生物质能发展现状与前景

生物质的应用包括大量至关重要的而且常常可以反映政策的内容，包括能源、环境、农业、全球贸易、交通运输和土地使用规划等，这些内容极为复杂。生物质是极为丰富且有多种用途的可再生资源，目前占全球初级能源供应12%的份额，也占到了欧洲共同体初级能源供应的4%。各种假设与预测表明，2030—2050年，生物质在全球能源需求中将会达到15%～35%的比重。到2030年，欧洲共同体的初级生物能源潜力总量将达2.5亿～2.9亿吨石油当量，而在2003年，仅为0.69亿吨石油当量。

生物质燃料生产可能的途径

然而，如果没有任何补贴，生物质往往会无法与今天广泛使用的用于发电或汽车燃料的化石燃料竞争。但是，这种缺憾可能会变得并不重要，在能源供给中，生物质将会具有更大的潜能。

用生物质作为一种能量资源是自然碳循环的一部分，因为燃烧时释放到大气层中的二氧化碳量基本上等于在光合作用光合作用是指在生物体内从光能转化为化学能的一系列酶—催化剂过程。它的初始物质是二氧化碳和水，能量来源是光（电磁、辐射）；而终端产物是氧（含有能量的）和碳水化合物，如蔗糖、葡萄糖、淀粉。这一过程是可以论证的最重要的生物化学途径，因为地球上所有的生物都直接或间接地依靠这种作用。这是一种发生在较高等植物、藻类以及细菌（如蓝藻）体内的一种复杂的过程。中被生物质所吸收的量。培育和转化生物质给料（指供送入机器或加工厂的原料）的非能源密集型加工技术具有一种二氧化碳平衡功能。生物质可以提供的能源形式包括热量、电力、气体的，液体的或固体的加热燃料和汽车燃料。三种主要的生物质能转化加工技术为：（1）热化学技术，如燃烧、热解和汽化；（2）生物技术，如发酵和酶的水解；（3）油脂化学技术，如植物油和动物脂肪的炼制。

从广义上讲，生物燃料（可以培育或栽培的称为“农业燃料”）定义为由源自死亡不久的生物体（绝大部分为植物）构成的固体、液体或气体燃料。据此，可以与化石燃料区别开来，后者源自死亡已久的生物质。从理论上讲，生物燃料可以产自任何（生物学的）碳源。最常见的植物都是具有能够俘获太阳能的光合作用的植物。许多不同的植物和源自植物的物质都可被用于生物燃料的制造。生物燃料的应用已经遍布全球，在欧洲、亚洲和美洲的生物燃料工业正在蓬勃发展，最常见的用途是车用液体燃料。所以，可再生的生物燃料的使用可以减少人们对石油的依赖性并提高能源的安全性。生物燃料的生产与使用的各种当代的要素有缓解石油价格的压力、食品与燃料之争、碳排放的水平、可持续性生物燃料生产、森林的滥伐与土壤流失的影响、人权方面的内容、减少贫困的潜力、生物燃料价格、能源的平衡与效率以及集中于分散生产的模式等。

最大的技术挑战之一，就是研发一些用特殊手段将生物质能转化为可供车用的液态燃料的方式。为达此目的，有两种最常用的战略：（1）增加糖类作物（甘蔗、甜菜、甜高粱等）或淀粉（玉米、谷物等）的产量，然后将其做发酵处理，生成乙醇（酒精）；（2）增加那些能够（自然地）生产油脂的植物，如油棕榈树、大豆或藻类的产量。当这些油料被加热时，它们的黏度就会下降，这样就可以在柴油发动机内进行直接燃烧，也可以将这些油经过化学处理后产生燃料（如生物柴油）；木材和木材的副产品可以被转化为生物燃料，如木（煤）气、甲醇或乙醇燃料。

从2006年的石油价格来看，一些生物燃料已经具备了竞争力（参见下表），如果石油价格长期保持高位的话，研究与开发工作将会使更多的生物燃料投入使用。随着人们对农作物关注的增加，有三种植物都可供利用：草、树木和藻类。草和树生长在干燥的土地上，但加工处理工艺比较复杂。目前的观点是将树的所有生物质（特别是由树的细胞壁构成的纤维素）转化为燃料。

与油类和油类产品价格相比的生物燃料价格

发展中国家的生物燃料

许多发展中国家都在建立自己的生物燃料工业。这些国家拥有极为丰富的生物质资源，而随着人们对生物质和生物燃料需求量的增加，生物质正在变得更有价值。世界各地的生物燃料开发的进度不尽相同，印度和中国等国正在大力发展生物乙醇和生物柴油技术。印度正在扩大麻风树属的种植，这是一种可用于生产生物柴油的产油作物。印度的糖酒精研究的目标是在车用燃料中达到5%的份额。中国是一个重要的生物乙醇生产国。开发生物燃料的成本也是非常高昂的。在发展中国家，生物质能可以为生活在农村的人们提供加热和做饭的燃料。牲畜的粪便和农作物的残余物常常被用作燃料。国际能源署的数据表明，在发展中国家初始能源中约30%是由生物质提供的。全球20多亿人用生物燃料作为他们的初始能源来源，用于户内做饭的生物燃料的使用往往会产生健康问题和污染。据国际能源署2006年的《世界能源展望》，生物质燃料使用时不通风现象已经造成了全球130万人的死亡。解决这一问题的方法是改进炉灶和使用替代燃料。然而，燃料具有对生物（尤其是人）的伤害性，而可替代燃料则又过于昂贵。从1980年或更早以来，人们就开始设计生产出极低成本、较高燃烧效率且低污染的生物质能灶具。

“生物燃料的生产一直颇受质疑，因为生物燃料的生产肯定会提高农作物的价格，进而从整体上影响食品安全！”

问题在于教育与分配的缺乏、腐败横生以及外国的投资过少等。在没有帮助或资助（如小额信贷）的情况下，发展中国家的人们往往不能解决这些问题。一些组织，如中间技术开发集团（Intermediate Technology Development Group）的工作就是为那些无法得到生物燃料的人们建立使用这种燃料和替代燃料的设施。

目前生物燃料生产与使用的问题。人们认为生物燃料的优点在于：减少温室气体的排放，减少化石燃料的使用，增加国家能源的安全性，加快了农村的发展并为未来提供可持续性能源。生物燃料的局限性在于：生物燃料生产的原材料必须迅速得到补充，而且必须对生物燃料的生产过程进行创新性设计和不断补充，这样方能以最低的价格获得最多的燃料，而且能够获得最大的环境效益。广义而言，第一代生物燃料的生产加工仅能为我们提供极少的份额，造成这种现象的原因如下所述。第二代加工技术能够为我们提供更多的生物燃料和更好的环境效益，但其加工技术的主要障碍是投资成本：预计建立第二代生物燃料生产加工的成本高达5亿欧元。目前，关于生物燃料的有利与不利之间的争议时常出现。政治学家和大型企业正在推动以农作物为原料的乙醇生物燃料的进程，并以此为石油的替代品。实际上，这一措施正在加速全球粮食价格的飞速上涨，使得亚马孙河流域的丛林被毁灭，并使全球变暖加剧。

石油价格的调节

生物燃料使用的全球安全意义。如果石油需求量的增加未被抑制，则会使石油消费国更易受到伤害，严重时会使石油供给中断并会导致油价剧烈波动。有报道表明，生物燃料可能终有一天会成为一种可替代能源，但是，生物燃料的使用对全球能源安全的意义，经济的、环境的和公共健康的意义还有待于进一步评估。经济学家不同意生物燃料生产规模的扩大会影响石油价格的说法。在交易市场上，如果不使用生物燃料的话，石油价格将会比目前的还要高15%，汽油价格也会高出25%。可替代能源的有序供给将有助于平抑汽油价格。生物燃料的使用规模受到了极大的限制，而且成本昂贵，这使得它的价格与石油价格之间存在着极大的差异，由于这种能源成本的基本要素之一就是食品的价格，所以生物燃料的生产也代表着对食品价格的调节作用。

“来源于植物的生物燃料转化为能量，从本质上讲是植物通过光合作用获得的太阳能的再利用。太阳与可用能（与总量的换算）转化效率比较表明，太阳能发电板的能量效率是谷物乙醇的100倍，是最好的生物燃料的10倍之多。”

上涨的食品价格——“食品与燃料”之争。这是一个引起全球争论的话题。对此，美国国家谷物生产者联合会（National Corn Growers Association）就认为生物燃料并不是主要原因。一些人认为，问题在于政府对生物燃料支持的结果。另一些人则认为，原因在于石油价格的上涨。食品价格上涨的影响对于较贫穷的国家尤甚。在一些国家中，冻结生物燃料生产的呼声高涨，那里的人们认为生物燃料不应与食品生产展开竞争，更不能“人口夺食”！生物燃料生产所追求的目的应该在于不会影响到1亿多目前因食品价格上涨而处于危险边缘的人们的生活。

能源效率在物理学与工程学，包括机械与电子工程学中，能量效率是一个量纲一级量，其值介于0到1之间，当用100相乘时，以百分比表示。在一个处理过程中的能量效率以eta表示，其定义为：效率η=输出／输入，式中输出为机械工作的量（以瓦计），或是处理工程中释放出来的能量（以焦耳计），而输入则指输入供加工处理所使用的能量或工作量。根据能量转换原理，在一个密闭体系内的能量效率永远不会超过100%。与生物燃料的能源平衡。用原材料进行生物燃料的生产需要能量（如农作物的种植、最终产品的转化与运输以及化肥、灭草剂和杀真菌剂的生产与使用），而且也会对环境产生影响。生物燃料的能量平衡是由燃料生产过程中所输入的能量与它在汽车发电机内燃烧时所释放出能量的比较，这会因辅料和预计的使用方式而变化。从向日葵籽生产出来的生物柴油可以产生0.46倍于化石燃料的输出效率；从大豆产生的生物柴油所产生的输出效率则可达化石燃料的3.2倍。与从石油炼制的汽油和柴油的输出效率相比，生物柴油分别是前者的0.805倍，后者的0.84倍。

对于生物燃料来说，生产每英热单位的能量所需输入的能量要大于化石燃料：石油可以用泵从地下抽到地面，而且其能量效率要高于生物燃料。然而，这并不是一个用石油取代生物燃料的必需条件，而使用生物燃料也并不会对环境产生影响。人们已经进行了关于生物燃料生产能源平衡计算方面的研究，结果显示，因所采用的生物质和生产地点不同将会导致能源平衡的极大差异。生物燃料生产的生命周期评估表明，在某些条件下，生物燃料的生产仅仅限制了能量的储存和温室气体的排放。化肥输入和远距离的生物质运输能够减少温室效应气体（GHG）的储存。

人们可以设计生物燃料生产工厂的位置，以便尽量减少所需运输的距离，建立农业管理制度，以限制用于生物生产所使用的化肥量。一项关于欧洲温室气体排放的研究发现，用农作物种子（如欧洲油菜籽）所制成的生物柴油的“油井—车轮”（WTW）CO2排放量可能几乎与从化石燃料制取的柴油的CO2排放量相当。这表明一个简单的结果：产自淀粉类农作物的生物乙醇所产生的CO2排放量几乎与产自化石燃料的汽油的一样多。这项研究表明，第二代生物燃料具有低CO2排放量的特点。其他独立的LCA研究表明，同等当量的生物燃料与化石燃料相比，前者的CO2排放量是后者的50%左右。如果使用了第二代生物燃料生产技术或者减少化肥的生产，则可以减少80%～90%的CO2排放量。通过使用副产品提供热量（如用甘蔗渣生产乙醇），温室效应气体的排放量还将下降。

具有相互依存作用的植物的搭配能够提高效率。一个实例就是利用来自工业产生的废热进行乙醇的生产，然后进行冷却和循环，用于替代能够使大气升温的水热蒸发。

水力能由流动的水体产生的能量。

水力能或水动力能是活动着的水产生的力或能量。它可以被聚集起来供人类使用。在进行大规模的商业用电之前，水力能被用于灌溉和多种机械，如水磨坊、纺织机械的运转、锯木厂等。在一个工厂（作坊）里，可以通过下落的水产生压缩空气，然后利用这种压缩空气去推动远离水源的机械运行。

水力能的利用已有数百年的历史。在印度，建起了水轮机和水磨坊；在罗马帝国，人们用水力机械磨面粉，还用于锯开木材和石料。从蓄水池内释放出的水波浪能被用于提取金属矿——这就是所谓的“水清洗（矿石）法”。水清洗法在中世纪的英国得到了广泛的应用，后来的人们用此法萃取铅和锌。再后来，该法演化为水力选矿法，广泛应用于美国加利福尼亚州的黄金矿的淘选工艺中。在中国和其他远东地区，人们用水力作为“水轮机”，将水从地下抽到地表，引入灌溉的水渠中去。19世纪30年代是世界上运河的修筑高峰期，人们利用一种倾斜面的铁路借助水的能量在陡峭的上坡、下坡上拉动河里的驳船行驶。直接的机械能传递需要利用当地的瀑布，如19世纪后半叶，在美国密西西比河的圣安东尼（Saint Anthony）瀑布，水的落差可达50英尺，人们在那里建起了许多代客加工的磨坊，这些磨坊的建立促进了明尼阿波利斯（美国明尼苏达州东南部城市）的发展。水力能的利用也呈现网状发展，利用多条管线从源头将具有压力的液体（如泵）输往终端用户，以供机械的运行。如今，水力能的最大用途就是发电，它可以使人们用上来自水力的廉价能量。

2.户用生物质气化炉：秸秆、树枝等切碎后装添进专用炉具。特点：一次性投资较少，农户自己操作，原料没有成本。但炉具质量不稳定，使用也需要一定技术。

3.生物质颗粒燃料：秸秆、树枝等在加工厂经过粉碎加压制成比较紧实的燃料块，通过专用炉具可做饭、取暖。特点：清洁、方便。但和传统的直接燃烧秸秆比，燃料比较贵，和煤比，热值低。

此外，还有传统的沼气利用方式，有大型沼气池集中供气和户用小型沼气池两种

生物质发电主要是利用农业、林业和工业废弃物为原料，也可以将城市垃圾为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式。

近年来中国能源、电力供求趋紧，国内外发电行业对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注。于是生物质能发电行业应运而生。

世界生物质发电起源于20世纪70年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。自1990年以来，生物质发电在欧美许多国家开始大发展。

中国是一个农业大国，生物质资源十分丰富，各种农作物每年产生秸秆6亿多吨，其中可以作为能源使用的约4亿吨，全国林木总生物量约190亿吨，可获得量为9亿吨，可作为能源利用的总量约为3亿吨。如加以有效利用，开发潜力将十分巨大。

为推动生物质发电技术的发展，2003年以来，国家先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如东3个秸秆发电示范项目，颁布了《可再生能源法》，并实施了生物质发电优惠上网电价等有关配套政策，从而使生物质发电，特别是秸秆发电迅速发展。

最近几年来，国家电网公司、五大发电集团等大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参与中国生物质发电产业的建设运营。截至2007年底，国家和各省发改委已核准项目87个，总装机规模220万千瓦。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个，在建项目30多个。可以看出，中国生物质发电产业的发展正在渐入佳境。

根据国家“十一五”规划纲要提出的发展目标，未来将建设生物质发电550万千瓦装机容量，已公布的《可再生能源中长期发展规划》也确定了到2020年生物质发电装机3000万千瓦的发展目标。此外，国家已经决定，将安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。总的说来，生物质能发电行业有着广阔的发展前景。

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。

生物质能的转换技术具体说，大致可分为以下三类：直接燃烧；生物转换技术；化学转换技术。此外，生物质还可通过多种煤气发生炉转化为可燃煤气。从长远看，绿色能源的开发利用，必将是跨世纪的大趋势，而且可以预见，21世纪生物质能技术的发展，必将取得令人鼓舞的进步。