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生物质能——可持续能源系统重要组成部分

来源:山东师范大学 作者:杨捷 魏文贵 蒋雨轩 朱佳荣

生物质能是可再生能源的重要组成部分。开发利用生物质能源可以提高中国能源和经济安全,对建立可持续的能源系统,缓解资源与环境压力,解决生态环境问题,促进社会全面协调可持续发展具有重大战略意义。本文通过介绍生物质能的特点及其应用,阐述生物质能当前的发展现状,并对生物质能的发展前景进行展望。

一、生物质能的概述:

生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体,即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。生物质能则是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式,它一直是人类赖以生存的重要能源之一,是仅次于煤炭、石油、天然气之后第四大能源,在整个能源系统中占有重要的地位。

二、生物质能的特点:

(一)原料丰富

如今,传统能源的开采面临枯竭,我国对进口能源的依赖大,而生物质能却有着非常大的储量。根据生物学家估算,地球陆地每年生产1000~1250亿吨生物质;海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。

(二)可再生

生物质能是可再生能源,根据其含义来看,生物质能的源头是太阳能,只要光合作用在,生物质能就会源源不断产生,取之不尽,用之不竭。

(三)清洁、低污染

生物质的氮、硫元素含量低,因此燃烧过程中产生的硫氧化物、氮氧化物等有毒物质很少,而其释放的二氧化碳的量相当于其生长过程中光合作用需要的二氧化碳量。因此使用生物质能这种清洁能源,可以实现二氧化碳的零排放,从而降低温室效应,有利于环境保护。

(四)使用方便

生物质能无所不在,分布广泛,储量巨大,取材方便而且价格低廉。在可再生能源中,生物质能源是唯一可以储存与运输的能源,可以直接燃烧或经过转换,形成便于储存和运输的固体、气体和液体燃料。

三、生物质能发展历史:

人类历史上最早使用的能源是生物质能。19世纪后半期以前,人类利用的能源以薪柴为主。

18世纪之前,生物质能一直是人类最主要的能量来源,但使用比较原始。生物质能在发达国家中资源结构中的比重相对较小,生物质能在发展中国家整个资源结构中的比重则可高达40%甚至40%以上。

20世纪70年代以来,为了应对全球的能源危机和气候变化问题,世界各国高度重视生物质能的开发与利用,提出了明确的发展目标,生物质能技术水平不断提高,产业规模逐渐扩大,成为促进能源多元化和实现可持续发展的重要途径。

四、生物质能的发展现状及应用:

(一)资源现状:

我国生物质原料主要来自农林产业,分布遍及全国各自然生态区,根据我国国情,生物质资源开发应以有机废弃物和利用边际性土地种植的能源植物作为其原料主要源。我国森林生物量约180亿吨,每年可获得的资源量约9亿吨,可用于能源开发的资源量近3亿吨;我国“三北” 地区林木生物质能源资每年林木生物质能源可利用量约1.1 亿吨。从自然资源、生产能力、市场需求及生态需求方面对林木生物质能源发展潜力进行分析,得出我国沿海地区秸秆、畜禽粪便、林业剩余物三类生物质资源量合计折标准煤617万多吨。

(二)技术现状:

1.发电技术:

(1)城镇生活垃圾焚烧发电

目前,在“垃圾围城”的形势下,可以采用垃圾焚烧发电,采取生物质供热、供电。

(2)农林生物质发电:

农林生物直燃发电是指以农林剩余生物质作为燃料的直接燃烧发电技术。该技术以农林生物质为燃料(在中国主要是指农作物秸秆剩余物,林业生产和加工剩余物以及发展中的能源植物等),消耗农林剩余生物质原料种类多、数量大、利用方式直接,而且容易规模化和产业化发展,是我国目前农林生物质资源能源化利用最环保的一项综合利用技术。

(3)沼气发电:

利用有机废物,经厌氧发酵处理产生后的沼气用于发电机上,并装有发电装置,产生电能和热能。我国沼气和生物天然气项目遍布全国,在华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北等地区均有项目分布。

2.燃料乙醇技术:

燃料乙醇指以生物物质为原料通过生物发酵等途径获得的可作为燃料用的乙醇,有清洁、可再生等特点,可以降低汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放,经变性后与汽油按一定比例混合可制车用乙醇汽油。中国已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。

3.沼气发酵技术:

沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵,是指有机物质(如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等)在一定的水分、温度和厌氧条件下,通过各类微生物的分解代谢,最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体的过程。沼气发酵系统基于沼气发酵原理,以能源生产为目标,最终实现沼气、沼液、沼渣的综合利用。沼气作为一种可再生的优质清洁能源,能够有效地缓解能源缺乏、同时还可以改善生态环境。

4.生物柴油:

生物柴油是指动植物油与甲醇等短链醇进行酯化、酯交换后在精制后得到的脂肪酸甲酯,是一种可再生的清洁能源。

生物柴油具有一些明显优势,其含硫量低,具有很好的环保特性;生物柴油具有较好的润滑性能;生物柴油具有良好的燃料性能,而且在运输、储存、使用等方面的安全性均好于普通柴油。

五、生物质能的发展前景:

改革开放以来我国经济高速发展,与此同时,能源消耗也成为一个重要问题。目前我国能源消耗大约占世界能源总消耗的15%左右,已成为第二大能源消费国,我国的能源进口依赖也越来越大。我国要解决能源和环境问题,优化结构,大力发展清洁能源,努力提高清洁能源在中国能源结构中的比重,因此,生物质能在我国的发展具有非常广阔的前景。

据世界自然基金会的预计,全球生物质能源潜在可利用量达350EJ/年(约合82.12 亿吨标准油,相当于2009年全球能源消耗量的73%)。根据我国《可再生能源中长期发展规划》统计,我国生物质资源可转换为能源的潜力约5亿吨标准煤,随着造林面积的扩大和经济社会的发展,我国生物质资源转换为能源的潜力可达10 亿吨标准煤。

(一)加大政府扶持力度和科研力度

目前我国对生物质能源的开发比例比较小,从宏观方面来说,我国的主要能源如石油、煤炭还在持续使用,且垄断企业控制着部分能源的终端,整个产业链就不会在新能源方面花费太大力气。相比于煤炭石油这些传统能源,目前的生物质能在技术上的投入显然低得多,我国的技术方面与发达国家也有一定差距。因此,发展生物质能源还需要政府推出相应政策,加大资金投入与技术支持。

(二)开发新的生物技术,促进产业化生产

为实现生物质能更好地为人类大量能源,需要促进其产业化生产。如各种植物纤维素是生产燃料酒精的丰富且廉价的原料来源,随着科学技术的进步和转化技术的突破,在不久的将来,有望实现利用木质纤维素生产生物酒精的大规模生产;秸秆也是一种储量丰富,廉价的优质生物质能源,要加大秸秆生物质综合利用技术的推广,科学应用秸秆类煤化、秸秆制取乙醇和生物质油等成熟先进的技术,逐步实现秸秆从简单利用向综合利用的转变,引导秸秆综合利用的有序、健康发展。

(三)大力开展对外合作

一些国家在生物质能源开发和利用方面均处于领先地位,在某些技术方面已很成熟。我国应采用自主开发与国外引进相结合的方式,在大力推进我国生物技术发展的同时,积极借鉴他国技术,争取实现技术和设备的国产化,提高我国在相关领域的国际竞争水平。

生物质能资源丰富、可再生、便于储存运输、具有极佳的经济与环境效益。我国目前已掌握一些重要的生物技术,但还需要加大投入,加大科研力度。生物质能源的开发利用,有利于解决我国面临的能源短缺问题,并且对于发展农业循环经济,培育新的经济增长点和推动生态文明建设有重要作用。

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