能源植物的研究與開發利用

據統計，按目前的水平開采世界已探明的能源，煤炭資源尚可開采100年、石油30～40年、天然氣50～60年，能源危機和環境污染已成為當今社會面臨的巨大挑戰，能源安全正在愈來愈深刻地影響著當今社會和經濟的持續發展。中國作為能源消耗大國正面臨日趨嚴峻的能源安全問題，尋找新的可替代能源也因此變得更加迫切。生物能作為新能源的一種，其受關注程度遠遠超出太陽能、風能以及潮汐能等。由目前生物能源的發展情況來看,它的開發和利用符合可持續的科學發展觀和循環經濟的理念，因此將逐漸成為全球主導性的清潔、可再生的替代能源[1]。

1 生物能源的特點

生物能源，又稱綠色能源，主要是指利用可再生或循環的有機物質(能榨油或產油的植物、可供厭氧發酵的藻類和植物及其殘體、有機廢棄物等)為原料生產的能源，其利用形式主要包括沼氣、生物制氫、生物柴油催化合成和燃料乙醇等。其中, 燃料乙醇是目前世界上生產規模最大的生物能源。

生物能源具有以下優點:(1)儲量豐富；(2)環保性好。生物能源不含硫化物，不會產生酸雨，且在自然條件下即可實現生物降解，因而不會污染環境；(3)可再生。生物能源屬于可再生資源，能有計劃地進行種植和開采；(4)推廣性強。產生物能源的植物分布面積廣，可就地取材，成本低廉，易于普及推廣；(5)使用安全，不會發生爆炸或泄漏；(6)生產過程較簡單，可以儲存與運輸。

2 能源植物的概念及分類

在生物能源中，能源植物(Energy plant)具有基礎地位。綠色植物通過光合作用固定二氧化碳和水，將太陽能轉化為化學能儲存在生物質內部，這種生物質能實際上是太陽能的一種存在形式。植物能源是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源。因此，廣義的能源植物幾乎包括所有植物。但就目前的技術水平，還不能將所有植物都用于能源開發。因此，一般意義上講能源植物又稱石油植物、柴油植物或生物燃料油植物，通常是指那些利用光能效率高、具有合成較高還原性烴的能力、可產生接近石油成分和可替代石油的產品的植物以及富含油脂、糖類、淀粉類、纖維素等的植物[2]。能源植物除直接燃燒產生熱能外，也可通過一系列技術轉換(物理方法、化學方法和生物方法)生產出不同品種的能源，如固態、液態、氣態燃料等，如果需要還可以生產電力能源等。

根據能源植物的化學成分及其用途，可將其分為3類：(1)淀粉和糖類能源植物，用于生產燃料乙醇，主要有甘蔗、玉米、甜高粱、馬鈴薯、魔芋等；(2)油脂植物，經酯化過程可形成脂肪酸甲酯類物質，即生物柴油，主要有油菜、棕櫚、向日葵、花生、麻瘋樹、油楠等；(3)木質纖維素類植物，用于生產固體顆粒燃料，通過轉化可獲得熱能、電能、氣體和液體燃料，主要有芒草、柳枝稷、桉樹等[3～6]。目前, 全世界已經發現40多種能源植物，包括喬木、灌木、草類等，主要集中在夾竹桃科、大戟科、蘿摩科、菊科、桃金娘科以及豆科。主要開發利用和最具潛能的能源植物見表1[7]。

表1 主要開發利用和最具潛力的能源植物

3 國內外能源植物的研究及開發利用現狀

3.1 國外能源植物的研究與開發利用現狀

20世紀70年代全球爆發能源危機，石油輸出國組織成員國臨時停止向歐美國家出口石油，歐美國家即著手研發生物能源以替代礦物能源。2005 年油價猛漲，使得替代化石能源的研究倍受關注，并取得很大的進展。

20世紀80年代，美國加州大學的化學家、諾貝爾獎獲得者梅爾文·卡爾文提出了建立“能源農場”的設想，他認為：既然某些植物能將碳化物轉化成碳氫化合物膠汁，那么其它能進行光合作用的植物也能合成類似石油的物質。1986年，他在加利福尼亞種植了大面積的石油植物獲得成功，1 hm2可收獲120～140 桶石油。此后全球迅速掀起了一股研究開發石油植物的浪潮[2,8,9]。許多國家都制定了相應的研究開發計劃, 如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場計劃和巴西的酒精能源計劃等。

甘蔗是發展能源植物的首選材料。巴西是甘蔗生產大國，從1975 年開始實施“酒精替代計劃”，制定了一系列的經濟資助和免稅政策，自1979 年首輛以燃料乙醇為驅動的乙醇汽車問世以來，至今約有1/3 的汽車被改造成了“酒精汽油兩用汽車”，使溫室氣體排放量減少了20%。 2008年巴西以甘蔗為原料的燃料乙醇已經取代了該國40%～50%以上的汽油消費，成為世界上唯一不供應純汽油的國家。從巴西首都里約熱內盧到偏遠的亞馬遜熱帶雨林，隨處可見的加油站都在出售汽油和酒精。除此之外，美國建立了100多萬hm2的石油速生林；日本建立了可年產石油100多桶的石油植物試驗場；菲律賓建立了1.2萬hm2的銀合歡樹研究基地，據估計成熟后可收石油1000萬桶。隨著研究的不斷深入，越來越多的能源植物被發現[10]。

目前,發達國家用于規模生產生物柴油的原料有大豆(美國)、油菜籽(歐共體、加拿大)、棕櫚油(東南亞)、甘蔗(巴西)。日本、愛爾蘭等國用植物油下腳料及食用回收油作原料生產生物柴油。歐美許多國家結合本國特點制定了生物柴油發展綱要,出臺了相關的優惠政策推動生物柴油生產及應用。許多國家對投放市場的生物柴油都采取了免稅政策和低稅率政策，以鼓勵民眾使用生物柴油,保護生態環境[5]。

3.2 我國能源植物研究與開發利用現狀

與發達國家一樣，我國同樣面臨著能源短缺和環境污染的巨大挑戰。自1993年我國由石油凈出口國變為凈進口國以來，石油進口量逐步上升。我國石油儲量是世界總儲量的2%，但消費量卻是世界第二，進口依存度近40%；二氧化硫和二氧化碳的排放量也比較嚴重。

我國幅員遼闊，地域跨度大，水熱資源分布多異，能源植物資源種類豐富，發展生物質能大有可為。其中主要的科屬有大戟科、樟科、桃金娘科、夾竹桃科、菊科、豆科、山茱萸科、大風子科和蘿摩科等。據統計，我國約1.5 萬種有經濟價值的植物，具有能源開發價值的約4000 種。值得注意的是我國種植油料能源樹種歷史悠久，現已發現麻瘋樹、烏桕、光皮樹、文冠果、黃連木、漆樹、山桐子等30 多種，而油料樹種的油脂是生產生物柴油的優良原料。新近調查表明，我國能夠規模化利用的生物質燃料油木本植物有10 種，這10 種植物均蘊藏著巨大的潛力，具有廣闊的發展前景[2,6]。

我國能源植物的研究及開發利用起步較晚，開發的產品主要是生物柴油和燃料乙醇。生物柴油產業得到了國家政府部門的高度重視和支持，并列入國家計劃。“十五”期間提出發展各種石油替代品，將生物與現代化農業、能源與資源環境等項目列入國家863 計劃，將大力發展生物液體燃料確定為國家產業發展方向。“十一五”期間，規劃生物柴油原料林基地建設規模83.91萬hm2，原料林全部進入結實期后，將形成年產生物柴油125 萬多t的原料供應能力。目前，已有一些頗具實力的企業和國外大型能源企業進入麻瘋樹生物柴油這一領域，在各地籌建起有相當規模的生物柴油生產企業，預計全國麻瘋樹種植面積至少可達200萬hm2，顯示了良好的資源開發前景[2,10]。

燃料乙醇產業也取得了可喜的成果。其中，陳糧轉化燃料乙醇計劃已于2000年啟動，目前已達到年產100 萬t規模;而秸稈酶解發酵燃料乙醇新技術已經試驗成功，正逐步實現產業化。

3.3 我國能源植物的開發利用前景

隨著改革開放的不斷深入，我國經濟快速發展，對能源的需求消費總量不斷增加，人均能源資源嚴重不足日趨明顯，人們逐漸重視研究和利用新能源，以可再生能源替代有限的化石能源。能源植物的發現給人類利用能源提供了新的途徑, 研究和使用能源植物為世界各國能源可持續利用帶來了新的希望。目前，世界上許多國家都開始開展能源植物的研究，并通過引種栽培，建立新的能源基地，以滿足對能源結構調整和植物能源的需求。專家認為，植物能源將成為未來可持續能源的重要部分，隨著石油的日益稀缺和技術的逐步提高，能源植物將改變地球的能源結構，能源植物具有廣闊的開發利用前景。

我國除現有的耕地、林地和草地作為傳統農業外，尚有近1億hm2益農益林荒山荒地，可以用于發展能源農業和能源林業。特別是在貧困山區種植能源林，不僅能恢復植被建設，改善其生態環境，又能提高山區人民的收入和生活水平，積極開發第三產業。篩選和種植優質、高效的能源植物，不但可以彌補化石燃料的不足，緩解過分依賴大量進口石油的被動局面，而且有助于水土保持和改良低效土壤，以達到保護和建設生態環境的目的[11]。在工業應用上，積極促進生物能源的研究成果轉化為生產力，形成產業化，必將在柴油引擎、柴油發電、空調設備和農村燃料等方面顯示其廣闊的應用前景。

4 結語

在化石能源漸趨枯竭、能源消耗不斷增加、保護環境、可持續發展和循環經濟的發展趨勢下，積極開發可再生的植物能源，因地制宜利用植物油替代燃料油，多能互補、綜合利用，能促進能源消費結構從單一化向多元化轉變。

總之，加強能源植物開發利用的研究,實施我國可持續發展的能源戰略，已成為實現經濟、社會、環境的協調發展和建設環境友好的和諧社會的重要課題。

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