農村生物質清潔能源發展及應用分析
——以四川農村為例

（達州職業技術學院，四川達州 635001）

能源的利用種類隨著社會的發展發生著不斷的變化，從工業革命開始煤炭逐步成為主要的能源，到二十世紀二十年代，煤炭消費量占世界商品能源的87%[1]；二十世紀后期，石油、天然氣、電力和煤炭一起成為了世界的主體能源。但是地球上的化石能源儲量是有限的，研究表明全球已經探明的煤炭資源僅能滿足110余年的開采，石油和天然氣資源僅能滿足50余年的開采[2]。雖然水電、風電等電力資源是可再生的，但是其資源儲量和空間分布都非常不均勻，無法滿足人民日益增長的能源需求。

石油、天然氣、煤炭等化石能源的大規模使用，給全球經濟社會發展帶來了一系列的革命，但也帶來了溫室氣體的大量排放，全球氣候變暖已經成為當今世界人們關注的主要問題[3]，同時也帶來了生物多樣性破壞、酸雨、光化學煙霧等嚴重的環境污染問題[4-5]。經濟社會的高速發展，對能源需求日益增加，加速利用其它類型的能源是社會發展的必然趨勢。如今，世界能源消費出現了巨大的變化，向低碳化趨勢進行發展，以太陽能、風能、核能、生物質能、地熱能、潮汐能等為代表的新能源的開發和利用規模和范圍都在不斷的擴大，新型能源的消費份額也在不斷提高，能源消費的格局也從化石能源為主導的能源結構，逐步向多種能源供給的格局轉變[6]。能源利用低碳化轉型就是要實現清潔、可持續的高效利用，而開發利用可再生清潔能源是解決能源利用轉型發展過程中遇到的供需矛盾問題的關鍵路徑之一。

1 生物質能源的特點

生物質能是一種特殊的可再生能源，是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，也是在可再生能源中唯一一種方便收集、儲存和運輸的最接近化石燃料的能源。生物質能是世界上排位在煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源，生物質能原料資源是水電的2倍，是風電的3.5倍[7]。據統計，中國清潔能源（不含太陽能）資源量為21.5億tce/年，其中生物質能占半壁江山，約為54.5%[8]。作為傳統的農業大國，我國的農業生產產生了大量的生物質資源，這些資源具有量大、可再生性強等特點，具有較高的開發潛力。結合我國農村的特點，開發農村生物質能源，用生物質能代替或部分代替化石能源可以避免農村廢棄秸稈焚燒帶來的局部嚴重環境污染問題，也可以彌補其他可持續能源面臨的間歇性弊病等問題，對于優化和調整能源的結構和布局，緩解能源緊缺具有重要的意義[9]。

2 四川農村生物質能的現狀

四川是農業大省，是全國生物質原料最豐富的省份之一，四川農村的生物質資源潛力巨大，可以利用的主要包括農作物的秸稈、人畜糞便、農村生活垃圾和能源植物等4個方面[10]。秸稈是作物的伴生品，秸稈占農作物的51%以上，其用途非常廣泛，主要用作燃料、飼料、肥料等。根據國家統計局數據顯示，四川的糧食產量全國排名第九，主要的糧食作物是水稻和小麥，主要的油料作物是油菜，2019年四川的糧食產量為3498.5萬噸，同比增長0.1%，油料作物產量367.4萬噸，同比增長1.3%。綜合各地氣候的差異，各地草谷比也呈現相應的差異，據估算，四川省2019年產生的糧食秸稈近3000萬噸，油料秸稈超過900萬噸。隨著城市化進程的加快和農村經濟社會的發展，秸稈被直接用作生活燃料的需要已經逐漸減少，剩余秸稈往往被直接焚燒用于田地基肥，但這種焚燒方式既浪費了生物質能源，又引起嚴重的空氣污染，影響民航飛行。近幾年，為減輕對空氣的污染，很多地區已經出臺相關的政策，禁止在農田里直接焚燒秸稈。2018年2月，黨中央、國務院在《關于實施鄉村振興戰略的意見》中明確指出要推進農村可再生能源開發利用，同年7月，國務院在《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》中提出要加快調整我國的能源結構，構建清潔低碳高效的能源體系，今年十月底《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》中明確提出在“十四五”期間要“推動能源清潔低碳安全高效利用”。

四川農村已經實現整體脫貧，但是城市和農村的能源利用差距還很大，特別是農村清潔能源的利用發展嚴重滯后，與美麗鄉村的要求還有很大的差距，如果這些問題在“十四五”期間得不到解決，就無法實現能源清潔低碳安全高效利用，也很難實現我國的碳減排和碳中和目標[11]。由于生物質在燃燒過程中排放的二氧化碳是植物生長時通過光合作用吸收的二氧化碳，不會增加大氣中的二氧化碳總量，并且在燃燒過程中二氧化硫和氮氧化合物的排放量很低，生物質能在國際上被稱為二氧化碳零排放（又稱碳中和）[12]，滿足國家對環保和清潔能源的要求，具有較大的發展潛力。因此，在農村發展清潔能源是生態文明建設和美麗鄉村建設的重要組成部分，對改善農村人居環境、推進美麗鄉村建設、促進鄉村振興具有重要的作用[13]。

3 農村生物質能源利用的現狀和存在的問題

當前，我國生物質能源的發展與新能源產業的發展相比相對滯后，生物質材料在很多地方往往是采取焚燒的方法進行處理，生物質能源的平均利用率不到20%。生物質能源化利用最多的是農村沼氣和生物質秸稈發電。由于農村大多采取分散居住模式，傳統的農村沼氣池往往是每家每戶單獨建造，容積較小，只能滿足家庭照明和日常生活需求，但是這種模式帶來設備維護困難，特別是設備使用壽命到期后容易造成環境污染等問題，如沼液泄漏后會造成地下水污染，秸稈氣化產生的煤焦油沒有專業人員進行處理也會造成環境污染[14]。

秸稈用于發電是能源化利用的又一途徑，但是遇到的第二個問題就是收集半徑大，運輸成本高，收、儲、運服務體系尚未建立。沒有形成從農作物種植、收集、運輸及加工利用的完整產業鏈，秸稈加工利用企業布局不合理，缺乏龍頭企業帶動，產業鏈經營和綜合利用產業化發展緩慢。同時，由于生物質發電的高上網電價，導致農民放棄選擇用電，而重新選擇使用煤炭，這種結果只是用農民焚燒燒煤的方式替代電廠集中燒煤，仍然沒有減輕對環境的污染[15]。

生物質能在推廣的過程中，出現推廣困難等問題。根據農業部對8個省的調查研究發現，秸稈離田綜合利用成本較高[16]，農村清潔能源設施和技術開發利用成本也較高，當前農村大多數是老年人或留守婦女、兒童，文化層次往往不高，新技術的推廣比較困難，尤其是從事生物質能源的專業人員缺乏，沒有形成較為有效的推廣網絡和推廣體系。因此，如何從農村實際出發，堅持因地制宜的原則，從根本上構建和完善推廣網絡，將技術和設備有效地落地到農村是生物質能源發展的基礎性問題[17]。

生物質能源的配套和扶持政策有待進一步完善。雖然國家已經對秸稈的綜合利用制定了一系列的政策，但是這些政策往往只是針對生產的某一個特定的環境，沒有按照產業鏈的發展形成系統的配套支持政策，政府在生物質燃料的收集、儲存和運輸等關鍵環節缺乏相應的政策支持，讓社會力量參與農村生物質能源建設的激勵力度還不夠，影響了秸稈的綜合利用。財政補貼存在補貼作物種類、補貼區域有限等特點，需要進一步激發農民參與秸稈綜合利用的積極性[18]。

4 農村生物質能源利用的發展前景分析

秸稈能源化利用的主要方法為燃燒、熱化學處理法、生物化學法和物理化學法等，可轉化為電能和固體、液體、氣體燃料等二次能源。

一是秸稈發電。我國農村電網存在電力結構不完善和設備發展水平落后等問題，往往無法滿足農村日益增長的用電需求[19]。利用秸稈替代煤炭為燃料進行發電，由于秸稈的含硫量只有煤炭的1/5-1/4，可以減少二氧化硫的排放量，為農村用電和節能減排開辟了一條新的途徑。發電前先將秸稈進行預處理，將秸稈碎化，然后壓制固化成體積小、便于儲存、熱值高的高密度固體燃料，作為發電廠生物質發電燃料，在燃燒過程中生產蒸汽帶動蒸汽輪機和發電機發電。

二是秸稈氣化。秸稈氣化的傳統方式是秸稈生物發酵制沼氣。San等對柬埔寨農村地區使用的4種能源進行了經濟和環境成本的分析，結果表明使用沼氣的家庭能源成本較低，沼氣是農村最為合適的能源消費結構[20]。Wang Xiaohua等通過對比分析有沼氣農村家庭和無沼氣農村家庭的用能結構，結果顯示生物質能有助于改善農村的能源結構，使用沼氣的家庭人均能源消耗量明顯下降，每戶家庭年均減少了163.5 kgce[21]。由于秸稈生物質主要是碳氫化合物組成，新型的秸稈生物質氣化技術是以秸稈為原料，通過在厭氧環境下，采用干餾熱解法等化學方法，秸稈在氣化過程中經過熱解、還原等反應，轉化成一氧化碳和氫氣等可燃氣體，生成品味較高、易于輸送的氣體燃料，該方式能源利用率高，比直接燃燒秸稈的熱效率高3倍多，綜合熱效率可達40%以上[22]。

四是秸稈液化。由于秸稈的主要成分是大分子多糖化合物纖維素，可以將秸稈直接粉碎進行生物發酵生產乙醇，進一步生產乙醇汽油，達到節約石化燃料或者替代汽油的目的。Liu等分析了日本生物乙醇項目的環境負荷指標，結果表明生物乙醇的環境負載率、環境影響比等具體指標均低于石化燃料，有利于環境保護和可持續發展[23]。德國、日本等國家都在積極開發生物質液體燃料，利用不同比例的廢棄木材、農作物秸稈和其他廢棄生物質混合，生產生物合成柴油和石腦油，生物質液化技術是生物質能源轉化的最新方向。