生物質(zhì)能

　　前言：生物質(zhì)能不僅易于存儲(chǔ)，且擁有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，是當(dāng)今最重要的可再生能源之一，也是未來(lái)能源供應(yīng)的支柱產(chǎn)業(yè)。交能網(wǎng)這周起將展開(kāi)全新的“生物質(zhì)能”系列，聚焦該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)專(zhuān)題，從不同角度挖掘更多的全新內(nèi)容。本文作為該系列的首發(fā)文章，將從宏觀的角度為大家簡(jiǎn)要介紹生物質(zhì)能作為可再生能源的諸多優(yōu)勢(shì)以及相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，并對(duì)其中蘊(yùn)含的商業(yè)潛力與發(fā)展前景展開(kāi)敘述。

　　生物質(zhì)能概況

　　生物質(zhì)指所有來(lái)自植物、動(dòng)物和人類(lèi)的有機(jī)物質(zhì)，例如木材、玉米和油菜籽等農(nóng)業(yè)和林業(yè)產(chǎn)品。這些可再生的原材料可以用于制造建筑材料、生物塑料等。與太陽(yáng)能、風(fēng)能一樣，生物質(zhì)能也屬于可再生能源，它可以轉(zhuǎn)化為電力與熱能，并將在未來(lái)的能源供應(yīng)中發(fā)揮巨大作用。與風(fēng)能和太陽(yáng)能不同的是，生物質(zhì)能極易儲(chǔ)存，人們可以存儲(chǔ)諸如稻草、木材或液態(tài)肥料之類(lèi)的原材料，并在必要時(shí)再將其轉(zhuǎn)化為其他能源。

　　生物質(zhì)能本質(zhì)上是被存儲(chǔ)的太陽(yáng)能，植物通過(guò)光合作用將二氧化碳和水合成為能量豐富的碳水化合物（糖類(lèi)）。燃燒植物時(shí)這些能量會(huì)被釋放。

　　從古代人類(lèi)使用木材生火烹飪，到如今人們使用現(xiàn)代技術(shù)利用木材、玉米、油菜籽、稻草甚至肥料發(fā)電和生產(chǎn)燃料，人類(lèi)利用生物質(zhì)能的歷史已有數(shù)千年之久。

　　現(xiàn)代生物質(zhì)能最簡(jiǎn)單和廣泛的應(yīng)用仍是燃燒木材取暖。同時(shí)，在沼氣廠中發(fā)酵肥料、玉米和稻草產(chǎn)生沼氣的應(yīng)用也已普及。這些沼氣可以在熱電聯(lián)產(chǎn)廠中發(fā)電產(chǎn)熱，也可以在公共燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)中儲(chǔ)存，并運(yùn)輸?shù)狡渌胤绞褂谩?/p>

　　另外，生物質(zhì)還可用作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。人們可以從菜籽油和其他植物油中提取出所謂的生物柴油，這種生物柴油可以用于所有柴油車(chē)輛。我們還可以從甜菜和谷物中提取生物乙醇并添加到汽油中。在未來(lái)，這些生物燃料可以越來(lái)越多的從諸如稻草這些剩余物質(zhì)中提取。對(duì)于燃?xì)馄?chē)，還可以使用生物天然氣作為燃料提供動(dòng)力。

　　生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)潛力

　　目前我國(guó)市場(chǎng)上傳統(tǒng)化石能源如石油、天然氣需求仍然大于產(chǎn)量，比較依賴進(jìn)口。然而生物質(zhì)能資源豐富，有著巨大的開(kāi)發(fā)潛力。有些植物，如玉米、油菜籽和蘆葦特別適合發(fā)電，同時(shí)對(duì)技術(shù)的要求也不高。甜菜和谷物則適合用來(lái)生產(chǎn)燃料。另外，有機(jī)殘留物，如肥料、殘余的木材、稻草或用過(guò)的油脂也有很大的開(kāi)發(fā)潛力。

　　生物質(zhì)能工業(yè)設(shè)施

　　沼氣廠

　　在農(nóng)村地區(qū)，沼氣廠隨處可見(jiàn)。生產(chǎn)沼氣的原料主要有動(dòng)物糞便、能源作物（如玉米或草）、有機(jī)殘留物（如飼料殘?jiān)┗蚴称饭I(yè)中的廢料或副產(chǎn)品。

　　簡(jiǎn)而言之，這些原料在溫度在32到42攝氏度之間的密閉發(fā)酵罐借助細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生沼氣。沼氣是由約三分之二的甲烷、約三分之一的二氧化碳以及微量的氮?dú)?、氫氣、氧氣等組成的混合氣體。這些剛生產(chǎn)出的原始沼氣被存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)中等待進(jìn)一步的加工處理，而發(fā)酵的殘留物質(zhì)比普通肥料的氣味更小，很適合當(dāng)作肥料使用。通常來(lái)說(shuō)，沼氣裝置會(huì)不斷的補(bǔ)充新的原料，因此沼氣廠可以不受氣候和時(shí)間等因素的影響，全年全天候不間斷的工作生產(chǎn)。

　　以德國(guó)為例，2011年德國(guó)共有7200余所沼氣廠，大部分沼氣送入熱電聯(lián)產(chǎn)廠，年發(fā)電量高達(dá)175億千瓦時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)大核電廠。另外，沼氣經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理成為生物甲烷。這些生物甲烷即可通入天然氣管網(wǎng)，也可用作天然氣汽車(chē)的燃料。目前這些應(yīng)用仍處于起步階段，開(kāi)發(fā)潛力頗大。

　　生物質(zhì)供熱廠

　　與其他供熱廠的工作方式類(lèi)似，生物質(zhì)供熱廠燃燒燃料，利用產(chǎn)生的熱量加熱熱媒（通常為水），通過(guò)管網(wǎng)為建筑、泳池或整個(gè)區(qū)域供熱。生物質(zhì)供熱廠的不同之處在于，它使用木片、木屑或其他固體生物質(zhì)作為燃料。經(jīng)過(guò)現(xiàn)代煙氣除塵技術(shù)的處理，剩余的灰燼可用作建筑材料或肥料的添加劑。一般情況下，生物燃料主要來(lái)自周?chē)貐^(qū)的農(nóng)業(yè)、林業(yè)公司、木材加工公司或木料工藝公司。目前德國(guó)已經(jīng)有數(shù)百個(gè)生物質(zhì)料廠并擁有比較完整的市場(chǎng)體系。另外，木片和其他生物燃料的價(jià)格多年來(lái)也一直相對(duì)穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有波動(dòng)。

　　與化石能源相比，生物燃料的燃燒對(duì)環(huán)境影響很小。因?yàn)樯锶剂先紵龝r(shí)排放的二氧化碳量與其生長(zhǎng)時(shí)曾吸收的二氧化碳量相等，是碳中性的。而化石能源燃燒時(shí)則會(huì)向大氣中排放大量本來(lái)不參與大氣循環(huán)的二氧化碳，從而加劇溫室效應(yīng)和全球氣候變暖。

　　2011年，德國(guó)有1200家生物質(zhì)供熱廠，其熱輸出功率普遍大于500 kW，并且近年來(lái)大功率的生物質(zhì)供熱廠越來(lái)越多。一個(gè)熱功率為500kW的系統(tǒng)可以通過(guò)本地供熱網(wǎng)絡(luò)為大約20至30個(gè)家庭供電。另外，一些輸出功率在數(shù)千萬(wàn)瓦特的生物質(zhì)能供熱廠可通過(guò)區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)為整個(gè)城市供暖和供應(yīng)熱水。

　　生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)廠

　　生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)廠可以同時(shí)生產(chǎn)熱能和電能。燃料燃燒的熱量?jī)?chǔ)存在熱媒蒸汽中，蒸汽通過(guò)渦輪機(jī)或蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，在這之后的蒸汽溫度依然很高，因此可以用來(lái)供熱。對(duì)于木材氣化熱電聯(lián)產(chǎn)廠來(lái)說(shuō)，木材氣化產(chǎn)生的氣體可以直接作為燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒，產(chǎn)生動(dòng)力并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這類(lèi)裝置的工作效率很高，使用的燃料也與生物質(zhì)供熱廠的燃料相同，以各類(lèi)木材為主。

　　生產(chǎn)出的電力可以直接供給電網(wǎng)，熱能則可以提供給附近的工業(yè)企業(yè)或者供給城市的局部或遠(yuǎn)程區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)。由于生物燃料的供應(yīng)和價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)廠的一大優(yōu)勢(shì)在于，其可以不受天氣、時(shí)節(jié)和全球原油和天然氣市場(chǎng)波動(dòng)的影響，全天候的生產(chǎn)熱力和電力。2011年德國(guó)在運(yùn)營(yíng)的生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)廠約有260所，其生產(chǎn)的電量相當(dāng)于一個(gè)大型核電站的產(chǎn)出。與生物質(zhì)供熱廠相比，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)廠擁有更大的客戶群體，因此也需要更多的燃料。

　　木材供熱系統(tǒng)

　　現(xiàn)在，以木材為原料供暖已經(jīng)發(fā)展成一種清潔高效的技術(shù)。木材可再生、易獲取、純天然，是一種理想的燃燒原料。其中比較廣泛的應(yīng)用是木材顆粒加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)可以自動(dòng)裝載燃料，在舒適性方面完全不輸于油或氣加熱器。大約4.5噸的木材顆粒就可以滿足一座北方的獨(dú)立公寓住宅全年的供暖需求，存放這些木材顆粒也僅需要大約4.5平方米的儲(chǔ)存面積。燃燒后剩下的少量灰燼可以當(dāng)作普通的家庭垃圾處理。

　　生物質(zhì)能的五大優(yōu)點(diǎn)

　　1.易于儲(chǔ)存

　　肥料、玉米、木材這些生物質(zhì)作為生物質(zhì)能的載體極易儲(chǔ)存。沼氣也可以安全的收集在特殊的存儲(chǔ)設(shè)施中，或者送入天然氣管網(wǎng)。因此與其他可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能），生物能源可以不受天氣影響，全天候地提供電力與熱量。

　　2.減少對(duì)化石能源的依賴

　　石油和天然氣的儲(chǔ)量是有限的，同時(shí)，全世界對(duì)能源的需求也在增加。我國(guó)每年化石能源的進(jìn)口是一筆龐大的支出。與之相對(duì)，生物質(zhì)是一種可再生原料，而且完全可以代替化石能源來(lái)發(fā)電、產(chǎn)熱或充當(dāng)燃料。不僅如此，生物質(zhì)還有著更加穩(wěn)定的價(jià)格。

　　3.環(huán)境友好

　　化石能源燃燒會(huì)釋放溫室氣體，加劇全球氣候變暖，產(chǎn)生諸如氣候異常、海平面升高等一系列惡劣影響。而生物質(zhì)是二氧化碳中性的，其燃燒產(chǎn)生的二氧化碳量等于植物在生長(zhǎng)過(guò)程中吸收的二氧化碳量。因?yàn)榭稍偕茉吹耐茝V，2010年德國(guó)減排溫室氣體1.2億噸，其中一半以上要?dú)w功于生物能源的使用和推廣。

　　4.創(chuàng)造了新的收入來(lái)源

　　農(nóng)業(yè)和林業(yè)公司是生物質(zhì)的主要供應(yīng)商。隨著對(duì)木材和能源作物需求的增長(zhǎng),農(nóng)民能夠獲得額外的收入。油菜籽、玉米、甜菜、桔梗、速生林和其他能源作物將會(huì)被更廣泛的種植。

　　5.創(chuàng)造新的工作機(jī)會(huì)

　　生物質(zhì)能領(lǐng)域有許多重要的生產(chǎn)步驟，如生物質(zhì)的種植、收獲、加工和貿(mào)易，另外還有沼氣廠、生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)廠和私人木材供熱系統(tǒng)的規(guī)劃、安裝和建造。生物質(zhì)能可以由此創(chuàng)造很多附加值。

　　有關(guān)生物質(zhì)能的進(jìn)一步討論

　　能源作物的大范圍種植導(dǎo)致食品價(jià)格上漲？

　　全球食品價(jià)格上漲的主要原因并不是能源作物的大范圍種植，而是：人口增長(zhǎng)、天氣原因?qū)е碌霓r(nóng)作物歉收，以及最重要的一點(diǎn)——肉類(lèi)食品消費(fèi)量的增加。以巴西為例，巴西擁有約2.2億公頃的牧場(chǎng)，相比之下僅有2300萬(wàn)公頃的耕地和600萬(wàn)公頃的甘蔗（能源作物，其中一半被用于制作生物乙醇，并用作汽車(chē)燃料）。但不可否認(rèn)的是，在發(fā)展生物質(zhì)能的同時(shí)要注重與糧食生產(chǎn)之間的平衡，避免出現(xiàn)新的糧食問(wèn)題。

　　能源作物需要更多的化肥和農(nóng)藥？

　　答案是否定的。能源作物相比糧食作物對(duì)氮肥的需求量更低，因?yàn)榈刻卟焕诎l(fā)酵。能源作物對(duì)害蟲(chóng)的耐受極限也更高。由于生長(zhǎng)周期較短，收獲較早，許多病原體并沒(méi)有足夠的時(shí)間成長(zhǎng)到關(guān)鍵階段。能源作物的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，他的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)幾乎是封閉的，在其能量被利用之后，發(fā)酵或燃燒的剩余物質(zhì)可以作為肥料。

　　作物單一化？

　　玉米作為一種常見(jiàn)的能源作物，生長(zhǎng)迅速，并且可以提供大量生物質(zhì)。使用玉米作為原料生產(chǎn)沼氣的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且產(chǎn)量很高，所以很多沼氣廠會(huì)把玉米作為首選原料進(jìn)行儲(chǔ)存。但這會(huì)使玉米的種植面積顯著增加，導(dǎo)致農(nóng)作物單一化，帶來(lái)很多批評(píng)。以德國(guó)為例，2012年德國(guó)對(duì)可再生能源法（Erneuerbare-Energien-Gesetz）進(jìn)行修訂，規(guī)定新的沼氣廠使用玉米的比例要在百分之60以下，其余可以使用其他開(kāi)花植物或斑紋鱗莖代替。

　　轉(zhuǎn)基因技術(shù)泛濫？

　　無(wú)論是出于商業(yè)還是科研目的，轉(zhuǎn)基因植物的田間種植和試驗(yàn)都應(yīng)受到嚴(yán)格管控。因此，特殊品種能源作物（例如特別高產(chǎn)的能量玉米）也必須通過(guò)嚴(yán)格的審批程序。

　　森林砍伐？

　　以德國(guó)和歐盟為例，自2009年以來(lái)，可持續(xù)性法規(guī)一直在確保只能使用可持續(xù)生產(chǎn)的生物燃料。通過(guò)為合規(guī)的企業(yè)和產(chǎn)品頒發(fā)合格證，確保在全球范圍內(nèi)種植能源作物的同時(shí)，不會(huì)喪失稀有動(dòng)植物的寶貴棲息地（如泥潭地和熱帶雨林）。此外，與化石能源相比，生物燃料在整個(gè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈上減排了至少百分之60的溫室氣體（2018年），這對(duì)全球生態(tài)環(huán)境保護(hù)做出了巨大貢獻(xiàn)。（邸義博）