在全球能源危机不断加剧的情况下,生物能源作为一种理想的可 再生能源,越来越受到世界各国的关注。下面是小编整理的生物能源科技论文，希望你能从中得到感悟!
生物能源开启新能源时代之门
传统的加工工业是以化石资源为原料和能源进行的，面对化石资源日益枯竭的窘境，世界正孕育着一场用生物可再生资源代替化石资源的资源战略大转移。一个全球性的产业革命正在朝着以碳水化合物为基础的经济发展，这是可持续发展的一个重要趋势。目前正在开发的燃料乙醇、多聚乳酸、多聚氨基酸、多羟基烷酸以及各种功能寡糖等可视为这个碳水化合物经济时代来临的前奏。生物工程被誉为本世纪最富价值的产业，国际公认其市场规模是网络经济的10倍。凝聚着人类高度智慧的生物技术将会给我们这个时代以怎样的惊喜?当时光走过2005年的时候，人们依稀看到了答案。
油价疯涨的2005
回望刚刚过去的2005年，最受人关注、给人印象最深的当属油价的高涨。2005年8月31日这一天，纽约期货交易所西得克萨斯轻质原油期货价格创出了每桶70.85美元的历史纪录，而且自10月份以来一直在57美元至63美元的区间波动。这次国际油价涨幅之高、高位震荡的时间持续之长，为上个世纪70年代两次石油危机以来所罕见。
我国面临的形势更为严峻。中国是石油资源相对贫乏的国家，专家测算，石油稳定供给不会超过20年。我国自1993年起，即成为石油净进口国。过去的10年中，我国石油需求量几乎翻了一倍。2004年进口原油1.2亿吨，比上年增长34.8%，占国家石油总供给量40%以上。有关专家预计，近期我国石油进口依存度将会超过50%。到2010年，我国石油消费总量将达4亿吨，而国内生产能力仅为1.6亿吨。另外，大量进口的不仅是石油，由石油派生的石化产品不少也依赖进口，如各种聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀的消费量每年约1700万吨，其中约50%国内生产，20%回收利用，30%依靠进口。石油化纤聚酯年需求量1100万吨，50%原料pta、乙二醇依靠进口。
据权威人士分析，2006年油价仍然难以回落。美国麦克唐纳投资公司首席分析师克鲁津斯基认为，由于需求强劲，炼油能力有限，2006年国际油价仍将居高不下。路透社财经新闻对美、日及欧洲的31家投资分析机构进行了一项调查，几乎所有能源分析机构都预测2006年原油价格仍会在高位运行。
盖茨投资生物能源
集中国科学院院士、中国工程院院士、第三世界科学院院士于一身的石元春，亲自撰写文章，普及生物质产业的科学知识，呼吁：“三农”问题是全党工作的重中之重，石油短缺已威胁到国家经济与国防安全，环境的压力越来越大，是该采取重大战略行动和创造奇迹的时候了。他说，新中国成立之初，为了打破橡胶封锁，国家组织农林科技工作者冲破了北纬10度的地理极限，将橡胶树种到了北纬18度至24度;为了打破核讹诈，在经济和技术条件还极其薄弱的情况下，创造了“两弹一星”的奇迹。当前，在石油价格猛涨、能源频频告急的时候，发展生物能源替代传统能源，不仅完全可能，而且也是现实的迫切需求。
而在大洋彼岸的美国，比尔·盖茨也以他的实际行动，投了生物能源一张信任票。据《每日经济新闻》报道，比尔·盖茨通过他旗下的投资公司向以玉米生产乙醇的pa-cific ethanol公司砸下8400万美元(约合人民币6.8亿元)，买入该公司525万优先股。pacific ethanol公司计划于今年3月份上市。盖茨此举充分表明了他对生物乙醇燃油发展前景的看好。pacific ethanol公司总裁表示：“盖茨的这笔投资反映出以玉米生产生物燃油乙醇，将是替代石油的可行选择，只要油价维持在每桶50美元以上，乙醇行业就一定有潜力。”
比尔·盖茨心动生物能源是有理由的。2005年美国总统签署实施的新能源法案中提出，到2012年，燃料乙醇的产量要达到75亿加仑，产量比现在翻一番。在中国，近日国家发展与改革委员会有官员表示，“十一五”期间乙醇汽油推广利用空间广阔，依靠现有的基础和条件，产量可以再翻一番。
回归生物能源时代
在中学课本里，我们就被告知，今天人们所用的石油、煤炭等，都是由树木、植物等腐化变成的，完成由生物体到化石能源这一过程，大自然用了上亿年的时间。
其实，在工业文明时代之前，人类赖以生存发展的能源就是生物能源。生物能源(又称绿色能源)是指从生物质得到的能源，它是人类最早利用的能源。古人钻木取火、伐薪烧炭，实际上就是在使用生物能源。但是通过生物质直接燃烧获得能量是低效而不经济的。随着工业革命的进程，化石能源的大规模使用，使生物能源逐步被以煤和石油天然气为代表的化石能源所替代。但是，化石能源的使用不是无限的。大自然经过上亿年的漫长历程积累下来的化石能源，在200年的工业文明的强力挖掘下，很快将面临着枯竭。人类的文明进步和社会生产力的发展使得人类对能源的需求越来越大，而严峻的能源形势日益成为全世界关注的焦点。经科学测算，地球上亿万年积累的化石能源(石油、天然气、煤等)，仅能支撑300年的大规模开采。人们终于认识到，利用现代科技发展生物能源，是解决未来能源问题的一条重要出路。
让农产品和能源搭桥
前不久，丰田公司用白薯淀粉基塑料制成了汽车配件;富士通公司用玉米淀粉基塑料替代了计算机的塑料外壳;杜邦公司用玉米生产p
od的成本比化学法降低了25%。卡杰尔—道氏公司用玉米淀粉发酵生产了聚乳酸(pla)和其他多种聚合物塑料后，美国生物工程技术协会宣称：“我们开始看到以玉米淀粉为原料的pla生物材料在制造业的所有部门中得到应用，这可能会彻底改造旧经济。用转基因作物和家畜改变了农业，现在它正在改造工业。”英荷皇家壳牌石油公司估计，21世纪的前50年，生物质将提供世界化学品和燃料的30%，世界市场份额达到1500亿美元;英国石油公司、美国国际石油公司等也都开始了对生物质能源产品投资。化工巨人巴斯福公司2003年宣布，将以可再生的生物质资源作为化学品生产的主要原料;杜邦公司剥离石油资产，购买了生物技术公司和组织农业综合企业，将2010年销售额的25%定位于生物质产品;美国的森林工业已开始与电力、石油、化工公司合作，利用林木废弃物生产能源及化工产品。
在农业大省安徽省，我国精细化工行业的排头兵企业——丰原集团，不仅用玉米生产出了燃料乙醇，而且生产出了有“石化之母”之称的乙烯及环氧乙烷等衍生品，并获得了巨大利润。专家认为，目前生物能源的主要形式有沼气、生物制氢、生物柴油和燃料乙醇。燃料乙醇是目前世界上生产规模最大的生物能源。我国的燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正
在积极开发甜高梁、薯类、桔秆等其他原料生产乙醇，目前产量居世界第三。除此之外，通过工业手段，将燃料乙醇脱水，还可以得到乙烯。乙烯又被称为“石化之母”，人们日常生活中离不开的化工产品如塑料、布料等大都是通过石油得来的。通过玉米、薯类、桔秆等原料生产出乙烯，乙烯又生产出一系列的化工产品，这样，农产品由生产出燃料乙醇和乙烯开始，就与化石能源搭上了桥，只不过两者走的路径不同：传统的石油化工行业走的是从原油开始，到交通用汽油柴油，至乙烯再到塑料等化工产品，而生物能源是从农作物出发，通过现代生物技术手段，得到燃料乙醇、乙烯，再到化工产品，二者殊途同归。
土地里种出能源
我国是发展中的农业大国，农产品总量居世界首位，年总产量占全球总量的24.5%。然而，我国农产品加工的技术能力却远远落后于世界先进水平。发达国家农产品深加工一般都在70%以上，有的达到90%，而我国仅在30%左右，多数产品为初级粗加工，造成资源的严重浪费。
作为农产品加工业的龙头企业，丰原集团为改变这一现状进行了不懈地探索。他们坚持“吃干榨尽”的原则，在农产品加工过程中不断延长产业链，将上游产业的废物变成下游产业的原料，提高资源循环利用率。丰原人把农产品加工分成3个阶段：第一阶段，把农产品(主要指玉米、红薯、木薯等非食用性块根类农作物)粗加工转化为米、面、油、糖，提供满足人们日常温饱的生活必需品。第二阶段，利用生物发酵和现代化工分离技术，把农产品转化为有机酸、氨基酸等。而第三阶段，是将农产品加工向能源、生物新材料等方面发展，用可再生的生物质资源转化为工业资源，部分取代不可再生的石油化工产品，缓解能源紧缺局面，维护生态平衡。根据这些理念，丰原集团利用玉米、红薯、木薯、菊芋、甘蔗、甜高粱等非食用性农作物，分步实施每年数百万吨的深加工项目。这些项目，涉及有机酸、氨基酸、酒精、油脂、食品、医药、生物乙烯、l—乳酸等十几个门类、上百个品种。丰原的开拓创新得到了国家的支持，国家发改委批准丰原集团32万吨/年燃料酒精项目，为国家新型能源试点示范工程，2003年开工建设，2004年年底顺利投产。
10多年来，丰原集团坚持探索循环经济的创新之路，企业规模不断扩大，资产总额已超过100亿元;产业链不断延伸，产品涉及十几个门类、上百个品种;自主专利技术和掌握的世界领先的提取分离技术，已拓展到l—乳酸、聚乳酸、味精、赖氨酸、燃料酒精、生物乙烯等众多生产领域，成为引领我国农产品加工行业的生化航母。有人称，这是循环经济中的“丰原模式”。丰原集团董事长李荣杰描绘了这样的美景：如果我国农产品精深加工率提高10%，可增收上千亿元，替代石油进口2000万吨。
科技部有关专家认为，在生物质转化替代石油方面，我国企业掌握关键技术并达到国际一流水平;在秸秆发酵利用(水解木质纤维素)等关键技术方面，已具有国际领先水平。利用我国企业自主技术形成石油替代产业，是最为现实的选择。目前，我国乙醇生产以淀粉质原料(如玉米、木薯、红薯)为主，近年来受国内外各种因素的影响，原料价格不断上涨，使得乙醇生产总成本中原料消耗所占成本高达70%以上。
目前，世界上许多国家都在开展秸秆原料生产燃料乙醇的研究工作。美国、加拿大的中试装置也已投入了运行，但与丰原的技术路线有所不同。丰原集团作为国内农产品深加工企业，与丰原发酵技术国家工程研究中心一起创造性地提出了秸秆原料生产乙醇先分离后发酵的工艺路线。目前，实验已取得阶段性成果，结果显示，利用桔秆转化燃料乙醇的成本应在4000—4300元/吨，比玉米生产乙醇的成本低300-500元/吨。秸秆按300-400元/吨计算，农民每亩地可多获利不低于300元。我国秸秆资源十分丰富，资源总量不低于10亿吨干物质/年，相当于3亿多吨石油当量，略大于我国目前石油消耗总量。由于收获季节农作
物秸秆产量很大，保存困难，来不及利用，许多地区就地焚烧秸秆，不仅浪费能源，而且还导致严重的 环境污染。据测算，全世界桔杆或木质纤维类生物质能约相当于640亿吨石油，而且真正是“绿色”、“取之不尽，用之不竭”，是目前世
界上唯一可预测的为人类持续提供能源的资源。
据专家测算，如果我国每年能利用全国50%的作物秸秆、40%的畜禽粪便、30%的林业废弃物，以及开发5%的边际土地种植能源作物，并建设约1000个生物质转化工厂，那么其产出的能源就相当于年产5000万吨石油，约为一个大庆油田的年产量。而我国农民也可因此新增收入400亿元和一千多万个就业岗位。
关于发展生物能源化解能源危机的思考
摘 要:在全球能源危机不断加剧的情况下,生物能源作为一种理想的可 再生能源,越来越受到世界各国的关注。通过对自然界不同的演化态下能量守恒定律表现形 式的分析,提出生物演化状态下生物能量守恒遵循动态能量循环守恒,认为能源危机的实质 是在地表状态下能量循环非平衡态。根据生物能源兼具能源与生物的二重性特点,对发展生 物能源化解能源危机进行了多角度深入的思考,在此基础上,对如何有效解决生物能源的高效 转化和产业化问题提出了新的理念和相应的对策建议。
在全球能源危机和油价不断上涨的大背景下,各国寻找新能源的脚步也前所未有地加快。在 种类繁多的新能源中,来源广泛、应用方便、污染小的生物能源作为一种理想的可再生能源 ,越来越受到世界各国的关注。据有关专家估计,到本世纪中叶,采用新技术生产的生物质能 替代现有燃料的替代率将占全球总能耗的40%以上。在我国,生物质能也是仅次于煤炭的第二 大 能源,占全部能源消耗总量的20%。本文将通过对不同的演化态下能量守恒定律表现形式和 生物能源二重性探析,特别是通过对发展生物能源对化解能源危机的探讨,多角度对发展生 物能源进行深入思考。
一、 不同的演化态下能量守恒定律表现形式
当今经济的飞跃发展引起能源消耗的惊人增长,能源危机笼罩着全球,但对能源危机实质的认 识人们却不尽一致。能量守恒和转化定律告诉我们:能量既不会消灭,也不会创生,它只能从 一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化和转移过程中能量的总 量保持不变。既然能量守恒和转化定律告诉我们能量既不会增加,也不会减少,那么为什么还 会发生能源危机呢? 为了回答这个问题,必须探讨能量守恒定律在宇宙各演化阶段的各种表 现,进而揭示能源危机实质。
自然界演化大致可分为宇宙的演化、恒星的演化、地球的演化、生物的演化四类[1] ,在不同的演化态下,能量守恒定律有不同表现形式。①宇宙大爆炸阶段。宇宙大爆炸学说 认为,宇宙起源于200亿年前一个极高温极高密度的“原始火球”的大爆炸[2]。从 大爆炸到基本粒子的形成,能量主要是以粒子辐射形式存在,这时的能量守恒定律主要表现为 粒能守恒定律。②恒星演化阶段。恒星演化状态主要是氢核聚变为氦核及各种重元素的原子 核聚变过程。根据爱因斯坦相对论,当光的速度为每秒3×10?9米时,质量和能量实现了互换 ,即?e=mc?2,其中e为能量,m为质量,c?为光速。这一公式表明少量的质量能转换为十分巨 大的能量,它揭示了核能来源的物理基础,因此恒星演化状态下的能量守恒定律主要表现为质 能守恒定律。③地球演化阶段。地球演化主要包括地圈、大气圈和水圈的形成。在地球演化 的物理变化中有机械能、热能、电能、光能等能量的相互转化和守恒,在地球演化的化学变 化中有质量守恒,因此在这一阶段能量守恒定律主要表现为封闭状态下能量守恒和质量守恒 。④生物演化阶段。生命起源于化学演化,在生物演化状态下,由大气圈、水圈和岩石圈组成 的生物圈是地球表面上生物生存和活动的范围。生物圈内的能量主要来源于太阳能,有机物 与无机物利用太阳能实现物质和能量互换。从太阳能的吸收到生物体活动能量的耗散,生物 圈内各种演化都是能量循环的表现。由于地球的运动变化导致生物圈内的能、力、热等能量 不同表现形式始终处于动态中,从整体观演化的角度来说,进入生物圈中的能量应该与生物利 用后散失的能量大体相等。因此生物演化态下能量守恒主要表现为总体意义上的动态能量循 环守恒。
二、 能源危机实质探析
能源危机是指由于能源短缺导致能源供应紧张, 能源价格不断上涨而形成的危机。 据国际 权 威机构估计, 世界已探明的可采石油, 大约只可供应人类41年的需要, 天然气为60～70年,煤炭约200年, 人类正面临能源危机对能源安全的威胁。
能量守恒定律告诉我们能量既不能被创造又不能被消灭,可以从一种形式转化为另一种形式 [3]。 在生物演化状态下,为进一步认识能量守恒定律,需要了解“熵”。 熵是体 系混乱的程度的量度,在封闭系统中从一个平衡态经绝热过程到达另一个平衡状态,如果过程 是可逆的,则熵值不变; 如果过程是不可逆的,则熵值增加,这就是“熵”增原理[4] 。有“序”是开放系统从环境里吸取了“负熵”或是减少“正熵”的结果。 作为地下的石 油、煤等能量形式的资源, 如任其自然燃烧, 将全部被耗散在无规则的分子热运动过程中,使 环境的熵增加很多。 就太阳辐射能而言,如果地表没有任何生物体,太阳能流(普遍理解为一 种负熵流)几乎全部转化为紊乱无序的分子热运动,更会使地面的熵增加很多。 熵的增加是 能量减少的量度。 比如我们燃烧一块煤,它的能量虽然并没有消失,但却经过转化随着二氧 化碳和其他气体一起散发到空间去了,发生了熵增过程,再也不能把同一块煤重新烧一次来做 同样的功了。 如果只考虑能量守恒定律的普遍性,那地球上的能源就万世不竭了。 然而能 量守恒定律在不同的演化状态下有不同的表现形式:在宇宙的演化状态下,能量守恒定律主要 表现为粒能守恒定律,在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于能量转化为粒子和粒子转 化为能量的成功,否则会发生能源危机。 在恒星的演化状态下能量守恒定律主要表现为质能 守恒定律,在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于能量转化为质量和质量转化为能量的 成功,否则会发生能源危机。 在地球的演化状态下能量守恒定律主要表现为封闭状态下能量 守恒定律和质量守恒定律, 在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于封闭状态下能量转化 和质量转化的成功, 否则会发生能源危机。 在生物的演化状态下的能量守恒定律主要表现 为 动态能量循环守恒定律, 在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于动态能量循环的平衡, 否则会发生能源危机。
现在人类居住和活动的地球表层状态主要是生物演化状态,在生物演化状态下,能量守恒定 律告诉我们:每当能量从一种状态转化到另一状态时,会损失能在将来用做某种功的一定“ 有效的”能量。这就是熵的增加。熵的增加即表明系统处于从非平衡态到平衡态的自发的、 不可逆的演化过程中,用于做功的“有效的”能量做功后导致能量耗散,这必然会导致该演化 状态能量总量的减少。为了逆转这个过程,需要一个熵减过程[5],即一种形态的能 源消耗以后,通过一定过程重新获得原有能源形态的存在形态,也就是使能量具有类似生物一 样恢复自身形态的能力,也就是发现一种能为人类持续提供能量的某种形式的物质资源。如 果能够发现和利用这种物质资源,在地球表层状态下实现动态能量循环的平衡,则能量守恒和 转化定律的实现就有了现实条件,能源危机就不会发生;如果不能够发现和利用这种物质资源 ,在地球表层状态下就不会实现动态能量循环的平衡,则能量守恒和转化定律的实现就缺乏现 实条件,能源危机就必然会发生。这就是当前能源危机的实质。
三、 生物能源二重性及对能源危机的化解
生物能源是蕴藏在生物质中的能量,是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用能转化 为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量,包括生物质能、液体燃料及利用生物质生产的能 源,如燃料乙醇、生物柴油、生物质汽化及液体燃料、生物制氢等[6]。生物能源之 所以被认为是21世纪最有希望在解决能源危机方面有所作为的能源,是因为生物能源具有能 源性和生物性的二重性特点,它既可以转化为人们所常用的能源,同时又可以持续不断地供应 ,能够满足动态能量循环守恒定律,保持能量守恒,化解能源危机。
1. 生物能源的能源性特点
目前人类使用的能源绝大部分来自含碳能源,包括煤炭、石油、天然气。其他可再生的一次 性能源,包括水能、风能、太阳能、地热能、潮汐能都不含碳。生物能源是唯一的一种含碳 可 再生能源。生物能源的这种特点称之为能源性特点,这种特点使它可以像其他能源一样可以 消耗和转化,除了转化为电力外,还可生成油料、醇类、燃气或固体燃料,特别是它可以在 不必对已有的工业技术作任何改进的前提下即可以替代常规能源,因而能够满足动态能量循 环守恒定律的条件,这使得生物能源在解决能源危机方面能够发挥重要作用。当前生物能源 可以转化为以下能源:
(1) 生物柴油
生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾 油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。当今工业化生产生 物柴油有两种方法,一是用甲醇取代甘三酯的甘油基,生成脂肪酸甲酯和甘油;二是用甲醇与 脂肪酸反应生成脂肪酸甲酯和水。由于柴油在目前的能源结构中占有重要地位,生物能源成 功转化成生物柴油,进而实现了和各类常规能源的相互转化,保证了对能源危机的化解的技术 上的可能性。
(2) 燃料乙醇
燃料乙醇是指以玉米、小麦、薯类、高粱、甘蔗、甜菜等粮食作物和非粮食作物为原料,经 过发酵、蒸馏制得乙醇,脱水后再添加变性剂,成为专门用于燃料的乙醇。燃料乙醇使用有两 种方法。其一是以乙醇为汽油的“含氧添加剂”(oxygenate additive),通常这种无铅汽油 约含10%的乙醇。另一种方法是使用乙醇代替汽油,这方面的工艺也十分成熟。
从技术路线看,燃料乙醇的生产技术大致分为两类:六糖路线和五糖路线。六糖路线原料主要 为 经济农作物,分淀粉类作物和糖类作物;五糖路线原料为秸秆等纤维素,经降解和发酵产生 木糖,进而生产乙醇。国际上成熟的乙醇路线是六糖路线,但存在较为严重的原料供应瓶颈。 纤维素(五糖)路线是燃料乙醇 发展的最终路线,但目前缺乏高效五糖转化菌种以及纤维素酶 高效生产工程化技术。由于纤维素是植物的木质部分,是地球数量最大的植物积累的产物,植 物从太阳获取的绝大部分能量也都储存于其中。所以人类一旦掌握了释放出存储在纤维素中 能量的技术,能源危机便可得到很大缓解。
由于汽油在目前的能源结构中占有极重要地位,生物能源成功转化成燃料乙醇,进而实现了和 各类常规能源的相互转化,同样保证了对能源危机的化解的技术上的可能性。
(3) 成型燃料
转化成型燃料是把树皮、木屑和秸杆等生物质颗粒燃料,在加热、高压的条件下压缩形成的 颗粒状成型物。该成型燃料具有着火易、热效高以及燃烧时几乎不产生二氧化硫等优点。经 过多年的发展,目前生物质颗粒燃料在发达国家已被大量生产和利用。目前国内部分高校和 科研机构已着手开展生物质颗粒成型技术的研究,已经可以生产从秸秆粉碎加工到压缩成型 等各个环节的系列产品,生物煤目前也已经有了一定范围的 应用。
由于燃料在目前的能源结构中占有重要地位,生物能源成功转化成成型燃料,同样保证了对 能源危机的化解的技术上的可能性。
(4) 生物制氢
氢气是最清洁的能源,但电解水制氢能耗仍然很高。氢气可以利用生物质通过微生物发酵而 获得,这一过程被称为生物制氢。目前我国科学家已获得了能高效产氢的微生物,可以小规模 地进行生物制氢。
由于氢能在未来能源结构中占有极重要地位,生物能源成功转化成氢能,同样保证了对能源危 机的化解的技术上的可能性。
2. 生物能源的生物性特点
绿色植物通过光合作用从太阳能中吸取负熵流,维持其生命。生物能源的生物性主要表现在 生物能源转化的过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质,使太阳负熵流 中有一部分被固定在植物体内,有一部分消耗在维持生命系统有序的过程中。这种增长的秩 序与造成混乱两者在数值上相互抵消后,其能量实现了平衡。生物能源的生物性具体体现在 以下方面:
(1) 可再生(renewable)
生物能源由于通过植物的光合作用可以再生,和太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证 能源的永续利用。只要有太阳,绿色植物的光合作用就不会停止,生物质能就不会枯竭。生物 能源可再生特点,使得熵减过程得以实现,能够保持能量守恒,化解能源危机。
(2) 巨大的储存量(abundant)
生物能源的巨大的储存量表现在由于地球上生物数量巨大,这些物质所蕴藏的能量相当惊人 。据专家估计,全球每年产生的生物质能的储量为1?800亿吨,其总量换算成能量接近世界 能源年消耗量的10倍。生物能源还存在于世界上所有国家和地区,而且廉价、易取,其生产 简单,可以被充分利用。生物能源的巨大的储存量,使得熵减过程能够以产业化形式得以大 规模实现,从而化解能源危机。
(3) 可储存性与替代性(storable and substitutive)
生物能源的可储存性是指由于生物能源是有机资源,所以对于原料本身或其液体或气体燃料 产品可以进行储存。生物能源的可替代性是指生物质能的载体是以实物的形式存在的,是一 种可储存和可运输且不受天气和自然条件的限制的能源。生物能源的可储存性与替代性的特 点,使得熵减过程能够以产业群和产业链的形式得以大规模实现,化解能源危机。
(4) 碳平衡性(carbon neutral)
生物能源的碳平衡性表现在全球的碳收支中,生物能源燃料释放出来的co?2可以在再生时重 新固定和吸收,可有效地减轻温室效应,不会破坏地球的co?2平衡。同时生物质的硫含量、 氮含量低,因而污染低。生物能源碳平衡性的特点,使得熵减过程以清洁产业形式得以实现 ,减少 环境污染,化解能源危机。
总之,生物能源的生物性就是具有和生物相同的熵减性,能够复制和再生,因而能够满足动态 能量循环守恒定律的熵减条件,保持能量守恒,能够在解决能源危机方面发挥重要作用。
四、 发展生物能源化解能源危机的对策
1. 利用生物能源能源性特点化解能源
危机的对策
为了利用生物能源能源性实现对能源危机的化解,提高生物能源的开发利用水平是必须解决 的问题。为此应该采取以下措施:
(1) 明确生物能源技术开发目标
生物质基本上都是能量密度很低的固体物料,难以实现加工处理过程自动化、连续生产;生 物质转化过程还容易产生废水、废渣、废气,容易对周边环境造成严重的污染;生物质转化 过程能耗高,就有可能使转化过程消耗的能量比从生物燃料中得到的能量还高,造成得不偿 失。有鉴于此,生物质转化技术开发应把形成自动化程度高、能耗低、三废排放少,且废水 、废渣都能得到充分利用的技术作为基本目标。
(2) 加快突破生物能源能量转化技术瓶颈
目前我国技术相对成熟的生物能源产业项目,如用粮食生产燃料乙醇和生物柴油有明显的能 量转化瓶颈,技术水平和国际先进水平相比也还存在很大差距。如用玉米制乙醇,我国目前 的能耗水平达生产1吨乙醇需1?5吨标准煤[7],其净能量平衡是负值,而美国用玉米 生 产乙醇获得的能量比输入的能量要多25%以上[8]。为此要加快突破生物能源能量转 化的技术瓶颈,为生物能源产业化提供成熟可靠的技术支撑。
(3) 重视生物反应和化学反应的有机组合
生物能源在研发过程中制约因素多
,过程复杂,而且能耗高。因此在生物能源技术开发过程 中要重视生物反应和化学反应的有机组合和灵活应用,根据能源作物低能量密度的特点,应 提高能源作物固体物质能量的收集、加工处理自动化连续操作水平,重视机电仪一体化的装 备技术开发。
(4) 重视生物能源作物品种的改良和新品种培育
目前,在我国燃料乙醇的生产均以糖类或粮食为原料,其产量受到粮食资源的限制,难以长 期满足能源需求。从长远考虑必须进行科技创新,扩大原料来源。改良自然界已有生物能源 作物,提高产量和可利用生物质含量[9]。纤维素的利用是世界难题,也是当前高技 术领 域竞争的焦点,我国应把它作为战略高技术进行重点布局,系统研究纤维素预处理技术、酶解 技术、发酵技术和分离技术,以及汽化、液化技术,开发系列生物能源产品,力争在此领域 进入国际先进行列。
2. 利用生物能源生物性特点化解能源危机的对策
由于生物能源具有生物性特点,目前,国际上对生物能源开发利用十分重视,一些土地资源 丰富、作物生长条件优越的国家,更把生物能源作为替代能源的重要发展方向。为了充分利 用生物能源生物性特点化解能源危机,尽快使其产业化,须采取以下一些对策:
(1) 建立科学合理的生物能源产业开发模式
生物质一般只能季节性生产,时间、空间分布很不均匀,储藏过程中极易腐烂变质,能量密度 低,生物质的上述特性,决定了通用的经济规模的概念不适合生物能源工厂。生物质工业转 化工厂规模,必须根据包括原料和产品运输成本在内的综合成本优化的结果确定。
为了解决这个问题,需要从我国的实际出发,通过各级政府引导,建立资源开发的中介组织 ,采用“适度规模,就近转化,统筹规划,模块建设,分散生产,集中营销”的发展模式, 切忌不顾该产业发展目前的制约条件,盲目投资。
(2) 制定发展生物能源产业的财政税收政策
发展生物能源产业有良好的环境和社会效益,但在生物能源产业起步阶段,很难为产业链中 各个环节带来很好的经济效益。而只有当培育、种植生物能源作物能为农民增收时农民才有 积极性;只有从事转化加工的企业能有较好的投资回报,企业才有积极性,因此发展生物能 源要成为政府推动政策支持下的农户和企业行为。美国1979年建立联邦政府的“乙醇燃料发 展计划”,就对燃料乙醇生产企业进行补贴,补贴额为54美分/加仑,折合人民币1?495元/吨 。我国从2000年起步的乙醇汽油发展计划得到顺利实施,国家制定的对燃料乙醇生产企业进 行财政补贴的政策也发挥了极为重要的作用。借鉴国内外的成功经验,今后要继续完善推动 和支持这一产业发展的财政税收政策。
(3) 在发展生物能源过程中注意避免粮食危机
据世界银行统计,美国每年为制造生物燃料消耗粮食1亿吨,其消耗的粮食足以满足大概5亿 发展中国家人口的粮食需求。由于生物能源和粮食作物具有相同的来源和用途,因此发展生 物能源过程中可能产生粮食短缺问题。
目前美国提出加速生物燃料转化的政策,不依赖于粮食作物生产乙醇,以此来应对粮食安全 问题。我国有大量的不宜种农作物的土地,可以作为能源等专用植物种植的土地约有1亿公 顷,所获得的农作物每年至少可产乙醇和生物柴油1亿吨左右,完全可以做到不与粮争地 。为此在发展生物能源过程中应注意避免粮食危机,尽量不依赖于粮食作物生产乙醇等生物 能源。
(4) 在发展生物能源过程中注意保护生物多样性
目前来看,生物能源开发主要集中在以植物油为原料的生物柴油和以糖类、淀粉、纤维素为 原料的燃料乙醇等方面,由于生物能源具有生物竞争性,这可能影响其他生物的发展,破坏 生物多样性。而生物多样性的破坏可能会使人们过去在降低温室效应上的努力成果付诸东流 。对于我国来说,为解决这类问题,既需要中国自身在环保、节能、开发和利用生物能源上 多下功夫,也需要与其他国家合作,以吸取有益的经验。
五、 对开发生物能源的肯定和疑问
虽然生物能源是解决燃料需求问题的一个希望,但也有不同甚至反对发展生物能源的声音。 一种 观点认为作为目前应用最广的生物柴油和乙醇燃料尽管比化石燃料更加优越,但不可能满足 社会的能源需求,生物燃料的能量转换效率和经济性还存在疑问,因而称现有生物燃料无法 代替化石燃料。另一种观点认为用玉米、大豆等粮食作物制造生物燃料会引发粮食危机。生 物能源发展在一些国家的迅速升温,引起了不少国家和地区的忧虑,特别是在发展中国家,利 用生物资源开发生物能源是否引发粮食危机问题成为焦点。联合国粮农组织总干事雅克•迪 乌夫反对以农作物为原料生产生物燃料,认为这是造成全球粮食短缺、粮价高涨的主要原因 之一。他批评发达国家支持生物燃料产业的政策,称这“等同于挪用了供人类消费的1亿吨 谷物,其中大部分被用于为机动车解渴”[10]。国际研究机构研究表明,利用粮食发 展生物 能源,发达国家的农业政策特征表现为以损害消费者的利益对农业生产者给予补贴;而发展中 国家的农业政策特征则表现为以损害农业生产者的利益压低农产品的价格。中国对发 展生物能源的主张是积极的。以中国科学院、中国工程院院士石元春为代表的一批专家主张 大力发展生物质能源,认为发展生物质能源产业能缓解中国的“三农”、环保及能源问题。 另外,中国虽人多地少,但荒地面积约2?12亿公顷,若开发种植适宜的能源植物,每种植开 发1?000万公顷能源植物,相当于增加4?500万吨石油(一个大庆油田)的年生产能力,潜
力 巨大。
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