全球生物質(zhì)能資源評價(jià)

中國農學(xué)通報2009,25(18):466-470Chinese agricultural Science Bulletin全球生物質(zhì)能資源評價(jià)閆強,王安建,王高尚,于汶加(中國地質(zhì)科學(xué)院,北京100037)摘要:隨著(zhù)全球能源供需矛盾的日益突岀,人類(lèi)對開(kāi)發(fā)利用各類(lèi)新能源寄予厚望,生物質(zhì)能就是其中之一。生物質(zhì)能的發(fā)展對保障能源安全、培育新的經(jīng)濟増長(cháng)點(diǎn)、促進(jìn)農村生活水平的提高等具有積極意義。不過(guò),對生物質(zhì)能資源的不合理開(kāi)發(fā)也可能會(huì )威脅糧食安全,并可能對生態(tài)環(huán)境造成不利影響。對全球生物質(zhì)能資源進(jìn)行了系統評價(jià),認為目前以糧食為主要原料的生物質(zhì)能發(fā)展模式不可持續,應積極發(fā)展基于纖維素乙醇的不消耗糧食的第二代生物燃料技術(shù)。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)能資源;潛力;評價(jià);全球中圖分類(lèi)號:S216文獻標識碼:A論文編號:2009-0903Evaluation of Global Bioenergy resourcesYan Qiang, Wang Anjian, Wang Gaoshang, Yu Wenjia(Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037)Abstract: Following with the increasingly outstanding imbalance between supply and demand of global ener-gy, great expectation has being placed on all kinds of new energy, one of which is bioenergy. Development ofbioenergy is beneficial to ensuring energy security, cultivating new points of economic growth and promotingrural living standard. But, unreasonable exploitation of bioenergy resources might threaten food security andlead to unfavorable influence on ecological environment. In this paper, systematic evaluation was made onglobal bioenergy resources, and drew the conclusion that the current bioenergy development model which hasto take corns as its raw material are unsustainable, and cellulosic ethanol technology, the 2nd biofuel technology, which is free from corns should be encouraged.Key words: bioenergy resource, potential, evaluation, global0引言發(fā)展,生物質(zhì)能資源可以通過(guò)各種技術(shù)加以轉化和高8世紀之前,生物質(zhì)能一直是人類(lèi)最主要的能量效利用,產(chǎn)生電力和熱力,或生產(chǎn)生物燃料,如乙醇、生來(lái)源,直到今日,生物質(zhì)能仍然是僅次于石油、煤炭、天物柴油及沼氣。生物質(zhì)能資源的科學(xué)利用,對緩解能然氣的第四大能源,在世界一次能源供應量中的比重源供需矛盾、優(yōu)化能源品種結構、減少溫室氣體排放、約為10%。與太陽(yáng)能、風(fēng)能等常見(jiàn)的過(guò)程性可再生能提高農民收入及農村生活條件,促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )可持續源不同,生物質(zhì)能屬于含能體能源,在諸多方面與煤發(fā)展等都具有重要意義。炭、石油、天然氣等常規化石能源相似,具有可存儲、可1生物質(zhì)能資源分類(lèi)運輸等特點(diǎn)。生物質(zhì)能資源來(lái)源于一切直接或間接利按照傳統的分類(lèi)方法,生物質(zhì)能資源分為林業(yè)資用綠色植物進(jìn)行光合作用而形成的有機物質(zhì),包括動(dòng)源、農業(yè)資源(包括能源植物)、生活污水和工業(yè)有機物、植物、微生物,以及由這些生物產(chǎn)生的排泄物和代廢水、城市固體廢物、畜禽糞便等五個(gè)大類(lèi)。隨著(zhù)對謝物。長(cháng)期以來(lái),生物質(zhì)能資源的利用以直接燃燒生物質(zhì)能認識的加深及其加工轉化技術(shù)的進(jìn)步,生物為主,不僅效率低下,而且污染環(huán)境。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的質(zhì)能資源范圍不斷拓寬,如下的分類(lèi)方法更加全面基金項目:中央級公益性科研院所基本科硏業(yè)務(wù)費專(zhuān)項“中國新能源發(fā)展戰略硏究”(KO812)。第一作者簡(jiǎn)介:閆強,男,1972年岀生,主要從事資源經(jīng)濟學(xué)硏究。通信地址:100037北京市￠中國煤化工學(xué)院戰略中心,Tel010-68999655,e-mail:cagsyq(al63.comaHCNMHG收稿日期:2009-04-28,修回日期:200905-21。閆強等:全球生物質(zhì)能資源評價(jià)467叫:(1)農作物類(lèi):主要包括產(chǎn)生淀粉的甘薯、木薯、玉括硫細菌、非硫細菌等。(6)各種工農業(yè)有機廢棄物:主要米、小麥、水稻、髙粱、番薯等;產(chǎn)生糖類(lèi)的甘蔗、甜菜、冇禽畜糞便、生活垃圾、工業(yè)有機廢水和生活污水等。果實(shí)等;農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的剩余物,如農作物秸稈(玉2生物質(zhì)的化學(xué)組成米秸、麥秸、稻草、棉桿)等。(2)林作物類(lèi):主要有森林2.1生物質(zhì)的元素成分生長(cháng)和林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的林木生物質(zhì),如多種樹(shù)木(白不同來(lái)源生物質(zhì)的化學(xué)成分不盡相同,但主要元楊、懸鈴木等)、薪炭林;森林撫育和間伐作業(yè)中的碎散素都為碳、氫、氧、氮等4種元素,合計占95%以上。碳木材、殘留樹(shù)枝、樹(shù)葉和木屑等;加工生產(chǎn)過(guò)程中的枝的含量最高,一般在50%左右,其次為氧,含量一般超了、鋸末、截頭等;林業(yè)副產(chǎn)品的殼、果核等。專(zhuān)門(mén)用于過(guò)40%,兩者合計占90%以上(表1)。農作物秸稈的生產(chǎn)生物燃料的能源植物,如麻風(fēng)樹(shù)、黃連木等也包含主要化學(xué)元素組成:碳40%~50%、氫5%6%、氧43%在其中。(3)水生藻類(lèi):主要包括海洋性的馬尾藻、巨50%氮0.65%-1.1%硫0.1%-0.2%,完全燃燒后,灰分藻、石莼等;淡水生的布袋草、浮萍等;徽藻類(lèi)的螺旋3%~5%磷1.5%-2.5%、鉀11%~20%;薪柴化學(xué)元素藻、綠藻等。(4)可以提煉石油的植物類(lèi):主要包括橡膠組成:碳49.5%、氫6.5%、氧43%、氮1%,完全燃燒后,樹(shù)、藍珊瑚、桉樹(shù)、葡萄牙草等。(5)光合成微生物:主要包灰分少于1%,另有少量鉀和其他微量元素鬥。表1部分生物質(zhì)化學(xué)元素的百分含量類(lèi)型類(lèi)型杉木稻殼樹(shù)脂50.8甘蔗渣麥秸6,16玉米芯0.3稻草48.875.840.74高粱秸48.636.0844.920.362.2生物質(zhì)的物質(zhì)成分的纖維素也能占40%~50%。此外,麻、麥稈、稻草、甘生物質(zhì)是由多種復雜的高分子有機化合物組成蔗渣等,都是纖維素的豐富來(lái)源的復合體,主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉半纖維素是由幾種不同類(lèi)型單糖組成的異質(zhì)多蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、水分、灰分等,其中纖維素和半纖維素由聚體,是木糖、甘露糖、葡萄糖等構成的一類(lèi)多糖化合碳水化合物組成,木質(zhì)素則是由碳水化合物通過(guò)一系物,不同植物中半纖維素的含量、結構都不同。半纖維生物化學(xué)反應合成的。碳水化合物通常稱(chēng)為糖類(lèi),素大量存在于植物的木質(zhì)化部分,如秸稈、種皮、堅果是綠色植物通過(guò)光合作用合成的,由碳、氫和氧三種元殼及玉米穗等,其含量依植物種類(lèi)、部位和老幼程度而素組成,所含氫氧的比例為二比一,和水一樣,所以稱(chēng)有所不同為碳水化合物。碳水化合物一般分為單糖、低聚糖和木質(zhì)素是由聚合的芳香醇構成的復雜有機聚合物,多糖三類(lèi)。地球上生物質(zhì)總量中葡萄糖聚合物占50%存在于植物細胞壁中,主要作用是通過(guò)形成交織網(wǎng)來(lái)硬以上,是貯存太陽(yáng)能和支持生命活動(dòng)的重要化學(xué)物質(zhì)?；毎?起抗壓作用。木質(zhì)素在植物界中的含量?jì)H次纖維素是最豐富的天然有機物,系由葡萄糖組成于纖維素和半纖維素,廣泛分布于具有維管束的羊齒植的大分子多糖,分子式為(CHO),白色物質(zhì),不溶于物以上的高等植物中,是裸子植物和被子植物所特有的水及一般有機溶劑,無(wú)還原性,是植物細胞壁的主要成化學(xué)成分。木質(zhì)素在木材中的含量為20%~40%,在禾分。棉花的纖維素含量最高,接近100%,而一般木材本科植物中木質(zhì)素含量一般為15%25%(表2)。表2部分生物質(zhì)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素百分含量纖維素木質(zhì)素纖維素木質(zhì)素玉米秸稈軟木雜交楊18~2532-4823~32竹子24~26柳枝445142~50TH中國煤化工淀粉是由D-葡萄糖分子聚合而成的化合物,通式顆粒狀粉末為(CH1O),在細胞中以顆粒狀態(tài)存在,通常為白色植物的種子和CNMHG養分,多存在于468中國農學(xué)通報http://www.casb.org.cn蛋白質(zhì)是構成細胞質(zhì)的重要物質(zhì),是生命的物質(zhì)形式存在,含量越多,越容易燃燒,燃燒的結果是水蒸基礎。由多種氨基酸組成,分子量很大,氨基酸主要由氣。1kg氫燃燒釋放出的熱量,高位熱值為142.3MJ,碳、氫、氧3種元素組成,另外還有氮和硫低位熱值為119.7MJ。硫是一種有害物質(zhì),1kg硫燃脂類(lèi)是不溶于水而溶于非極性溶劑的一大類(lèi)有燒釋放出9,21MJ的熱量,生成二氧化硫或三氧化硫,機化合物,是細胞中單位體積含能量最髙的物質(zhì),主要然后進(jìn)一步與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應生成亞硫酸或硫化學(xué)元素是碳、氫、氧,有的脂類(lèi)還含有磷和氮。植物酸,危害植物生長(cháng)。磷和鉀都可燃,燃燒后釋放出熱量種子會(huì )儲存脂肪于子葉或胚乳中以供自身使用,是植并分別生成植物生長(cháng)所需要的磷肥和鉀肥。氮和氧都物油的主要來(lái)源。是不可燃元素,會(huì )因吸熱而降低燃料的發(fā)熱量,氧在熱生物質(zhì)中還含有一定量的水分和灰分。水分在解期間被釋放出來(lái)以部分滿(mǎn)足燃燒過(guò)程中對氧的需求。燃燒過(guò)程中產(chǎn)生水蒸氣,吸收熱量而帶走一部分熱即使在空氣中干燥,生物質(zhì)的水分含量也有15%量?；曳种饕橇?、鉀、硅、鋁、鈣、鐵等元素的氧化物20%,水分含量的高低與生物質(zhì)的熱值密切相關(guān)。大在纖維素生物質(zhì)中,稻草與稻殼灰分含量較大,超過(guò)多數生物質(zhì)的熱值范圍為15~19GJ/t,遠低于煤炭的10%,而其他纖維素生物質(zhì)灰分含量大多小于3%。29GJt,石油的42GJt,天然氣的55GJt(表3)。生3生物質(zhì)的熱值物質(zhì)的平均能量密度較低,熱值約相當于標準煤的碳是生物質(zhì)中最重要的元素,含量多少決定著(zhù)熱半左右,可近似把2個(gè)單位質(zhì)量的生物質(zhì)折算成1個(gè)單值高低,也即決定著(zhù)生物質(zhì)作為能源來(lái)開(kāi)發(fā)的品質(zhì)。位質(zhì)量的標準煤。大部分生物質(zhì)原料比煤炭更易氣1kg碳完全燃燒可釋放出33.915MJ的熱量,燃燒后生化、反應和點(diǎn)火,因此更易發(fā)生熱化學(xué)反應,用于熱值成二氧化碳或一氧化碳。純碳不易燃燒,含碳量越高更高燃料的生產(chǎn)。生物質(zhì)灰分含量低于大部分煤炭,燃點(diǎn)越髙,點(diǎn)火越難,生物質(zhì)的碳含量比煤炭少得多,硫的含量遠低于化石燃料,燃燒后對環(huán)境的污染明顯因此更易點(diǎn)燃和燃盡。氫在生物質(zhì)中常以碳氫化合物小于石油和煤炭。表3生物質(zhì)的熱值類(lèi)型按質(zhì)量計算(GJ)按體積計算(GJm)類(lèi)型按質(zhì)量計算(GJt)按體積計算/GJ/m)木材(60%含水量)木材(20%含水量)甘蔗渣木材(0%含水量)城市垃圾木炭工業(yè)廢棄物排泄物煤炭(標準煤)4天然氣4生物質(zhì)能的資源保障性分析的29%,但陸地的生物質(zhì)產(chǎn)量占地球全部生物質(zhì)產(chǎn)量4.1生物質(zhì)資源總量的比重為68%,遠高于海洋所占的比重植物進(jìn)行光合作用所消耗的能量占地球所接收4.2耕地的生物質(zhì)能資源潛力太陽(yáng)總輻射量的0.2%,因光合作用效率較低,所吸收森林每年所產(chǎn)生的生物質(zhì)約占全球陸地生物質(zhì)的太陽(yáng)能最終只有少部分轉化為生物質(zhì)。世界全部生年產(chǎn)量的23,其次是草原和草地,約占1/5,而耕地上物質(zhì)存量約為1.9萬(wàn)億t,陸地與海洋合計平均最低更所生產(chǎn)的生物質(zhì)僅占8%。目前,商業(yè)化的生物燃料生替率為11年,可以計算出每年新產(chǎn)生的生物質(zhì)約為產(chǎn)技術(shù)還處于第一代,原料基本來(lái)自于耕地上所生產(chǎn)1700億t,折算成標準煤850億t或油當量600億t,約相的農作物,主要有生產(chǎn)乙醇的玉米(美國)、甘蔗(巴當于2007年全球一次能源供應總量的5倍(表4)叨。西)、甜菜(歐洲)、小麥(歐洲),生產(chǎn)生物柴油的油菜籽生物質(zhì)產(chǎn)量與氣候、溫度、降水量、土壤、海陸位置等多(歐洲)、大豆(美國、法國)、油棕(東南亞)等,其中以玉種原因密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō),溫度越高、降水量越大,米、甘蔗和油菜籽為原料所生產(chǎn)的生物燃料占80%以生物質(zhì)產(chǎn)量就越高,例如,熱帶雨林地區的平均凈初級上。2006年生產(chǎn)率達22kg/(m2年),是地球上生物質(zhì)生產(chǎn)率最高物的種植面中國煤化工m,上述7種作的生態(tài)系統類(lèi)型。地球陸地面積僅相當于地球總面積籽合計為193CNMHG米、甘蔗和油菜閆強等:全球生物質(zhì)能資源評價(jià)469表4全球生物質(zhì)能資源量面積/類(lèi)型平均凈初級生產(chǎn)率初級生產(chǎn)量/平均生物量生物質(zhì)存最低更替率/(×103km2)(億t年)熱帶雨林374.04500熱帶季雨林120.0溫帶常綠林1.320660溫帶落葉林7,02100.0寒帶森林0.800地中海型開(kāi)放森林18.000沙漠和半沙漠灌木林0.09016,27.78極端沙漠、礫漠、巖漠或冰原6.67耕地0.65091.0l000140.01.54沼澤15,000草原與草地0.637240.13.0081134.0溪流和湖泊0.250大洋332.00.12415.00.003涌升流地帶大陸架0.0102.72.500河口和紅樹(shù)林510.00.3341702.83.680187729注:草原與草地數據為推測值:;生產(chǎn)率、生產(chǎn)量、生物量及存量都以干碳計算表5生物質(zhì)及生物燃料的生產(chǎn)率生物質(zhì)產(chǎn)量(干重y生物燃料產(chǎn)量生物質(zhì)產(chǎn)量(干重y物燃料產(chǎn)量類(lèi)型類(lèi)型t(hm2·年)(toe(hm2年)小麥4-5油菜籽1~3麻風(fēng)樹(shù)甜菜2.7溫帶地區短期輪作矮林10~12.4-4.3熱帶地區短期輪作矮林甘蔗10能源草(理想生長(cháng)條件)4.l~5油棕邊際土地多年生植物0.7~2.93種最重要生物質(zhì)原料的生物燃料生產(chǎn)率分別生物質(zhì)能未來(lái)發(fā)展方向。為:玉米14toe(hm年),甘蔗4.8toe(hm年),油菜籽4.3生物質(zhì)能資源開(kāi)發(fā)潛力預測ltoe/(hm2年)(表5)。如果把這3種農作物全部用于雖然地球上的生物質(zhì)資源量豐富,然而每年新產(chǎn)生物燃料的生產(chǎn),每年的產(chǎn)量加起來(lái)為3.3億toe,僅相生的生物質(zhì)不可能全部用于生物質(zhì)能的生產(chǎn),人類(lèi)能當于2007年全球原油產(chǎn)量的8%,或全球一次能源供夠開(kāi)發(fā)利用的只是其中很小一部分。根據有關(guān)學(xué)者的應量的27%。如果將上述所列7種農作物全部用于生研究,到2050年全球生物質(zhì)能資源潛力為10-262億物燃料的生產(chǎn),每年的合計產(chǎn)量為6.8億toe,僅相當于toe,平均60~119億toe,相當于生物質(zhì)每年產(chǎn)生量的2007年全球原油產(chǎn)量的17%,或全球一次能源供應量10%20%(表6)。理論上,如果把生物質(zhì)能的最大的5.8%。人類(lèi)所生產(chǎn)的糧油首先應該滿(mǎn)足食用的需潛力充分發(fā)揮,能夠滿(mǎn)足人類(lèi)對能源的全部需求,但受要,真正可供人類(lèi)作為能源開(kāi)發(fā)利用的糧食和油料是生態(tài)環(huán)境、可獲得性、開(kāi)發(fā)成本、糧食安全等多重因素非常有限的。因此,充分利用森林資源、宜林宜農邊際的制約,可被中國煤化工可能連表6中土地資源及海洋水域資源等非耕地土地資源,研發(fā)不所列數字的下CNMHG需要消耗糧油的纖維素乙醇等新一代生物燃料技術(shù)是470中國農學(xué)通報htt:!/ww.casb. org. cn表62050年全球生物質(zhì)能資源開(kāi)發(fā)潛力現有耕地邊際性土地農業(yè)廢棄物林業(yè)廢棄物畜禽糞便有機廢棄物總計0-167(平均:24-72)14~364~-177~361~1310-262(平均:60-119)熱值按19GJt(干重)換算:單位為億toe5結語(yǔ)[2]中國能源研究會(huì )能源科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報告2007-2008[M]北生物質(zhì)能資源的開(kāi)發(fā)與糧食、環(huán)境、水資源、農業(yè)京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2008:1和農村等問(wèn)題密切相關(guān),如果規劃、管理或政策不到3]姚向君,田宜水生物質(zhì)能資源清潔轉化利用技術(shù)M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:75位,可能帶來(lái)許多潛在不利影響。近年來(lái),全球生物燃{4袁振宏吳創(chuàng )之馬降龍生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)M北京化學(xué)工業(yè)出版社,2005:11-13年所消耗的糧食達1億t以上,2008年又增長(cháng)到1.2億t,[5]Scurlockj.BioenergyFeedstockCharacteristics[eb/ol].http:/bio占全球糧食總產(chǎn)量的6%左右。由于糧食增產(chǎn)潛力非energy. ornl. gov/papers/misc/biochar factsheet. html. [2009-04-26]常有限,預計生物燃料用糧占糧食總產(chǎn)量的比重將持6 Lawrence S r. Biomass Energy[R]. Boulder: Leeds School of Busi-續增加,全球糧食安全問(wèn)題日益嚴峻。此外,發(fā)展生物ness, University of Colorado, 2006.[7] Whittaker R H, Likens G E. The Biosphere and Man[M]//Leith H質(zhì)能必然會(huì )改變土地用途,有可能會(huì )引發(fā)土地碳釋放Whittaker R H. Primary Productivity of the Biosphere. Spring量的增加214。對生物質(zhì)能資源合理的開(kāi)發(fā)有利于生er- verlag,1975:305328態(tài)環(huán)境的保護,而無(wú)節度的開(kāi)發(fā)卻可能會(huì )造成森林和[ 8 Energy Transition. Biomass. Hot Issue: Smart Choice in Difficu農業(yè)生態(tài)系統的單一化,從而導致生態(tài)系統因物種組Times[R]. Sittard, Netherlands, 2008成和結構發(fā)生改變而使調節能力下降,甚至最終徹底[9 Hamelinck C, Faaij A. Outlook for Advanced Biofues[J]. Energyicy,2006,34(17):3268-3283破壞整個(gè)生態(tài)系統。[10] Hoogwijk M, Faaij A, Bas E, et al. Potential of Biomass Energy out生物質(zhì)能與太陽(yáng)能、風(fēng)能等其他類(lèi)型的可再生能to 2100, for Four IPCC SRES Land-Use Scenarios[J]. Biomass源有著(zhù)本質(zhì)的不同,必須消耗有限的生物質(zhì)原料,從而B(niǎo)ioenergy,2005,29(4):225-2不可避免地受到糧食問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題等多方面的制約,[ meet E M,ra, ewandowskl, et al. A Quick Scan of globa發(fā)展生物質(zhì)能需要進(jìn)行縝密的戰略規劃。筆者認為,Bio-energy Potentials to 2050U]. Progress in Energy and Combustion science,2007,33(1):56-10開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能資源要以改善生態(tài)環(huán)境為前提,堅持“不[12] Fargione J, Hill J, Tilman D, et al. Land clearing and the biofuel ca與人爭糧、不與糧爭地”的原則,立即叫停糧食乙醇,限bon debt[J, Science,2008,3195867):1235-1238制糖類(lèi)乙醇,鼓勵發(fā)展不消耗糧食的纖維素乙醇,進(jìn)」[13] Royal Society. Sustainable biofuels: prospects and challenges[R]步完善生物質(zhì)能發(fā)展規劃和路線(xiàn)圖。London 2008[14 Searchinger, T. The impacts of biofuels on greenhouse gases: how參考文獻land use change alters the equation[R]. Policy Brief. Washington,DC, The German Marshall Fund of the United States, 2008[]王革華,艾德生新能源概論[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社2006:41中國煤化工CNMHG