不一樣的角度——從全球研究趨勢(shì)看生物質(zhì)能

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(jì)潛力巨大，生物質(zhì)能的利用正變得越來(lái)越重要。大量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品，其可作為所謂的能源作物加以推廣。對(duì)生物質(zhì)能全球研究趨勢(shì)的分析可以輔助能源工作者理解當(dāng)前能源形勢(shì)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，本文將從這一角度為大家展開(kāi)分析介紹。

上世紀(jì)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(zhǎng)速度高于全球城市人口所占比例的增長(zhǎng)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(wèn)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(zhǎng)的能源消耗不僅導(dǎo)致了城市空氣污染，也帶來(lái)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(lái)的考驗(yàn)。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(guò)了他們建議的標(biāo)準(zhǔn)。

作為可再生能源的生物質(zhì)能，來(lái)源十分廣泛，包括動(dòng)植物以及通過(guò)自然或人工轉(zhuǎn)化而獲得的有機(jī)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(yù)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(lái)自建筑物內(nèi)分散的設(shè)備，也可以來(lái)自集中的發(fā)電及其進(jìn)一步的分發(fā)。分散式生物質(zhì)鍋爐是一項(xiàng)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(zhǎng)過(guò)程中吸收二氧化碳，然后在燃燒過(guò)程中重新釋放到大氣中，達(dá)到二氧化碳排放凈平衡。然而，大量的熱能被浪費(fèi)在發(fā)電和制造過(guò)程中。熱電聯(lián)產(chǎn)重新利用排出的余熱發(fā)電，同時(shí)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(luò)是整合工業(yè)和農(nóng)業(yè)生物質(zhì)等自然資源，同時(shí)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(luò)組成，連接到一個(gè)熱電廠，熱水或冷水被泵送至一個(gè)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(guò)程的副產(chǎn)品獲得，生物質(zhì)能是一種具有高增長(zhǎng)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(xué)界非常感興趣的一個(gè)領(lǐng)域。目前，大部分的研究都集中在從生物質(zhì)中提取對(duì)環(huán)境友好和可持續(xù)的能源來(lái)補(bǔ)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(lái)的趨勢(shì)以促進(jìn)決策的科學(xué)性。下表所示為近十年來(lái)生物質(zhì)燃料的一些主要研究方向。

表1：近十年來(lái)生物質(zhì)燃料的主要主要研究方向

研究結(jié)果

一個(gè)機(jī)構(gòu)、地區(qū)或國(guó)家的出版物數(shù)量是量化這些單位的科學(xué)活動(dòng)的有用指標(biāo)。在同其他機(jī)構(gòu)、地區(qū)或國(guó)家的活動(dòng)進(jìn)行比較時(shí)，可以作為監(jiān)測(cè)科學(xué)生產(chǎn)的一個(gè)手段。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，1978至2018年期間，生物質(zhì)能領(lǐng)域研究工作主要還是以學(xué)術(shù)論文居多(59.0%)，其次是會(huì)議論文(23.2%)和綜述(9.4%)，相比之下，相關(guān)的書(shū)籍和調(diào)查數(shù)量比較少。

圖1：各時(shí)期生物質(zhì)能相關(guān)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(xué)研究并沒(méi)有什么顯著的變化，但是在2008年卻突然達(dá)到了一個(gè)峰值。其背后的原因是由于2008年6月世界范圍內(nèi)的油價(jià)達(dá)到了每桶136美元，這意味著傳統(tǒng)化石能源在經(jīng)濟(jì)適用性方面呈現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)牧觿?shì)，急需尋找可以替代的可再生能源，而生物質(zhì)能在對(duì)化石能源的替代性方面表現(xiàn)非常優(yōu)異，因而越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)將目光聚集在了針對(duì)生物質(zhì)能的研究中，可以說(shuō)，高油價(jià)和大范圍的經(jīng)濟(jì)危機(jī)為生物質(zhì)能創(chuàng)造了時(shí)代的發(fā)展機(jī)遇。

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

圖2則展示了各個(gè)國(guó)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(guó)對(duì)生物質(zhì)能發(fā)展領(lǐng)域的重視程度。這一領(lǐng)域發(fā)表論文最多的國(guó)家是美國(guó)(3318篇)，其次是中國(guó)(1514篇)、印度(1165)，德國(guó)(1137)和意大利(993)。由此可以得出結(jié)論，工業(yè)國(guó)家利用生物質(zhì)作為可再生能源是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，各國(guó)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(wèn)題。例如美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)在2013年9月公布了新的標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是到2030年減少30%的二氧化碳排放。

圖3：對(duì)生物質(zhì)能研究的合作集群

圖3所示為全球重要的國(guó)家和生物質(zhì)能研究機(jī)構(gòu)之間的合作，可以觀察到存在8個(gè)生物質(zhì)能合作集群，其中美國(guó)、印度和英國(guó)出現(xiàn)在所有的集群中。最重要的紅色集群是由英國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的，它是由具有政治和經(jīng)濟(jì)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(guó)家組成。藍(lán)色集群以美國(guó)為首，與中國(guó)、加拿大、墨西哥等北美國(guó)家關(guān)系密切，因而歸為了一個(gè)集群。黃色集群以德國(guó)為首也涵蓋了很多東歐國(guó)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(guó)家的橘色集群。分組有兩種可能的形式：第一種是基于國(guó)家集團(tuán)之間的影響或經(jīng)濟(jì)關(guān)系形成的四個(gè)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(gè)集群。

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

表2：十大最重要的國(guó)際研究機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵詞

可以看到，這些機(jī)構(gòu)使用最多的關(guān)鍵詞是生物燃料，在5個(gè)機(jī)構(gòu)中都排名第一。中國(guó)的研究機(jī)構(gòu)主要專注于固體燃料，而美國(guó)和巴西機(jī)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(jī)構(gòu)的研究方向可以看到，生物質(zhì)燃料一定是未來(lái)的一大發(fā)展趨勢(shì)，與其他可再生能源相比，對(duì)化石燃料的替代性很高，對(duì)一些能源設(shè)備而言，所需要的額外改造與成本投資會(huì)顯著下降。

圖4：生物質(zhì)能領(lǐng)域最熱門(mén)的5個(gè)關(guān)鍵詞

圖4則展示了在生物質(zhì)作為可再生能源研究領(lǐng)域的5個(gè)最為熱門(mén)的關(guān)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(mén)的話題，在上文中我們也提到了其背后的原因是石油價(jià)格的暴漲。在2010之后，“生物質(zhì)” 這一關(guān)鍵詞的熱度也遠(yuǎn)超其他關(guān)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(lǐng)域獨(dú)立成為了一個(gè)類似于風(fēng)能和太陽(yáng)能的專題熱點(diǎn)。

總結(jié)

通過(guò)計(jì)量學(xué)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(guó)家是美國(guó)，其次是中國(guó)、印度、德國(guó)和意大利?？梢钥闯?，人口眾多的大國(guó)對(duì)使用新的可再生能源，例如生物質(zhì)能的需求更加旺盛。關(guān)于這個(gè)主題的出版物的主要語(yǔ)言是英文(95.3%)，其次是中文(1.4%)。發(fā)表有關(guān)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(píng)論》、 《生物質(zhì)與生物能源》和《生物資源技術(shù)》。隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)生物質(zhì)作為可再生能源的研究興趣不斷增長(zhǎng)。在生物質(zhì)領(lǐng)域進(jìn)行的研究中，能源領(lǐng)域最為突出(23.4%)，這是因?yàn)榇蟛糠值难芯慷技性谏镔|(zhì)的產(chǎn)熱或產(chǎn)電，除此之外，生物質(zhì)燃料也是各國(guó)爭(zhēng)先研究的對(duì)象。