歐洲生物能源利用及啟示

朱云杰 法國巴黎Agro Paris Tech學(xué)校

李光明 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

世界人口的不斷增長以及工業(yè)化的持續(xù)發(fā)展造成了對能源的需求日益攀升，煤、石油和天然氣的大量消耗造成了溫室氣體排放量增多，導(dǎo)致全球變暖問題愈加嚴重，到2013年，全球二氧化碳濃度比19世紀中期高出40%。近年來隨著開發(fā)和勘探技術(shù)的提升，石油和天然氣儲備量還在擴展，致密油和頁巖氣的開發(fā)也使能源產(chǎn)量進一步提升[1]，然而，煤、石油等化石燃料的不可再生性加上全球不斷增長的能源需求量，隨著時間的推移，導(dǎo)致能源耗竭、價格上漲等問題終將接踵而至[2]。二次世界大戰(zhàn)后，受石油危機和全球氣候變化的影響，替代能源的研發(fā)得到了加速，由于生物燃料資源豐富、可再生、低污染等特點，巴西、美國和歐盟等國均開始積極發(fā)展生物燃料技術(shù)以應(yīng)對能源需求的增加和全球變暖的加劇。

隨著技術(shù)的革新，生物燃料已經(jīng)發(fā)展到了第四代：第一代生物燃料主要生產(chǎn)生物乙醇和生物柴油，但會和經(jīng)濟作物爭奪種植空間引發(fā)糧食危機；第二代生物燃料通過轉(zhuǎn)化纖維素技術(shù)緩解了能源作物與經(jīng)濟作物之間的競爭；第三代生物燃料通過海藻或微生物制成生物柴油和氫，不用考慮土地利用變化，單位面積的產(chǎn)率為高等植物的數(shù)十倍。第四代生物燃料通過利用藻類代謝途徑，使其直接利用光合作用吸收二氧化碳合成生物乙醇和生物柴油，達到了生產(chǎn)的同時也有助減排。還有通過生物質(zhì)固化技術(shù)制成的高密度、高熱值、高熱效的顆粒狀燃料，是替代煤炭的良好選擇[3]。由于擁有豐富的木質(zhì)資源，歐洲在第二代生物燃料和生物質(zhì)固化技術(shù)的發(fā)展尤為迅速，位居世界前列，這為中國生物能源的發(fā)展提供良好的案例。

1 歐洲生物能源利用

1.1 歐洲生物能源資源與利用

歐盟的化石能源資源相對貧乏，50%的國家需要依賴進口，然而歐洲擁有豐富的生物能源資源可用來推進可再生能源領(lǐng)域的發(fā)展，2010年，歐洲森林可提供木材儲量達到218億m3，且以每年凈增量2.89億m3的速度增加。作為世界上木炭顆粒的主要生產(chǎn)者和消費者（圖1），歐洲十分重視農(nóng)業(yè)資源和林業(yè)資源的儲備與開發(fā)。這也為歐洲發(fā)展生物能源奠定了基礎(chǔ)，到2012年，歐洲一次能源生產(chǎn)燃料中可再生能源超越煤、石油和天然氣，達到1.77億t[4]。

在利用方面，歐洲生物能源消耗增長迅速，2011年，生物柴油和生物乙醇的消耗量均逐步提升， 2011年交通領(lǐng)域?qū)ι锶剂系南目偭恳堰_到了2006年3倍（圖2）。據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測，到2050年，全球生物燃料消耗量將達到32艾焦，占全世界交通運輸燃料27%。對于擁有豐富的木質(zhì)生物資源儲量的歐洲來說，在生物能源國際市場中他們的競爭力十分強，同時也能有效應(yīng)對歐洲能源需求的增長。

1.2 歐洲生物能源發(fā)展政策

圖1 2013年世界木炭顆粒生產(chǎn)/消費比重（100萬t）

圖2 近7年間歐盟道路交通生物燃料的消耗量

自1992年召開地球峰會，及1995年的《歐洲能源政策》白皮書、1997年的京都議定書的頒布，歐洲委員會制定了以發(fā)展生物燃料替代化石燃料為目標的相關(guān)指令。為確保能源供應(yīng)，能源價格穩(wěn)定、提高歐盟競爭力以及節(jié)能減排等目的，歐盟對不同年限制定了相應(yīng)的能源戰(zhàn)略，旨在生產(chǎn)安全、競爭力強且可持續(xù)的能源：到2020年，溫室氣體的排放相對1990年應(yīng)減少20%，能源總消耗量中可再生能源應(yīng)占到20%，能源效率應(yīng)提升20%，可再生燃料占道路交通能源的10%；到2030年，溫室氣體的排放相對1990年應(yīng)減少40%以上，可再生能源的利用應(yīng)占有能源總消耗量的27%以上，能源效率應(yīng)提升27%以上；到2050年，歐盟旨在大幅消減溫室氣體排放量，發(fā)達國家作為一個整體，要求通過努力使溫室氣體的排放較1990年降低80% ~ 95%，使歐洲成為一個高效節(jié)能的社會，同時低碳經(jīng)濟也將提振歐洲經(jīng)濟、創(chuàng)造就業(yè)機會并加強歐洲競爭力。

可再生能源的發(fā)展在世界范圍內(nèi)的競爭非常激烈，歐盟也將可再生能源發(fā)展的目標定為世界第一[5]。為促進歐洲生物燃料的開發(fā)和營銷，歐盟成員國頒布了大量的減稅政策，從2007年開始逐年減少減稅比例直到2015年，從2007年的減稅33%到2012年的減稅14%。此外，為使生物燃料較化石燃料更具有競爭力，2011年， 歐洲議會免除了生物柴油90%的稅收，利用差別稅收的手段以及對能源作物（如油菜籽）的生產(chǎn)補貼以促進生物柴油產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

1.3 歐洲生物能源發(fā)展趨勢

煤、石油等化石燃料資源的枯竭使其價格上漲成為必然趨勢。國際能源署IEA在2012年1月發(fā)布的2011年世界能源展望，對煤、石油以及天然氣進口價格的預(yù)測均呈上升態(tài)勢，到2050年其價格或?qū)⑦_到新的高度（圖3），這對能源進口大國來說將是一個沉重的負擔(dān)。擺脫對進口燃料的過度依賴、尋求新能源的開發(fā)作為替代勢在必行。

圖3 化石燃料進口價格變化曲線及預(yù)測

2013年歐洲委員會發(fā)布了2050年前歐洲能源、交通以及溫室氣體排放量發(fā)展趨勢的預(yù)測報告，通過對輸電配電損耗、能源分支、交通運輸、第三產(chǎn)業(yè)、家庭供能、工業(yè)用能（包括碳捕捉（CCS））等領(lǐng)域的計算和預(yù)測，研究分析能源從2015年到2050年的消耗量變化，如，可再生能源在2010年的消耗量占歐洲能源消耗總量的8%，到2020年，消耗量將上升至11%，到2050年，歐洲工業(yè)領(lǐng)域中可再生能源消耗量所占比重將持續(xù)上升至14%，而石油的比重則下降到8%，天然氣的比重將下降至29%，這意味著可再生能源擁有巨大的潛在優(yōu)勢，其在能源中的地位在未來將不斷攀升。另外，在住宅領(lǐng)域和第三產(chǎn)業(yè)，可再生能源也都將保持在15%和5%左右。

近年來，歐盟各國對生物質(zhì)能的生產(chǎn)技術(shù)進行了積極的研發(fā)，2010年，生物柴油產(chǎn)量達1920萬t，相比2008年前增長了20%[6]，德國、法國、荷蘭等國的發(fā)展尤為迅速，其生物燃料產(chǎn)量總和約占歐盟總產(chǎn)量的50%[1]。同時，生物質(zhì)能在能源消耗中所占比重也在上升，如在交通領(lǐng)域，生物燃料在2010年還只占有4%，到了2030年，其所占比重將達到8%（圖4）。

在產(chǎn)能方面，生物質(zhì)能在電力生產(chǎn)的比重也在上升，從2010年起，歐盟加大生物質(zhì)能發(fā)電的比重，預(yù)測到2050年，生物質(zhì)能應(yīng)用于電力生產(chǎn)的比重將達到8%，是2010年的2倍。這意味著生物質(zhì)產(chǎn)能技術(shù)的進步和規(guī)模的擴大，其在產(chǎn)能領(lǐng)域的競爭力也將和其他可再生能源一樣超越傳統(tǒng)不可再生能源，如煤炭的比重將嚴重下滑（圖5）。

圖4 交通領(lǐng)域根據(jù)燃料類型區(qū)分的終端能源需求變化及預(yù)測

圖5 根據(jù)能源種類劃分的產(chǎn)能比重及預(yù)測

從歐盟對生物質(zhì)能在各領(lǐng)域的預(yù)測以及近年來生物質(zhì)產(chǎn)量的增長率看，生物質(zhì)能的技術(shù)和市場均有進一步發(fā)展的潛力，加上政策的扶持，生物質(zhì)能較不可再生能源擁有更良好的發(fā)展前景。我國也有宏大的生物能源發(fā)展計劃，在發(fā)展程度上雖不如歐洲，但我國擁有龐大的生物能源資源和生物能源需求，作為世界第二大經(jīng)濟體，我國必將大力開發(fā)本國資源，在國際生物能源市場占據(jù)一席之地。

2 我國的生物能源利用情況

2.1 生物能源資源

中國地域遼闊，中國生物能源資源具有品種多、數(shù)量大、分布廣的特點，可分為農(nóng)業(yè)資源、畜禽糞便、森林資源、有機污水以及城市固體廢物等5大類。不同的生物質(zhì)資源在不同地區(qū)的競爭力受產(chǎn)量、產(chǎn)能效率等因素影響而產(chǎn)生差異。如，由于我國不同地區(qū)的發(fā)展側(cè)重點的差異，生物能源資源不同品種的分布也不同，農(nóng)業(yè)生物資源（如秸稈）主要集中分布于東中部主要農(nóng)區(qū)和西南部分省市；畜禽糞便主要分布在養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)較發(fā)達的地區(qū)，如河南、四川、河北、山東等地；林業(yè)資源則主要分布在我國主要的林區(qū)，如西藏、云南、黑龍江、吉林等[13]。我國生物能源資源豐富，生物能源資源儲備量也在不斷上升。據(jù)國家統(tǒng)計局2014年數(shù)據(jù)，我國森林面積達到20769萬公頃，造林總面積達到6030千公頃，這為生物能源提供了豐富的木質(zhì)纖維資源，為發(fā)展第二代生物燃料和生物質(zhì)固化產(chǎn)品提供了良好的基礎(chǔ)。

2.2 能源消耗

隨著中國工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的推進，中國對能源的需求量不斷攀升，2010年，能源消費總量超過35億t標煤，到2012年，能源消費總量突破40億t標煤，到2014年，能源消費總量再創(chuàng)新高，達到了42.6億t標煤（表1）。中國也是世界上最大的能源消費國，占全球能源消費量的23%，占能源消費凈增長的61%。

表1 國家統(tǒng)計局國家數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)據(jù)：2010年到2014年能源消費總量 （萬t標煤）[13]

能源消耗量的持續(xù)增長使中國對進口能源的依賴也在增長，到2013年，中國的煤進口量已經(jīng)突破3億t，原油進口量也接近3億t（圖6）。能源依賴度是衡量能源安全程度的元素之一，如果中國原油用于出口海外而非補足國內(nèi)消費市場，這將造成能源依賴度的再度提升，并將導(dǎo)致能源安全問題的發(fā)生，甚至出現(xiàn)“石油危機”等嚴重打擊中國經(jīng)濟和社會穩(wěn)定的事件發(fā)生。

圖6 國家統(tǒng)計局國家數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)據(jù)：2010年到2013年煤和原油進口量[13]

2.3 能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與生物能源生產(chǎn)

中國能源需求在不斷增加，到2035年，中國的能源產(chǎn)量將增加47%，而消費量將增加60%[7]。但從能源結(jié)構(gòu)角度看，由于中國能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)改進，不同能源在不同領(lǐng)域的比重及發(fā)展趨勢是不同的，如在發(fā)電方面，石油和煤炭的比重逐漸下滑，新能源發(fā)展迅速，作為可再生能源，生物燃料在發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展前景良好（圖7）。

農(nóng)業(yè)、森林等生物能源資源種類和數(shù)量的豐富致使中國的生物能源生產(chǎn)潛力巨大，到2013年，中國在生物燃料產(chǎn)量已經(jīng)接近歐洲生物燃料生產(chǎn)大國水平，當(dāng)然和美國以及歐盟整體相比，仍有較大差距。但在中國巨大的能源需求和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整形勢下，生物能源的產(chǎn)量有望進一步提高（表2）。

3 討論與啟示

圖7 中國的發(fā)電燃料比重趨勢[8]

中國作為能源消費大國，能源消耗量依舊持續(xù)增長，二氧化碳排放量也隨之上升，到2012年，我國二氧化碳排放量占世界排放量的23.33%，位居世界第一。2013年，霧霾事件集中爆發(fā)，涉及范圍達國土面積1/6。到2035年中國二氧化碳排放量將增長37%，占世界總量的30%[7]。由此可見，中國環(huán)境已受到巨大壓力，在改善空氣質(zhì)量、延緩溫室效應(yīng)方面將面臨強大的挑戰(zhàn)，急需加大力度發(fā)展生物能源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)節(jié)能減排。我國擁有較長的生物能源利用史，但是開發(fā)程度低、轉(zhuǎn)化技術(shù)落后，然而我國擁有豐富的生物能源資源，有較大的開發(fā)潛力，有能力成為未來生物能源領(lǐng)域強大的競爭者。同時，我國雖然生物能源開發(fā)已經(jīng)起步，但是在規(guī)模和效率上依然離世界先進水平有所差距，從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，我國需要綜合環(huán)境、社會、經(jīng)濟三大因素，從技術(shù)、政策、市場三個方面入手，改善中國生物能源的生存條件，為其提供良好的發(fā)展空間。

（1）從2014年美國開發(fā)致密油達到大幅增產(chǎn)的案例可以看出科學(xué)技術(shù)始終是第一生產(chǎn)力，建立生物燃料技術(shù)平臺是保證生物燃料市場競爭力的有效措施之一。從歐洲能源消費結(jié)構(gòu)來看，未來煤在歐洲能源消費結(jié)構(gòu)中所占的比重越來越少，而可再生能源比重則是持續(xù)增加，這意味著新能源競爭力的提升，生物能源在能源效率提升方面擁有巨大的潛力。從技術(shù)角度來看，第三代和第四代生物燃料技術(shù)的完整開發(fā)甚至可以成為改變能源消費結(jié)構(gòu)的標志之一。中國現(xiàn)在是用煤大國，雖然中國能耗整體在增長，但在節(jié)能減排的要求下，煤的消費增量將有所減少，這是清潔能源進入中國能源市場的好時機，以彌補能源需求的增加和煤炭用量的減少。目前，中國正在加速研究第三代和第四代生物燃料技術(shù)，雖然還未投入大量生產(chǎn)，但這是中國發(fā)展生物能源的必經(jīng)之路。另外，體系的精簡優(yōu)化是潛能開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展必經(jīng)之路。從生命周期評價和成本評價的角度看，生物能源在原料的生產(chǎn)、物流系統(tǒng)的建立、轉(zhuǎn)換程序的排放以及成品消耗過程中所造成的環(huán)境問題和開支削減也需要保持關(guān)注并完善相應(yīng)的指標和改善措施，做到全過程的系統(tǒng)性監(jiān)管，從而更好地完成節(jié)能減排和提高能效。

表2 美國、歐洲主要生物燃料生產(chǎn)國、歐盟以及中國的生物燃料產(chǎn)量統(tǒng)計 (1000 t 油當(dāng)量)[1]

（2）中國地區(qū)差異大，與歐洲總體情況類似，因地制宜、細化政策是政府平衡溫室氣體排放、促進各地優(yōu)勢項目崛起的基本手段。如上海的餐廚垃圾回收物流網(wǎng)可提供大量的生物質(zhì)廢棄物，餐廚垃圾收集規(guī)定和補貼是促進建立上海餐廚垃圾回收物流網(wǎng)在政策方面的手段，一套完整的餐廚垃圾回收物流網(wǎng)是高人口密度城市改善城市環(huán)境、增加能源供應(yīng)的有效措施。在沼氣生產(chǎn)方面，中國沼氣的應(yīng)用總體規(guī)模較大，應(yīng)用經(jīng)驗也更為吻合中國國情需要，值得以農(nóng)業(yè)為主的省份通過減少稅收或者增加補貼以鼓勵發(fā)展，成為生物能源發(fā)展的生力軍。

（3）產(chǎn)業(yè)的科學(xué)運營是維持產(chǎn)業(yè)生命力、提高產(chǎn)業(yè)競爭力的重要環(huán)節(jié)。生物能源的進一步發(fā)展是從分散、低產(chǎn)的小戶向集中、高產(chǎn)的大戶發(fā)展的階段，最終形成一套完整、高效的集約型產(chǎn)業(yè)鏈，成為生物能源產(chǎn)業(yè)運營和發(fā)展的模板。集約型運營的目的是提高市場競爭力、保證生存與發(fā)展，一個行業(yè)在形成一套完整的體系后就如同擁有一個完整的生態(tài)圈，以應(yīng)對來自國際能源市場方面的沖擊。如，“豬沼果”模式下的運營，形成一套完整大規(guī)模集約型產(chǎn)業(yè)，以大數(shù)量的畜禽為源動力，以建立沼氣并入燃氣管網(wǎng)項目為主，兼以銷售豬肉、化肥、處理后沼液等產(chǎn)品并完善豬沼果體系。這種體系的建立可解決畜禽糞便的收集、死豬病豬的集中處理和資源化等問題，同時保證成套體系的可持續(xù)運營，增加就業(yè)，并可改善低效率粗放型生產(chǎn)模式，生成更多地理資源用以環(huán)境改善和經(jīng)濟發(fā)展。

4 結(jié)語

生物能源具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，而技術(shù)的進步、規(guī)模的擴大、體系的優(yōu)化是中國生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，也是趕超歐美成為世界生物能源市場強有力的競爭者的基本手段。我國需要生物能源作為經(jīng)濟與環(huán)境發(fā)展的助力，也需要重視發(fā)展生物能源過程中的每一個環(huán)節(jié)，從歷史中尋求道路，從結(jié)構(gòu)上尋求突破，實現(xiàn)生物能源的宏圖。

[1]BP世界能源統(tǒng)計年鑒第64版2015年6月Statistical Review of World Energy 2015 CN Final 20150617

[2]British Petroleum Company. BP Statistical Review of World Energy 2008. London: BP plc; 2008

[3]三門峽富通新能源科技有限公司，生物質(zhì)固化技術(shù)，http://www.ftklj.com/om/articleinfo/detail_5_9_999.aspx，2012/7/15

[4]歐洲生物質(zhì)能協(xié)會，2014歐洲生物能源展望。AEBIOM, European Bioenergy Outlook 2014

[5]AEBIOM, EGEC, ESTELA, ESTIF. How to Become Number 1 in Renewables: A contribution from the biomass, geothermal, and solar thermal sectors

[6]詹慧龍、嚴昌宇、楊照，中國農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究Chinese Agricultural Science Bulletin，中國農(nóng)學(xué)通報2010,26(23):397-402

[7]BP 2035世界能源展望 國家和地區(qū)專題 – 中國專題

[8]BP 2035世界能源展望 2015年2月EO 2035 booklet FINAL

[9]BP世界能源統(tǒng)計年鑒2015 “2014中國能源市場”

[10].BP 2035世界能源展望 2015年2月EO 2035 booklet FINAL

[11].康利平、Robert Earley、安鋒、馬郁峰 國際生物燃料可持續(xù)標準與政策背景報告 Background Report on International Biofuel Sustainable Standards and Policies Development 能源與交通創(chuàng)新中心 2013年5月

[12]賀仁飛，中國生物質(zhì)能的地區(qū)分布及開發(fā)利用評價，地理學(xué)·人文學(xué)：能源經(jīng)濟環(huán)境碩士論文，教授：牛叔文

[13]國家統(tǒng)計局國家數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)據(jù)