不一樣的角度

　　前言：隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提升，城市能耗占全球總能源的百分比大大增加。生物質(zhì)是一種存在于木材、鋸末、稻草、種子廢料、糞肥、廢紙、生活垃圾、廢水等各種不同材料中的資源，由于其經(jīng)濟潛力巨大，生物質(zhì)能的利用正變得越來越重要。大量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會產(chǎn)生副產(chǎn)品，其可作為所謂的能源作物加以推廣。對生物質(zhì)能全球研究趨勢的分析可以輔助能源工作者理解當前能源形勢和未來發(fā)展趨勢，本文將從這一角度為大家展開分析介紹。

　　上世紀90年代初，城市能耗不到全球總能耗的一半，隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提升，城市能耗占全球總能源的百分比大大增加（三分之二）。這意味著城市能源在全球能源結(jié)構(gòu)中所占比例的增長速度高于全球城市人口所占比例的增長速度。雖然城市中化石燃料是主要的能源，但如何保證能源的可持續(xù)性正成為解決氣候變化問題的重要方向。此外，城市所排放的二氧化碳也是造成氣候變化的最大因素之一，約占全球排放總量的70%。不斷增長的能源消耗不僅導致了城市空氣污染，也帶來了由于氣候變化方面的毀滅性影響，目前大約70%的城市已經(jīng)在經(jīng)受氣候變化帶來的考驗。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，城市地區(qū)90%的居民受到的環(huán)境污染水平超過了他們建議的標準。

　　作為可再生能源的生物質(zhì)能，來源十分廣泛，包括動植物以及通過自然或人工轉(zhuǎn)化而獲得的有機物質(zhì)。生物質(zhì)存在于各種不同的材料中：木材、鋸末、稻草、種子廢料、糞肥、廢紙、生活垃圾、廢水等。某些材料的特性使它們可以直接用作燃料，其他的則需要一系列的預處理，在使用之前需要不同的技術(shù)。

　　可再生供熱源既可以來自建筑物內(nèi)分散的設備，也可以來自集中的發(fā)電及其進一步的分發(fā)。分散式生物質(zhì)鍋爐是一項不斷發(fā)展的新興技術(shù)。生物質(zhì)是一種碳中性能源，它在生長過程中吸收二氧化碳，然后在燃燒過程中重新釋放到大氣中，達到二氧化碳排放凈平衡。然而，大量的熱能被浪費在發(fā)電和制造過程中。熱電聯(lián)產(chǎn)重新利用排出的余熱發(fā)電，同時生產(chǎn)電力和熱能，供工業(yè)、商業(yè)或住宅使用。工業(yè)消耗了大量熱能和電能，多余的電能被輸入電網(wǎng)。另一方面，區(qū)域供熱和供冷網(wǎng)絡是整合工業(yè)和農(nóng)業(yè)生物質(zhì)等自然資源，同時提高能源效率的一種非常有效的方式。分布式能源系統(tǒng)由地下絕緣管道網(wǎng)絡組成，連接到一個熱電廠，熱水或冷水被泵送至一個區(qū)域內(nèi)的不同建筑物。

　　由于生物質(zhì)在世界范圍內(nèi)的廣泛可用性，作為許多工業(yè)和農(nóng)業(yè)過程的副產(chǎn)品獲得，生物質(zhì)能是一種具有高增長潛力的可再生能源。生物質(zhì)集中供熱(BDH)是一種自然能源資源在城市環(huán)境中的系統(tǒng)集成，一方面減少了二氧化碳排放與化石燃料的燃燒，另一方面增加了能源效率。

　　生物質(zhì)能作為生物燃料的使用是科學界非常感興趣的一個領域。目前，大部分的研究都集中在從生物質(zhì)中提取對環(huán)境友好和可持續(xù)的能源來補充代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料。其主要目的是幫助研究社區(qū)環(huán)境，了解可再生能源未來的趨勢以促進決策的科學性。下表所示為近十年來生物質(zhì)燃料的一些主要研究方向。

表1：近十年來生物質(zhì)燃料的主要主要研究方向

　　研究結(jié)果

　　一個機構(gòu)、地區(qū)或國家的出版物數(shù)量是量化這些單位的科學活動的有用指標。在同其他機構(gòu)、地區(qū)或國家的活動進行比較時，可以作為監(jiān)測科學生產(chǎn)的一個手段。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，1978至2018年期間，生物質(zhì)能領域研究工作主要還是以學術(shù)論文居多(59.0%)，其次是會議論文(23.2%)和綜述(9.4%)，相比之下，相關的書籍和調(diào)查數(shù)量比較少。

圖1：各時期生物質(zhì)能相關出版物發(fā)行數(shù)量

　　由圖1所示可以明顯看到，在2006年之前圍繞生物質(zhì)能的科學研究并沒有什么顯著的變化，但是在2008年卻突然達到了一個峰值。其背后的原因是由于2008年6月世界范圍內(nèi)的油價達到了每桶136美元，這意味著傳統(tǒng)化石能源在經(jīng)濟適用性方面呈現(xiàn)出了相當?shù)牧觿?，急需尋找可以替代的可再生能源，而生物質(zhì)能在對化石能源的替代性方面表現(xiàn)非常優(yōu)異，因而越來越多的科研機構(gòu)將目光聚集在了針對生物質(zhì)能的研究中，可以說，高油價和大范圍的經(jīng)濟危機為生物質(zhì)能創(chuàng)造了時代的發(fā)展機遇。

圖2：全球各地區(qū)生物質(zhì)能相關出版物發(fā)行數(shù)量

　　 圖2則展示了各個國家生物質(zhì)能研究成果的數(shù)量，也可以側(cè)面反映出該國對生物質(zhì)能發(fā)展領域的重視程度。這一領域發(fā)表論文最多的國家是美國(3318篇)，其次是中國(1514篇)、印度(1165)，德國(1137)和意大利(993)。由此可以得出結(jié)論，工業(yè)國家利用生物質(zhì)作為可再生能源是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素，各國政府推行能源政策的目的是減少污染溫室氣體的排放和緩解全球變暖的問題。例如美國環(huán)境保護署(EPA)在2013年9月公布了新的標準，目標是到2030年減少30%的二氧化碳排放。

圖3：對生物質(zhì)能研究的合作集群

　　圖3所示為全球重要的國家和生物質(zhì)能研究機構(gòu)之間的合作，可以觀察到存在8個生物質(zhì)能合作集群，其中美國、印度和英國出現(xiàn)在所有的集群中。最重要的紅色集群是由英國領導的，它是由具有政治和經(jīng)濟影響的傳統(tǒng)地區(qū)組成的。這之后的綠色集群是主要由拉丁美洲國家組成。藍色集群以美國為首，與中國、加拿大、墨西哥等北美國家關系密切，因而歸為了一個集群。黃色集群以德國為首也涵蓋了很多東歐國家。不太重要的是中歐集群(綠松石色)、斯堪的納維亞-俄羅斯集群(灰色)和一些非洲國家的橘色集群。分組有兩種可能的形式：第一種是基于國家集團之間的影響或經(jīng)濟關系形成的四個重要集群；第二種是根據(jù)它們的地理位置或氣候條件，以及可能擁有的生物量類型，基于此形成了最后三個集群。

　　表2則列出了目前生物質(zhì)可再生能源領域科研產(chǎn)出最高的10家機構(gòu)，以及這些機構(gòu)使用最多的關鍵詞。 

表2：十大最重要的國際研究機構(gòu)和關鍵詞

　　可以看到，這些機構(gòu)使用最多的關鍵詞是生物燃料，在5個機構(gòu)中都排名第一。中國的研究機構(gòu)主要專注于固體燃料，而美國和巴西機構(gòu)專注于液體燃料乙醇等。從這些重要的生物質(zhì)能研究機構(gòu)的研究方向可以看到，生物質(zhì)燃料一定是未來的一大發(fā)展趨勢，與其他可再生能源相比，對化石燃料的替代性很高，對一些能源設備而言，所需要的額外改造與成本投資會顯著下降。 

圖4：生物質(zhì)能領域最熱門的5個關鍵詞

　　圖4則展示了在生物質(zhì)作為可再生能源研究領域的5個最為熱門的關鍵詞。在2008年，“生物質(zhì)能”和“可再生能源”一躍成為了最為熱門的話題，在上文中我們也提到了其背后的原因是石油價格的暴漲。在2010之后，“生物質(zhì)” 這一關鍵詞的熱度也遠超其他關鍵詞，由此可以看出，生物質(zhì)能已經(jīng)從可再生能源這一綜合領域獨立成為了一個類似于風能和太陽能的專題熱點。

　　總結(jié)

　　通過計量學分析可以得出結(jié)論，研究生物質(zhì)作為可再生能源這一主題的主要國家是美國，其次是中國、印度、德國和意大利?？梢钥闯觯丝诒姸嗟拇髧鴮κ褂眯碌目稍偕茉?，例如生物質(zhì)能的需求更加旺盛。關于這個主題的出版物的主要語言是英文(95.3%)，其次是中文(1.4%)。發(fā)表有關生物質(zhì)作為可再生能源文章的主要期刊有:《可再生與可持續(xù)能源評論》、 《生物質(zhì)與生物能源》和《生物資源技術(shù)》。隨著時間的推移，人們對生物質(zhì)作為可再生能源的研究興趣不斷增長。在生物質(zhì)領域進行的研究中，能源領域最為突出(23.4%)，這是因為大部分的研究都集中在生物質(zhì)的產(chǎn)熱或產(chǎn)電，除此之外，生物質(zhì)燃料也是各國爭先研究的對象。（作者 | 尹華琛）