从生物质能的利用谈起

屍土论坛Academician Speech从生物质能的利用谈起倪维斗(清华大学热能工程系,北京100084摘要:本文简要地介绍了世界各国在其特殊的国情下生物质能的利用情况,强调一定要因地制宣。提出了生物液体燃料应用的几个重要指标,其中之一是基于全生命周期分析的“绿度”。进而,对可再生能源的合理利用进行了分析,原则是“合适的能源放在合适的地方”。最后,本文认为与自然和谐相处是对可再生能源发展的最高准则关键词:全生命周期分析;可再生能源;生物质液体燃料;人与自然和谐中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1003-2355(2008070008-05Abstract: The paper briefly introduces biomass utilization in the world, according to the concrete situa-tion of the specific countries. Several important indexes are proposed to evaluate biomass utilization, one ofthem is the Greenness" based on total life cycle analysis. Further, the philosophy of rational utilization ofrenewable energy is: "put the right energy on the right place". Finally, the harmony between Mankind andNature is the highest principleKey words: alternative fuel derived from biomass; renewable energy; total life cycle analysis; habetween Mankind and Nature1引言定要结合中国国情,切忌照搬|乙醇快速发展的一个重要原因由于化石能源的资源和其|国外、一哄而起。是世界谷物和油品价格比变化应用所引起的严重环境问题,可2生物质燃料在世界和(见表1),可以看出,谷物相对再生能源的发展越来越引起人|美国的简况油越来越不值钱。美国进口石们的注意,各国都投入大量的资图1是全世界燃料乙醇和生油,出口粮食越来越吃亏。以前金和科技资源进入可再生能源「物柴油的发展趋势。近几年来世「美国用粮食出口可以抵消石油的研究与开发。尤其是在我国,界燃料乙醇的生1 Billion Gall人均资源比世界更为贫乏、石油产快速增长,从更为短缺、大量煤炭直接燃烧引|1985年到2005燃料乙醇发的环境问题更为严重,因而把年增长了3倍,10目光投向可再生能源是完全可2005年为34288以理解的,也是正确的。但是可万t。生物柴油从再生能源的发展所涉及的方面199年才发展起6比化石能源大得多,对人类和生来,目前为2264态等多方面的影响尚不能十分万t。2005年乙2清晰地预测。我国地少人多,粮醇作为燃料占全食、食品供应体系薄弱,因而对‖世界汽油消费量198019851999200可再生能源,尤其是生物质能源的2%。图1世界燃料乙醇和生物柴油的发展的发展一定要十分谨慎和理性,在美国燃料Source: F.o. Licbt, Worldwatch中国煤化工收稿日期:2008-03-17CNMHG作者简介:倪维斗(1932-),中国工程院院士,清华大学热能系教授(∵语第30巷第72期208年7Vol 30 No. 7 July 2008Academician Speech院土论坛表1粮食与油价的变化与比值(1)全生命周期|新途径,使之来源多样化,同时能量转换系数,与此考虑到作物在生长时从大气中吸谷物价格价Bu/barrel相关的是全生命周期收CO2,在随后作为燃料应用时￥/Bu)(￥/ barrel)蒲式耳二氧化碳排放;放出CO2,一吸一放,似乎CO219804.7035.71(2)土地的利用的排放应该为零。但实际上,从22.99(单位输出所需土地大|生命周期考虑,有些生物燃料不1735.24L4(美制)小,对土地的质量要仅没有增添新的能量,相应的20003.1028.20求,如盐碱程度),单CO2减排的能力也很小。所以,对位土地的产出;任何可再生能源的作用必须从全进口,但在2004年,粮食出口的(3)粮食安全(包括饲料)生命周期的效率和排放来考虑钱只占石油进口的13%,为石油与生态评估,生物多样性,森林这样才能有一个客观的评价。我进口,美国花了1320亿美元。从保护们提出一个净可再生能源系数而,用粮食做燃料以减少石油进(4)水的利用。(或者称之为绿色程度),这个系口在经济上合算是美国发展粮全生命周期能量转换|数的大小标志着再生能源中有多食乙醇的主要驱动力。2004年少份额是真正可再生或者是真正美国生产燃料乙醇34亿gal,占全生命周期能量转换效率绿色的。这个系数的物理意义汽油总需求量的2%。就是输入能量与作为燃料输出「是:生物质加工后得到的能量有再来看巴西,目前年生产能量的比值。由于甘蔗榨出糖液多少比例是真正可再生的。该系乙醇40亿gal,满足40%的汽|以后,其渣可以用作燃料来加热|数越低表示可再生度越小,意味油需求。巴西生产的甘蔗的50%和脱水,故把甘蔗作为整体来「着这种可再生能源实际上对增加用于生产酒精,种植面积从530看,输入是1,输出是9,甜菜输|能源供应、减排CO2的贡献很小。万ha.(2004年)增至800万ha.。入为1,输出为1.9。玉米就要据某些专家研究,风力发听说巴西已与中国、日本商谈乙差一些,按照先进工艺,大抵是电设备的制造与安装要耗费本醇出口问题。输入为1,输出为1.5。若工艺身150d左右的发电量,考虑到欧洲在生物柴油方面走在落后,输出与输入之比只有1.2「其寿命为20年,则有较高的绿世界前列,欧洲各国大力推行生或是更小,甚至会达到1:1度。其他可再生能源,如光伏发物柴油。它们的主要原料是植物这是一个非常重要的指标。电,这个系数要低得多。油,大部分是进口的。譬如说用玉米做乙醇,就必须要图2是几种可再生能源的净德国生物柴油的产量是104把玉米从种植、运输、加工等环可再生系数(在图上用绿色表示万t(204年),主要原料是油菜「节所耗费的能量都考虑进去。如真正可再生的部分,(a)、(b)和籽。可替代其3%的柴油,准备翻地、施肥(目前我国氮肥的主「(c)是玉米制乙醇的不同工艺。从在最近几年产量增加150%;要原料是天然气法国生物柴油的产量为45和煤,是耗能产1口化石燃料的转化■真止可再生万t,德、法按规划都准备在2010业)、收割、运输年用生物柴油替代柴油5.75%;「加热、发酵、脱美国主要用大豆,生产893水……,都需要外万t生物柴油,其副产品蛋白质|来能量的输入。在丰富,价值高我国一般是3.5t亚洲国家如印尼、马来西玉米做1t乙醇,0.875亚用棕榈果实生产生物柴油,出在生产过程中需油率高。欧洲正在大量从这些国要0.6-0.8L煤。家收购棕榈油。我们用可再中国煤化工3生物液体燃料应用的生能源的目的是CNMHGb米e几个重要指标开拓能源利用的几狎可冉生能源的绿度Vol 30 No. 7 July 2008第30卷第7期208年7月:院士论坛 Academician Speech图2可以看出,用玉米制乙醇对能|土地比较分散,以下2个方面更|灌渠漏水多,大多数采用漫灌方源开源和减排CO2贡献甚微加突出:大面积、低密度(能量)式,1t干小麦要耗1000水。从3.2土地利用系数和集中大生产的矛盾(收集、运|而粮食是用大量的水换来的,若单位土地的产出对我国这样输、存储);连续的大生产和农用来生产液体燃料,每吨生物替的土地峽乏国家十分重要。中国作物成熟、收割季节性的矛盾。代燃料耗水极大。1t粮食1000有多少土地可以用来生产有关植其实,按目前的发展,即使水,意味着1t当量汽油要耗500物来获得乙醇、生物柴油?这个在玉米、甘蔗和棕榈资源比较丰水,这在我国是要慎重考虑的,问题必须深入研究。目前有不同富的国家也会出现不少社会和因为我国水资源只有世界平均水的统计数据,相互之间差别很生态方面的问题,如由于市场平的1/4!大。有些资料提出的所谓的边际好,巴西大量种植甘蔗用于生产考虑到粮食还要用作饲料,土地量非常大,实际上把巳经退酒精-亚马逊河雨林保护就受我国是最大的猪肉消费国(约耕还林、退耕还草以及一些适宜到威胁,砍伐后减少了CO2汇,|5000t/a),每1kg猪肉要耗种粮食现由于种种原因(如农民「破坏生态。美国大量用玉米生产|费3-5kg粮食,保证饲料供应这离家外出打工)弃耕的土地都算|乙醇,引起世界性粮食涨价;印|是我国食品安全的一个大问题进去了。总的来说,所估计的可尼、马来西亚大量种棕榈树会引目前世界上把生物质利用种植能源植物的土地面积偏大。发食品安全和生物多样性问题。的希望寄托在纤维素转化乙醇表2是多种可以生产乙醇已有报道,由于大量棕榈油用于上。这个技术远没有商业化,其和生物柴油植物的单位面积出生产生物柴油,棕榈油的价格上中一样存在转换效率、用水和其油量的相对比较。对乙醇来说,涨,当地居民不得不一定程度地他经济问题甘蔗和甜菜单位面积乙醇产出割愛他们喜欢的油炸食品。4有关替代能源的一些量最高,我国正在努力发展的甜我国的生态、自然条件要比总的考虑高粱只是其53%。美国、巴西、马来西亚差得多,发除了上述转换效率、土地对生物柴油来说,棕榈果展生物质燃料一定要有一个度,利用和水等3方面因素以外,对实单位面积出油最多,其他作物以平衡各方面的影响。这个度是可再生能源的利用还要以下几相对要小得多。由于这个原因,多少?需要深入研究和示范,绝方面总的考虑。东南亚及南美等地大量种植棕|不能一厢情愿、鲁葬行事4.1国情尺度棡树,甚至不惜砍伐雨林作为代3.3水耗系数资源总量,人均多少,分布价,从而引起新的生态问题(生按世界较先进水平,1t干如何,环境、土地、水、社会发物多样性、CO2的吸收)。我国从「玉米耗水350t,1t干小麦耗水|达水平、生活、生产模式,可获因地制宜的角度出发,应采取哪|50t(包括自然降水)。由于我国「得性,运输、道路条件,大气,几种植物、在基因方面要做哪些表2乙醇和生物柴油单位面积产出研究、如何种植、如何示范等等都要进行扎扎实实的研究工作平均生产量油品植物名称比例系数当然,麻风树果实可以作为其中(以甘蔗为1.0)(当量汽油L/ha可选植物之甜菜(法国703(4491)目前在世界上生产燃料乙甘蔗(巴西)6213(4162)醇和生物柴油的原料主要是玉木薯(尼日利亚)845(2576)(热值是汽油的67%)甜高粱(印度)3511(2352)米、甘蔗和棕棡,但我国不可能玉米(美国)3321(2225)0.535以棕榈或甘蔗为主,必须要通过2599(17410.418生物工程来培植耐旱、耐碱、单位面积出油率高的植物。有些植生物柴油2518(2206)0.452物的储存问题很难解决。比如甜(热值是柴油的9%中国煤化工高粱,成熟收割以后,数星期内CNMHG糖分大葦降低。此外,由于我国30卷第7期2008年7月Academician Speech院土论坛生态,生物多样性,以及国际形|些迫切需要技术的开发。的确,|生产、转化、输运和终端应用一体势,在国外可获得性。要发展可再生能源,尽快使其成化加以考虑。尤其是对具有分散、4.2份额尺度为主要能源之一是我们应当努|能源强度低特点的可再生能源有些可再生能源是可行的,力的方向,但这毕竟是远水,更应该以面向终端应用为导向但份额不大(地沟油、潮汐“远水”救不了近火。首先是应5.1目前我们面临的时代能……)。我们所要重点下功夫该考虑“近水”、“中水”来救“近特点的主要是能起到一定份额作用火”和“中火”。怎样来满足近21世纪是一个多元化时代,的,这才能分清轻重缓急,明确|20-40年的用能需求和环境容量能源供应多元化,转换多元化主要努力方向。有所为,有所不的限制,尤其是日益严峻的气候|分散、集中多元化,终端应用供为,或者少为变化问题。这几十年怎么办?每应一体化;21世纪是一个集成的如凤电,它是再生能源(水年几十亿吨煤怎么应用,这是我时代,一些单项技术已经到了一电除外)起作用最大的一种,即们首先应该认真考虑的问题。定的极限(如燃气轮机的燃气初使这样,在整体电力系统中份额4.4经济尺度温已达1450℃,大型轴流压气机仍然是很有限的。2007年增加了替代能源国家要有一定的政效率已达89%),进一步提高虽约2500MW,2006年增加了1300策、税收、补點,因为最终还是市|有可能,但巳十分困难了。但在Mw,每年都以100%增加。但场说话。若没有严格的环境税、排打破行业界线,按最优系统集成从我们发电装机总量来看,2007放税、污染罚款…,可再生能源‖(煤、化、电、热、钢铁……),却年发电装机的增量为100GW,风「是很难发展起来的。发展可再生「有很大潜力,例如,以煤气化为电增量相比之下不到1%(考虑「能源一定要结合我国国情,走出基础的多联产凤电的工作时数)。凤电的发电自己的路子(如风电非并网发电各种能源一定要相互搭配,量占到总发电量不到0.5%。「生物质能结合我国新农村建设各自发挥长处,弥补缺点。多种按国家发展和改革委员会的「等)。中国很大,不能一刀切,分|能源的配置必须因地制宜,因时规划,2020年风电装机总容量是区域,分时间,各有不同。制宜,因应用而制宜。尤其是可30GW。当然,按目前风电发展4.5可再生能源的特点如再生能源,不要“单打一”,应的势头,这个指标肯定要被大大何发挥该和其他能源的应用结合起来,突破。2020年究竟会是多少,各可再生能源具有以下特点:达到最佳效果界说法不一,作为一个能源工作分散,能源密度低,不稳定,因5.2几个明显例子者的美好愿景,是否可以设想比「此,应从能源、转化、输送、终(1)秸秆发电。25MW电站原规划大5倍、风电总装机容量|端用户一体化的角度来研究可|投资1万元人民币/kW,每年需达到150GW。但是,即使是这样,再生能源在我国总的能源系统|16万-20万t秸秆,收集半径风电的发电量仍到不了届时总发中应有的战略定位和合理的配达100km,用拖拉机、汽车从电量的2.3%-3%。置,合理的地位。分散能源尽量个个分中心运送到电站,耗费了4.3时间尺度分散利用(农村,建稀缺的液体燃料,电站效率<什么样的可再生能源,什这5个尺度(不见得很全30%,低于先进燃煤媒电站12-13么样的技术,按什么样的时间表面)提供了我们对可再生能源利个百分点,其效率相对值为先进发展,能实现多少?我国自已的用应该思考的几个方面,结合前燃煤电站的70%在这种条件下制造、安装和运行能力极限是多面的几个指标,因时、因地地形|农民作为燃料的秸秆被收走了少?有的同志总是重点强调能源成对各种可再生能源科学、理性|他们只能靠煤来满足炊事和釆结构的改变,描绘将来以可再生评估的方法论。暖的需求。这样,集中生产的能源为主的美好前景,而对我们5有关可再生能源的合煤,本来可以在先进电站转换成经常谈煤的现代化利用感到“不|理利用电,却要分散到农村作低效、高够前瞻”,或者说总是愿意把我国能源系统是中国煤化工将来的可能”来“吊”现在番|大、复杂的系统,不同地CNMHG即使秸秆有多求的“胃口”,而轻视对目前一时间有不同的合理配置,从能「余、可以用替代一部分煤来发Vol 30 No. 7 July 2008第30卷第7期208年7月紀院士论坛 Academician.soeh电,那么为什么要建“纯”秸秆电丨不可逾越,一些可再生能源可以丨应有的惩罚。至今这种思想流毒厂呢(单位基本投资大,发电效率和耗能大户(电解铝,耗电很深。他们所带来的消极后果,低)?最合理的方法就是把这部分16000kWh/t,氯碱工业,电解我们子子孙孙都无法偿还。所生物质和煤共燃( cofiring,减氢,海水淡化……)结合起来。过|以,如何处理人与自然的关系是少一部分耗煤。共燃可以提商秸|程的工况可允许一定程度地随对每一个人,尤其是对领导干部秆的利用效率、缓解腐蚀问题、减凤能大小而变化,用的是低压直素质的重要考验,也是对是否真少污染、基础设施简化流电一因而在有条件的地方可正理解和谐社会的试金石建设社会主义新农村需要以发展非并网风电(免除对电网(3)由于现在科学在物质、能源的支持,除了用电以外,炊|的冲击,简化设备,降低成本)。技术进步方面的巨大成就,人类事、采暖应尽可能就地取材。秸(5)和煤脱灰、脱硫、制浆对自然无情索取和掠夺的能力秆一家一户直接燃烧确实不符|结合,加入一些有机废弃物,中加强,又掌握了巨大的社会资合现代化能源供应的要求(使用小规模地生产燃料油源,也掌握了绝对优势的话语不方便,户内环境污染大),我归纳一下,要逐渐形成新的权。一些科学家和一些工程技术们应该花较大力量,研究简单、新能源系统,其特点是:把合适人员相信科学技术可以解决一廉价、低能耗的小型顆粒化或是「的能源放在合适的地方,如煤现「切问题,并以此来误导人们。这铡段设备,提供燃烧完全、污染‖代化利用,以气化为龙头的多联种思想是十分有害的。低、廉价的炉子,面向农村建立产,能源的梯级利用;分布式实际上,科学技术和相关相应的加工、供应链。从系统角「低能源密度能源应主要分布式利「的方针政策,只有尊重自然,善度着眼,这样做才能把有限、宝用;直接面向不同的终端用户,待自然,和自然和谐相处,才能贵的能源有效利用,才能带来能减少中间转换,因地制宜,大、「成为第一生产力。否则的话,科源系统的整体效益。中、小结合;打破行业分隔,各学技术会走向其“为人类造福”(2)可再生能源相互之间和类系统优化集成(煤、化、电、钢|这个根本目的的反面,人类将为化石能源的结合。风/燃气轮机|铁、多联产……)。此付出惨重的代价互补系统,以及风能和水力发电在这个新的能源系统中,可因此,从人与自然和谐的风能和太阳能光伏技术,风能/再生能源应该找到能够克服自身角度,人类对于可再生能源、尤柴油机互补系统,中小型聚凤型|峽点的利用方式,发挥优点和找其是生物质能、小水电等的开发风力发电与蓄电相结合…,到用武之地,不要各种能源吝自应用,要持慎之又慎的科学态1+1>2.应该特别强调的是,在转换、各自输送、各自终端应用,度,进行多方位的全面分析,切多元化能源、可再生能源逐渐增这里规划部门的责任十分重大。忌一哄而起,鲁葬行事!我们在大作用的阶段,加强研发多种廉人与自然和谐相处这方面的教训已经不少了价、方便的蓄能(蓄电、蓄冷、蓄这是可再生能源、尤其是6.2几个忧虑热……)装置是十分重要的,这生物质能利用的最高原则。(1)人类用能大致经过几个对充分利用随机性大的可再生能6.1几点思考阶段:薪柴→煤炭→石油→天然源有很大的意义;建筑节能,与(1)目前自然环境是地球气,各国由于资源不同,发展阶建筑一体化的太阳能集热管+内、外动力在万亿年动态变化过|段不同,这些“阶段”有重叠和地源热泵+少量天然气补燃,较程中的阶段表现,是不以人们的交叉。高温度的太阳能集热器用于制「意志为转移的。人有生命,整个煤、石油、天然气是地球几冷;在北方,为了在冬季多产沼|生态系统也有生命。“自然”与千万、几亿年太阳能的“沉淀”。在气,可以将太阳能集热器用于沼人在生态道德上是平等的。以敬「用量较小时问题不大,而现在由气池的加热。重和呵护之心对待自然,是生态「于人口的增长,现代化条件下人(3)生物质利用和造纸工业道德的基本要求。均用能的大幅度增加,引发了相结合,和黑液处理相结合。(2)过去,人们为中国煤化工环境、生态问题4)面向用户,和用户相结己之利,做了很多违反合。中国的重化工业的发展阶段「的蠢事,“自然”已经CNMHG其是煤):地表荒(下转第23页:6语第30巷第7期208年7月Vol 30 No. 7 July 2008Focus on Today今日焦点2007年我国高碳的火力发电量占|室气体排放。把握了发展低碳经creating a low-carbon economy[R]发电总量的82.86%,依然占主济的战略机遇,全球气候变暖就Center for American Progress要地位。火电技术改造尚未突破可能给中国带来有利机会,促进大幅降低二氧化碳排放的技术中国向绿色发展模式转变,从依(6sep. Creating a low carbon瓶颈,而技术瓶颈的存在也使得「靠物质消耗和要素投入向依靠economy, second annual report on清洁能源替代火电、发展低碳能「技术进步和结构优化转变。the implementation of the energy源还有很长的路要走。这不仅是参考文献white paper[R]. Sustainable Energy我国的问题,也是全球都要面对] Capoor K, Ambrosi p. State~andPolicy Network, 2005的挑战trends of the carbon market 2007 [7] Sepn, Our energy future-creating a对于交通运输部门,技术IR]. Washington, D. C. WorldyIR]. Sustain成本问题制约着新能源汽车的Bank. 2007able Energy Policy Network, 2003发展。交通运输部门通过制定尾[2]EA. World Energy Outloc0k2007·8 I Wei Y.M,Liao且H,FanY.A气排放标准来限制汽车二氧化China and India Insights[R]. IEA.empirical analysis of energy effi-碳的排放,同时,各大汽车企业ciency in China's iron and steel也在加快研发新能源汽车,其中(3 I Liu L.C. Fan Y.,wuG,wiYsector[2]. Energy, 2007. (In Press).部分企业的混合动力汽车已经Using LMDI method to analyze[9]国家统计局中华人民共和国2007开始产业化,但目前而言新能源年国民经济和社会发展统计公报汽车普遍成本较高,推广存在困emissions from final fuel use: AnEB/OL]新华网,2008难,其中最大的制约因素就是技empirical analysis[. Energy|[0魏一鸣范英韩智勇,吴刚等.中国术成本问题。能源报告(2006)战略与政策研究在全球气侯变化的背景下,4] Lunsford D, Braine.NodL,M]北京:科学出版社2006发展低碳经济受到世界各国关etal. Greenhouse gas market re[中国电力企业联合会2007年中国注,尤其是在电力、交通、建筑port 2007[R]. Geneva, Switzerland电力工业统计快报[R]中电联网站,冶金等商耗能部门,低碳经济强International Emissions Trading调在煤炭清洁高效利用、油气资Association, 200[12]庄贵阳.气候变化背景下的中国低源和煤层气勘探开发、二氧化碳(5] Podesta., Stern T,Bank,et碳经济发展之路[]绿叶,2007,(8)捕获与埋存等领域有效控制温al. Capturing the energy opportunit22-23.(上接第12页)tion)相对较少,主要是大量使|题会越来越突出,弄不好的话,漠,土地塌陷,地下水破坏用过程中发生了问题大自然的惩罚会来的更快、更瓦斯排放;(2)目前,大规模、有份额早、更严峻。从本质上将,没有使用:S02,No,Hg,PM地转向使用可再生能源,用的是人与自然的和谐,就没有人与人2.5,PM10,温室气体(CO,当年的太阳能(表现形式为:水的和谐以及社会的和谐。能,风能,生物质能,太阳能的直(3)人类为了解决大量利用资源枯竭。接辐射能和热能等)。采集面积和化石燃料而转向大规模利用可再所产生的问题逐渐扩大,大自然巳存在“循环”的交互就会生能源,就要对上述问题做十分从能源、环境、生态……延伸到越来越大,也就是说,人类与自然深入、谨慎的全面分析,扎扎实经济、政治、军事,越来越显得的交互,相互影响,对比利用化石实地前进,否则的话,为了解决不可持续。能源交互的范围,交互的深度,交一个问题就会“制造”出另几个但是,即使如此,人类使用互的频度……将会起很大变化,更为复杂、更为严重的问题的基本上是几千万、几亿年太阳甚至于会从量变到质变大自然的惩罚已经教训了人能积累下来的化石燃料,从地层因而,在这种形势V中国煤化工科学、更聪男地深处较“集中”地开采出来,和自然和谐相处,尊重自CNMH,并在相处中实“大自然”的交互( interac-|自然,将进入一个新的阶段,问「事求是、相互尊重、不断前进Vol 30 No. 7 July 2008第30卷第7期208年7月词晤