科幻片中能源在现实中的应用

所谓生物质能是指从生物质转化产生的能。常用的生物质包括植物——农作物、薪材、草、木、人畜粪便、工农业有机废物、有机废水等。这些生物质能都直接或间接地（经过人和动物的消化或工农业加工）来源于绿色植物，来源于太阳能，因此，它又称“绿色能源”，实质上它是物化的太阳能。据计算，每年全球靠光合作用可产生生物质能1200亿吨，其所含能量是当前全球能耗总量的5倍。

由于生物质能的数量巨大，同时转化过程中很少或不产生污染物，世界各国都正在开发深度利用高效生物能的转换技术，使生物质成为具有广泛用途的热能、电能和动力用燃料，转化技术有下面两种：

通过液化将生物质转化为酒精。燃烧1千克酒精，可以放出29726千焦的热量，比普通煤的发热量高。而且酒精是液体能源，便于使用、贮存、运输。普通汽油发电机稍加改装，就可以用纯酒精作燃料。如果用汽油和酒精的混合物来开汽车，汽车发电机甚至不需改装就可以使用。1升酒精可以驱动汽车在公路上行使16千米。

酒精是用淀粉、糖等有机物经过微生物发酵作用生产出来的。含有淀粉和糖的生物质很多，包括甘蔗、甜菜、玉米、高粱、木薯、马铃薯以及水草、藻类等，它们都可以是生产酒精的原料。

巴西在这方面获得了巨大的成就，早在1975年，巴西就制定了“酒精计划”，逐步用酒精或酒精和汽油的混合物部分替代了石油，解决了交通用能供应的问题，目前巴西有90％的小汽车用酒精做燃料。美国目前有30％的汽油掺有酒精，酒精的掺入量约为10％左右。

通过发酵过程制作以甲烷为主的沼气。我国每年作为农家燃料烧掉的柴草合标准煤2亿吨，占全国总能耗的15％。但能量的利用效率比较低。

利用人畜粪便和秸秆为主要原料发展沼气池，既解决了家用燃料问题，又保持了农田肥力，减少化肥对水的污染。1990年，我国就有400多万户使用小沼气池，年产沼气10多亿立方米，沼气电站装机2000多千瓦，我国目前是户用沼气池最多的国家。

目前，我国很多的大型城市污水处理厂，利用处理厂中的固体废物进行沼气发酵，产生的沼气用来发电。在英国的5000多个污水处理厂中，有1／3是用通过发酵所产生的沼气作为动力的。法国在南部利摩日地区建造了两座垃圾发酵处理站，每年处理垃圾8.45万吨，每小时生产沼气800立方米，这些沼气已供一些工厂和煤气公司使用。

如过去的10多年中，美国已建成生物发电的容量达400多万千瓦，主要是采用木材及木制品工业废料气化后的气体燃料发电。国外结合治理城市环境污染，开始进行垃圾发电，技术已经成熟。仅日本就运行约100座垃圾电站，并计划把垃圾电站的装机容量发展到400万千瓦。因此，利用生物质能发电是当今新能源发电的新趋势之一。

我国是一个农业国，物质能资源非常丰富，年资源量是薪材3000万吨，秸秆4.5亿吨，稻壳0.15亿吨，另外还产生大量的城市排放的生活污水、垃圾、工业废水等。

利用生物质能发电在我国目前还是小规模、小范围的利用，稻壳转化发电容量只有5000瓦，沼气发电装置140个左右，总容量也只有2000千瓦。另外，我国还引进发电容量为4000千瓦的垃圾发电站。

1973年，美国建立区域性生物质能计划，并相继出台了一系列的政策法规，加快生物质能源的发展，为拥有先进的生物质能源技术的开发奠定了基础。2000年，美国设立了生物质能源研发部门，专项拨款，加大投入力度；2012年出台的新农业法案，以财政补贴的形式促进生产燃料乙醇的原材料——玉米的产量增长，玉米价格上涨使得支撑农产品高价的手段得到了加强；并于2013年4月发布《生物质创新计划项目》，将生物质能开发运用到飞机和船只上。

美国生物质直接燃烧发电技术在1979年已得到应用，当年装机容量仅有22MW。近年来得到迅速发展，2010年装机容量达到10400MW。截至2012年底，生物质能源发电量的75%属于直接燃烧发电，总装机容量达到22000MW，有望在2020年突破40000MW。燃料乙醇是目前世界上备受关注的石化燃料代替品，美国燃料乙醇生产居世界第一位，生产原料主要有玉米、马铃薯等，年产乙醇40×108m3，与该乙醇混合的汽油占该国总耗油量的三成以上。

2．欧盟的应用现状

20世纪爆发的三次“石油危机”，引起了世界范围内的能源恐慌，由此各国纷纷制订可再生能源计划，建立安全、清洁、可持续的新能源产业。欧盟各成员国政府颁布了相应的政策法规，对生物质能的研究和开发给予财政支持。

目前欧洲生物质能发展迅速，主要应用领域有转化生物柴油和生物质能发电，在生物质能供暖方面也有较高的市场化水平。欧盟能够成为全球最大的生物柴油生产基地，得益于其在原料生产、加工制造等环节给予的优惠政策。原料主要来自于欧盟各国自产的菜籽油以及进口的棕榈油和豆油，目前年产量已达世界总产量的65%。从2011年开始，欧洲生物柴油产量连续两年下滑，2012年跌至低谷。因此为确保欧洲各国生物柴油行业的持续发展，自2013年起，欧洲各国政府决定对国外进口生物柴油征收临时反倾销税，压制阿根廷和印度尼西亚等出口国对欧洲市场的影响，从而促进了本土产能的增长。

在生物质能发电方面，政府通过建立分离支持给付系统，使得劳动生产者享有45欧元/hm2（公顷）资金补贴，保障各国发展生物质能原料的供应。芬兰在欧洲建立了最大的生物质能发电站，德国和丹麦主要开发热电联产业，到2005年底，德国建成140多个区域热电联发电厂。

中国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。

开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国80%人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。1998年农村生活用能总量3.65亿吨标煤，其中秸秆和薪柴为2.07亿吨标煤，占56.7%。因此发展生物质能技术，为农村地区提供生活和生产用能，是帮助这些地区脱贫致富，实现小康目标的一项重要任务。

1991年至1998年，农村能源消费总量从5.68亿吨标准煤发展到6.72亿吨标准煤，增加了18.3%，年均增长2.4%。而同期农村使用液化石油气和电炊的农户由1578万户发展到4937万户，增加了2倍多，年增长达17.7%，增长率是总量增长率的6倍多。可见随着农村经济发展和农民生活水平的提高，农村对于优质燃料的需求日益迫切。传统能源利用方式已经难以满足农村现代化需求，生物质能优质化转换利用势在必行。

生物质能高新转换技术不仅能够大大加快村镇居民实现能源现代化进程，满足农民富裕后对优质能源的迫切需求，同时也可在乡镇企业等生产领域中得到应用。由于中国地广人多，常规能源不可能完全满足广大农村日益增长的需求，而且由于国际上正在制定各种有关环境问题的公约，限制二氧化碳等温室气体排放，这对以煤炭为主的我国是很不利的。因此，立足于农村现有的生物质资源，研究新型转换技术，开发新型装备既是农村发展的迫切需要，又是减少排放、保护环境、实施可持续发展战略的需要。

生物质能的利用

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40％以上。

目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达1440～1800亿吨( 干重 )，其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的3～8倍。但是尚未被人们合理利用，多半直接当薪柴使用，效率低，影响生态环境。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭 ，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。

生物质能的分类

依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。

林业资源：林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。

农业资源：农业生物质能资源是指农业作物(包括能源作物)；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。

生活污水和工业有机废水：生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。

城市固体废物：城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。

畜禽粪便：畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。