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全球生物质能资源评价

来源:4U生物科研网 作者:dzhen2006 2016/01/10 11:28

                                                 闫强,王安建,王高尚,于汶加

(中国地质科学院,北京100037)

  摘要:随着全球能源供需矛盾的日益突出,人类对开发利用各类新能源寄予厚望,生物质能就是其中之一。生物质能的发展对保障能源安全、培育新的经济增长点、促进农村生活水平的提高等具有积极意义。不过,对生物质能资源的不合理开发也可能会威胁粮食安全,并可能对生态环境造成不利影响。对全球生物质能资源进行了系统评价,认为目前以粮食为主要原料的生物质能发展模式不可持续,应积极发展基于纤维素乙醇的不消耗粮食的第二代生物燃料技术。

  0引言

  18世纪之前,生物质能一直是人类最主要的能量来源,直到今日,生物质能仍然是仅次于石油、煤炭、天然气的第四大能源,在世界一次能源供应量中的比重约为10%。与太阳能风能等常见的过程性可再生能源不同,生物质能属于含能体能源,在诸多方面与煤炭、石油、天然气等常规化石能源相似,具有可存储、可运输等特点。生物质能资源来源于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,生物质能资源的利用以直接燃烧为主,不仅效率低下,而且污染环境。随着科学技术的发展,生物质能资源可以通过各种技术加以转化和高效利用,产生电力和热力,或生产生物燃料,如乙醇、生物柴油沼气。生物质能资源的科学利用,对缓解能源供需矛盾、优化能源品种结构、减少温室气体排放、提高农民收入及农村生活条件,促进经济社会可持续发展等都具有重要意义。

  1生物质能资源分类

  按照传统的分类方法,生物质能资源分为林业资源、农业资源(包括能源植物)、生活污水和工业有机废水、城市固体废物、畜禽粪便等五个大类。随着对生物质能认识的加深及其加工转化技术的进步,生物质能资源范围不断拓宽,如下的分类方法更加全面:(1)农作物类:主要包括产生淀粉的甘薯、木薯、玉米、小麦、水稻、高粱、番薯等;产生糖类的甘蔗、甜菜、果实等;农业生产过程中的剩余物,如农作物秸秆(玉米秸、麦秸、稻草、棉杆)等。(2)林作物类:主要有森林生长和林业生产过程中的林木生物质,如多种树木(白杨、悬铃木等)、薪炭林;森林抚育和间伐作业中的碎散木材、残留树枝、树叶和木屑等;加工生产过程中的枝了、锯末、截头等;林业副产品的壳、果核等。专门用于生产生物燃料的能源植物,如麻风树、黄连木等也包含在其中。(3)水生藻类:主要包括海洋性的马尾藻、巨藻、石莼等;淡水生的布袋草、浮萍等;徽藻类的螺旋藻、绿藻等。(4)可以提炼石油的植物类:主要包括橡胶树、蓝珊瑚、桉树、葡萄牙草等。(5)光合成微生物:主要包括硫细菌、非硫细菌等。(6)各种工农业有机废弃物:主要有禽畜粪便、生活垃圾、工业有机废水和生活污水等。

  2生物质的化学组成

  2.1生物质的元素成分

  不同来源生物质的化学成分不尽相同,但主要元素都为碳、氢、氧、氮等4种元素,合计占95%以上。碳的含量最高,一般在50%左右,其次为氧,含量一般超过40%,两者合计占90%以上(表1)。农作物秸秆的主要化学元素组成:碳40%~50%、氢5%~6%、氧43%~50%、氮0.65%~1.1%、硫0.1%~0.2%,完全燃烧后,灰分3%~5%、磷1.55%~2.5%、钾11%~20%;薪柴化学元素组成:碳49.5%、氢6.5%、氧43%、氮1%,完全燃烧后,灰分少于1%,另有少量钾和其他微量元素。

  2.2生物质的物质成分

  生物质是由多种复杂的高分子有机化合物组成的复合体,主要含有纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、蛋白质、脂质、水分、灰分等,其中纤维素和半纤维素由碳水化合物组成,木质素则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的。碳水化合物通常称为糖类,是绿色植物通过光合作用合成的,由碳、氢和氧三种元素组成,所含氢氧的比例为二比一,和水一样,所以称为碳水化合物。碳水化合物一般分为单糖、低聚糖和多糖三类。地球上生物质总量中葡萄糖聚合物占50%以上,是贮存太阳能和支持生命活动的重要化学物质。

  纤维素是最丰富的天然有机物,系由葡萄糖组成的大分子多糖,分子式为(C6H10O5)n,白色物质,不溶于水及一般有机溶剂,无还原性,是植物细胞壁的主要成分。棉花的纤维素含量最高,接近100%,而一般木材的纤维素也能占40%~50%。此外,麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等,都是纤维素的丰富来源。

  半纤维素是由几种不同类型单糖组成的异质多聚体,是木糖、甘露糖、葡萄糖等构成的一类多糖化合物,不同植物中半纤维素的含量、结构都不同。半纤维素大量存在于植物的木质化部分,如秸秆、种皮、坚果壳及玉米穗等,其含量依植物种类、部位和老幼程度而有所不同。

  木质素是由聚合的芳香醇构成的复杂有机聚合物,存在于植物细胞壁中,主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁,起抗压作用。木质素在植物界中的含量仅次于纤维素和半纤维素,广泛分布于具有维管束的羊齿植物以上的高等植物中,是裸子植物和被子植物所特有的化学成分。木质素在木材中的含量为20%~40%,在禾本科植物中木质素含量一般为15%~25%(表2)。

  淀粉是由D-葡萄糖分子聚合而成的化合物,通式为(C6H10O5)n,在细胞中以颗粒状态存在,通常为白色颗粒状粉末。淀粉是植物体中贮存的养分,多存在于植物的种子和块茎中。

  蛋白质是构成细胞质的重要物质,是生命的物质基础。由多种氨基酸组成,分子量很大,氨基酸主要由碳、氢、氧3种元素组成,另外还有氮和硫。

  脂类是不溶于水而溶于非极性溶剂的一大类有机化合物,是细胞中单位体积含能量最高的物质,主要化学元素是碳、氢、氧,有的脂类还含有磷和氮。植物种子会储存脂肪于子叶或胚乳中以供自身使用,是植物油的主要来源。

  生物质中还含有一定量的水分和灰分。水分在燃烧过程中产生水蒸气,吸收热量而带走一部分热量。灰分主要是磷、钾、硅、铝、钙、铁等元素的氧化物,在纤维素生物质中,稻草与稻壳灰分含量较大,超过10%,而其他纤维素生物质灰分含量大多小于3%。

  3生物质的热值

  碳是生物质中最重要的元素,含量多少决定着热值高低,也即决定着生物质作为能源来开发的品质。1kg碳完全燃烧可释放出33.915MJ的热量,燃烧后生成二氧化碳或一氧化碳。纯碳不易燃烧,含碳量越高燃点越高,点火越难,生物质的碳含量比煤炭少得多,因此更易点燃和燃尽。氢在生物质中常以碳氢化合物形式存在,含量越多,越容易燃烧,燃烧的结果是水蒸气。1kg氢燃烧释放出的热量,高位热值为142.3MJ,低位热值为119.7MJ。硫是一种有害物质,1kg硫燃烧释放出9.21MJ的热量,生成二氧化硫或三氧化硫,然后进一步与水蒸气发生化学反应生成亚硫酸或硫酸,危害植物生长。磷和钾都可燃,燃烧后释放出热量并分别生成植物生长所需要的磷肥和钾肥。氮和氧都是不可燃元素,会因吸热而降低燃料的发热量,氧在热解期间被释放出来以部分满足燃烧过程中对氧的需求。

  即使在空气中干燥,生物质的水分含量也有15%~20%,水分含量的高低与生物质的热值密切相关。大多数生物质的热值范围为15~19GJ/t,远低于煤炭的29GJ/t,石油的42GJ/t,天然气的55GJ/t(表3)。生物质的平均能量密度较低,热值约相当于标准煤的一半左右,可近似把2个单位质量的生物质折算成1个单位质量的标准煤。大部分生物质原料比煤炭更易气化、反应和点火,因此更易发生热化学反应,用于热值更高燃料的生产。生物质灰分含量低于大部分煤炭,硫的含量远低于化石燃料,燃烧后对环境的污染明显小于石油和煤炭。

  4生物质能的资源保障性分析

  4.1生物质资源总量

  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1700亿t,折算成标准煤850亿t或油当量600亿t,约相当于2007年全球一次能源供应总量的5倍(表4)。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

  4.2耕地的生物质能资源潜力

  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,商业化的生物燃料生产技术还处于第一代,原料基本来自于耕地上所生产的农作物,主要有生产乙醇的玉米(美国)、甘蔗(巴西)、甜菜(欧洲)、小麦(欧洲),生产生物柴油的油菜籽(欧洲)、大豆(美国、法国)、油棕(东南亚)等,其中以玉米、甘蔗和油菜籽为原料所生产的生物燃料占80%以上。2006年,全球耕地面积为1635万km2,上述7种作物的种植面积为500多万km2,其中,玉米、甘蔗和油菜籽合计为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1.4toe/(hm2·年),甘蔗4.8toe/(hm2·年),油菜籽1toe/(hm2·年)(表5)。如果把这3种农作物全部用于生物燃料的生产,每年的产量加起来为3.3亿toe,仅相当于2007年全球原油产量的8%,或全球一次能源供应量的2.7%。如果将上述所列7种农作物全部用于生物燃料的生产,每年的合计产量为6.8亿toe,仅相当于2007年全球原油产量的17%,或全球一次能源供应量的5.8%。人类所生产的粮油首先应该满足食用的需要,真正可供人类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,研发不需要消耗粮油的纤维素乙醇等新一代生物燃料技术是生物质能未来发展方向。

  4.3生物质能资源开发潜力预测

  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质能的生产,人类能够开发利用的只是其中很小一部分。根据有关学者的研究,到2050年全球生物质能资源潜力为10~262亿toe,平均60~119亿toe,相当于生物质每年产生量的10%~20%(表6)。理论上,如果把生物质能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,可被开发利用的生物质能资源可能连表6中所列数字的下限值都达不到。

  5结语

  生物质能资源的开发与粮食、环境、水资源、农业和农村等问题密切相关,如果规划、管理或政策不到位,可能带来许多潜在不利影响。近年来,全球生物燃料产业发展迅猛,造成粮食的需求量大幅度增加,2007年所消耗的粮食达1亿t以上,2008年又增长到1.2亿t,占全球粮食总产量的6%左右。由于粮食增产潜力非常有限,预计生物燃料用粮占粮食总产量的比重将持续增加,全球粮食安全问题日益严峻。此外,发展生物质能必然会改变土地用途,有可能会引发土地碳释放量的增加。对生物质能资源合理的开发有利于生态环境的保护,而无节度的开发却可能会造成森林和农业生态系统的单一化,从而导致生态系统因物种组成和结构发生改变而使调节能力下降,甚至最终彻底破坏整个生态系统。

  生物质能与太阳能、风能等其他类型的可再生能源有着本质的不同,必须消耗有限的生物质原料,从而不可避免地受到粮食问题、环境问题等多方面的制约,发展生物质能需要进行缜密的战略规划。笔者认为,开发生物质能资源要以改善生态环境为前提,坚持“不与人争粮、不与粮争地”的原则,立即叫停粮食乙醇,限制糖类乙醇,鼓励发展不消耗粮食的纤维素乙醇,进一步完善生物质能发展规划和路线图。

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