以系統全面科技創新助生物質能躍升發展

■ 中國科學院廣州能源研究所副所長 孫永明

加強可再生清潔能源技術研發與應用，推動我國能源結構綠色化、低碳化、自主化轉型已成為當前勢在必行的時代任務。在光伏、風電、海洋能等諸多可再生能源中，生物質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，可以伴隨農業生產及城市生活等過程以廢棄物形式產生，具有儲量大、分布廣、易獲得的獨特優勢。同時，生物質能在使用過程中由于光合作用構建的二氧化碳循環作用而不產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注。

我國生物質能技術研發捷報頻傳

我國作為幅員遼闊的農業大國，生物質資源豐富。據估算，生物質年產量約為34.9 億噸，相當于4.6 億噸標準煤，其中主要包含農作物秸稈及林業廢棄物約11.8 億噸，養殖畜禽糞便約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%。造成生物質資源的大量浪費主要是受到原料收儲難、轉化效率低、技術成本高、產品附加值低、關鍵裝備缺乏等多方面因素制約所致。事實上，不同地區生物質收集環節中原料分類、運輸儲存等成本受規模化、機械化和市場化程度差異較大，導致生物質原料成本波動極大，嚴重降低了生物質原料大范圍流通的動力。另一方面，生物質能源化轉化環節中由于現有技術成熟度不足，規模化應用少，能源產品種類單一、綜合附加值低等因素制約，導致了生物質能源化利用的市場動力不足。不同于石油化工體系，不同來源的生物質原料存在較大的組成和結構特性差異，難以通過單一的技術方案及工程裝備實現不同種類生物質資源的統一轉化，這導致了生物質資源大規模轉化利用難問題進一步加劇。解決生物質能規模化、市場化應用難題仍需要通過技術創新研發的突破得以實現。

我國高度重視生物質能技術研發布局，自首個生物質能相關的國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目“生物質轉化為高品位燃料的基礎問題研究”部署以來，依托各類項目支撐，在生物質氣化發電、熱化學轉化、生化轉化以及催化轉化等領域形成了具有自主知識產權的技術體系。目前，我國在生物質能技術領域有了長足的發展，部分技術達到國際先進水平。生物質發電方面，浙江大學科研團隊與中節能合作，于2007 年在江蘇宿遷建成運行了世界第一臺全秸稈原料的循環流化床鍋爐，原料燃燒效率達到89%-92%，打破了丹麥在該技術領域的壟斷。截至2022 年底，我國生物質發電裝機總量連續四年位居全球第一。生物天然氣方面，開發了典型養殖廢棄物發酵耦合利用技術，調質發酵原料產氣率提高30%以上，每噸廢棄物原料生物天然氣產氣量50 立方米以上，全過程無廢水和廢渣排放，并建成規模化生物天然氣工程超8700 處。生物質液體燃料方面，生物乙醇、生物柴油技術快速產業化發展，產能與產量已位居世界前列，建立了非糧木質纖維素原料發酵生成醇類產品技術，纖維乙醇濃度達到70 克/升，綜合成本不高于6300元/噸。

在新型高性能燃料開發方面，我國近年在生物航空燃料研發領域捷報頻傳。中石化、中石油已經形成了油脂制生物航空燃料的成套技術，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飛行。中國科學院廣州能源研究所相關團隊依托“973 計劃”“863 計劃”以及“國家重點研發計劃”等項目支持，完成了木質纖維素水相催化制備生物航油技術開發與千噸級示范裝置建設運行，該項技術成果達到國際領先水平，為形成我國資源特色的生物航空燃料新路線奠定了堅實基礎。與此同時，生物質資源在能源化轉化技術研發的基礎上，還建立了生物基高附加值化學品、功能材料單體等產品的聯產技術，極大地拓展了生物質資源的應用場景和技術產品的綜合附加值，填補了生物質資源在能源化利用過程所存在技術成本高、產品附加值低等短板。

生物質能發展擁有連續穩定的政策保障

我國政府高度重視包含生物質能在內的可再生能源技術研發與應用，將可再生能源技術研發列為科技創新重點戰略方向之一。2021 年發布的《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中明確提出積極發展非化石能源。實施可再生能源替代行動，大力發展風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等，不斷提高非化石能源消費比重。2021 年，國務院印發的《2030 年前碳達峰行動方案》中指出，積極擴大電力、氫能、天然氣、先進生物液體燃料等新能源、清潔能源在交通運輸領域應用。2022 年，國家發展和改革委員會、國家能源局發布的《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》中也強調：“加快纖維素等非糧生物燃料乙醇、生物航空煤油等先進可再生能源燃料關鍵技術協同攻關及產業化示范”。上述政策的陸續出臺，為我國生物質能的發展提供了連續穩定的政策保障。

為有效支撐生物質能相關技術研發工作，我國在《國家創新驅動發展戰略綱要》《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020 年）》《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030 年）》等國家戰略規劃中，均規劃部署了可再生能源相關科技研發任務。“十三五”“十四五”期間，通過國家重點研發計劃“可再生能源技術”“催化科學”“固廢資源化”等重點專項，部署了生物質航空燃料、木質纖維素基燃料醇、生物質混合醇燃料、高品質生物柴油，以及生物質酯類燃料等能源產品制備技術研發項目。國內相關優勢科研團隊通過上述項目支持，攻克了生物質能源產品制備過程大批關鍵技術，建成了國內乃至國際首套纖維素類生物質水相催化制備生物航油的千噸級示范裝置并完成連續運行測試，航油產品達到ASTM-D7566 生物航油標準要求。研發了超低能耗的乙醇、丁醇分離集成技術，建成了以農業秸稈為原料的萬噸級燃料乙醇、丁醇示范生產線。突破了油脂預處理與高品質生物柴油連續化綠色制備技術，完成了千噸級高品質生物柴油技術繼承優化，生物柴油產品質量達到GB/25199-2017 要求。開發了纖維素類生物質制備戊酸酯類燃料聯產化學品技術，并完成千噸級示范裝置建設運行，證實了生物質戊酸酯類復配燃料能夠有效降低柴油使用過程中碳煙、碳氫等主要污染物排放，主要污染物減排比例達到15%以上。除能源產品外，國內研發團隊還致力于生物質資源化、高值化利用技術的開發，建立了生物炭材料的功能化制備技術，并成功應用于儲能電池的研發中；形成了生物質多元醇類等高附加值產品的多聯產技術，極大地提升了生物質能源產品的綜合附加值；開發的呋喃基聚酯材料有望實現傳統PET 塑料的綠色替代，能夠降低石油基塑料產品濫用導致的嚴重環境污染。上述研究成果有望在我國“碳中和”發展戰略中提供有力的科技支撐，為我國在綠色低碳能源技術競爭中爭取先發優勢。

生物質能源產品技術體系已相對完整

在全球溫室氣體減排目標背景下，各國積極推進生物質能源技術和產業發展。由于各國的生物質資源稟賦差異較大，全球生物質能源呈現多元化應用發展趨勢。美國、巴西大力發展燃料乙醇產業，美國燃料乙醇總產量已達到529 億升，占全球產量的53%。歐盟重點發展生物柴油產業，并已成為全球最大的生物柴油生產地，占全球產量的29%。瑞典、芬蘭等國規劃到2040 年生物質燃料完全替代石油基車用燃料。此外，歐美圍繞非糧生物質原料生產藥物分子原料、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品技術開發方面積極開展研發布局。基于生物質能源產業發展反饋，未來以生物質能源產品為基礎的高附加值化學品多聯產技術模式將成為生物質利用技術的主流模式。

我國經過多年的技術研發與產業發展，已建立了相對完整的生物質能源產品技術體系，具備了生物質氣體、液體及固體等燃料產品的規模化生產能力，尤其是在生物質航空燃料、酯類燃料等產品領域技術優勢突出。然而，由于研究團隊分散，市場介入少，我國在生物質全組分高值化綜合集成技術方面相對落后，多聯產綜合利用模式未完全建立，導致生物質能源產品的低產率和高成本，成為阻礙生物質液態燃料發展的瓶頸問題。此外，在生物質能與其他可再生能源協同耦合方面仍有大量關鍵技術問題，無法支撐當前過渡階段的能源技術需求。因此，在未來的技術研發與應用中，應當結合當前“碳達峰”中具體的技術需求，在現有技術儲備基礎上，分階段部署生物質先進液體燃料技術研發，尤其是生物質航油技術、生物質液體燃料復配技術的開發。

與此同時，由于生物質資源大多伴隨農業生產產生，其形成的能源產品綜合附加值較低嚴重阻礙了市場對生物質能源產品的接受度。事實上，與石油化工產品相似，生物質也可以通過化學、生物等技術手段轉化為藥物分子、功能材料單體等高附加值產品，推動生物質高值化利用也與我國鄉村振興戰略不謀而合。因此，在完成生物質能源化技術發展的同時，應當發揮其天然固碳屬性，加強生物質在芳香化合物、氨基酸類等高附加值化學品，以及呋喃聚酯類、木質素基高分子等可降解功能材料領域的技術研發，加快生物質基高附加值產品制備技術推廣與應用，推動以生物質能源產品為基礎的高附加值產品多聯產技術開發與集成，有效提升生物質能源化利用技術的經濟效益和市場接受度，實現傳統石化產品替代和“負碳”型產品的推廣。

以系統全面的科技創新克服發展難點

生物質資源作為優質的可再生能源載體，是最早被開發利用的天然資源之一。不同于光伏、風電等可再生能源技術，生物質能利用技術存在技術門檻高、涵蓋學科領域多、區域化特性強、工程裝備開發難等難點，這也導致了生物質能發展雖然較早但產業規模遠不及光伏、風電等產業的關鍵因素。克服上述難點的核心仍需要依賴于系統全面的科技創新來實現。

一是統籌把控，做好頂層設計，優化整體布局。以我國現階段生物質技術研發及產業發展情況為基礎，分析當下原創革命性技術研發和產業化轉化過程存在的關鍵矛盾。在遵循我國生物質資源稟賦特征前提下，做好技術發展的頂層設計，統籌把控生物質技術發展規劃。優化整體布局，提升技術的區域特色，制定適用于我國農業發展和城市發展需求的生物質能技術路線，建立連續穩定的政策支持保障，有序推進生物質能源技術的研發與應用。

二是需求導向，整合現有資源，形成集成優勢。充分調研當前社會發展對生物質能源的技術需求，建立需求清單。充分開展生物質能領域技術發展趨勢的研判，以需求為導向，整合現有技術資源，設計生物質產業發展目標及方案。圍繞技術集成、產業創新、原創探索等方面，制定科學客觀、創新引領的生物質能發展戰略。借鑒光伏-風能等產業集成案例，強化技術聯動，突破傳統生物質技術“單打獨斗”的弱勢局面，形成集成優勢，提升生物質產業賦能及自我造血的可持續發展能力。

三是金融支撐，強化市場引導，推進成果轉化。以市場應用為最終目標，強化技術成果轉化過程的金融支撐作用，建立科技-資本相互協同的成果轉化模式。克服傳統生物質能技術成果轉化過程中存在的資金不足、市場接受度低等關鍵難題。逐步完成技術成果熟化培育，形成技術先進、市場接受、自主盈利，且可復制可推廣的技術成果轉化案例。