纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與對策建議

在“雙碳”與能源轉(zhuǎn)型的背景下，有序發(fā)展各種可再生能源成為全球最重要的能源戰(zhàn)略之一。生物燃料乙醇作為一種可再生能源，可以添加到汽油中替代部分汽油，未來還可以添加到航空和航運燃料中，從而減少交通領(lǐng)域的碳排放與污染物排放。纖維素乙醇是第2代生物燃料乙醇，具有不與糧爭地、不與人爭糧、資源豐富等優(yōu)點，是燃料乙醇未來發(fā)展的重要方向，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

一、纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

（一）發(fā)展歷程

纖維素乙醇也被稱為第2代生物燃料乙醇，是繼第1代、第1.5代生物燃料乙醇之后出現(xiàn)的一種技術(shù)。與前面兩種生物燃料乙醇技術(shù)相比，纖維素乙醇以秸稈、林業(yè)邊角料等含大量纖維素的農(nóng)林廢棄物為主要原料，不需要專門種植，不僅可以節(jié)約耕地和水資源，還能節(jié)約糧食，具有不與糧爭地、不與人爭糧、資源豐富等優(yōu)點，是最重要的生物燃料之一。

中國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)從上世紀90年代開始醞釀，進入本世紀后開始規(guī)模化發(fā)展，最早是糧食燃料乙醇，纖維素乙醇到“十一五”時期才開始建設(shè)示范項目。在生物燃料乙醇發(fā)展過程中，產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整主要經(jīng)歷了四個階段。

第一階段：“十五”時期，為解決陳化糧問題，緩解能源供應(yīng)形勢，國家在河南等地開展乙醇汽油試點，在普通無鉛汽油中調(diào)配加入10%的燃料乙醇，并陸續(xù)出臺相關(guān)財稅政策進行支持。這種燃料乙醇以玉米、小麥等糧食為原料，有效緩解了陳化糧庫存問題，并減少了石油的使用。

第二階段：隨著燃料乙醇產(chǎn)能的擴大以及陳化糧庫存的不斷下降，第1代生物燃料乙醇面臨的原料問題越來越嚴重，部分企業(yè)甚至使用新糧作為原料，直接推高了生產(chǎn)成本，導(dǎo)致很多企業(yè)虧損，與人爭糧問題逐漸顯現(xiàn)。從2006年開始，國家限制以糧食為原料的燃料乙醇生產(chǎn)，鼓勵非糧燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并陸續(xù)在廣西等地建成多個以木薯、甜高粱以及纖維素等為原料的非糧燃料乙醇示范項目和產(chǎn)業(yè)化裝置。

第三階段：“十三五”期間，燃料乙醇政策有所松動，《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出到2020年生物燃料乙醇發(fā)展目標為400萬噸/年。2017年出臺的《關(guān)于擴大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，提出要適度發(fā)展糧食燃料乙醇。

第四階段：進入“十四五”以來，隨著糧食庫存下降，國家對生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)政策再次進行調(diào)整。2022年，中央一號文件指出要嚴格控制以玉米為原料的燃料乙醇加工。《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》明確提出要按照不與糧爭地、不與人爭糧的原則，大力發(fā)展纖維素燃料乙醇等非糧生物燃料。

（二）發(fā)展現(xiàn)狀

生物燃料乙醇是目前世界上應(yīng)用最廣的可再生能源，全球已經(jīng)超過60個國家推廣使用乙醇汽油。2015年以來，全球燃料乙醇產(chǎn)量一直維持小幅增長的趨勢，2023年達到8897萬噸，同比增長2.1%，主要以糧食、甘蔗為原料進行發(fā)酵，部分國家也建設(shè)了纖維素乙醇項目開展示范。

中國是全球第四大燃料乙醇生產(chǎn)地。2019年，中國燃料乙醇產(chǎn)量為290萬噸。受疫情、原材料等因素影響，2020年燃料乙醇產(chǎn)量降至273萬噸。2023年，得益于油價上漲，生產(chǎn)企業(yè)開工積極性明顯提高，燃料乙醇產(chǎn)量增長至340萬噸，約占全球的4%。目前，全國已有黑龍江、吉林、遼寧等多個地區(qū)推廣使用乙醇汽油。

由于技術(shù)、原材料等因素的影響，國內(nèi)生物燃料乙醇主要以玉米、小麥等原料為主，木薯、甜高粱等其他原料為輔，纖維素乙醇占比較少，主要是示范項目。從地區(qū)分布來看，中國燃料乙醇項目的空間分布與原料分布密切相關(guān)。其中，玉米燃料乙醇項目主要分布在東北、安徽、河南等玉米主產(chǎn)區(qū)；以木薯、甘蔗等作物為原料的燃料乙醇項目主要分布在西南、華南、東南等氣溫較高、氣候潮濕地區(qū)；纖維素乙醇示范項目主要以秸稈為原料，大多分布在玉米、小麥主產(chǎn)區(qū)。

從不同技術(shù)的市場運行情況來看，隨著國內(nèi)陳化糧的減少，第1代燃料乙醇存在的與民爭糧問題日益凸顯。隨著玉米價格上漲，其經(jīng)濟效益也受到嚴重影響，國內(nèi)企業(yè)較大范圍虧損，嚴重制約了生物燃料乙醇規(guī)模的繼續(xù)擴大。第1.5代燃料乙醇的原料主要是在中國南方地區(qū)種植，或通過東南亞等熱帶地區(qū)進口，木薯大規(guī)模種植同樣存在與糧爭地的問題，而進口則會受到國際貿(mào)易爭端的影響，影響了第1.5代燃料乙醇的大規(guī)模發(fā)展。第2代燃料乙醇即纖維素乙醇，技術(shù)工藝路線已經(jīng)基本打通，國內(nèi)多家企業(yè)也陸續(xù)建設(shè)了纖維素乙醇示范項目。但由于預(yù)處理和纖維素酶生產(chǎn)成本較高，導(dǎo)致技術(shù)經(jīng)濟性較差，運行情況并不理想，部分示范項目處于停運狀態(tài)，未來仍有較大提升空間。

二、纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

無論是從原材料還是從全生命周期可持續(xù)發(fā)展角度來看，纖維素乙醇都代表了燃料乙醇未來發(fā)展的重要方向。短期來看，車用汽油仍然是纖維素乙醇的主要應(yīng)用領(lǐng)域；中長期來看，隨著技術(shù)不斷進步，纖維素乙醇還可應(yīng)用在航空燃料、航運燃料以及氫能等行業(yè)，發(fā)展?jié)摿薮蟆１M管前景廣闊，但纖維素乙醇當前的市場競爭優(yōu)勢還不強，在未來發(fā)展過程中會面臨原材料、經(jīng)濟性、市場競爭等方面的挑戰(zhàn)。

（一）原材料收儲運困難影響供應(yīng)穩(wěn)定性

目前，用于纖維素乙醇生產(chǎn)的木質(zhì)纖維素主要是農(nóng)作物秸稈，但秸稈種類多樣、分布較散、體積和能量密度較低，且不容易存放，收獲具有季節(jié)性，導(dǎo)致秸稈收儲運容易受到季節(jié)、氣候、地域和道路等因素限制，大規(guī)模利用秸稈需要長期做好防雨、防潮、防雷、防火等措施，秸稈的穩(wěn)定供應(yīng)也因此成為秸稈大規(guī)模能源化利用的瓶頸之一。與此同時，秸稈收儲運體系還不夠健全，導(dǎo)致收儲運費用相對較高，約占纖維素乙醇生產(chǎn)成本的1/3，在一定程度上影響了纖維素乙醇的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性，同時也限制了秸稈的高效利用。

（二）經(jīng)濟性不足限制纖維素乙醇應(yīng)用市場擴大

與糧食燃料乙醇相比，纖維素乙醇生產(chǎn)成本仍然較高，經(jīng)濟性較差。目前，纖維素乙醇成本約為6000—7000元/噸，糧食燃料乙醇成本約為4800—5000元/噸。考慮到纖維素乙醇與糧食燃料乙醇終端消納并無區(qū)別，在成本遠高于糧食燃料乙醇的情況下，纖維素乙醇缺乏市場競爭力，限制了大規(guī)模推廣。分析其原因，除原材料收儲運成本較高外，還包括預(yù)處理環(huán)節(jié)成本高、酶制劑成本高。預(yù)處理環(huán)節(jié)，由于纖維素結(jié)構(gòu)致密，不易被降解，當前的預(yù)處理方法仍然存在處理過程復(fù)雜、能耗高、收率低等問題，導(dǎo)致成本較高。水解糖化環(huán)節(jié)利用纖維素酶將纖維素轉(zhuǎn)化成糖，這是纖維素乙醇生產(chǎn)的核心步驟，但木質(zhì)纖維素的特性使高效低成本酶制劑的開發(fā)成為世界難題。與第1代燃料乙醇使用的淀粉酶相比，纖維素酶活力低、用量大、價格高，是工業(yè)化的主要瓶頸之一。

（三）替代能源技術(shù)進步將加大纖維素乙醇市場競爭

隨著碳中和的推進，交通領(lǐng)域用能逐漸多元化、低碳化，纖維素乙醇將會面臨來自其他替代能源技術(shù)的直接競爭。首先是第3代生物燃料乙醇，由于以微藻為主要原料，光合效率遠高于陸生植物，生長周期短。同時，微藻生長過程中以CO2為主要碳源，對減少溫室氣體排放具有極大價值。如果該技術(shù)取得突破，將會比纖維素乙醇具有更大優(yōu)勢。其次是航空和航運領(lǐng)域的清潔燃料，航空領(lǐng)域目前主要有生物柴油和生物燃料乙醇兩條技術(shù)路線，航運領(lǐng)域則包括甲醇、氨、氫、生物柴油、生物燃料乙醇等多種燃料。在既有市場空間較為有限的前提下，如果纖維素乙醇的經(jīng)濟性問題與原料問題不能解決，這些燃料技術(shù)的進步將會對纖維素乙醇的推廣產(chǎn)生一定威脅。再次是電動化技術(shù)，新能源汽車的市場滲透率越來越高，今年7月已經(jīng)超過50%，盡管仍然存在安全性、適應(yīng)性、配套設(shè)施等問題，但留給燃油車的空間越來越小。中長期來看，電動化也被認為是航空業(yè)和航運業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的可行方案，已有多家機構(gòu)開展相關(guān)研究和探索，將會影響到纖維素乙醇在航空業(yè)和航運業(yè)的應(yīng)用。

三、對策建議

（一）健全收儲運體系，穩(wěn)定原料供應(yīng)

堅持政府引導(dǎo)、政策扶持、市場運作的原則，積極培育原料收儲運主體，建立健全政府推動、秸稈利用企業(yè)和收儲組織為軸心、市場化運作的秸稈收儲運體系及原料管理體系，提升收儲效率，確保原料穩(wěn)定供應(yīng)。收儲運途徑方面，地方政府與相關(guān)企業(yè)可共同組建秸稈收儲經(jīng)營主體，并與種糧大戶、村集體簽訂秸稈打包離田協(xié)議，鼓勵秸稈利用企業(yè)與收儲經(jīng)營主體簽訂銷售協(xié)議。收儲設(shè)備方面，鼓勵相關(guān)企業(yè)研發(fā)適合本地區(qū)的秸稈收集加工機械，健全秸稈打包作業(yè)標準規(guī)范，提高收集效率、靈活性及堆放密度。收儲場所方面，加強對秸稈分布情況的系統(tǒng)調(diào)查，在合理收購半徑范圍內(nèi)，依托廢舊廠房等閑置場所，規(guī)劃建立區(qū)域性原料收儲中心或儲備庫。

（二）強化技術(shù)研發(fā)和政策支持，提高技術(shù)經(jīng)濟性

加強技術(shù)研發(fā)與示范，不斷提高纖維素的轉(zhuǎn)化效率，降低預(yù)處理和酶解成本。研發(fā)方向上，首先，可通過基因工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)在提高酶產(chǎn)量和比活力等方面構(gòu)建高效的產(chǎn)酶工程菌株；其次，改善生產(chǎn)模式，將酶制劑生產(chǎn)單元直接整合到乙醇生產(chǎn)裝置中，降低酶制劑生產(chǎn)成本；再次，加強秸稈綜合利用技術(shù)研發(fā)與示范，提高附加值和經(jīng)濟性。研發(fā)模式上，將AI技術(shù)應(yīng)用到纖維素乙醇技術(shù)研發(fā)，提升酶的優(yōu)化、篩選效率以及預(yù)處理水平，縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本。

強化政策支持，提高推廣力度和經(jīng)濟性。首先，在具備條件的地區(qū)試點推廣纖維素乙醇油品，提出強制摻混比例要求，中長期適時調(diào)整摻混比例、試點范圍和油品種類。其次，階段性對纖維素乙醇上下游產(chǎn)業(yè)給予財稅優(yōu)惠，提高經(jīng)濟性。零售環(huán)節(jié)，對纖維素乙醇油品實施價格管理，根據(jù)熱值差別，確定纖維素乙醇油品相比于傳統(tǒng)成品油的價格系數(shù)，并隨傳統(tǒng)成品油價格進行動態(tài)調(diào)整，引導(dǎo)消費者主動使用。調(diào)和環(huán)節(jié)，結(jié)合纖維素乙醇油品價格，制定纖維素乙醇國家指導(dǎo)價，并對石油公司實行稅收優(yōu)惠，提高石油公司主動性。生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對纖維素乙醇生產(chǎn)企業(yè)實行稅收優(yōu)惠，并根據(jù)纖維素乙醇價格給予一定財政補貼，使生產(chǎn)企業(yè)保持微利狀態(tài)。

充分利用CCER機制，提升綠色價值。通過建立完善的溫室氣體自愿減排項目方法學(xué)，推動纖維素乙醇油品納入國家溫室氣體自愿減排交易體系，提高市場競爭優(yōu)勢，將行業(yè)綠色價值轉(zhuǎn)化為實際收益。

（三）兼顧能源與化工，拓寬纖維素乙醇應(yīng)用領(lǐng)域

纖維素乙醇不僅是一種生物質(zhì)能源，同時也是一種化工原料。面對各類替代能源的市場競爭，纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展要兼顧能源與化工，不斷拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。首先要加快推動纖維素乙醇在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，主要聚焦交通領(lǐng)域，逐步提高經(jīng)濟性，擴大生產(chǎn)規(guī)模，為交通領(lǐng)域提供充足且具有較強競爭力的清潔燃料。其次要探索纖維素乙醇在下游化工行業(yè)的應(yīng)用。乙醇作為一種基本有機化工原料，可用于生產(chǎn)乙胺、乙醛、乙酸、丙烯、氫氣等多種產(chǎn)品。其中，纖維素乙醇重整制氫不僅可解決現(xiàn)有氫儲運過程中各種工程技術(shù)和安全難題，還可以最大限度地應(yīng)用當前的社會物流和供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，是各種制氫途徑中綜合成本最低的方法，具有很大潛力。

（劉蕾，中國能源研究會能效與投資評估專業(yè)委員會。楊紹鵬，國家節(jié)能中心）