空燃料研發(fā)領(lǐng)域捷報(bào)頻傳。中石化、中石油已經(jīng)形成了油脂制生物航空燃料的成套技術(shù)，獲得了生物航空燃料牌照，完成了中美間跨越太平洋的商業(yè)飛行。中國科學(xué)院廣州能源研究所相關(guān)團(tuán)隊(duì)依托“973 計(jì)劃”“863 計(jì)劃”以及“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”等項(xiàng)目支持，完成了木質(zhì)纖維素水相催化制備生物航油技術(shù)開發(fā)與千噸級示范裝置建設(shè)運(yùn)行，該項(xiàng)技術(shù)成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為形成我國資源特色的生物航空燃料新路線奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。與此同時，生物質(zhì)資源在能源化轉(zhuǎn)化技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，還建立了生物基高附加值化學(xué)品、功能材料單體等產(chǎn)品的聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，極大地拓展了生物質(zhì)資源的應(yīng)用場景和技術(shù)產(chǎn)品的綜合附加值，填補(bǔ)了生物質(zhì)資源在能源化利用過程所存在技術(shù)成本高、產(chǎn)品附加值低等短板。

生物質(zhì)能發(fā)展擁有連續(xù)穩(wěn)定的政策保障

我國政府高度重視包含生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，將可再生能源技術(shù)研發(fā)列為科技創(chuàng)新重點(diǎn)戰(zhàn)略方向之一。2021 年發(fā)布的《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》中明確提出積極發(fā)展非化石能源。實(shí)施可再生能源替代行動，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿龋粩嗵岣叻腔茉聪M(fèi)比重。2021 年，國務(wù)院印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》中指出，積極擴(kuò)大電力、氫能、天然氣、先進(jìn)生物液體燃料等新能源、清潔能源在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用。2022 年，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局發(fā)布的《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》中也強(qiáng)調(diào)：“加快纖維素等非糧生物燃料乙醇、生物航空煤油等先進(jìn)可再生能源燃料關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化示范”。上述政策的陸續(xù)出臺，為我國生物質(zhì)能的發(fā)展提供了連續(xù)穩(wěn)定的政策保障。

為有效支撐生物質(zhì)能相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作，我國在《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020 年）》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016-2030 年）》等國家戰(zhàn)略規(guī)劃中，均規(guī)劃部署了可再生能源相關(guān)科技研發(fā)任務(wù)。“十三五”“十四五”期間，通過國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源技術(shù)”“催化科學(xué)”“固廢資源化”等重點(diǎn)專項(xiàng)，部署了生物質(zhì)航空燃料、木質(zhì)纖維素基燃料醇、生物質(zhì)混合醇燃料、高品質(zhì)生物柴油，以及生物質(zhì)酯類燃料等能源產(chǎn)品制備技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目。國內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢科研團(tuán)隊(duì)通過上述項(xiàng)目支持，攻克了生物質(zhì)能源產(chǎn)品制備過程大批關(guān)鍵技術(shù)，建成了國內(nèi)乃至國際首套纖維素類生物質(zhì)水相催化制備生物航油的千噸級示范裝置并完成連續(xù)運(yùn)行測試，航油產(chǎn)品達(dá)到ASTM-D7566 生物航油標(biāo)準(zhǔn)要求。研發(fā)了超低能耗的乙醇、丁醇分離集成技術(shù)，建成了以農(nóng)業(yè)秸稈為原料的萬噸級燃料乙醇、丁醇示范生產(chǎn)線。突破了油脂預(yù)處理與高品質(zhì)生物柴油連續(xù)化綠色制備技術(shù)，完成了千噸級高品質(zhì)生物柴油技術(shù)繼承優(yōu)化，生物柴油產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到GB/25199-2017 要求。開發(fā)了纖維素類生物質(zhì)制備戊酸酯類燃料聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品技術(shù)，并完成千噸級示范裝置建設(shè)運(yùn)行，證實(shí)了生物質(zhì)戊酸酯類復(fù)配燃料能夠有效降低柴油使用過程中碳煙、碳?xì)涞戎饕廴疚锱欧牛饕廴疚餃p排比例達(dá)到15%以上。除能源產(chǎn)品外，國內(nèi)研發(fā)團(tuán)隊(duì)還致力于生物質(zhì)資源化、高值化利用技術(shù)的開發(fā)，建立了生物炭材料的功能化制備技術(shù)，并成功應(yīng)用于儲能電池的研發(fā)中；形成了生物質(zhì)多元醇類等高附加值產(chǎn)品的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，極大地提升了生物質(zhì)能源產(chǎn)品的綜合附加值；開發(fā)的呋喃基聚酯材料有望實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PET 塑料的綠色替代，能夠降低石油基塑料產(chǎn)品濫用導(dǎo)致的嚴(yán)重環(huán)境污染。上述研究成果有望在我國“碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略中提供有力的科技支撐，為我國在綠色低碳能源技術(shù)競爭中爭取先發(fā)優(yōu)勢。

生物質(zhì)能源產(chǎn)品技術(shù)體系已相對完整

在全球溫室氣體減排目標(biāo)背景下，各國積極推進(jìn)生物質(zhì)能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。由于各國的生物質(zhì)資源稟賦差異較大，全球生物質(zhì)能源呈現(xiàn)多元化應(yīng)用發(fā)展趨勢。美國、巴西大力發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，美國燃料乙醇總產(chǎn)量已達(dá)到529 億升，占全球產(chǎn)量的53%。歐盟重點(diǎn)發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)，并已成為全球最大的生物柴油生產(chǎn)地，占全球產(chǎn)量的29%。瑞典、芬蘭等國規(guī)劃到2040 年生物質(zhì)燃料完全替代石油基車用燃料。此外，歐美圍繞非糧生物質(zhì)原料生產(chǎn)藥物分子原料、土壤改性劑、高性能電池電極和可降解型高分子材料等高附加值產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)方面積極開展研發(fā)布局。基于生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展反饋，未來以生物質(zhì)能源產(chǎn)品為基礎(chǔ)的高附加值化學(xué)品多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)模式將成為生物質(zhì)利用技術(shù)的主流模式。

我國經(jīng)過多年的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，已建立了相對完整的生物質(zhì)能源產(chǎn)品技術(shù)體系，具備了生物質(zhì)氣體、液體及固體等燃料產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)能力，尤其是在生物質(zhì)航空燃料、酯類燃料等產(chǎn)品領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢突出。然而，由于研究團(tuán)隊(duì)分散，市場介入少，我國在生物質(zhì)全組分高值化綜合集成技術(shù)方面相對落后，多聯(lián)產(chǎn)綜合利用模式未完全建立，導(dǎo)致生物質(zhì)能源產(chǎn)品的低產(chǎn)率和高成本，成為阻礙生物質(zhì)液態(tài)燃料發(fā)展的瓶頸問題。此外，在生物質(zhì)能與其他可再生能源協(xié)同耦合方面仍有大量關(guān)鍵技術(shù)問題，無法支撐當(dāng)前過渡階段的能源技術(shù)需求。因此，在未來的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前“碳達(dá)峰”中具體的技術(shù)需求，在現(xiàn)有技術(shù)儲備基礎(chǔ)上，分階段部署生物質(zhì)先進(jìn)液體燃料技術(shù)研發(fā)，尤其是生物質(zhì)航油技術(shù)、生物質(zhì)液體燃料復(fù)配技術(shù)的開發(fā)。

與此同時，由于生物質(zhì)資源大多伴隨農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生，其形成的能源產(chǎn)品綜合附加值較低嚴(yán)重阻礙了市場對生物質(zhì)能源產(chǎn)品的接受度。事實(shí)上，與石油化工產(chǎn)品相似，生物質(zhì)也可以通過化學(xué)、生物等技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為藥物分子、功能材料單體等高附加值產(chǎn)品，推動生物質(zhì)高值化利用也與我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略不謀而合。因此，在完成生物質(zhì)能源化技術(shù)發(fā)展的同時，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮其天然固碳屬性，加強(qiáng)生物質(zhì)在芳香化合物、氨基酸類等高附加值化學(xué)品，以及呋喃聚酯類、木質(zhì)素基高分子等可降解功能材料領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)，加快生物質(zhì)基高附加值產(chǎn)品制備技術(shù)推廣與應(yīng)用，推動以生物質(zhì)能源產(chǎn)品為基礎(chǔ)的高附加值產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)開發(fā)與集成，有效提升生物質(zhì)能源化利用技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益和市場接受度，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)石化產(chǎn)品替代和“負(fù)碳”型產(chǎn)品的推廣。

以系統(tǒng)全面的科技創(chuàng)新克服發(fā)展難點(diǎn)

生物質(zhì)資源作為優(yōu)質(zhì)的可再生能源載體，是最早被開發(fā)利用的天然資源之一。不同于光伏、風(fēng)電等可再生能源技術(shù)，生物質(zhì)能利用技術(shù)存在技術(shù)門檻高、涵蓋學(xué)科領(lǐng)域多、區(qū)域化特性強(qiáng)、工程裝備開發(fā)難等難點(diǎn)，這也導(dǎo)致了生物質(zhì)能發(fā)展雖然較早但產(chǎn)業(yè)規(guī)模遠(yuǎn)不及光伏、風(fēng)電等產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵因素。克服上述難點(diǎn)的核心仍需要依賴于系統(tǒng)全面的科技創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)。

一是統(tǒng)籌把控，做好頂層設(shè)計(jì)，優(yōu)化整體布局。以我國現(xiàn)階段生物質(zhì)技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況為基礎(chǔ)，分析當(dāng)下原創(chuàng)革命性技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化過程存在的關(guān)鍵矛盾。在遵循我國生物質(zhì)資源稟賦特征前提下，做好技術(shù)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌把控生物質(zhì)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。優(yōu)化整體布局，提升技術(shù)的區(qū)域特色，制定適用于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市發(fā)展需求的生物質(zhì)能技術(shù)路線，建立連續(xù)穩(wěn)定的政策支持保障，有序推進(jìn)生物質(zhì)能源技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

二是需求導(dǎo)向，整合現(xiàn)有資源，形成集成優(yōu)勢。充分調(diào)研當(dāng)前社會發(fā)展對生物質(zhì)能源的技術(shù)需求，建立需求清單。充分開展生物質(zhì)能領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢的研判，以需求為導(dǎo)向，整合現(xiàn)有技術(shù)資源，設(shè)計(jì)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)及方案。圍繞技術(shù)集成、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、原創(chuàng)探索等方面，制定科學(xué)客觀、創(chuàng)新引領(lǐng)的生物質(zhì)能發(fā)展戰(zhàn)略。借鑒光伏-風(fēng)能等產(chǎn)業(yè)集成案例，強(qiáng)化技術(shù)聯(lián)動，突破傳統(tǒng)生物質(zhì)技術(shù)“單打獨(dú)斗”的弱勢局面，形成集成優(yōu)勢，提升生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)賦能及自我造血的可持續(xù)發(fā)展能力。

三是金融支撐，強(qiáng)化市場引導(dǎo)，推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化。以市場應(yīng)用為最終目標(biāo)，強(qiáng)化技術(shù)成果轉(zhuǎn)化過程的金融支撐作用，建立科技-資本相互協(xié)同的成果轉(zhuǎn)化模式。克服傳統(tǒng)生物質(zhì)能技術(shù)成果轉(zhuǎn)化過程中存在的資金不足、市場接受度低等關(guān)鍵難題。逐步完成技術(shù)成果熟化培育，形成技術(shù)先進(jìn)、市場接受、自主盈利，且可復(fù)制可推廣的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化案例。