曹蕾¹，衣蘭智¹，孫娟²

(1.青島農業大學動物科技學院，山東青島266109；2.青島農業大學生命科學學院，山東青島266109)

　　摘要：生物質能源替代傳統性能源已成為人類研究的一項熱門課題。概述了生物質能源的發生歷程，綜述了國內外利用生物質能源轉化生產乙醇、柴油、石油等燃料物質以及利用生物質氣化、聯介循環、作物秸稈燃燒來發電的一些應用現狀。我國對于生物質能源的發展前景將著眼于如何合理地充分利用本國的地理優勢及豐富的物種資源來作為生物質能源，我國生物質能源的發展方向應該是把農、林、草三位一體化，將草業學科與生物技術等一些學科相互結合，創造出低成本又環保，且節省資源，為社會帶來巨大經濟效益的生物質能源物質。

　　能源問題是21世紀人類面臨的嚴峻挑戰之一。近年來，伴隨經濟的飛速發展，我國的能源問題也日漸凸現。2004年煤炭、石油也紛紛告急。據國家海關總署統計2004年1-8月，原油進口量比2003年增長39.3%，進口量占總資源的比例達40.9%，比2003年同期提高了7.4個百分點。這說明我國能源進口依存度明顯提高，國內能源安全存在隱患。另據資料顯示，我國在2010年和2015年對原油的需求將分別達到3.12億t和3.9億t，其中進口比例將逐步增加，分別為43.9%和51.2%。

　　能源問題成為世界各國共同面臨的難題，石化能源不僅不可再生，儲量有限，且燃燒后釋放出大量的二氧化碳、氮、硫的氧化物及其他一些有害氣體，嚴重污染了環境，導致溫室效應、全球氣候變暖、生物物種多樣性降低、荒漠化等諸多生態問題。礦物燃料的日趨枯竭和生態環境的日漸惡化，使研究、開發可再生作物能源成為各國的必然選擇。未來學家指出，在2010-2020年，全球的能源使用模式可能快速轉變，再生能源定會取代石化燃料。從長遠看生物質能源將替代石油、煤炭和天然氣等傳統性能源，在整個能源系統中占據重要地位。

　　1生物質能源的產生

　　生物質能源是以農林等有機廢棄物及利用邊際土地種植的能源植物為主要原料進行能源生產的一種新興能源。按照生物質的特點及轉化方式可分為固體、液體、氣體3種生物質燃料。我國生物質能源的利用包括畜禽糞便發展沼氣、農作物秸稈生產燃氣、糧食作物轉化能源作物以及油料作物轉化為生物質柴油這四大類。自美國諾貝爾獎獲得者卡爾文在加利福尼亞種植能源植物獲成功后，世界各地相繼發現了一些“柴油樹”、“酒精樹”和“蠟樹”，迅速在全球掀起了一股開發研究能源植物的浪潮，許多國家都制定了相應的開發研究計劃，如巴西1975年實施的以甘蔗Saccharum of ficinarum為原料大規模開發、生產乙醇燃料的宏偉計劃；日本的新陽光計劃；印度的綠色能源工程；美國的能源農場等；此外，一些發展中國家，如菲律賓、印度尼西亞、泰國等也相繼制訂并實施了自己的生物燃料開發計劃。我國擁有豐富的生物質能源的資源，為能進一步推動我國生物產業的發展，加快產業化步伐，根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》和《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》的有關要求，國家發展與改革委員會編制了《生物產業發展“十一五”規劃》，并在2007年4月25日正式公布，這其中也對生物質能源的發展進行了規劃。這對我國經濟的快速發展將起極大的推動作用。就目前資料顯示，生物質能源的轉化利用在整個新能源及可再生能源中已占據了相當重要的地位。對生物質能源在燃料生產及發電方面的應用現狀作一綜述，以利于其研究工作進一步開展。

　　2生物質能源的研究概況

　　2.1國外研究概況

　　2.1.1燃料生產方面的應用研究

　　20世紀70年代開始，生物質能源的開發利用研究已成為世界性的熱門研究課題。許多國家都制定了相應的開發研究計劃，并投入大量的人力、物力、財力從事生物質能源的研究和開發。巴西是世界上第1個以甘蔗為主要原料大規模生產乙醇動力汽車的國家，成為世界乙醇生產大國及先驅。美國在能源植物研究與開發方面也處于較領先地位，自20世紀80年代，就進行了能源植物的選擇，富油種的引種栽培、遺傳改良以及建立“柴油林林場”等方面的工作與研究。歐洲各國也開展了能源植物方面的研究工作，如法國以甜菜Brassica campestris為主生產燃料乙醇，在歐盟國家名列第一；德國以谷物(40%)和馬鈴薯So－lanumtu berosum(35%)為主生產乙醇，成為歐盟第二大乙醇生產國；馬來群島棕櫚油研究組成功的將棕櫚油轉化生產為生物柴油。在國外尤其是發達國家，科研人員對生物質能源研究開發已作了大量工作。美國是世界上最大的以谷物(主要是玉米Zeamays)為原料生產燃料乙醇的國家。每年以農村生物質和玉米為原料生產乙醇約450萬t，計劃到2010年，可再生的生物質可提供約5300萬t乙醇。據估計，如果將美國農林廢棄物都利用起來，可替代美國國內40%的汽油。歐洲各國的燃料乙醇消耗量也在逐年增加。加拿大用木質原料生產的乙醇產量為每年17萬t。比利時每年以甘蔗渣為原料制取的乙醇量達3.2萬t以上。

　　利用大豆Glycinemax、油菜和食物殘(廢)油生產生物柴油也很有前途。美國Prine等對生產柴油的豆科植物進行了品種選育和加工應用的研究。目前美國生物柴油年生產能力為100萬t以上；歐盟2001年已超過100萬t，計劃在2020年使生物柴油的市場占有率達12%；意大利已擁有9家生物柴油的生產廠；德國2000年產量已達25萬t，擁有300多個生物柴油加油站。

　　美國能源署要求，到2010年，美國要將生物柴油產量提高到1200萬t。此外，在歐美各國作為能源植物來研究的柳枝稷Panicumvirgatum，可用于燃料乙醇的生產。美國科學家的這項最新研究，在生物質能轉化為燃料能源上邁出了重要一步。他們找到了一種有效的方法，成功的讓柳枝稷、白楊樹Populusbonatii等植物的木質纖維素轉化為/綠色汽油0，該研究成果有助于掃清綠色汽油市場化的關鍵障礙，首次實現植物纖維素到汽油組分的直接轉變。

　　2.1.2發電方面的應用研究

　　很多國家開展了以生物質熱裂解氣化技術的研究與開發。芬蘭擔佩雷電力公司開始在瑞典建立了一座廢木材氣化發電廠。瑞典能源中心計劃在巴西建發電廠，利用生物質氣化、聯介循環發電等先進技術處理當地豐富的蔗渣資源。美國擁有350多座生物質發電站。據有關科學家預測，到2010年，生物質發電將達到13000MW裝機容量，屆時有16.2萬hm²的能源農作物和生物質剩余物作為氣化發電的原料。20世紀70年代研究開發的顆粒成型燃料，在美國、加拿大、日本等國也得到了推廣應用，并研究開發了專門使用顆粒成型燃料的爐灶，用于家庭或暖房取暖。另據報道，愛荷華州能源作物項目組對柳枝稷的研究結果顯示，在煤炭中摻入5%的柳枝稷，能產生35MW的電力(總電力為725MW)，約需柳枝稷181400t。Jensen和Menard研究了田納西州一家煤草混燃火力發電廠，這家工廠共用10個焚燒爐，產電量為7.7×10⁷MW·h。研究結果顯示，如摻入10%的柳枝稷，一個焚燒爐需50.3萬t左右的柳枝稷。

　　2.2國內研究概況

　　2.2.1燃料生產方面的應用研究

　　我國生物質能源的應用技術研究，從20世紀80年代以來一直受到政府和科技人員的重視。國家“六五”計劃開始設立了研究課題，并進行重點攻關。在黑龍江、吉林、河南和安徽4省建設了陳化糧生產燃料乙醇工程，并在全國10余城市開展了添加10%乙醇的汽油燃料應用示范工作。利用數量巨大的農作物秸稈和林產下腳料(含木質纖維素)制取燃料乙醇是解決原料來源和降低成本的主要途徑之一，已經列入我國的“十五”、“十一五”科技發展計劃中。此外，利用大豆、油菜和食物殘(廢)油生產生物柴油在我國也受到了廣泛的重視。“十五”期間，我國已在攻關計劃和“863”計劃中立項，開展野生植物油，如綠玉樹Euphorbiatirucalli和廢食用油生產生物柴油的研究。中國科學院植物所的試驗表明，甜高粱Sorgumdochna是生產乙醇的最佳原料。近年來，沈陽農業大學、中國科學院植物所等許多科研院校對甜高粱的品種改良及栽培技術方面進行了深入研究，并且培育出一些新品種。科技部將甜高粱莖稈制取乙醇產業化示范分別列入了“國家重點科技攻關計劃”和“國家863計劃”。在“十一五”期間，國家高粱改良中心將圍繞“超高產、高糖分、高轉化率、高效栽培技術”的“四高”目標進行攻關，選育出超高產甜高粱雜交種。

　　2.2.2發電方面的應用研究

　　我國的生物質熱解氣化及熱利用技術近年來也有長足的發展。目前全國已建成農村氣化站200多個，谷殼氣化發電設備100多臺(套)。由中科院廣州能源研究所研發的“4MW生物質氣化聯介循環發電系統”以谷殼、木屑、稻草等多種生物質廢棄物為原料，發電效率可達20%~28%，能滿足農村處理農業廢棄物的需要。中國生物質燃料發電已具有了一定的規模，主要集中在南方地區的許多糖廠利用甘蔗渣發電。廣東和廣西2省(區)共有小型發電機組300余臺，總裝機容量800MW，云南也有一些甘蔗渣電廠。中國第一批農作物秸稈燃燒發電廠在河北石家莊晉州市和山東菏澤市單縣建設。國家高科技發展計劃(“863”計劃)已建設4MW規模生物質(秸稈)氣化發電的示范工程，系統發電效率可達到30%左右。

　　3生物質能源的發展趨勢

　　現代農業的高度生產、單一作物的種植以及過度機械化的結果，導致嚴重的土壤流失，造成對環境的不良影響。種植能源作物，不僅可阻止土壤的流失，還可幫助土壤建立新土壤層。科學家們認為：普通植物對于陽光的利用效率不到4%，如果通過研究使新型能源作物的陽光利用率提高到5%，那么只要世界農田面積的10%，就可提供相當于目前人類使用的全部化石燃料的能源。可再生的綠色能源的開發，成為解決未來能源的有效新途徑之一。生物質能源作為重要的可再生資源，21世紀世界能源消費的40%將會來自生物質能源。我國未來生物質利用技術主要在能源作物的開發、沼氣技術、生物質熱轉化與生物質材料的利用上實現突破。2005-2020年，為我國生物質技術的開發和發展階段，部分技術進入到商業應用，2020-2050年，隨著生物質技術成熟和生物質能源體系的完善，生物質將成為主要的能源，進入到商業化示范和全面推廣階段。據初步測算，如果在全國建設3000萬hm²能源植物生產基地，每年可產生12億t生物質，包括柳枝稷、芒草Miscanthussinensis、木薯Manilot escu-lenta、甘蔗、甜高粱。此外，與西部大開發、沙漠治理、退耕還林、“三北”防護林建設結合起來，至少可再發展2000萬hm²的能源植物。科技部將根據《國家中長期科技發展規劃綱要》繼續加強生物質能等可再生能源的研究開發，推動中國可再生能源產業的發展壯大。

　　4結語

　　國外生物質能源在燃料生產與發電方面的應用起步較早，主要利用農作物、農林廢棄物及加工廠廢棄物來進行燃料生產與發電；我國生物質能源起步相對較晚，存在局限性。面臨能源短缺問題，全世界都在謀求以循環經濟、生態經濟為指導，堅持可持續發展戰略，從保護人類自然資源、生態環境出發，充分有效地利用可再生的、巨大的生物質能源。而能源開發的一個很有潛力的方向便是充分利用生物質能源。這是解決全世界面臨的能源短缺問題的有效途徑。尤其對于我國這樣一個國土資源豐富，但存在大量貧瘠土地，鹽堿地也未能被合理利用的國家，如果這些土地可以用來種植生物質能源作物，不僅可以改善生態環境，也可以充分利用這些能源作物來生產燃料及發電，實現雙贏。利用科學的方法培育高產、抗逆性強的能源植物是發展生物質能源的根本保障。但目前的關鍵問題是，我國在生物質能源植物種的選(培)育方面還處于起步階段，若能合理地利用這些土地來種植高產、抗逆性強的能源植物，將會帶來巨大的經濟效益。能源植物應成為今后研究的重點方向，而這也將是草業發展的一個非常重要的方向。隨著草業的發展，這些未能得到利用的土地將會被充分的利用，要實現雙贏指日可待。