全球生物質(zhì)能資源評價(jià)

閆強(qiáng)，王安建，王高尚，于汶加

（中國地質(zhì)科學(xué)院，北京100037）

　　摘要：隨著全球能源供需矛盾的日益突出，人類對開發(fā)利用各類新能源寄予厚望，生物質(zhì)能就是其中之一。生物質(zhì)能的發(fā)展對保障能源安全、培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)、促進(jìn)農(nóng)村生活水平的提高等具有積極意義。不過，對生物質(zhì)能資源的不合理開發(fā)也可能會威脅糧食安全，并可能對生態(tài)環(huán)境造成不利影響。對全球生物質(zhì)能資源進(jìn)行了系統(tǒng)評價(jià)，認(rèn)為目前以糧食為主要原料的生物質(zhì)能發(fā)展模式不可持續(xù)，應(yīng)積極發(fā)展基于纖維素乙醇的不消耗糧食的第二代生物燃料技術(shù)。

　　0引言

　　18世紀(jì)之前，生物質(zhì)能一直是人類最主要的能量來源，直到今日，生物質(zhì)能仍然是僅次于石油、煤炭、天然氣的第四大能源，在世界一次能源供應(yīng)量中的比重約為10%。與太陽能、風(fēng)能等常見的過程性可再生能源不同，生物質(zhì)能屬于含能體能源，在諸多方面與煤炭、石油、天然氣等常規(guī)化石能源相似，具有可存儲、可運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。生物質(zhì)能資源來源于一切直接或間接利用綠色植物進(jìn)行光合作用而形成的有機(jī)物質(zhì)，包括動物、植物、微生物，以及由這些生物產(chǎn)生的排泄物和代謝物。長期以來，生物質(zhì)能資源的利用以直接燃燒為主，不僅效率低下，而且污染環(huán)境。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)能資源可以通過各種技術(shù)加以轉(zhuǎn)化和高效利用，產(chǎn)生電力和熱力，或生產(chǎn)生物燃料，如乙醇、生物柴油及沼氣。生物質(zhì)能資源的科學(xué)利用，對緩解能源供需矛盾、優(yōu)化能源品種結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放、提高農(nóng)民收入及農(nóng)村生活條件，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展等都具有重要意義。

　　1生物質(zhì)能資源分類

　　按照傳統(tǒng)的分類方法，生物質(zhì)能資源分為林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源（包括能源植物）、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢物、畜禽糞便等五個(gè)大類。隨著對生物質(zhì)能認(rèn)識的加深及其加工轉(zhuǎn)化技術(shù)的進(jìn)步，生物質(zhì)能資源范圍不斷拓寬，如下的分類方法更加全面：（1）農(nóng)作物類：主要包括產(chǎn)生淀粉的甘薯、木薯、玉米、小麥、水稻、高粱、番薯等；產(chǎn)生糖類的甘蔗、甜菜、果實(shí)等；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的剩余物，如農(nóng)作物秸稈（玉米秸、麥秸、稻草、棉桿）等。（2）林作物類：主要有森林生長和林業(yè)生產(chǎn)過程中的林木生物質(zhì)，如多種樹木（白楊、懸鈴木等）、薪炭林；森林撫育和間伐作業(yè)中的碎散木材、殘留樹枝、樹葉和木屑等；加工生產(chǎn)過程中的枝了、鋸末、截頭等；林業(yè)副產(chǎn)品的殼、果核等。專門用于生產(chǎn)生物燃料的能源植物，如麻風(fēng)樹、黃連木等也包含在其中。（3）水生藻類：主要包括海洋性的馬尾藻、巨藻、石莼等；淡水生的布袋草、浮萍等；徽藻類的螺旋藻、綠藻等。（4）可以提煉石油的植物類：主要包括橡膠樹、藍(lán)珊瑚、桉樹、葡萄牙草等。（5）光合成微生物：主要包括硫細(xì)菌、非硫細(xì)菌等。（6）各種工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物：主要有禽畜糞便、生活垃圾、工業(yè)有機(jī)廢水和生活污水等。

　　2生物質(zhì)的化學(xué)組成

　　2.1生物質(zhì)的元素成分

　　不同來源生物質(zhì)的化學(xué)成分不盡相同，但主要元素都為碳、氫、氧、氮等4種元素，合計(jì)占95%以上。碳的含量最高，一般在50%左右，其次為氧，含量一般超過40%，兩者合計(jì)占90%以上（表1）。農(nóng)作物秸稈的主要化學(xué)元素組成：碳40%~50%、氫5%~6%、氧43%~50%、氮0.65%~1.1%、硫0.1%~0.2%，完全燃燒后，灰分3%~5%、磷1.55%~2.5%、鉀11%~20%；薪柴化學(xué)元素組成：碳49.5%、氫6.5%、氧43%、氮1%，完全燃燒后，灰分少于1%，另有少量鉀和其他微量元素。

　　2.2生物質(zhì)的物質(zhì)成分

　　生物質(zhì)是由多種復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物組成的復(fù)合體，主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、水分、灰分等，其中纖維素和半纖維素由碳水化合物組成，木質(zhì)素則是由碳水化合物通過一系列生物化學(xué)反應(yīng)合成的。碳水化合物通常稱為糖類，是綠色植物通過光合作用合成的，由碳、氫和氧三種元素組成，所含氫氧的比例為二比一，和水一樣，所以稱為碳水化合物。碳水化合物一般分為單糖、低聚糖和多糖三類。地球上生物質(zhì)總量中葡萄糖聚合物占50%以上，是貯存太陽能和支持生命活動的重要化學(xué)物質(zhì)。

　　纖維素是最豐富的天然有機(jī)物，系由葡萄糖組成的大分子多糖，分子式為(C6H10O5)n，白色物質(zhì)，不溶于水及一般有機(jī)溶劑，無還原性，是植物細(xì)胞壁的主要成分。棉花的纖維素含量最高，接近100%，而一般木材的纖維素也能占40%~50%。此外，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等，都是纖維素的豐富來源。

　　半纖維素是由幾種不同類型單糖組成的異質(zhì)多聚體，是木糖、甘露糖、葡萄糖等構(gòu)成的一類多糖化合物，不同植物中半纖維素的含量、結(jié)構(gòu)都不同。半纖維素大量存在于植物的木質(zhì)化部分，如秸稈、種皮、堅(jiān)果殼及玉米穗等，其含量依植物種類、部位和老幼程度而有所不同。

　　木質(zhì)素是由聚合的芳香醇構(gòu)成的復(fù)雜有機(jī)聚合物，存在于植物細(xì)胞壁中，主要作用是通過形成交織網(wǎng)來硬化細(xì)胞壁，起抗壓作用。木質(zhì)素在植物界中的含量僅次于纖維素和半纖維素，廣泛分布于具有維管束的羊齒植物以上的高等植物中，是裸子植物和被子植物所特有的化學(xué)成分。木質(zhì)素在木材中的含量為20%~40%，在禾本科植物中木質(zhì)素含量一般為15%~25%(表2)。

　　淀粉是由D-葡萄糖分子聚合而成的化合物，通式為(C6H10O5)n，在細(xì)胞中以顆粒狀態(tài)存在，通常為白色顆粒狀粉末。淀粉是植物體中貯存的養(yǎng)分，多存在于植物的種子和塊莖中。

　　蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)的重要物質(zhì)，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。由多種氨基酸組成，分子量很大，氨基酸主要由碳、氫、氧3種元素組成，另外還有氮和硫。

　　脂類是不溶于水而溶于非極性溶劑的一大類有機(jī)化合物，是細(xì)胞中單位體積含能量最高的物質(zhì)，主要化學(xué)元素是碳、氫、氧，有的脂類還含有磷和氮。植物種子會儲存脂肪于子葉或胚乳中以供自身使用，是植物油的主要來源。

　　生物質(zhì)中還含有一定量的水分和灰分。水分在燃燒過程中產(chǎn)生水蒸氣，吸收熱量而帶走一部分熱量?；曳种饕橇?、鉀、硅、鋁、鈣、鐵等元素的氧化物，在纖維素生物質(zhì)中，稻草與稻殼灰分含量較大，超過10%，而其他纖維素生物質(zhì)灰分含量大多小于3%。

　　3生物質(zhì)的熱值

　　碳是生物質(zhì)中最重要的元素，含量多少決定著熱值高低，也即決定著生物質(zhì)作為能源來開發(fā)的品質(zhì)。1kg碳完全燃燒可釋放出33.915MJ的熱量，燃燒后生成二氧化碳或一氧化碳。純碳不易燃燒，含碳量越高燃點(diǎn)越高，點(diǎn)火越難，生物質(zhì)的碳含量比煤炭少得多，因此更易點(diǎn)燃和燃盡。氫在生物質(zhì)中常以碳?xì)浠衔镄问酱嬖?，含量越多，越容易燃燒，燃燒的結(jié)果是水蒸氣。1kg氫燃燒釋放出的熱量，高位熱值為142.3MJ，低位熱值為119.7MJ。硫是一種有害物質(zhì)，1kg硫燃燒釋放出9.21MJ的熱量，生成二氧化硫或三氧化硫，然后進(jìn)一步與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成亞硫酸或硫酸，危害植物生長。磷和鉀都可燃，燃燒后釋放出熱量并分別生成植物生長所需要的磷肥和鉀肥。氮和氧都是不可燃元素，會因吸熱而降低燃料的發(fā)熱量，氧在熱解期間被釋放出來以部分滿足燃燒過程中對氧的需求。

　　即使在空氣中干燥，生物質(zhì)的水分含量也有15%~20%，水分含量的高低與生物質(zhì)的熱值密切相關(guān)。大多數(shù)生物質(zhì)的熱值范圍為15~19GJ/t，遠(yuǎn)低于煤炭的29GJ/t，石油的42GJ/t，天然氣的55GJ/t（表3）。生物質(zhì)的平均能量密度較低，熱值約相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的一半左右，可近似把2個(gè)單位質(zhì)量的生物質(zhì)折算成1個(gè)單位質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)煤。大部分生物質(zhì)原料比煤炭更易氣化、反應(yīng)和點(diǎn)火，因此更易發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，用于熱值更高燃料的生產(chǎn)。生物質(zhì)灰分含量低于大部分煤炭，硫的含量遠(yuǎn)低于化石燃料，燃燒后對環(huán)境的污染明顯小于石油和煤炭。

　　4生物質(zhì)能的資源保障性分析

　　4.1生物質(zhì)資源總量

　　植物進(jìn)行光合作用所消耗的能量占地球所接收太陽總輻射量的0.2%，因光合作用效率較低，所吸收的太陽能最終只有少部分轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。世界全部生物質(zhì)存量約為1.9萬億t，陸地與海洋合計(jì)平均最低更替率為11年，可以計(jì)算出每年新產(chǎn)生的生物質(zhì)約為1700億t，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤850億t或油當(dāng)量600億t，約相當(dāng)于2007年全球一次能源供應(yīng)總量的5倍（表4）。生物質(zhì)產(chǎn)量與氣候、溫度、降水量、土壤、海陸位置等多種原因密切相關(guān)。一般來說，溫度越高、降水量越大，生物質(zhì)產(chǎn)量就越高，例如，熱帶雨林地區(qū)的平均凈初級生產(chǎn)率達(dá)2.2kg/（m2·年），是地球上生物質(zhì)生產(chǎn)率最高的生態(tài)系統(tǒng)類型。地球陸地面積僅相當(dāng)于地球總面積的29%，但陸地的生物質(zhì)產(chǎn)量占地球全部生物質(zhì)產(chǎn)量的比重為68%，遠(yuǎn)高于海洋所占的比重

　　4.2耕地的生物質(zhì)能資源潛力

　　森林每年所產(chǎn)生的生物質(zhì)約占全球陸地生物質(zhì)年產(chǎn)量的2/3，其次是草原和草地，約占1/5，而耕地上所生產(chǎn)的生物質(zhì)僅占8%。目前，商業(yè)化的生物燃料生產(chǎn)技術(shù)還處于第一代，原料基本來自于耕地上所生產(chǎn)的農(nóng)作物，主要有生產(chǎn)乙醇的玉米（美國）、甘蔗（巴西）、甜菜（歐洲）、小麥（歐洲），生產(chǎn)生物柴油的油菜籽（歐洲）、大豆（美國、法國）、油棕（東南亞）等，其中以玉米、甘蔗和油菜籽為原料所生產(chǎn)的生物燃料占80%以上。2006年，全球耕地面積為1635萬km2，上述7種作物的種植面積為500多萬km2，其中，玉米、甘蔗和油菜籽合計(jì)為193萬km2。

　　3種最重要生物質(zhì)原料的生物燃料生產(chǎn)率分別為：玉米1.4toe/(hm2·年)，甘蔗4.8toe/(hm2·年)，油菜籽1toe/(hm2·年)（表5）。如果把這3種農(nóng)作物全部用于生物燃料的生產(chǎn)，每年的產(chǎn)量加起來為3.3億toe，僅相當(dāng)于2007年全球原油產(chǎn)量的8%，或全球一次能源供應(yīng)量的2.7%。如果將上述所列7種農(nóng)作物全部用于生物燃料的生產(chǎn)，每年的合計(jì)產(chǎn)量為6.8億toe，僅相當(dāng)于2007年全球原油產(chǎn)量的17%，或全球一次能源供應(yīng)量的5.8%。人類所生產(chǎn)的糧油首先應(yīng)該滿足食用的需要，真正可供人類作為能源開發(fā)利用的糧食和油料是非常有限的。因此，充分利用森林資源、宜林宜農(nóng)邊際土地資源及海洋水域資源等非耕地土地資源，研發(fā)不需要消耗糧油的纖維素乙醇等新一代生物燃料技術(shù)是生物質(zhì)能未來發(fā)展方向。

　　4.3生物質(zhì)能資源開發(fā)潛力預(yù)測

　　雖然地球上的生物質(zhì)資源量豐富，然而每年新產(chǎn)生的生物質(zhì)不可能全部用于生物質(zhì)能的生產(chǎn)，人類能夠開發(fā)利用的只是其中很小一部分。根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究，到2050年全球生物質(zhì)能資源潛力為10~262億toe，平均60~119億toe，相當(dāng)于生物質(zhì)每年產(chǎn)生量的10%~20%（表6）。理論上，如果把生物質(zhì)能的最大潛力充分發(fā)揮，能夠滿足人類對能源的全部需求，但受生態(tài)環(huán)境、可獲得性、開發(fā)成本、糧食安全等多重因素的制約，可被開發(fā)利用的生物質(zhì)能資源可能連表6中所列數(shù)字的下限值都達(dá)不到。

　　5結(jié)語

　　生物質(zhì)能資源的開發(fā)與糧食、環(huán)境、水資源、農(nóng)業(yè)和農(nóng)村等問題密切相關(guān)，如果規(guī)劃、管理或政策不到位，可能帶來許多潛在不利影響。近年來，全球生物燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，造成糧食的需求量大幅度增加，2007年所消耗的糧食達(dá)1億t以上，2008年又增長到1.2億t，占全球糧食總產(chǎn)量的6%左右。由于糧食增產(chǎn)潛力非常有限，預(yù)計(jì)生物燃料用糧占糧食總產(chǎn)量的比重將持續(xù)增加，全球糧食安全問題日益嚴(yán)峻。此外，發(fā)展生物質(zhì)能必然會改變土地用途，有可能會引發(fā)土地碳釋放量的增加。對生物質(zhì)能資源合理的開發(fā)有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，而無節(jié)度的開發(fā)卻可能會造成森林和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的單一化，從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)因物種組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而使調(diào)節(jié)能力下降，甚至最終徹底破壞整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

　　生物質(zhì)能與太陽能、風(fēng)能等其他類型的可再生能源有著本質(zhì)的不同，必須消耗有限的生物質(zhì)原料，從而不可避免地受到糧食問題、環(huán)境問題等多方面的制約，發(fā)展生物質(zhì)能需要進(jìn)行縝密的戰(zhàn)略規(guī)劃。筆者認(rèn)為，開發(fā)生物質(zhì)能資源要以改善生態(tài)環(huán)境為前提，堅(jiān)持“不與人爭糧、不與糧爭地”的原則，立即叫停糧食乙醇，限制糖類乙醇，鼓勵(lì)發(fā)展不消耗糧食的纖維素乙醇，進(jìn)一步完善生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃和路線圖。