生物燃料进展研究

安徽农业科学，JournalofAnhuiA一．$ci．2009，37(20)：9568—9571 责任编辑王森责任校对傅真治 生物燃料进展研究 闫强，王安建，王高尚，于汶加，陈其慎(中国地质科学院，北京100037) 摘要结合生物燃料发展现状，分析生物质资源的潜力及其对粮食安全的影响，并对中国的生物燃料发展战略提出了对策建议。 关键词生物燃料；粮食安全；纤维素乙醇；建议 中图分类号Q819文献标识码A 文章编号0517—6611(2009)20—09568—04 ProgressResearchonBiofuel YANQiangetal(ChineseAcademyofGeologicalSciences，Beijing100037) AbstractThepotentialofbiomassresourceanditsinfluencetofoodsafetywereanalyzedcombinedwiththedevclo[t，mentsituationofbiofuel SomesuggestionsforthedevelopmentstrategyofbiofuelinChinawereaIsoputforward． KeywordsBiofuel；Foodsecurity；Celluloseethanol；Suggestion 人类对化石能源的过度依赖造成能源供需矛盾加剧、全 球持续变暖、能源开支负担加重等一系列问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，破解能源供 应瓶颈、降低温室气体排放量是实现经济和社会可持续发展 的必然要求。随着化石能源尤其是石油资源的日益枯竭，人 类不得不努力寻找和开发化石能源的替代品，生物燃料就是 其中一种重要的选择。 生物燃料是一种重要的可再生能源，包括乙醇和生物柴 油，主要作为运输燃料。生物燃料由生物质加工转化而来， 生物质是指一切直接或间接利用绿色植物进行光合作用而 形成的有机物质，包括动物、植物、微生物以及由这些生物产 生的排泄物和代谢物⋯。长期以来，生物质的利用以直接燃 烧为主，不仅效率低下，而且污染环境，将生物质通过各种技 术转化为生物燃料可实现对生物质的高效、清洁、集约化 利用。 与水电、太阳能、风能等常见的可再生能源不同，生物燃 料属于含能体能源，在诸多方面与传统液体化石燃料相似， 其可存储性、可运输性等优点是其他可再生能源所不可比拟 的，具有较好的发展前景。 1生物燃料产业发展现状 1．1概况2007年，全球生物燃料的产量为622．13亿L，折 合油当量3612万t，约相当于全部运输燃料产量的2％。其 中，乙醇产量为520．09亿L，折合油当量2857万t；生物柴油 产量为102．04亿L，折合油当量756万t( 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1)。生物燃料以 乙醇为主，乙醇与生物柴油的比例约为4：l，但生物柴油产 量增速远高于乙醇，预计生物柴油在未来生物燃料中的比重 会逐步上升。 生物燃料的生产主要集中在农林资源丰富、具有一定技 术实力及油气能源较为缺乏的国家和地区如美国、巴西、欧 盟及中国，产量按油当量计算分别占全球的44％、29％、 16％、3％，其他国家共计约占8％。 裹1 2007年世界各国生物燃料产量旧’ Tablel YIeidofbiofuel棚overtheworldin2007国家和地区—了墨爵乃丢竽型裟笔杀酾—了弓i翥箬芋塑娄薯蒜—，墨i乃云F—璺鱼曩笔‰再趸矿 Lonntryandl'l葛lon YieId Oilequivalent Yield Oilequivalent Yield Oilequivalent 美国America 265．130 l 455 16．88 125 281．88 l 580 巴两Brazil 190．00 l 044 2．27 17 192．27 1 060 欧盟EuropeanUnion 22．53 124 61．09 452 83．61 576 中国Chill8 18．40 101 1．14 8 19．54 109 加拿大Canada 10．00 55 0．97 7 10．97 62 印度尼西亚Indonesia 一 一4．09 30 ‘4．09 30 印度India 4．00 22 0．45 3 4．45 25 马来西亚Malaysia 一 一 3．30 24 3．30 24 其他国家Othercountries 10．17 56 11．86 88 22．03 144 世界总计Total 520．09 2857 102．04 756 622．13 3612 1．2乙醇全球乙醇生产高度集中于美国和巴西，两国合 计产量占全球的87％。其中，美国的乙醇产量为265亿L， 占全球的50％；巴西的乙醇产量为190亿L，占全球的37％。 中国、欧盟和加拿大的乙醇产量分别占全球的4％、4％和 2％，其他国家的乙醇产量仅占全球的3％。美国和巴西地处 基金项目 作者简介 收稿13期 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(K0812)。 闫强(1972一)，男，山东日照人，博士研究生，研究方向：资 源经济学。 2009讲-03 中低纬度，植物资源丰富，且两国属于地广人稀的国家，农作 物资源有大量富余，为乙醇生产提供了丰富的原料。巴西生 产的乙醇除满足国内需求外，还大量出121国外，是全球最大 的乙醇出口国；美国的乙醇产量虽位居全球第一．但仍不能 满足国内需求，须从国外进口，是全球最大的乙醇净进口国， 其最重要的进口来源国是巴西。 乙醇的生产原料主要有3类：第一类是含糖作物，如甘 蔗、甜菜、甜高粱等；第二类是淀粉质作物，如玉米、小麦、高 粱、木薯、红薯、马铃薯及菊芋等；第三类是纤维质原料，如秸 万方数据 37卷20期 闫强等 生物燃料进展研究 9569 秆、木屑、农作物壳皮及城乡固体垃圾等。目前，乙醇的生产 技术仍处于第一代，所采用的原料包括第一类和第二类，以 第三类为原料的纤维素乙醇技术属于第二代生物燃料技术， 虽已开发成功但还不成熟"1。美国乙醇生产所需原料几乎 全部是玉米；巴西的乙醇生产原料几乎全部来自甘蔗；中国、 欧盟、加拿大等国家和地区生产乙醇所用的原料主要为粮食 和甜菜(图1)。全球所生产的乙醇几乎全部由农作物中所 含的淀粉和糖类转化而来，造成了对农业资源的大量占用， 并推高了粮价。 圈1各国生产乙醇所使用的原料H1 Fig．1Rawmartialsforethanolproductiona¨overtheworld 1．3生物柴油与乙醇类似，全球生物柴油的生产也呈现 出高度集中的情形。2007年，全球生物柴油产量的77％来 自欧盟和美国，产量达到61．09亿L和16．88L，分别占全球 的60％和17％[2,sj。由于欧盟生产的植物油(主要为菜籽油) 约有47％被用来生产生物柴油，以致于国内需求出现短缺而 不得不依赖进口，且进口量有逐渐增加的趋势。美围生物柴油 原料以大豆油为主，约占全国大豆油产量的7％。印度尼西亚 和马来西亚因种植有大瞬积的棕榈树，是生物柴油生产潜力较 大的国家，目前的两国产量分别占全球的4％和3％。 1．4中国生物质燃料现状中国是世界第i大乙醇生产 国，2007年的产量达18．4亿L，折合油当量101万t，比2006 年增长45％。中国的乙醇生产主要以陈化玉米为原料，约占 全部乙醇产量的90％。然而，随着乙醇产业规模的扩大，陈 化粮库存快速减少，非粮乙醇技术便成为重点研发方向，目 前已经在以甜高粱、木薯、秸秆、木材等为原料的乙醇生产技 术方面取得一定突破。中国生物柴油原料主要是地沟油， 2007年的生物柴油产量为1．14亿L，折合油当量8万t。与 欧盟和美国相比，产业规模明显偏小，且受到原料成本高涨 的影响，企业赢利能力普遍不强甚至出现亏损。由于地沟油 每年产生的数量有限，以木本油料为原料来制备生物柴油是 未来发展方向。 2生物质资源潜力分析 2．1全球生物质总资源量植物进行光合作用所消耗的能 量占地球所接收太阳总辐射量的0．2％，因光合作用效率较 低，所吸收的太阳能最终只有少部分转化为生物质。世界全 部生物质存量约为1．9万亿t，陆地与海洋合计平均最低更 替率为11年，可以计算出每年新产生的生物质约为l700亿 t，折算成标准煤850亿t或油当量600亿t，约相当于2(X)7年 全球一次能源供应总量的5倍旧1。生物质产量与气候、温 度、降水量、土壤、海陆位置等多种原因密切相关。一般来 说，温度越高、降水量越大，生物质产量就越高，例如，热带雨 林地区的平均净初级生产率以千碳计算达2．2kg／m2·年，是 地球上生物质生产率最高的生态系统类型。地球陆地面积 仅相当于地球总面积的29％，但陆地的生物质产量占地球全 部生物质产量的比重为68％，远高于海洋所占的比重。 2．2潜力分析虽然地球上的生物质资源量丰富，然而每 年新产生的生物质不可能全部用于生物燃料的生产，人类能 够开发利用的只是其中一小部分。根据有关学者的研究，到 2050年全球生物质资源潜力为10～262亿t，平均60～119 亿t，相当于生物质每年产生量的10％～20％"41。理论上， 如果把生物质的最大潜力充分发挥，能够满足人类对能源的 全部需求，但受生态环境、可获得性、开发成本、粮食安全等 多重因素的制约，可被利用的生物质资源也许连下限值都达 不到。森林每年所产生的生物质约占全球陆地生物质年产 量的2／3，其次是草原和草地，约占1／5，而耕地上所生产的 生物质仅占8％。目前，商业化生产的生物燃料所消耗原料 基本来自于耕地上所生产的农作物，主要是玉米、甘蔗、油菜 籽、甜菜、大豆、小麦、油棕7种粮油作物，其中80％以上的生 物燃料来自玉米、甘蔗和油菜籽。2006年，全球耕地面积为 l 635万姘，上述7种作物的种植面积合计500多万km2， 其中玉米、甘蔗和油荣籽合计为193万km2。3种最重要生 物质原料的生物燃料生产率分别为：玉米1．4t／hm2·年，甘 蔗4．8∥hm2·年，油菜籽1t／hm2·年11⋯。如果把这3种农作 物全部用于生物燃料的生产，每年的产量加起来仅为3．3亿 t，相当于2007年全球原油产量的8％，或全球一次能源供应 量的2．7％。如果将￡述所列7种农作物全部用于生物燃料 的生产，每年的合计产量也仅为6．8亿t，相当于2007年全球 原油产量的17％，或全球一次能源供应量的5．8％。据国际 应用系统分析研究所估算，即使把全部可用于生产生物燃料 原料的土地充分利用，到2030年也只能满足全部能源需求 的1／10。以美国为例，即使种植的所有玉米和大豆都用于生 产生物燃料，也只能分别满足其全部汽油需求的12％和柴油 需求的6％，而玉米和大豆首先要满足粮食、饲料和其他经济 需求，不可能都用来生产生物燃料。中国是世界第一产粮大 国，由于人口众多，粮食还不能完全自给，需要进口粮食以弥 补缺口。中国的燃料乙醇准人原则之一是“因地制宜，非粮 为主”，并要求用粮食生产燃料乙醇的产量在2020年之前限 制在15亿L以下。然而，中国2007年的乙醇产量就已经突 破了这个限制，用粮食生产乙醇已没有潜力可挖。 综合以上分析可以看出，人类所生产的粮油首先应该满 足食用需要，真正可作为能源开发利用的粮食和油料是非常 有限的。因此。充分利用森林资源、宜林宜农边际土地资源 及海洋水域资源等非耕地土地资源，开发不消耗粮油的纤维 素乙醇等第二代生物燃料技术是必由之路。 3发展生物燃料对粮食安全的影响 目前，生物燃料的生产多以粮食为原料，根据国际货币 基金组织世界经济展望 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，生产乙醇所消耗的粮食占了 2006—2007年主要粮食作物消费增量的近一半。这几年高 速发展的生物燃料产业拉动了对粮食的大量需求，不可避免 万方数据 9570 安徽农业科学 2009盎 地刺激了粮食价格的上涨。虽然高粮价有助于保护粮农的 利益，并在某种程度上推动着农村经济的发展，但同时也带 来了粮食安全问题。 欧美国家早已立法加大生物能源的开发，玉米、油棕、油 菜籽、大豆等是首选对象，此举成为世界粮食和食用油价格 上涨的原因之一，且这种势头在短期内很难扭转。2007年， 全球生产乙醇消耗了l亿t左右粮食，约占当年粮食总产量 的1／20。其中，仅美国乙醇业的玉米用量就达到了8500万 t，比2006年增长50％，占美国玉米产量的25％以上，由此造 成了美国玉米需求量的大幅增加，并推高了国际市场的玉米 价格。玉米是重要的饲料，价格的上涨又连锁导致了肉、蛋、 奶等食品价格上涨¨“。美国的这种生物燃料发展策略为本 国带来了巨大利益：一方面，生物燃料作为替代燃料可缓解 石油大量迸121的压力；另一方面，粮价的提高为美国这个世 界上最大的粮食出口国赚取了更多的利润。此外，全球粮食 供需紧张和失衡也为美国进一步控制世界粮食贸易市场提 供了机会。根据现有各国发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，生物燃料的扩张将使玉 米、油菜籽、木薯和小麦的价格分别上涨26％、18％、ll％和 8％，所造成的粮食短缺将导致热量摄人降低2％一5％，儿童 营养不良率平均增加4％D2]。联合国粮农组织的数据显示。 2006年全球基本农产品价格指数增幅仅为8％，2007年提高 至24％，到2008年首季已高达53％。预计2017年前，小麦 和植物油将分别涨价60％和80％。国际粮食政策研究所估 计，假如世界主要国家立即停掉乙醇生产设备，那么在2009 —2010年间，玉米、小麦和糖的价格将分别下降20％、10％和 12％【131。 4预测和前景展望 近几年，生物燃料产量的迅速增长与石油价格高企密切 相关。以乙醇为例，1986-2000年的年均产量增速为2％，而 2000—2007年的年均产量增速上升为16％，同期石油价格的 年均增长幅度分别为5％和14％【14。。显然，石油价格的攀升 迫使各国不得不努力寻找石油的替代品。2008年下半年以 来，全球性金融危机引发石油价格一路狂跌，使得本来就不 具备成本优势的生物燃料产业面l临亏损压力，不难预见。近 几年持续高烧的生物燃料产业的未来发展速度将会趋缓。 4．1生物燃料生产和消费预测世界主要国家都制定了比 较详细的生物燃料生产目标或混合目标。美国计划在2022 年将生物燃料的产量由2007年的265亿L提高到1360亿 L；欧盟计划在2010年使生物燃料在运输燃料中的比重达到 5．75％，进而在2020年提高到10％；中国计划到2020年实现 交通运输能源需求的15％来自生物燃料¨“”J。可以预见． 受第二代乙醇生产成本短期内难以下降的制约，近20年或 更长时间内，生物燃料的生产仍然以粮食、糖类和油料为原 料，各国所制定的目标能否实现还要取决于未来粮食的供需 状况以及生态环境的压力。国际能源机构对2010、2015及 2030年全球生物燃料的消费量进行了预测，在参考情景下。 全球生物燃料的消费量将分别达到4150万、5440万、9240 万t；在替代政策情景下，将分别达到4880万、7300万、 14670万t。生物燃料的主要消费区域集中在美国、欧盟、巴 西、中国，到2010、2015及2030年，4个国家和地区合计占全 球的比重在参考情景下分别为93％、91％及84％。在替代政 策情景下分别为87％、86％及78％【17】。 4．2耕地需求预测 目前，全球用于种植生物燃料作物的 耕地约占可耕地面积的l％，主要集中在美洲和欧洲。根据 联合国粮农组织和国际能源机构的预测，到2030年。参考情 景、备选政策情景及第二代生物燃料技术3种情景下生物燃 料占运输燃料的比重将分别达到3％、5％及10％，生物燃料 作物所占用的耕地面积将分别达到34．5万、52．8万及58．5 万knlz，占耕地面积的2．5％、3．8％及4．2％，主要种植区域 仍然集中在美洲和欧洲¨7。“J。生物燃料作物种植面积的扩 大，必然会挤占掉一部分原本用于生产粮食的耕地，因此。不 依赖粮食的第二代乙醇技术对帮助人类解决能源和粮食安 全问题具有重要意义。 4．3前景光明的纤维素乙醇技术淘汰以粮食和糖类为原 料的第一代乙醇生产技术，发展以纤维素为原料的第二代乙 醇生产技术，已是形势所迫，许多国家把该技术作为未来最 重要的生物燃料转化技术而加大了研发力度。纤维素乙醇 技术早在19世纪就已经提出，生产工艺原理比较简单。主要 包括纤维素原料的预处理、纤维素的糖化和糖化产物的发酵 3个步骤。虽然纤维素乙醇的原料成本很低，但由于加工过 程复杂，设备投资大，其低原料成本被高昂的酶成本、劳动力 成本、水电成本和设备投资折旧等所抵消。纤维素乙醇的建 厂成本比玉米乙醇厂要高出数倍，每升纤维素乙醇的生产成 本高达l美元左右。当前，纤维素乙醇仍未能实现大规模商 业化生产，世界各国所建纤维素乙醇生产线大多属于示范性 工厂，真正实现纤维乙醇产业化还需要在提高工艺水平、降 低成本上做更大努力。纤维素是地球上资源量最丰富的可 再生资源。每年仅陆生植物就可以产生纤维素约500亿t，理 论上可生产乙醇14万亿L，折合油当量77亿t，足以满足人 类对运输燃料的全部需求。秸秆、甘蔗渣、木屑、废纸等工农 业及城市生活废弃物中含有丰富的纤维索，可成为生产纤维 素乙醇廉价而丰富的原料，具有非常良好的发展前景。据美 国自然资源保护委员会的研究，到2050年，美国纤维素乙醇 的生产潜力可高达5600亿L，相当于现在美国汽油消耗量 的2／3。 5对策建议 中国拥有较为丰富的生物质资源，具有一定发展生物燃 料产业的资源基础。2005年，中国可利用生物质资源约为2 亿toe，到2010、2020和2030年将分别增加至2．4亿、3．9亿 和5．6亿toe¨⋯。中国的生物燃料产业与国外有较大差距， 主要表现在：尚未建立起科学有效的生物质资源评价体系， 对中国生物质资源的家底和潜力没有完全摸清；技术和管理 水平低，研发能力和创新能力不强，从生物质原料的采收、运 输、储藏、预处理到加工、销售、市场运作．都处于比较粗放的 状态，缺乏科学性和严密性；产业化基础薄弱，与国外相比， 不但技术上处于劣势而且规模也普遍偏小；相关的装备制造 业比较落后，没有掌握核心技术，关键设备需要进口。开发 生物燃料可以优化能源结构、缓解能源供需矛盾、改善环境、 促进经济社会可持续发展。还可以解决偏远地区的用能问 题，增加农民收入，提高农民生活水平，增加就业岗位等，具 万方数据 37卷20期 闫强等生物燃料进展研究 9571 有较好的发展前景。但生物燃料的开发与粮食问题、环境问 题、“三农”问题密切相关，如果规划、管理或政策不到位，也 可能带来许多潜在不利影响，如粮食供应的紧张及粮食价格 的上涨、生态失衡和环境污染等。在制定生物燃料发展战略 时应对这些问题通盘考虑，力争找到一条适合中国的发展 道路。 5．1发展生物燃料要以改善生态环境为前提发展生物燃 料可能需要转变土地用途，而土地用途的转变可能会产生温 室气体，例如，将草场或森林转为农田会导致土壤中贮藏的 碳的排放。若将草地转变为农田，每公顷会释放出碳300t； 而若将林地转变为农田，则每公顷会释放出碳600～l000 t旧41。发展生物燃料应以环境和社会效益为核心，鼓励开 发荒山荒地、盐碱地、沙地以及矿山复垦地等不适宜农耕的 边际性土地，用于种植能源农作物，但要实行生态环境一票 否决制。凡是对生态环境存在潜在不利影响的项目都不予 审批，并对未经科学评估和论证而盲目发展的生物能源项目 要及时予以纠正。 5．2坚持“不与人争粮、不与粮争地”的原则从保证中国 粮食安全出发，发展生物燃料应充分考虑不与人争粮的原 则，并针对我国耕地资源紧缺的状况，以不占用粮食、棉花、 食用油等战略物资生产用地为前提，充分利用荒山荒坡和盐 碱地等非适宜耕地资源，禁止借机占用基本农田种植木本油 料树种，在不破坏生态的前提下发展以非粮食作物为主的能 源作物，避免出现能源作物与粮棉油作物争地的情况旧1。 5．3叫停粮食乙醇，限制糖类乙醇，鼓励发展纤维素乙醇 目前，中国生产乙醇的原料以陈化玉米为主，存在着与养殖 业争夺原料的问题。在中国粮食尚不能完全自给、需要进口 的情况下，发展粮食乙醇必然会危及到中国粮食安全。对已 经建成的粮食乙醇项目应控制其规模，对新近审报的粮食乙 醇项目应一律不予审批。糖类乙醇的原料主要是甘蔗和甜 菜，两者在中国的种植面积并不大，而且甘蔗和甜菜用于制 糖所带来的经济效益远高于用于生产乙醇，因此糖类乙醇应 该受到限制。纤维素乙醇以农业和林业等富含纤维素的废 弃物为原料，原料来源广泛而丰富，只是贮运成本较高，收集 半径较小，因此，应精心规划纤维素乙醇生产的生产规模和 布局。当前，最紧迫的是进一步改善纤维素乙醇技术，努力 降低生产成本，使之尽快产业化。 5．4发展生物柴油不应以食用油为原料中国食用油缺口 巨大，以2007年为例，全国进口食用植物油838万t，对外依 存度高达37％Ⅲ1。同时，中国土地资源非常有限，且作物单 产难以大幅度提高，这意味着食用油增产潜力不足。在这种 情况下，有限的食用油不可能用于生物柴油的生产。发展生 产柴油产业，只能充分利用各种废弃油脂及木本油料。由于 中国的能源林产业还未形成规模，目前只能以废弃油脂为主 要原料，其资源量约为300万tⅢJ。 5．5完善生物燃料发展规划和路线图生物燃料作为一种 新能源，其发展涉及到农业结构调整、林业培育、农林产品经 营、加工产业链发展、交通业技术改进和能源结构调整等诸多 行业的发展。政府部门应加强合作、统筹实施，为生物燃料开 发利用寻求更多的、协调一致的政策支持。从资源开发的地域 性、生产技术的经济性、替代能源发展的协调性等诸方面对生 物燃料发展途径进行全面、客观和深入的调查研究和科学论 证，进一步修订和完善生物燃料发展规划和路线图哺1。 参考文献 【1】王革华，艾德生．新能源概论【M】．北京：化学T业出版社，加06：41． [2]UCHTF0．Databaseofworldcommoditystatistics[EB／OL]．(2007) [21309-03·15]．http：／／www．agra—Ilec．corn／portal／home．jsp?pagetifle= showad&publd=agos3． [3]刘洪斌．燃料乙醇非粮化—一我国发展纤维乙醇的挑战与对策[J]．生 物加工过程，2008，6(1)：7一11． [4]MCKEIVIERT．InternationalmarketsforU．S．biofuelsindustry[R]．For- eignAgriculturalService，USDA，2008． [5]BIOFUEI§PI．^TFORM．ProductionofbiedieselintheEUf EB／OL]． (2008)[20138-10-29]．http：／／www．biofuels—platform．ch／en／infos／eu— biodiesel．php．[6]肿AKERRH，IJKENSGE．Thebiosphereandmarl[C]∥LE删 H，WHlTFAKERR H．Primaryproductivityofthebiosphere．so,i,s日- VerIag，1975：305-328． 【7]HAMELINCKC，F从UA．Outlookforadvancedblofues[J]．EnergyPdi- cy，2006，34(17)：3268-3283． 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