生物质能源的特点及其环境效应

大极脚候源卣环统生物质能源的特点尽其境效应胡理乐李亮李俊生(中国环境科学研究院北京100012)摘要能源需求的持续增长和化石能源引起的CO2排放以及全球气候变化问题促使人们寻求“绿色”可再生能源。生物质能源是潜在的低礦可再生能源,生物质能源的开发与利用已成为世界研究热点领域之一,受到世界各国政府与科学界的关注。同时,生物质能源的开发和利用也受到越来越多的质疑,主要包括生物质能源引发的粮食安全问题、环境问题、水资源问題等。生物质能源十分丰害,了解生物质能源的特点及其环境效应是合理开发生物质能源的前提,简述生物质能源的环境效应及不同生物燃料的特点。关键词生物质能源林业生物质油料植物农作物中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1672-9064(2012)01-0047-03人口的迅速增长和工业化的快速发展导致能源需求的多样性等的影响,选择合理途径和方式减少其不利影响,这持续增长。解决能源短缺问题已成为一个世界性的难题。目也是世界各国开发生物质能源面临的紧迫问题。前,能源主要来自煤炭、石油、天然气等这些能源正在濒临1环境问题枯竭,同时也造成了严重的环境污染。众所周知燃烧化石燃生物质能源通常被认为“绿色的”,低CO2和SO2排放,料排放的二氧化硫是造成酸雨的主要原因排放的温室气体前者是最主要的温室气体后者是引起酸雨的主要原因。最是导致全球变暖的主要原因。因此找到一种廉价、可再生且近,许多学者对生物质能源提出了不同的看法,争论的焦点不造成环境污染的能源是全世界的迫切需要在于CO2排放等环境问题( Scharlemann& Lorance,2008;生物质能源引起世界的关注得益于其自身的特点:可再 Searchinger et al,2008)生性、低CO2排放、几乎不排放SO2广泛分布性、使用形式(1)CO2净排放量。生物质的生长需要从空气中吸收多样、生物质燃料总量丰富等( Saxena et al,2009)。目前,生CO2,从理论上说,生物质能源比化石能源的CO2净排放量物质能源的研究与开发已成为世界热门研究领域之一受到少许多研究中得到这一结论( Saxena et al,200)然而这些各国政府与科学界的关注。我国能源消耗量年年攀升,2006研究仅从生物质燃料的整个生活史中一个过程对CO2净排年已居世界第2位。我国是一个人口大国同时又是一个经放量进行计算( Searchinger et al.2008),如:生物质燃料的生济迅速发展的国家,面临着经济增长和环境保护的双重压长、提炼或使用过程。准确分析生物质能源的CO2净排放量力因此改变能源生产和消费方式,开发利用生物质能等可需要从生物质燃料的整个生活史进行计算,并且需要考虑土再生的清洁能源对建立可持续的能源系统,促进国民经济发地更改用途在CO2净排放量中所起的作用( earchinger et展和环境保护具有重大意义al.,2008)。同时,生物质能源的开发和利用也受到越来越多的指目前生物质来源主要是粮食作物,而农民为了经济利益责主要包括生物质能源引发的粮食安全问题环境问题水种植这些作物时常常砍伐森林和破坏草地,从而导致森林和资源问题等( de vries,2008),甚至质疑它在减少温室气体方草地中的碳进入空气中,如果算上这部分碳,由农作物转换面的作用( Scharlemann& Lorance,2008。在世界许多地方,来的生物质能源的CO2净排放量并不比石化能源低农业用水与城市居民用水和工业用水发生激烈的竞争水资( Searchinger et al,200)因此,要准确计算生物质能源的源表现出枯竭的趋势( Postel et al,1996),如果采用生物质cO2净排放量必需从由生物质能源开发和使用引起的碳循能源取代化石能源,生物质的种植将需要大量的水资源这环整个过程加以观察。必将加剧水资源枯竭( Gerbeng- Leenes et al,2008)。此外,大生物质能源的CO2净排放量根据不同的生产方式而有面积种植用于提取生物质能源的单一物种将对生态系统的所不同。砍伐森林或破坏当地植被种植农作物来制取能源,稳定性带来巨大破坏,并可能引起环境问题;同时,不合理地其CO2净排放量大于化石能源;直接利用本土生物质以及农种植和开发生物质能源也将降低生物多样性。业和森林中的废弃物,其CO2净排放量将降低;开垦荒地并本文对生物质能源的特点及其环境效应进行了综述,以种植适宜植物以提取生物质能源,其CO2净排放量更少期更全面地了解生物质能源开发和利用对粮食、环境和生物( Fargione et al,2008)。中国煤化工金项目:中央鲺公益性科研院所基本科研业务重点项(200KYYW12)作者简介:胡理乐(1979~),男,江西南曷人,副研究员,博士,主要从事植物生态学研究CNMHG2012NO.1转点环统Ⅱ境大视野(2)生物多样性丧失。生物质能源的开发可能通过多种点作简单介绍。方式引起生物多样性的丧失。目前,生物质能源开发的主要(1)农作物生物质。日前,农作物是使用最多的生物质燃形式是大面积单一种植能源效益高的作物造成农业生态系料,通常采用大面积种植单一作物的形式获取生物质燃料,统单一化。种植转基因能源作物可能会造成与野生亲缘的交即高投入低多样性(high- input low- diversity,HD)的模式叉授粉,从而降低物种遗传多样性,增加物种灭绝风险。外来( Wallace& Palmer,2007),需大量投人肥料、灌溉水和杀虫生物质能源物种的种植存在变成外来入侵种的风险从而影剂。HD模式带来了诸多环境问题:①土地耕种面积的扩展响物种多样性。此外,能源作物种植渗入自然景观这一后果将导致土壤侵蚀的增加和土壤肥力的下降;②土壤的耕种、直接造成生物多样性的灌溉和施肥增加土壤呼吸,而土壤呼吸是陆地上最大的C丧失。若生物质的种植和管理过程中采用不可持续的方法源③农作物耕种面积的增加通常以本土生态系统的做坏为(如过度使用化肥),可能造成耕地的水土流失或板结甚至代价,从而导致生物多样性的丧失( Wallace& Palmer,造成生物多样性丧失。由于适用的土地面积有限,世界各国007) Wallace& Palmer(2007)提出了与HLD模式对立的可能会开拓土地种植生物质能源作物,从而可能破坏本土生模式:低投入高多样性(low- input high- diversity,LHD)。L态系统平衡,威胁生物多样性因此处理好生物质能源的开HD模式利用本土植物作为生物质燃料,其优势在于极大地发与生物多样性的关系是大力开发生物质能源的前提。降低了农业投入(如:肥料、杀虫剂等)减少了耕种次数和灌(3)水资源问题。生物质能源开发对水资源的消耗也是溉水量、有效地保护了生物多样性LHD模式最大的缺点在个备受关注的问题。由于人口的快速增长、工业用水和农于生产力低下获取与HLD模式同等生物质时约需要2倍业用水的低效率导致水资源十分短缺,而大面积种植提取能的土地面积( Gutschick,2007)。源的生物质能源作物将加剧水资源的枯竭。综合分析我国水(2)林业生物质。森林是生物质能源的重要来源之一,森资源储备量及其分布格局,对具有开发生物质能源潜力的一林的生态服务功能及其在保护生物多样性中的作用也得到批生物质通过研究其生长过程中对水的需求量,找到需水量全世界的认可。因此,在开发林业生物质能源时不应对森林小蒸腾速率低、利用效率高的生物质作为开发生物质能源带来破坏(费世民,2008),开发林业生物质要注意以下几点:的对象,这是成功开发生物质能源的关键。①不占用农地。利用宜林荒山荒地以及不适宜种植粮食作物(4)其它环境问题。除了上述影响外,评价生物质能源时的沙地、盐碱地等边际性土地种植适合的林业生物质能源植还需综合考虑它的环境效应。一些研究证实生物质能源开发物。②利用林木果实和间伐林木提取生物质能源降低原料加速了巴西雨林的砍伐( Searchinger et al.,2008),从而导致成本,实现可持续利用。同时,林业生物质资源培育成林后许多物种因生境的破坏而灭绝。此外,NOx是潜在的温室气不用每年重新种植。③在荒山荒地、沙区、盐碱地等立地条件体会破坏臭氧层,许多作物(玉米、油菜)的生长需要N肥,较差的地区,培育具有较好外部经济性的能源林,可加速造是一个NOx库。在NOx问题上,草丛和灌丛比玉米等作物更林绿化进程提高森林质量提高森林覆盖率。适宜用作生物质能源( Scharlemann& Lorance,2008)。3)农林废弃物。农产品和森林的废弃物也可用作生物2粮食安全质燃料,且废弃物生物质能源释放的CO2比农作物生物质能我国是人口大国和粮食消费大国。由于生物质能源与粮源少,可利用的废弃物也十分广泛和多样( Fargione et al,食作物抢地抢水或直接采用粮食作物提取生物质能源,必2008),不存在因生长而消耗水的问题更不存在与粮食抢土将影响粮食安全,因此,生物质能源的开发过程中应该考虑地的问题,是一个变废为宝的开发和利用过程,世界各国十粮食安全问题。目前,中国生产的生物燃料主要是燃料乙醇,分重视废弃物生物质能源的开发和利用。但废弃物生物质燃原料大部分是玉米。从长远发展着眼,中国今后将不能再大料的来源不稳定、可持续性差,且数量有限,所能供应的生物量增加利用粮食作原料的生物质燃料生产,而是转向开发非质能源难以满足需求。此外,用各种农产品和森林废弃物制食用性生物质资源,如菜籽、薯类、甘蔗、玉米秸杆、林业废弃取生物质乙醇或柴油等能源的技术不如农作物的提取技术物、废弃油脂、稻米糠等。在荒地和盐碱地沙地等种植高产成熟,仍未达到商业化程度( Balat et al.2008)能源作物,如菊芋、甜高粱、红薯、木薯等既不占用宝贵的耕(4)海洋生物质。利用巨大的海洋生物质资源宝库,发展地资源,又可提供大量的生产原料,还有利于改善生态环境,藻类及盐生植物等,可望成为稳定提供生物质能源原料的有增加农民收入(刘笑然,2006)。此外,尽可能利用不易种植粮效途径(赵中华等,2008)。海洋占地球表面的71%,是地球上食作物的土地种植生物质来获取生物质能源;另外,从技术尚未开发利用的最大生物质资源领域。藻类作为一种数量巨上提高粮食作物的土地利用效率,为生物质能源让出一定土大的可再生资源,是生产生物质能源的重要潜在原料资源。地球上生物每年通过光合作用可固定8×10"碳,生产1463生物质燃料分类及特点10生物质,其中藻类生产占40%。微藻种质资源丰富,世界可用于提取生物质能源的生物质十分丰富,数量大分各地报道的海洋微藻超过4000种,具有光合作用效率高生布广的生物质包括农作物、森林和各种废物如农产品废物,物产量高、生长别中国煤化工成油脂等特点。工业废物和农作物废物等。本文对下面几种生物质燃料的特工程培养海洋产CNMHG少,成本低;不2012.NO.1.环境大视制源卣环境同微藻能在不同类型水资源长期生长,开拓荒山丘陵和盐碱3 Fargione,J, Hill, Tilman,D, Polak,s, Hawthome,P(2008.Land滩涂等非耕作水土资源,具有不与传统农业争地的优势。clearing and the biofuel carbon debt. Science. 319(5)油料植物。油料植物也是重要的生物质能源之一。采4 Gerbens- Leones,,PW, Hoekstra,AY, van der meer,T(2008),The用油料植物的种子作为生物质能源的最大优点在于可持续water footprint of energy from biomass: a quantitative assessment and性,一且合理选择了物种并大面积种植了油料植物,它们带consequences of an increasin-share of bio-energy in energy supply来的生态和经济效益十分巨大,且可以持续多年(Shao&Ecological EconomicsChu,2008)我国开发油料生物质能源的潜力十分巨大,目前5 Gutschick, VP (2007). LHD versus HILD biofuels. Frontiers in ecology and Environment, 6已查明的油料植物有1554种,能用作建立规模化物质燃料6uJF,Hu,RQ(200. Sustainable biomass production for energy in油原料基地的乔灌木树种有30余种(乔战晓,2008)。China. Biomass and Bioenergy, 254结束语7 Postel, SL, Daily, GC, Ehrlich, PR (1996). Human appropriation of能源是社会和经济发展的基础。中国能源消耗世界排名renewable freshwater. Science, 271第2随着经济的快速发展能源需求逐年增加,仅石油需求8 Saxena,RC, Adhikari,DK,coya,fHB(200). Biomass- based energy量年增长率高达12%(Li&Hu,2003)。持续增长的能源消耗fuel through biochemical routes: A review. Renewable and Sustain-导致大量CO2的排放,而CO2是全球气候变化的主要威胁。able Energy Review, 13目前,中国是世界上CO2和SO2排放量最多的国家之一。鉴9 Scharlemann, JPW, Larance, WF (2008). How green are biofuels?于这些原因,中国政府一直努力和积极地发展可再生的绿色的能源。生物质能源有望成为可减少环境污染、减少温室10 Searchinger, T, Heimlich, R, Houghton, RA, Dong, F (2008).Use ofU.s. croplands for biofuels increases greenhouse gases through emis-气候排放并可再生的能源最终取代化石能源。目前,世界各sions from land-use change. Science, 319国都在大力开发生物质能源,同时也引起了社会各界对生物11sha,HB,Chu,LY(2008). Resource evaluation of typical energy质能源关注。可用作生物质能源的生物质燃料十分丰富,使plants and pos用形式也多种多样,它们的环境效应也各不相同,我们在开Bioenerg, 32发生物质能源时要注意结合国情、因地制宜开发和利用12 Wallace, L, Palmer, MW(2007). LHD biofuels: toward a sustain-参考文献able future. Frontiers in Ecology and the Environment.51Bla,M,Bnt,H,Oz,C(200). Progess in bioethanol processing13世民发展林业生物质能源的战略思考,四川林业科技,208Progess in Energy and Combustion Science2 de Vries, SC (2008 ). The bio-fuel debate and fossil energy use in14刘笑然.中国生物燃料发展及原料供綸对粮食安全的影响,粮食palm oil production: a critique of Reijnders and Huijbregts 2007.Joumal of Cleaner Production. 1615乔战晓生物质能源-木本燃料滷应用现状,时代教育,2008(5)(上接第38页)于能耗还受污水处理厂季节变化处理水流量波动、设备老科学与管理,2006,19(2)化程度等众多因素影响,今后污水处理厂的节能技术应从优7李为,袁宝林屦次分析法在污水处理能耗评价中的应用煤化工,化设计及设备选型,重视管理控制、维修、升级改造,完善处2010,149(4理工艺建立能耗评价体系等环节进行贯彻审核,以达到节8刘长青张亚雷赵建走,等.AmOm一体化污水生物处理新工艺试能降耗的目标。验环境工租,2006,24(4)参考文献辈刚,杨政忠檐栖惧污水处理厂MSBR工艺的设计与运行中国给1刘礼科,张金松,施汉曷,等城市污水处理厂全流程节能降耗优化水排水,2009,25(24)述行氟略中国给水排水,2009,25(16)10全玉芳,梅荣武MSBR工艺处理低淑度城镇污水的设计与遮行搜2金曷权,汪诚文,曾思育,等污水处理厂能耗特征分析方淒与节能制参数中国给水排水,2010,26(16)途径研究蛤水排水,2009,3511卢东王,潘志平,张文,等A30百乐克工艺的设计特点及实际适3秦怀东,邵文卿污水处理厂泵站与曝气爪姚的节能遼径,山西煤行效果中国给水排水,2009,25(24)嶷,2000,20(4)12羊寿生城市污水厂的能源消軛给水排水,1984,(06)4陈家懦城市污水处理厂能耗评价及节能途径研究西安:西安建筑13李建勇,王庭华,范岳嶂,等曝气流量控制爪姚用于污水处理厂科技大学,200的节能降耗中国给水排水,2007,23(12)5郏全起,赵著尘污水处理厂设备运行及管理存在的问题及改进措14余仁辉,赵小翠,污水厂曝气节能智能优化控制系环境工施,工业用水与废水,2007,38(5)6蔡芝斌,张志峰,蹇晚东,等污水处理厂水泵应用与节能改逢环境15機加全,赵伟,张晓清,等.自近应神经无—一模糊推理系筑在污水曝气控制中的中国煤化工5(05)CNMHG2012NO.1