生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

文/劉秀花

生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

文/劉秀花

隨著石油、煤炭等化石能源的日益減少，世界各國(guó)正面臨著不同程度的化石能源短缺和生態(tài)危機(jī)，開發(fā)和利用清潔可再生能源已成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，世界各國(guó)紛紛將生物質(zhì)能源作為解決資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的有效途徑和重要手段。有效、合理開發(fā)生物質(zhì)能不僅可以緩解能源短缺，而且對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和減排溫室氣體具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

生物質(zhì)（Biomass）是指通過(guò)生物體的光合作用形成的有機(jī)物質(zhì)或由其轉(zhuǎn)化的物質(zhì)，例如動(dòng)物體及排泄物。可利用的生物質(zhì)包括森林、農(nóng)作物及農(nóng)作物廢棄物、農(nóng)林加工廢棄物和動(dòng)物糞便。生物質(zhì)的主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、脂類、蛋白質(zhì)、淀粉、灰分和芳香族物質(zhì)。其中，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是不易被人和動(dòng)物利用的物質(zhì)，脂肪和芳香族化合物是重要的動(dòng)植物提取物。由于生物質(zhì)是通過(guò)光合作用固定CO2形成的有機(jī)物，因此生物質(zhì)燃燒后釋放的CO2與光合作用時(shí)固定的CO2相當(dāng)，是一種CO2零排放的能源物質(zhì)，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)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(duì)交通運(yùn)輸業(yè)（陸運(yùn)、空運(yùn)和海運(yùn)）的可持續(xù)發(fā)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(chǎng)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?yàn)樵倨洚a(chǎn)生過(guò)程中吸收了同樣數(shù)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(guò)程中含氮化合物顆粒的排出量。

我國(guó)生物質(zhì)能源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)非常重視生物質(zhì)能的發(fā)展。“十二五”期間，國(guó)家下發(fā)多個(gè)文件指導(dǎo)生物質(zhì)能源的發(fā)展。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》、《國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃（2011-2015）》、國(guó)家發(fā)改委2012年7月下發(fā)《可再生能源“十二五”規(guī)劃》都明確了發(fā)展生物質(zhì)能源的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)。國(guó)家能源局特別發(fā)布《生物質(zhì)能發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，明確了生物質(zhì)能的發(fā)展目標(biāo)。到2015年我國(guó)生物質(zhì)液體燃料將到達(dá)500萬(wàn)噸。低成本纖維乙醇、生物柴油等先進(jìn)非糧生物液體燃料的技術(shù)進(jìn)步，為生物燃料更大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造了條件，以替代石油為目標(biāo)的生物質(zhì)能梯級(jí)綜合利用將是將來(lái)主要發(fā)展方向。

生物質(zhì)能，是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來(lái)源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)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(zhì)能是太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式。

我國(guó)現(xiàn)階段生物質(zhì)能源發(fā)展的原料主要是油料植物、秸稈及動(dòng)物糞便等傳統(tǒng)生物質(zhì)資源。據(jù)估算，2012年我國(guó)廢棄的農(nóng)作物秸稈資源7.4億噸，折合3.2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物1.4億噸，折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.17億噸；禽畜糞便7.8億噸，折合標(biāo)準(zhǔn)煤5.3億噸；林木生物質(zhì)資源10億噸，折合標(biāo)準(zhǔn)煤5.8億噸；生活垃圾3.1億噸，折合0.45億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但生物質(zhì)資源的實(shí)際利用量在1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，約占可利用總量的15%～20%，因此具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ覈?guó)生物質(zhì)能源發(fā)展的一個(gè)基本原則是“不與人爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地”，因此，生物質(zhì)能源主要來(lái)自于農(nóng)林廢棄物。

到2015年，生物質(zhì)能年利用量超過(guò)5000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其中，生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量1300萬(wàn)千瓦、年發(fā)電量約780億千瓦時(shí)，生物質(zhì)年供氣220億立方米，生物質(zhì)成型燃料1000萬(wàn)噸，生物液體燃料500萬(wàn)噸。建成一批生物質(zhì)能綜合利用新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目。

全球生物能源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

理想的生物燃料應(yīng)該是能夠用非食品原料廉價(jià)生產(chǎn)，常年供應(yīng)且能方便地使用現(xiàn)有供應(yīng)設(shè)施，其能量密度與汽油或柴油相當(dāng)。可以使用10%～25%（E10-E25）混合生物乙醇汽油的汽車數(shù)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(jīng)從現(xiàn)在的2%～5%（B2-B5）設(shè)定到未來(lái)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(chǎn)生類似于傳統(tǒng)柴油相當(dāng)?shù)臒嶂怠Ｉa(chǎn)成本尤其是原材料的價(jià)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(yè)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(dòng)物脂肪。第一代生物醇（生物乙醇）是通過(guò)啤酒酵母發(fā)酵來(lái)源于作物的植物糖和淀粉產(chǎn)生的，這些作物包括甘蔗、甜菜和玉米。巴西生物乙醇生產(chǎn)以甘蔗為原料，而美國(guó)主要是以玉米為原料生產(chǎn)生物乙醇。第一代生物柴油的生產(chǎn)是對(duì)植物油的化學(xué)修飾完成的，如油菜、棕櫚樹和大豆等，植物油脂和提煉的動(dòng)物脂肪通過(guò)脂肪酸甲酯化作用生產(chǎn)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(chǎn)品形成競(jìng)爭(zhēng)，其發(fā)展是不可持續(xù)的，會(huì)導(dǎo)致食物商品價(jià)格的飆升，使其進(jìn)一步推廣受限制。因此生物燃料的發(fā)展與推廣需要第二代、第三代甚至第四代生物燃料的發(fā)展。

第二代生物燃料已經(jīng)有了初步發(fā)展，其原料包括木質(zhì)纖維素，生物廢棄物，固體廢棄物。木質(zhì)纖維素難以降解，從木質(zhì)素纖維形成可發(fā)酵糖要經(jīng)過(guò)多步驟處理，例如原材料前期處理、采用物理的、化學(xué)的或生物的進(jìn)行預(yù)處理、可溶性半纖維素糖從固體纖維物中分離出來(lái)的固、液分離、酶水解纖維素產(chǎn)生可發(fā)酵的葡萄糖等木質(zhì)纖維素利用中，相當(dāng)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(guò)程涉及一個(gè)聯(lián)合過(guò)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(guò)攻擊寡糖-多聚糖底物的異構(gòu)中心中的水分子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。木質(zhì)纖維素酶的酶活性低、酶解成本高是木質(zhì)纖維素利用的一個(gè)瓶頸。

生物柴油是指由動(dòng)植物油脂（脂肪酸甘油三酯）與醇（甲醇或乙醇）經(jīng)酯交換反應(yīng)得到的脂肪酸單烷基酯，最典型的是脂肪酸甲酯。與傳統(tǒng)的石化能源相比，其硫及芳烴含量低、閃點(diǎn)高、十六烷值高、具有良好的潤(rùn)滑性，可部分添加到石化柴油中。但是使用動(dòng)植物油脂生產(chǎn)生物柴油造成與人和動(dòng)物爭(zhēng)資源的現(xiàn)象。一種新型的油脂生產(chǎn)正在形成——微生物油脂，微生物油脂可以利用農(nóng)作物秸稈通過(guò)發(fā)酵方式工廠化生產(chǎn)，不僅可以廢物利用，而且節(jié)省土地，用其生產(chǎn)的生物柴油接近石化柴油的性能，有較好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

第三代生物燃料是基于藻類物質(zhì)的新一代燃料，利用它們產(chǎn)生的碳水化合物、蛋白質(zhì)、蔬菜油生產(chǎn)生物柴油和氫氣。據(jù)估計(jì)，藻類產(chǎn)量可達(dá)61000升/公頃，相比之下，作物如大豆、菜子的產(chǎn)量分別是200升/公頃、45升/公頃。微藻類特別是小球藻細(xì)胞內(nèi)脂類的積累能夠達(dá)到其生物質(zhì)50%。產(chǎn)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(yōu)勢(shì)。微藻類能夠使用海水和污水養(yǎng)殖，不會(huì)與食品生產(chǎn)形成競(jìng)爭(zhēng)。

第四代生物燃料主要利用代謝工程技術(shù)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(dāng)前最新技術(shù)。雖然該技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但在環(huán)保、成本等方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)可以預(yù)期。

生物能源產(chǎn)業(yè)展望

據(jù)統(tǒng)計(jì)2010年大約1200億升生物燃料產(chǎn)量用于運(yùn)輸業(yè)，幾乎是2005年的2倍。全球現(xiàn)有生物燃料市場(chǎng)生物乙醇占近80%，其余的主要是生物柴油。市場(chǎng)主要是第一代生物燃料，美國(guó)是最大的生物乙醇生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量為490億升，第二位是巴西，產(chǎn)量為280億升，分別占全球輸出的57%和33%。歐盟領(lǐng)導(dǎo)著生物柴油生產(chǎn)，占2010年世界生物柴油市場(chǎng)的53%。預(yù)期到2020年，全球生物燃料的總產(chǎn)量為2000億升，其中生物乙醇1550億升，生物柴油450億升。

將來(lái)生物燃料將在能源技術(shù)的應(yīng)變上占有重要的地位，白色生物技術(shù)在生產(chǎn)生物燃料和化學(xué)原料領(lǐng)域具有較大的潛力。第一代生物燃料技術(shù)已經(jīng)成熟，但與食品生產(chǎn)原料競(jìng)爭(zhēng)。未來(lái)生物燃料的發(fā)展與推廣需要第二代（木質(zhì)素纖維、生物廢棄物、固體廢物）和第三代（藻類和藍(lán)細(xì)菌）技術(shù)應(yīng)用到新興生物燃料的生產(chǎn)。

新一代生物燃料短期內(nèi)取得商業(yè)化成功具有較大的挑戰(zhàn)性。新一代生物燃料的試點(diǎn)和規(guī)模化示范仍需繼續(xù)進(jìn)行，因?yàn)榕c取得商業(yè)化成功的第一代生物燃料相比其生產(chǎn)成本過(guò)高。無(wú)論是熱化學(xué)的還是生物化學(xué)的技術(shù)手段，目前還沒有清晰最佳技術(shù)途徑。

新一代生物燃料產(chǎn)業(yè)要想獨(dú)立生存，必須聯(lián)合所有可利用的產(chǎn)品，就相當(dāng)于原油的精煉，這就是生物精煉。生物基經(jīng)濟(jì)取決于生物精煉的概念將會(huì)提供更多的經(jīng)濟(jì)利益，其手段是形成生物基化合物和產(chǎn)品，如精細(xì)化工，潤(rùn)滑油和溶劑。

（作者單位：商丘師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院）