生物能源科技論文
在全球能源危機不斷加劇的情況下,生物能源作為一種理想的可 再生能源,越來越受到世界各國的關注。下面是小編整理的，希望你能從中得到感悟!
篇一
生物能源開啟新能源時代之門
傳統的加工工業是以化石資源為原料和能源進行的，面對化石資源日益枯竭的窘境，世界正孕育著一場用生物可再生資源代替化石資源的資源戰略大轉移。一個全球性的產業革命正在朝著以碳水化合物為基礎的經濟發展，這是可持續發展的一個重要趨勢。目前正在開發的燃料乙醇、多聚乳酸、多聚氨基酸、多羥基烷酸以及各種功能寡糖等可視為這個碳水化合物經濟時代來臨的前奏。生物工程被譽為本世紀最富價值的產業，國際公認其市場規模是網路經濟的10倍。凝聚著人類高度智慧的生物技術將會給我們這個時代以怎樣的驚喜?當時光走過2005年的時候，人們依稀看到了答案。
油價瘋漲的2005
回望剛剛過去的2005年，最受人關注、給人印象最深的當屬油價的高漲。2005年8月31日這一天，紐約期貨交易所西得克薩斯輕質原油期貨價格創出了每桶70.85美元的歷史紀錄，而且自10月份以來一直在57美元至63美元的區間波動。這次國際油價漲幅之高、高位震盪的時間持續之長，為上個世紀70年代兩次石油危機以來所罕見。
我國面臨的形勢更為嚴峻。中國是石油資源相對貧乏的國家，專家測算，石油穩定供給不會超過20年。我國自1993年起，即成為石油淨進口國。過去的10年中，我國石油需求量幾乎翻了一倍。2004年進口原油1.2億噸，比上年增長34.8%，佔國家石油總供給量40%以上。有關專家預計，近期我國石油進口依存度將會超過50%。到2010年，我國石油消費總量將達4億噸，而國內生產能力僅為1.6億噸。另外，大量進口的不僅是石油，由石油派生的石化產品不少也依賴進口，如各種聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀的消費量每年約1700萬噸，其中約50%國內生產，20%回收利用，30%依靠進口。石油化纖聚酯年需求量1100萬噸，50%原料PTA、乙二醇依靠進口。
據權威人士分析，2006年油價仍然難以回落。美國麥克唐納投資公司首席分析師克魯津斯基認為，由於需求強勁，煉油能力有限，2006年國際油價仍將居高不下。路透社財經新聞對美、日及歐洲的31家投資分析機構進行了一項調查，幾乎所有能源分析機構都預測2006年原油價格仍會在高位執行。
蓋茨投資生物能源
集中國科學院院士、中國工程院院士、第三世界科學院院士於一身的石元春，親自撰寫文章，普及生物質產業的科學知識，呼籲：“三農”問題是全黨工作的重中之重，石油短缺已威脅到國家經濟與國防安全，環境的壓力越來越大，是該採取重大戰略行動和創造奇蹟的時候了。他說，新中國成立之初，為了打破橡膠封鎖，國家組織農林科技工作者衝破了北緯10度的地理極限，將橡膠樹種到了北緯18度至24度;為了打破核訛詐，在經濟和技術條件還極其薄弱的情況下，創造了“兩彈一星”的奇蹟。當前，在石油價格猛漲、能源頻頻告急的時候，發展生物能源替代傳統能源，不僅完全可能，而且也是現實的迫切需求。
而在大洋彼岸的美國，比爾·蓋茨也以他的實際行動，投了生物能源一張信任票。據《每日經濟新聞》報道，比爾·蓋茨通過他旗下的投資公司向以玉米生產乙醇的Pa-cific Ethanol公司砸下8400萬美元***約合人民幣6.8億元***，買入該公司525萬優先股。Pacific Ethanol公司計劃於今年3月份上市。蓋茨此舉充分表明了他對生物乙醇燃油發展前景的看好。Pacific Ethanol公司總裁表示：“蓋茨的這筆投資反映出以玉米生產生物燃油乙醇，將是替代石油的可行選擇，只要油價維持在每桶50美元以上，乙醇行業就一定有潛力。”
比爾·蓋茨心動生物能源是有理由的。2005年美國總統簽署實施的新能源法案中提出，到2012年，燃料乙醇的產量要達到75億加侖，產量比現在翻一番。在中國，近日國家發展與改革委員會有官員表示，“十一五”期間乙醇汽油推廣利用空間廣闊，依靠現有的基礎和條件，產量可以再翻一番。
迴歸生物能源時代
在中學課本里，我們就被告知，今天人們所用的石油、煤炭等，都是由樹木、植物等腐化變成的，完成由生物體到化石能源這一過程，大自然用了上億年的時間。
其實，在工業文明時代之前，人類賴以生存發展的能源就是生物能源。生物能源***又稱綠色能源***是指從生物質得到的能源，它是人類最早利用的能源。古人鑽木取火、伐薪燒炭，實際上就是在使用生物能源。但是通過生物質直接燃燒獲得能量是低效而不經濟的。隨著工業革命的程序，化石能源的大規模使用，使生物能源逐步被以煤和石油天然氣為代表的化石能源所替代。但是，化石能源的使用不是無限的。大自然經過上億年的漫長曆程積累下來的化石能源，在200年的工業文明的強力挖掘下，很快將面臨著枯竭。人類的文明進步和社會生產力的發展使得人類對能源的需求越來越大，而嚴峻的能源形勢日益成為全世界關注的焦點。經科學測算，地球上億萬年積累的化石能源***石油、天然氣、煤等***，僅能支撐300年的大規模開採。人們終於認識到，利用現代科技發展生物能源，是解決未來能源問題的一條重要出路。
讓農產品和能源搭橋
前不久，豐田公司用白薯澱粉基塑料製成了汽車配件;富士通公司用玉米澱粉基塑料替代了計算機的塑料外殼;杜邦公司用玉米生產P
OD的成本比化學法降低了25%。卡傑爾—道氏公司用玉米澱粉發酵生產了聚乳酸***PLA***和其他多種聚合物塑料後，美國生物工程技術協會宣稱：“我們開始看到以玉米澱粉為原料的PLA生物材料在製造業的所有部門中得到應用，這可能會徹底改造舊經濟。用轉基因作物和家畜改變了農業，現在它正在改造工業。”英荷皇家殼牌石油公司估計，21世紀的前50年，生物質將提供世界化學品和燃料的30%，世界市場份額達到1500億美元;英國石油公司、美國國際石油公司等也都開始了對生物質能源產品投資。化工巨人巴斯福公司2003年宣佈，將以可再生的生物質資源作為化學品生產的主要原料;杜邦公司剝離石油資產，購買了生物技術公司和組織農業綜合企業，將2010年銷售額的25%定位於生物質產品;美國的森林工業已開始與電力、石油、化工公司合作，利用林木廢棄物生產能源及化工產品。
在農業大省安徽省，我國精細化工行業的排頭兵企業——豐原集團，不僅用玉米生產出了燃料乙醇，而且生產出了有“石化之母”之稱的乙烯及環氧乙烷等衍生品，並獲得了巨大利潤。專家認為，目前生物能源的主要形式有沼氣、生物制氫、生物柴油和燃料乙醇。燃料乙醇是目前世界上生產規模最大的生物能源。我國的燃料乙醇生產已形成規模，主要是以玉米為原料，同時正
在積極開發甜高梁、薯類、桔稈等其他原料生產乙醇，目前產量居世界第三。除此之外，通過工業手段，將燃料乙醇脫水，還可以得到乙烯。乙烯又被稱為“石化之母”，人們日常生活中離不開的化工產品如塑料、布料等大都是通過石油得來的。通過玉米、薯類、桔稈等原料生產出乙烯，乙烯又生產出一系列的化工產品，這樣，農產品由生產出燃料乙醇和乙烯開始，就與化石能源搭上了橋，只不過兩者走的路徑不同：傳統的石油化工行業走的是從原油開始，到交通用汽油柴油，至乙烯再到塑料等化工產品，而生物能源是從農作物出發，通過現代生物技術手段，得到燃料乙醇、乙烯，再到化工產品，二者殊途同歸。
土地裡種出能源
我國是發展中的農業大國，農產品總量居世界首位，年總產量佔全球總量的24.5%。然而，我國農產品加工的技術能力卻遠遠落後於世界先進水平。發達國家農產品深加工一般都在70%以上，有的達到90%，而我國僅在30%左右，多數產品為初級粗加工，造成資源的嚴重浪費。
作為農產品加工業的龍頭企業，豐原集團為改變這一現狀進行了不懈地探索。他們堅持“吃幹榨盡”的原則，在農產品加工過程中不斷延長產業鏈，將上游產業的廢物變成下游產業的原料，提高資源迴圈利用率。豐原人把農產品加工分成3個階段：第一階段，把農產品***主要指玉米、紅薯、木薯等非食用性塊根類農作物***粗加工轉化為米、面、油、糖，提供滿足人們日常溫飽的生活必需品。第二階段，利用生物發酵和現代化工分離技術，把農產品轉化為有機酸、氨基酸等。而第三階段，是將農產品加工向能源、生物新材料等方面發展，用可再生的生物質資源轉化為工業資源，部分取代不可再生的石油化工產品，緩解能源緊缺局面，維護生態平衡。根據這些理念，豐原集團利用玉米、紅薯、木薯、菊芋、甘蔗、甜高粱等非食用性農作物，分步實施每年數百萬噸的深加工專案。這些專案，涉及有機酸、氨基酸、酒精、油脂、食品、醫藥、生物乙烯、L—乳酸等十幾個門類、上百個品種。豐原的開拓創新得到了國家的支援，國家發改委批准豐原集團32萬噸/年燃料酒精專案，為國家新型能源試點示範工程，2003年開工建設，2004年年底順利投產。
10多年來，豐原集團堅持探索迴圈經濟的創新之路，企業規模不斷擴大，資產總額已超過100億元;產業鏈不斷延伸，產品涉及十幾個門類、上百個品種;自主專利技術和掌握的世界領先的提取分離技術，已拓展到L—乳酸、聚乳酸、味精、賴氨酸、燃料酒精、生物乙烯等眾多生產領域，成為引領我國農產品加工行業的生化航母。有人稱，這是迴圈經濟中的“豐原模式”。豐原集團董事長李榮傑描繪了這樣的美景：如果我國農產品精深加工率提高10%，可增收上千億元，替代石油進口2000萬噸。
科技部有關專家認為，在生物質轉化替代石油方面，我國企業掌握關鍵技術並達到國際一流水平;在秸稈發酵利用***水解木質纖維素***等關鍵技術方面，已具有國際領先水平。利用我國企業自主技術形成石油替代產業，是最為現實的選擇。目前，我國乙醇生產以澱粉質原料***如玉米、木薯、紅薯***為主，近年來受國內外各種因素的影響，原料價格不斷上漲，使得乙醇生產總成本中原料消耗所佔成本高達70%以上。
目前，世界上許多國家都在開展秸稈原料生產燃料乙醇的研究工作。美國、加拿大的中試裝置也已投入了執行，但與豐原的技術路線有所不同。豐原集團作為國內農產品深加工企業，與豐原發酵技術國家工程研究中心一起創造性地提出了秸稈原料生產乙醇先分離後發酵的工藝路線。目前，實驗已取得階段性成果，結果顯示，利用桔稈轉化燃料乙醇的成本應在4000—4300元/噸，比玉米生產乙醇的成本低300-500元/噸。秸稈按300-400元/噸計算，農民每畝地可多獲利不低於300元。我國秸稈資源十分豐富，資源總量不低於10億噸幹物質/年，相當於3億多噸石油當量，略大於我國目前石油消耗總量。由於收穫季節農作
物秸稈產量很大，儲存困難，來不及利用，許多地區就地焚燒秸稈，不僅浪費能源，而且還導致嚴重的 環境汙染。據測算，全世界桔杆或木質纖維類生物質能約相當於640億噸石油，而且真正是“綠色”、“取之不盡，用之不竭”，是目前世
界上唯一可預測的為人類持續提供能源的資源。
據專家測算，如果我國每年能利用全國50%的作物秸稈、40%的畜禽糞便、30%的林業廢棄物，以及開發5%的邊際土地種植能源作物，並建設約1000個生物質轉化工廠，那麼其產出的能源就相當於年產5000萬噸石油，約為一個大慶油田的年產量。而我國農民也可因此新增收入400億元和一千多萬個就業崗位。
篇二
關於發展生物能源化解能源危機的思考
摘 要:在全球能源危機不斷加劇的情況下,生物能源作為一種理想的可 再生能源,越來越受到世界各國的關注。通過對自然界不同的演化態下能量守恆定律表現形 式的分析,提出生物演化狀態下生物能量守恆遵循動態能量迴圈守恆,認為能源危機的實質 是在地表狀態下能量迴圈非平衡態。根據生物能源兼具能源與生物的二重性特點,對發展生 物能源化解能源危機進行了多角度深入的思考,在此基礎上,對如何有效解決生物能源的高效 轉化和產業化問題提出了新的理念和相應的對策建議。
在全球能源危機和油價不斷上漲的大背景下,各國尋找新能源的腳步也前所未有地加快。在 種類繁多的新能源中,來源廣泛、應用方便、汙染小的生物能源作為一種理想的可再生能源 ,越來越受到世界各國的關注。據有關專家估計,到本世紀中葉,採用新技術生產的生物質能 替代現有燃料的替代率將佔全球總能耗的40%以上。在我國,生物質能也是僅次於煤炭的第二 大 能源,佔全部能源消耗總量的20%。本文將通過對不同的演化態下能量守恆定律表現形式和 生物能源二重性探析,特別是通過對發展生物能源對化解能源危機的探討,多角度對發展生 物能源進行深入思考。
一、 不同的演化態下能量守恆定律表現形式
當今經濟的飛躍發展引起能源消耗的驚人增長,能源危機籠罩著全球,但對能源危機實質的認 識人們卻不盡一致。能量守恆和轉化定律告訴我們:能量既不會消滅,也不會創生,它只能從 一種形式轉化為其他形式,或者從一個物體轉移到另一個物體,在轉化和轉移過程中能量的總 量保持不變。既然能量守恆和轉化定律告訴我們能量既不會增加,也不會減少,那麼為什麼還 會發生能源危機呢? 為了回答這個問題,必須探討能量守恆定律在宇宙各演化階段的各種表 現,進而揭示能源危機實質。
自然界演化大致可分為宇宙的演化、恆星的演化、地球的演化、生物的演化四類[1] ,在不同的演化態下,能量守恆定律有不同表現形式。①宇宙大爆炸階段。宇宙大爆炸學說 認為,宇宙起源於200億年前一個極高溫極高密度的“原始火球”的大爆炸[2]。從 大爆炸到基本粒子的形成,能量主要是以粒子輻射形式存在,這時的能量守恆定律主要表現為 粒能守恆定律。②恆星演化階段。恆星演化狀態主要是氫核聚變為氦核及各種重元素的原子 核聚變過程。根據愛因斯坦相對論,當光的速度為每秒3×10?9米時,質量和能量實現了互換 ,即?E=MC?2,其中E為能量,M為質量,C?為光速。這一公式表明少量的質量能轉換為十分巨 大的能量,它揭示了核能來源的物理基礎,因此恆星演化狀態下的能量守恆定律主要表現為質 能守恆定律。③地球演化階段。地球演化主要包括地圈、大氣圈和水圈的形成。在地球演化 的物理變化中有機械能、熱能、電能、光能等能量的相互轉化和守恆,在地球演化的化學變 化中有質量守恆,因此在這一階段能量守恆定律主要表現為封閉狀態下能量守恆和質量守恆 。④生物演化階段。生命起源於化學演化,在生物演化狀態下,由大氣圈、水圈和岩石圈組成 的生物圈是地球表面上生物生存和活動的範圍。生物圈內的能量主要來源於太陽能,有機物 與無機物利用太陽能實現物質和能量互換。從太陽能的吸收到生物體活動能量的耗散,生物 圈內各種演化都是能量迴圈的表現。由於地球的運動變化導致生物圈內的能、力、熱等能量 不同表現形式始終處於動態中,從整體觀演化的角度來說,進入生物圈中的能量應該與生物利 用後散失的能量大體相等。因此生物演化態下能量守恆主要表現為總體意義上的動態能量循 環守恆。
二、 能源危機實質探析
能源危機是指由於能源短缺導致能源供應緊張, 能源價格不斷上漲而形成的危機。 據國際 權 威機構估計, 世界已探明的可採石油, 大約只可供應人類41年的需要, 天然氣為60～70年,煤炭約200年, 人類正面臨能源危機對能源安全的威脅。
能量守恆定律告訴我們能量既不能被創造又不能被消滅,可以從一種形式轉化為另一種形式 [3]。 在生物演化狀態下,為進一步認識能量守恆定律,需要了解“熵”。 熵是體 系混亂的程度的量度,在封閉系統中從一個平衡態經絕熱過程到達另一個平衡狀態,如果過程 是可逆的,則熵值不變; 如果過程是不可逆的,則熵值增加,這就是“熵”增原理[4] 。有“序”是開放系統從環境裡吸取了“負熵”或是減少“正熵”的結果。 作為地下的石 油、煤等能量形式的資源, 如任其自然燃燒, 將全部被耗散在無規則的分子熱運動過程中,使 環境的熵增加很多。 就太陽輻射能而言,如果地表沒有任何生物體,太陽能流***普遍理解為一 種負熵流***幾乎全部轉化為紊亂無序的分子熱運動,更會使地面的熵增加很多。 熵的增加是 能量減少的量度。 比如我們燃燒一塊煤,它的能量雖然並沒有消失,但卻經過轉化隨著二氧 化碳和其他氣體一起散發到空間去了,發生了熵增過程,再也不能把同一塊煤重新燒一次來做 同樣的功了。 如果只考慮能量守恆定律的普遍性,那地球上的能源就萬世不竭了。 然而能 量守恆定律在不同的演化狀態下有不同的表現形式:在宇宙的演化狀態下,能量守恆定律主要 表現為粒能守恆定律,在這種狀態下能否保持能量總量守恆依賴於能量轉化為粒子和粒子轉 化為能量的成功,否則會發生能源危機。 在恆星的演化狀態下能量守恆定律主要表現為質能 守恆定律,在這種狀態下能否保持能量總量守恆依賴於能量轉化為質量和質量轉化為能量的 成功,否則會發生能源危機。 在地球的演化狀態下能量守恆定律主要表現為封閉狀態下能量 守恆定律和質量守恆定律, 在這種狀態下能否保持能量總量守恆依賴於封閉狀態下能量轉化 和質量轉化的成功, 否則會發生能源危機。 在生物的演化狀態下的能量守恆定律主要表現 為 動態能量迴圈守恆定律, 在這種狀態下能否保持能量總量守恆依賴於動態能量迴圈的平衡, 否則會發生能源危機。
現在人類居住和活動的地球表層狀態主要是生物演化狀態,在生物演化狀態下,能量守恆定 律告訴我們:每當能量從一種狀態轉化到另一狀態時,會損失能在將來用做某種功的一定“ 有效的”能量。這就是熵的增加。熵的增加即表明系統處於從非平衡態到平衡態的自發的、 不可逆的演化過程中,用於做功的“有效的”能量做功後導致能量耗散,這必然會導致該演化 狀態能量總量的減少。為了逆轉這個過程,需要一個熵減過程[5],即一種形態的能 源消耗以後,通過一定過程重新獲得原有能源形態的存在形態,也就是使能量具有類似生物一 樣恢復自身形態的能力,也就是發現一種能為人類持續提供能量的某種形式的物質資源。如 果能夠發現和利用這種物質資源,在地球表層狀態下實現動態能量迴圈的平衡,則能量守恆和 轉化定律的實現就有了現實條件,能源危機就不會發生;如果不能夠發現和利用這種物質資源 ,在地球表層狀態下就不會實現動態能量迴圈的平衡,則能量守恆和轉化定律的實現就缺乏現 實條件,能源危機就必然會發生。這就是當前能源危機的實質。
三、 生物能源二重性及對能源危機的化解
生物能源是蘊藏在生物質中的能量,是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用能轉化 為化學能後固定和貯藏在生物體內的能量,包括生物質能、液體燃料及利用生物質生產的能 源,如燃料乙醇、生物柴油、生物質汽化及液體燃料、生物制氫等[6]。生物能源之 所以被認為是21世紀最有希望在解決能源危機方面有所作為的能源,是因為生物能源具有能 源性和生物性的二重性特點,它既可以轉化為人們所常用的能源,同時又可以持續不斷地供應 ,能夠滿足動態能量迴圈守恆定律,保持能量守恆,化解能源危機。
1. 生物能源的能源性特點
目前人類使用的能源絕大部分來自含碳能源,包括煤炭、石油、天然氣。其他可再生的一次 效能源,包括水能、風能、太陽能、地熱能、潮汐能都不含碳。生物能源是唯一的一種含碳 可 再生能源。生物能源的這種特點稱之為能源性特點,這種特點使它可以像其他能源一樣可以 消耗和轉化,除了轉化為電力外,還可生成油料、醇類、燃氣或固體燃料,特別是它可以在 不必對已有的工業技術作任何改進的前提下即可以替代常規能源,因而能夠滿足動態能量循 環守恆定律的條件,這使得生物能源在解決能源危機方面能夠發揮重要作用。當前生物能源 可以轉化為以下能源:
***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動物油脂、餐飲垃圾 油等為原料油通過酯交換工藝製成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。當今工業化生產生 物柴油有兩種方法,一是用甲醇取代甘三酯的甘油基,生成脂肪酸甲酯和甘油;二是用甲醇與 脂肪酸反應生成脂肪酸甲酯和水。由於柴油在目前的能源結構中佔有重要地位,生物能源成 功轉化成生物柴油,進而實現了和各類常規能源的相互轉化,保證了對能源危機的化解的技術 上的可能性。
***2*** 燃料乙醇
燃料乙醇是指以玉米、小麥、薯類、高粱、甘蔗、甜菜等糧食作物和非糧食作物為原料,經 過發酵、蒸餾製得乙醇,脫水後再新增變性劑,成為專門用於燃料的乙醇。燃料乙醇使用有兩 種方法。其一是以乙醇為汽油的“含氧新增劑”***oxygenate additive***,通常這種無鉛汽油 約含10%的乙醇。另一種方法是使用乙醇代替汽油,這方面的工藝也十分成熟。
從技術路線看,燃料乙醇的生產技術大致分為兩類:六糖路線和五糖路線。六糖路線原料主要 為 經濟農作物,分澱粉類作物和糖類作物;五糖路線原料為秸稈等纖維素,經降解和發酵產生 木糖,進而生產乙醇。國際上成熟的乙醇路線是六糖路線,但存在較為嚴重的原料供應瓶頸。 纖維素***五糖***路線是燃料乙醇 發展的最終路線,但目前缺乏高效五糖轉化菌種以及纖維素酶 高效生產工程化技術。由於纖維素是植物的木質部分,是地球數量最大的植物積累的產物,植 物從太陽獲取的絕大部分能量也都儲存於其中。所以人類一旦掌握了釋放出儲存在纖維素中 能量的技術,能源危機便可得到很大緩解。
由於汽油在目前的能源結構中佔有極重要地位,生物能源成功轉化成燃料乙醇,進而實現了和 各類常規能源的相互轉化,同樣保證了對能源危機的化解的技術上的可能性。
***3*** 成型燃料
轉化成型燃料是把樹皮、木屑和秸杆等生物質顆粒燃料,在加熱、高壓的條件下壓縮形成的 顆粒狀成型物。該成型燃料具有著火易、熱效高以及燃燒時幾乎不產生二氧化硫等優點。經 過多年的發展,目前生物質顆粒燃料在發達國家已被大量生產和利用。目前國內部分高校和 科研機構已著手開展生物質顆粒成型技術的研究,已經可以生產從秸稈粉碎加工到壓縮成型 等各個環節的系列產品,生物煤目前也已經有了一定範圍的 應用。
由於燃料在目前的能源結構中佔有重要地位,生物能源成功轉化成成型燃料,同樣保證了對 能源危機的化解的技術上的可能性。
***4*** 生物制氫
氫氣是最清潔的能源,但電解水制氫能耗仍然很高。氫氣可以利用生物質通過微生物發酵而 獲得,這一過程被稱為生物制氫。目前我國科學家已獲得了能高效產氫的微生物,可以小規模 地進行生物制氫。
由於氫能在未來能源結構中佔有極重要地位,生物能源成功轉化成氫能,同樣保證了對能源危 機的化解的技術上的可能性。
2. 生物能源的生物性特點
綠色植物通過光合作用從太陽能中吸取負熵流,維持其生命。生物能源的生物性主要表現在 生物能源轉化的過程是通過綠色植物的光合作用將二氧化碳和水合成生物質,使太陽負熵流 中有一部分被固定在植物體內,有一部分消耗在維持生命系統有序的過程中。這種增長的秩 序與造成混亂兩者在數值上相互抵消後,其能量實現了平衡。生物能源的生物性具體體現在 以下方面:
***1*** 可再生***renewable***
生物能源由於通過植物的光合作用可以再生,和太陽能等同屬可再生能源,資源豐富,可保證 能源的永續利用。只要有太陽,綠色植物的光合作用就不會停止,生物質能就不會枯竭。生物 能源可再生特點,使得熵減過程得以實現,能夠保持能量守恆,化解能源危機。
***2*** 巨大的儲存量***abundant***
生物能源的巨大的儲存量表現在由於地球上生物數量巨大,這些物質所蘊藏的能量相當驚人 。據專家估計,全球每年產生的生物質能的儲量為1?800億噸,其總量換算成能量接近世界 能源年消耗量的10倍。生物能源還存在於世界上所有國家和地區,而且廉價、易取,其生產 簡單,可以被充分利用。生物能源的巨大的儲存量,使得熵減過程能夠以產業化形式得以大 規模實現,從而化解能源危機。
***3*** 可儲存性與替代性***storable and substitutive***
生物能源的可儲存性是指由於生物能源是有機資源,所以對於原料本身或其液體或氣體燃料 產品可以進行儲存。生物能源的可替代性是指生物質能的載體是以實物的形式存在的,是一 種可儲存和可運輸且不受天氣和自然條件的限制的能源。生物能源的可儲存性與替代性的特 點,使得熵減過程能夠以產業群和產業鏈的形式得以大規模實現,化解能源危機。
***4*** 碳平衡性***carbon neutral***
生物能源的碳平衡性表現在全球的碳收支中,生物能源燃料釋放出來的CO?2可以在再生時重 新固定和吸收,可有效地減輕溫室效應,不會破壞地球的CO?2平衡。同時生物質的硫含量、 氮含量低,因而汙染低。生物能源碳平衡性的特點,使得熵減過程以清潔產業形式得以實現 ,減少 環境汙染,化解能源危機。
總之,生物能源的生物性就是具有和生物相同的熵減性,能夠複製和再生,因而能夠滿足動態 能量迴圈守恆定律的熵減條件,保持能量守恆,能夠在解決能源危機方面發揮重要作用。
四、 發展生物能源化解能源危機的對策
1. 利用生物能源能源性特點化解能源
危機的對策
為了利用生物能源能源性實現對能源危機的化解,提高生物能源的開發利用水平是必須解決 的問題。為此應該採取以下措施:
***1*** 明確生物能源技術開發目標
生物質基本上都是能量密度很低的固體物料,難以實現加工處理過程自動化、連續生產;生 物質轉化過程還容易產生廢水、廢渣、廢氣,容易對周邊環境造成嚴重的汙染;生物質轉化 過程能耗高,就有可能使轉化過程消耗的能量比從生物燃料中得到的能量還高,造成得不償 失。有鑑於此,生物質轉化技術開發應把形成自動化程度高、能耗低、三廢排放少,且廢水 、廢渣都能得到充分利用的技術作為基本目標。
***2*** 加快突破生物能源能量轉化技術瓶頸
目前我國技術相對成熟的生物能源產業專案,如用糧食生產燃料乙醇和生物柴油有明顯的能 量轉化瓶頸,技術水平和國際先進水平相比也還存在很大差距。如用玉米制乙醇,我國目前 的能耗水平達生產1噸乙醇需1?5噸標準煤[7],其淨能量平衡是負值,而美國用玉米 生 產乙醇獲得的能量比輸入的能量要多25%以上[8]。為此要加快突破生物能源能量轉 化的技術瓶頸,為生物能源產業化提供成熟可靠的技術支撐。
***3*** 重視生物反應和化學反應的有機組合
生物能源在研發過程中制約因素多
,過程複雜,而且能耗高。因此在生物能源技術開發過程 中要重視生物反應和化學反應的有機組合和靈活應用,根據能源作物低能量密度的特點,應 提高能源作物固體物質能量的收集、加工處理自動化連續操作水平,重視機電儀一體化的裝 備技術開發。
***4*** 重視生物能源作物品種的改良和新品種培育
目前,在我國燃料乙醇的生產均以糖類或糧食為原料,其產量受到糧食資源的限制,難以長 期滿足能源需求。從長遠考慮必須進行科技創新,擴大原料來源。改良自然界已有生物能源 作物,提高產量和可利用生物質含量[9]。纖維素的利用是世界難題,也是當前高技 術領 域競爭的焦點,我國應把它作為戰略高技術進行重點佈局,系統研究纖維素預處理技術、酶解 技術、發酵技術和分離技術,以及汽化、液化技術,開發系列生物能源產品,力爭在此領域 進入國際先進行列。
2. 利用生物能源生物性特點化解能源危機的對策
由於生物能源具有生物性特點,目前,國際上對生物能源開發利用十分重視,一些土地資源 豐富、作物生長條件優越的國家,更把生物能源作為替代能源的重要發展方向。為了充分利 用生物能源生物性特點化解能源危機,儘快使其產業化,須採取以下一些對策:
***1*** 建立科學合理的生物能源產業開發模式
生物質一般只能季節性生產,時間、空間分佈很不均勻,儲藏過程中極易腐爛變質,能量密度 低,生物質的上述特性,決定了通用的經濟規模的概念不適合生物能源工廠。生物質工業轉 化工廠規模,必須根據包括原料和產品運輸成本在內的綜合成本優化的結果確定。
為了解決這個問題,需要從我國的實際出發,通過各級政府引導,建立資源開發的中介組織 ,採用“適度規模,就近轉化,統籌規劃,模組建設,分散生產,集中營銷”的發展模式, 切忌不顧該產業發展目前的制約條件,盲目投資。
***2*** 制定發展生物能源產業的財政稅收政策
發展生物能源產業有良好的環境和社會效益,但在生物能源產業起步階段,很難為產業鏈中 各個環節帶來很好的經濟效益。而只有當培育、種植生物能源作物能為農民增收時農民才有 積極性;只有從事轉化加工的企業能有較好的投資回報,企業才有積極性,因此發展生物能 源要成為政府推動政策支援下的農戶和企業行為。美國1979年建立聯邦政府的“乙醇燃料發 展計劃”,就對燃料乙醇生產企業進行補貼,補貼額為54美分/加侖,摺合人民幣1?495元/噸 。我國從2000年起步的乙醇汽油發展計劃得到順利實施,國家制定的對燃料乙醇生產企業進 行財政補貼的政策也發揮了極為重要的作用。借鑑國內外的成功經驗,今後要繼續完善推動 和支援這一產業發展的財政稅收政策。
***3*** 在發展生物能源過程中注意避免糧食危機
據世界銀行統計,美國每年為製造生物燃料消耗糧食1億噸,其消耗的糧食足以滿足大概5億 發展中國家人口的糧食需求。由於生物能源和糧食作物具有相同的來源和用途,因此發展生 物能源過程中可能產生糧食短缺問題。
目前美國提出加速生物燃料轉化的政策,不依賴於糧食作物生產乙醇,以此來應對糧食安全 問題。我國有大量的不宜種農作物的土地,可以作為能源等專用植物種植的土地約有1億公 頃,所獲得的農作物每年至少可產乙醇和生物柴油1億噸左右,完全可以做到不與糧爭地 。為此在發展生物能源過程中應注意避免糧食危機,儘量不依賴於糧食作物生產乙醇等生物 能源。
***4*** 在發展生物能源過程中注意保護生物多樣性
目前來看,生物能源開發主要集中在以植物油為原料的生物柴油和以糖類、澱粉、纖維素為 原料的燃料乙醇等方面,由於生物能源具有生物競爭性,這可能影響其他生物的發展,破壞 生物多樣性。而生物多樣性的破壞可能會使人們過去在降低溫室效應上的努力成果付諸東流 。對於我國來說,為解決這類問題,既需要中國自身在環保、節能、開發和利用生物能源上 多下功夫,也需要與其他國家合作,以吸取有益的經驗。
五、 對開發生物能源的肯定和疑問
雖然生物能源是解決燃料需求問題的一個希望,但也有不同甚至反對發展生物能源的聲音。 一種 觀點認為作為目前應用最廣的生物柴油和乙醇燃料儘管比化石燃料更加優越,但不可能滿足 社會的能源需求,生物燃料的能量轉換效率和經濟性還存在疑問,因而稱現有生物燃料無法 代替化石燃料。另一種觀點認為用玉米、大豆等糧食作物製造生物燃料會引發糧食危機。生 物能源發展在一些國家的迅速升溫,引起了不少國家和地區的憂慮,特別是在發展中國家,利 用生物資源開發生物能源是否引發糧食危機問題成為焦點。聯合國糧農組織總幹事雅克•迪 烏夫反對以農作物為原料生產生物燃料,認為這是造成全球糧食短缺、糧價高漲的主要原因 之一。他批評發達國家支援生物燃料產業的政策,稱這“等同於挪用了供人類消費的1億噸 穀物,其中大部分被用於為機動車解渴”[10]。國際研究機構研究表明,利用糧食發 展生物 能源,發達國家的農業政策特徵表現為以損害消費者的利益對農業生產者給予補貼;而發展中 國家的農業政策特徵則表現為以損害農業生產者的利益壓低農產品的價格。中國對發 展生物能源的主張是積極的。以中國科學院、中國工程院院士石元春為代表的一批專家主張 大力發展生物質能源,認為發展生物質能源產業能緩解中國的“三農”、環保及能源問題。 另外,中國雖人多地少,但荒地面積約2?12億公頃,若開發種植適宜的能源植物,每種植開 發1?000萬公頃能源植物,相當於增加4?500萬噸石油***一個大慶油田***的年生產能力,潛
力 巨大。
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