世界生物質能源發展現狀及方向

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樓主 2019-11-02 14:13:29
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車長波,袁際華

國土資源部油氣資源戰略研究中心

  車長波等.世界生物質能源發展現狀及方向.天然氣工業,2011,31(1):104‐106.

  摘要:20世紀90年代以來,以燃料乙醇和生物柴油為代表的第一代生物質能得以發展。目前,美國為第一大燃料乙醇生產國,巴西位居第二,歐盟各國則是最主要的生物柴油生產地,其他國家也都在積極發展生物質能。生物質能的發展帶來糧食種植結構偏重玉米、糧食供應總量下降、糧食(油料)價格振蕩上升、糧食危機引發動蕩等一系列問題。因此開發第二代、第三代生物燃料(即非糧生物燃料)成為世界各國關注的重要課題。但由于麥稈、草和木材等農林廢棄物為主要原料(第二代生物燃料)的技術成本較高,真正商業化的項目較少;而第三代生物燃料是以微藻為原料生物燃料的油脂很難提煉,從海藻中提煉生物燃料的研究正處于實驗室階段,距離商業化階段還比較遠。因此,第一代生物質能短期內不會被第二、三代生物燃料所替代,第二、三代生物質能將是人類的理性選擇,也是生物燃料必然的發展方向。

  20世紀90年代以來,美歐等能源消費大國和巴西等農產品貿易大國開始大力發展新型可再生能源——生物質能[1]。當前,生物質能為以燃料乙醇和生物柴油為代表的第一代生物質能,其發展建立在對農業資源大量占用和對農產品大量消耗基礎之上,能源與農業及農產品被直接聯系在一起,有可能過度開發而引發一系列問題。

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開發現狀

  21世紀以來,由于國際能源價格基本上維持在高價位區間,為這一階段的生物燃料產業發展提供了極大的支撐。玉米、甘蔗等糧食的能源化在全球很多地方得以推廣[2]。隨著2008年食用商品價格的高企,人們開始指責燃料乙醇的生產導致了全球糧食價格的高升,但全球生物燃料近年來卻依然保持快速增長。根據Clean Edge的數據,2008年全球生物燃料(主要指燃料乙醇和生物柴油)的產值達到348億美元,較2007年的產值254億美元增加37%。

1.1美國?

  2005年,美國替代巴西躍升為世界頭號燃料乙醇生產國,為美國經濟帶來了豐厚利益[3]。從2001—2006年,美國燃料乙醇產業為聯邦政府和地方州政府分別增加稅收19億美元和16億美元;同時,美國相應減少石油進口1.7億桶,減少支出外匯87億美元。

  2008年,美國燃料乙醇的生產能力增加了27億加侖(1美加侖≈3.785L,下同),比2007年增加34%;燃料乙醇加工廠增加31家,總數達到170家,總產能為105.69億加侖/a;燃料乙醇產量達到90億加侖,年增長率為38.5%。美國可再生燃料協會(RFA)認為,美國燃料乙醇近年來的快速增長主要得益于乙醇的新型生產技術以及纖維素轉化技術的商業化應用[4]。美國2007年出臺的枟能源獨立和安全法枠規定,到2022年前,要求國內汽車中加入360億加侖的生物質燃料,主要是乙醇。美國環保署2010年10月13日宣布,同意將美國汽油中的乙醇含量上限由目前的10%提高到15%,但只推薦2007年以后生產的汽車使用。

1.2巴西?

  巴西是第二大燃料乙醇生產國。與美國主要采用玉米不同,巴西主要利用甘蔗發酵生產燃料乙醇。通過原料的綜合利用,巴西顯著降低了燃料乙醇的成本,是世界上燃料乙醇生產成本最低的國家。2008年,巴西的甘蔗種植面積增加,種植品種更趨多樣化,再加之良好的氣候條件和燃料乙醇技術方面的投資增加,乙醇產量接近70億加侖,較2007年的50億加侖的產量增長近40%。巴西在燃料乙醇的發展戰略上除了倡導本國消費以減輕對石油的依賴之外,還鼓勵進行國際貿易。巴西的雙燃料汽車已達500萬輛,巴西政府強制在汽油中添加乙醇燃料的比例從2007年7月起提高到25%。巴西燃料乙醇年產量的18%左右向美國、委內瑞拉、印度、韓國、瑞典和日本等國出口。從巴西的資源看,發展甘蔗乙醇的潛力還很大。

1.3歐盟?

  歐盟是世界上最主要的生物柴油生產地,生產原料主要是菜籽油。歐盟提出,到2020年生物柴油的使用量將占所有交通燃料的10%。為此,歐洲議會免除生物柴油90%的稅收,歐洲國家對替代燃料的立法支持、差別稅收以及油菜生產的補貼,共同促進了生物柴油產業的快速發展。2008年歐盟27國的生物柴油產量為775.5×104t,年增長率為35.7%,其中德國、法國、意大利、比利時和波蘭5個國家的生物柴油產量占歐盟27國總產量的3/4。

  燃料乙醇在歐盟生物能源產業中是第二大生物燃料僅次于生物柴油,原料主要是谷物及甜菜等。目前,歐盟現有生物燃料乙醇生產廠58家。2006—2008年實際產量分別為125×104t、135×104t和170×104t;此外,歐盟還從國外進口燃料乙醇。歐盟要求傳統燃料(如汽油)必須至少摻入2%的乙醇或其他生物燃料,今后10a生物燃料乙醇消費將達到每年約10億加侖。

1.4其他國家?

  加拿大生產燃料乙醇的原料主要是玉米和小麥。根據加拿大可再生燃料協會2004年發表的枟世界乙醇與生物燃料報告枠,2004年加拿大燃料乙醇總產量達到2.45×108L,比2003年增加了20%,位居世界第14位。

  印度從2002年開始生產生物燃料,2003年起進行燃料乙醇試點,有12個邦推廣使用含5%燃料乙醇的汽油(E5),計劃把摻入燃料乙醇的比例提高到10%。印度是世界第二產糖大國,產糖量接近巴西,但是豐富的原料用于生產燃料乙醇的數量遠低于巴西,而主要是把甘蔗制糖的副產品糖蜜用做生產燃料乙醇,印度計劃大力開發甜高粱燃料乙醇。

  中國生物能源生產起步較晚,到2007年燃料乙醇總產量為160×104t。根據國家發展和改革委員會制定的枟可再生能源中長期發展規劃枠,到2010年,我國生物能源生產目標具體為:燃料乙醇200×104t,生物柴油20×104t;到2020年,燃料乙醇1000×104t,生物柴油200×104t。

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面臨問題

  目前各國發展的第一代生物質能源使用的原料主要是玉米、甘蔗、油料作物。其中美國主要是玉米和大豆油,歐盟則是玉米、小麥、大麥、菜籽油、甜菜和大豆油,巴西為甘蔗和大豆油,加拿大為玉米和小麥,中國和印度為玉米,馬來西亞、印度尼西亞為棕櫚油[5]。糧食作為生物質能生產的主要原料勢必帶來一系列問題。

2.1糧食種植結構偏重玉米?

  由于美國是世界最大的糧食生產和出口國,而生物質能源的主要原料又是與小麥、稻谷兩大主要糧食存在直接資源競爭關系的玉米,因而國際社會普遍關注美國的玉米燃料乙醇戰略對國際糧食供求的影響。

  統計資料顯示,因大規模發展生物質能源,美國三大糧食作物的種植結構發生了較為明顯的變化。與2003年相比,2007年美國三大作物的總種植面積下降了1.51%,其中小麥的種植面積下降了3.87%,稻谷下降了8.33%,但玉米的種植面積卻上升了21.99%。

  種植結構的改變導致其三大糧食出口全面下降,其中玉米下降28.17%,小麥下降9.13%,稻谷下降4.29%,總量達到1661.50×104t作物。

2.2糧食供應總量下降?

  盡管世界小麥、玉米和大米的產量仍然在增長,但因生物質能源的發展耗費了大量的玉米、小麥和粗糧,2003年以來,世界食用糧供給下降。其中,作為最大糧食出口國的美國,其2003年三大糧食出口占世界總出口的比重是38.97%,而2006年則降至34.54%。

2.3糧食(油料)價格振蕩上升?

  生物質能生產消耗糧食也是引起糧食(油料)價格上漲的原因之一。自2006年以來,世界糧油價格迅速上漲,并在2007年進一步攀高,比2006年上漲37%。其中小麥上漲63%,玉米上漲26.7%,大米上漲16.4%,油料依品種不同漲幅為60%~70%不等。路透社商品研究所數據顯示,糧食和油料種子價格指數自1971年以來呈上升趨勢,目前處于新一輪上漲周期的爬坡階段,國際糧價在中期內仍將上行。

2.4糧食危機引發動蕩?

  2008年以來,糧食危機席卷全球,部分國家和地區因缺糧出現饑荒、混亂和不穩定局面,貧窮的發展中國家是糧食危機的主要受害者,由于糧食普遍不能自給,居民的恩格爾系數很高,糧價飛漲,購買活命糧成為無法承受的沉重負擔。發達國家居民的恩格爾系數只有15%,糧食危機對其影響不大。這些國家又都是世界糧食的主要生產國和出口國,趁糧食短缺哄抬糧價大發橫財。糧食危機將對國際關系和國際形勢產生嚴重的負面影響。

  生物質能源的大規模發展已經給世界糧食安全造成較嚴重影響,未來的影響將會更大。根據2007年美國新能源法案,到2020年美國生物乙醇產量將達到360億加侖,大約要耗費1442.91×104t玉米(相當于2007年美國玉米產量的41.2%)。按照美國2007年的玉米單產計算,玉米種植面積要增加152.17萬公頃(1公頃=10000m2)。耕地資源的有限性和用途的競爭性使得小麥和稻米的種植面積必然會下降,勢必影響世界糧食安全。在全球生物質能源發展過程中,若不能統籌考慮綜合協調將會導致更嚴重的后果。

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發展趨勢


3.1生物質能是人類實現能源可持續的重要領域?


  生物質能產業的主產地——美國、巴西、歐盟各國都制定了生物質能發展規劃,并且已經開始商業化生產或者修建生產設施。美國預計到2016年,生物能源要替代5%的汽油,替代13%的交通消耗柴油。歐盟到2020年,可再生能源將占能源消耗總量的20%,生物燃料在交通燃料消費中的比重達到10%。各國政府為此不僅出臺一系列財政補貼、投資政策、稅收優惠、用戶補助等經濟激勵政策,為生物質能產業的發展提供更好的支持,而且通過規劃和政府指令,確保生物能源的長期持續發展。

3.2第二、三代生物質能是人類的理性選擇?


  當前,世界上生產燃料乙醇的原料主要是玉米、甘蔗等,生產生物柴油的原料主要是大豆、菜籽油等,需要利用大面積土地擴大種植,與糧爭地。因此,走原料多元化之路是長遠之策。開發非糧生物燃料(第二代、第三代生物燃料)成為世界各國關注的重要課題,也是生物燃料的必然發展方向。

  第二代生物燃料指的是以麥稈、草和木材等農林廢棄物為主要原料,采用生物纖維素轉化為生物燃料的模式,主要有纖維素乙醇技術、合成生物燃油技術、生物氫技術、生物二甲醚技術等眾多發展方向,其中,纖維素乙醇和合成生物燃油是最為重要的第二代生物燃料產品。目前第二代生物燃料的技術成本較高,真正商業化的項目較少。

  第三代生物燃料是以微藻為原料生產的各種生物燃料,也稱為微藻燃料。微藻作物可以用來生產植物油、生物柴油、生物乙醇、生物甲醇、生物丁醇、生物氫等生物燃料。微藻作物可以在海洋或者廢水中養殖,不會污染淡水資源,對生態環境的危害相對較小。微藻燃料的研發始于1978年美國能源部資助的“水上能源作物計劃”,起初是以生物氫為目的,1982年逐漸轉向了生物柴油和燃料乙醇。除美國外,以色列、歐洲各國、加拿大、阿根廷、澳大利亞和新西蘭等國家也逐步開始了微藻燃料的研發。

3.3第一代生物質能短期內不會被替代?

  從目前科技水平進步看,短期內第一代生物質能不可能被第二、三代生物質能所替代。因為第二代生物燃料目前的問題在于用來分解纖維素的酶成本太高,用不可食用的纖維素生產酒精也需要先把它們變成糖類。而第三代生物燃料的油脂很難提煉,從海藻中提煉生物燃料的研究正處于實驗室階段,距離實現商業化階段還比較遠。

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結論

  1)美國為第一大燃料乙醇生產國,巴西位居第二,歐盟是最主要的生物柴油生產地,其他國家也都在積極發展生物質能。

  2)生物質能的發展帶來糧食種植結構偏重玉米、糧食供應總量下降、糧食(油料)價格振蕩上升、糧食危機引發動蕩等一系列問題。

  3)生物質能是人類實現能源可持續的重要領域,第一代生物質能短期內不會被第二、三代生物質能所替代,第二、三代生物質能將是人類的理性選擇。

  參考文獻

  [1]閆逢柱,喬娟.國際生物質能源發展的評價——動機、支持措施及對世界糧食供求影響視角[J].財貿研究,2009,20(3):53‐60.

  [2]李景明,王宏巖,趙群.中國新能源資源潛力及前景展望[J].天然氣工業,2008,28(1):149‐153.

  [3]丁聲俊.生物能源發展全球冷熱不均[N].中國經濟導報,2010‐04‐15(A04).

  [4]陳暉.全球生物質能發展概況(2004—2009)[EB/OL].(2010‐03‐11)[2010‐12‐10]http:∥www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=6484.

  [5]閔恩澤,姚志龍.我國發展生物柴油產業的挑戰與對策[J].天然氣工業,2008,28(7):1‐4.


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