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閆強，王安建，王高尚，于汶加
（中國地質科學院，北京100037）
摘要：隨著全球能源供需矛盾的日益突出，人類對開發利用各類新能源寄予厚望，生物質能就是其中之一。生物質能的發展對保障能源安全、培育新的經濟增長點、促進農村生活水平的提高等具有積極意義。不過，對生物質能資源的不合理開發也可能會威脅糧食安全，并可能對生態環境造成不利影響。對全球生物質能資源進行了系統評價，認為目前以糧食為主要原料的生物質能發展模式不可持續，應積極發展基于纖維素乙醇的不消耗糧食的第二代生物燃料技術。
0引言
18世紀之前，生物質能一直是人類最主要的能量來源，直到今日，生物質能仍然是僅次于石油、煤炭、天然氣的第四大能源，在世界一次能源供應量中的比重約為10%。與太陽能、風能等常見的過程性可再生能源不同，生物質能屬于含能體能源，在諸多方面與煤炭、石油、天然氣等常規化石能源相似，具有可存儲、可運輸等特點。生物質能資源來源于一切直接或間接利用綠色植物進行光合作用而形成的有機物質，包括動物、植物、微生物，以及由這些生物產生的排泄物和代謝物。長期以來，生物質能資源的利用以直接燃燒為主，不僅效率低下，而且污染環境。隨著科學技術的發展，生物質能資源可以通過各種技術加以轉化和高效利用，產生電力和熱力，或生產生物燃料，如乙醇、生物柴油及沼氣。生物質能資源的科學利用，對緩解能源供需矛盾、優化能源品種結構、減少溫室氣體排放、提高農民收入及農村生活條件，促進經濟社會可持續發展等都具有重要意義。
1生物質能資源分類
按照傳統的分類方法，生物質能資源分為林業資源、農業資源（包括能源植物）、生活污水和工業有機廢水、城市固體廢物、畜禽糞便等五個大類。隨著對生物質能認識的加深及其加工轉化技術的進步，生物質能資源范圍不斷拓寬，如下的分類方法更加全面：（1）農作物類：主要包括產生淀粉的甘薯、木薯、玉米、小麥、水稻、高粱、番薯等；產生糖類的甘蔗、甜菜、果實等；農業生產過程中的剩余物，如農作物秸稈（玉米秸、麥秸、稻草、棉桿）等。（2）林作物類：主要有森林生長和林業生產過程中的林木生物質，如多種樹木（白楊、懸鈴木等）、薪炭林；森林撫育和間伐作業中的碎散木材、殘留樹枝、樹葉和木屑等；加工生產過程中的枝了、鋸末、截頭等；林業副產品的殼、果核等。專門用于生產生物燃料的能源植物，如麻風樹、黃連木等也包含在其中。（3）水生藻類：主要包括海洋性的馬尾藻、巨藻、石莼等；淡水生的布袋草、浮萍等；徽藻類的螺旋藻、綠藻等。（4）可以提煉石油的植物類：主要包括橡膠樹、藍珊瑚、桉樹、葡萄牙草等。（5）光合成微生物：主要包括硫細菌、非硫細菌等。（6）各種工農業有機廢棄物：主要有禽畜糞便、生活垃圾、工業有機廢水和生活污水等。
2生物質的化學組成
2.1生物質的元素成分
不同來源生物質的化學成分不盡相同，但主要元素都為碳、氫、氧、氮等4種元素，合計占95%以上。碳的含量最高，一般在50%左右，其次為氧，含量一般超過40%，兩者合計占90%以上（表1）。農作物秸稈的主要化學元素組成：碳40%~50%、氫5%~6%、氧43%~50%、氮0.65%~1.1%、硫0.1%~0.2%，完全燃燒后，灰分3%~5%、磷1.55%~2.5%、鉀11%~20%；薪柴化學元素組成：碳49.5%、氫6.5%、氧43%、氮1%，完全燃燒后，灰分少于1%，另有少量鉀和其他微量元素。
2.2生物質的物質成分
生物質是由多種復雜的高分子有機化合物組成的復合體，主要含有纖維素、半纖維素、木質素、淀粉、蛋白質、脂質、水分、灰分等，其中纖維素和半纖維素由碳水化合物組成，木質素則是由碳水化合物通過一系列生物化學反應合成的。碳水化合物通常稱為糖類，是綠色植物通過光合作用合成的，由碳、氫和氧三種元素組成，所含氫氧的比例為二比一，和水一樣，所以稱為碳水化合物。碳水化合物一般分為單糖、低聚糖和多糖三類。地球上生物質總量中葡萄糖聚合物占50%以上，是貯存太陽能和支持生命活動的重要化學物質。
纖維素是最豐富的天然有機物，系由葡萄糖組成的大分子多糖，分子式為(C6H10O5)n，白色物質，不溶于水及一般有機溶劑，無還原性，是植物細胞壁的主要成分。棉花的纖維素含量最高，接近100%，而一般木材的纖維素也能占40%~50%。此外，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等，都是纖維素的豐富來源。
半纖維素是由幾種不同類型單糖組成的異質多聚體，是木糖、甘露糖、葡萄糖等構成的一類多糖化合物，不同植物中半纖維素的含量、結構都不同。半纖維素大量存在于植物的木質化部分，如秸稈、種皮、堅果殼及玉米穗等，其含量依植物種類、部位和老幼程度而有所不同。
木質素是由聚合的芳香醇構成的復雜有機聚合物，存在于植物細胞壁中，主要作用是通過形成交織網來硬化細胞壁，起抗壓作用。木質素在植物界中的含量僅次于纖維素和半纖維素，廣泛分布于具有維管束的羊齒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學成分。木質素在木材中的含量為20%~40%，在禾本科植物中木質素含量一般為15%~25%(表2)。
淀粉是由D-葡萄糖分子聚合而成的化合物，通式為(C6H10O5)n，在細胞中以顆粒狀態存在，通常為白色顆粒狀粉末。淀粉是植物體中貯存的養分，多存在于植物的種子和塊莖中。
蛋白質是構成細胞質的重要物質，是生命的物質基礎。由多種氨基酸組成，分子量很大，氨基酸主要由碳、氫、氧3種元素組成，另外還有氮和硫。
脂類是不溶于水而溶于非極性溶劑的一大類有機化合物，是細胞中單位體積含能量最高的物質，主要化學元素是碳、氫、氧，有的脂類還含有磷和氮。植物種子會儲存脂肪于子葉或胚乳中以供自身使用，是植物油的主要來源。
生物質中還含有一定量的水分和灰分。水分在燃燒過程中產生水蒸氣，吸收熱量而帶走一部分熱量。灰分主要是磷、鉀、硅、鋁、鈣、鐵等元素的氧化物，在纖維素生物質中，稻草與稻殼灰分含量較大，超過10%，而其他纖維素生物質灰分含量大多小于3%。
3生物質的熱值
碳是生物質中最重要的元素，含量多少決定著熱值高低，也即決定著生物質作為能源來開發的品質。1kg碳完全燃燒可釋放出33.915MJ的熱量，燃燒后生成二氧化碳或一氧化碳。純碳不易燃燒，含碳量越高燃點越高，點火越難，生物質的碳含量比煤炭少得多，因此更易點燃和燃盡。氫在生物質中常以碳氫化合物形式存在，含量越多，越容易燃燒，燃燒的結果是水蒸氣。1kg氫燃燒釋放出的熱量，高位熱值為142.3MJ，低位熱值為119.7MJ。硫是一種有害物質，1kg硫燃燒釋放出9.21MJ的熱量，生成二氧化硫或三氧化硫，然后進一步與水蒸氣發生化學反應生成亞硫酸或硫酸，危害植物生長。磷和鉀都可燃，燃燒后釋放出熱量并分別生成植物生長所需要的磷肥和鉀肥。氮和氧都是不可燃元素，會因吸熱而降低燃料的發熱量，氧在熱解期間被釋放出來以部分滿足燃燒過程中對氧的需求。
即使在空氣中干燥，生物質的水分含量也有15%~20%，水分含量的高低與生物質的熱值密切相關。大多數生物質的熱值范圍為15~19GJ/t，遠低于煤炭的29GJ/t，石油的42GJ/t，天然氣的55GJ/t（表3）。生物質的平均能量密度較低，熱值約相當于標準煤的一半左右，可近似把2個單位質量的生物質折算成1個單位質量的標準煤。大部分生物質原料比煤炭更易氣化、反應和點火，因此更易發生熱化學反應，用于熱值更高燃料的生產。生物質灰分含量低于大部分煤炭，硫的含量遠低于化石燃料，燃燒后對環境的污染明顯小于石油和煤炭。
4生物質能的資源保障性分析
4.1生物質資源總量
植物進行光合作用所消耗的能量占地球所接收太陽總輻射量的0.2%，因光合作用效率較低，所吸收的太陽能最終只有少部分轉化為生物質。世界全部生物質存量約為1.9萬億t，陸地與海洋合計平均最低更替率為11年，可以計算出每年新產生的生物質約為1700億t，折算成標準煤850億t或油當量600億t，約相當于2007年全球一次能源供應總量的5倍（表4）。生物質產量與氣候、溫度、降水量、土壤、海陸位置等多種原因密切相關。一般來說，溫度越高、降水量越大，生物質產量就越高，例如，熱帶雨林地區的平均凈初級生產率達2.2kg/（m2·年），是地球上生物質生產率最高的生態系統類型。地球陸地面積僅相當于地球總面積的29%，但陸地的生物質產量占地球全部生物質產量的比重為68%，遠高于海洋所占的比重
4.2耕地的生物質能資源潛力
森林每年所產生的生物質約占全球陸地生物質年產量的2/3，其次是草原和草地，約占1/5，而耕地上所生產的生物質僅占8%。目前，商業化的生物燃料生產技術還處于第一代，原料基本來自于耕地上所生產的農作物，主要有生產乙醇的玉米（美國）、甘蔗（巴西）、甜菜（歐洲）、小麥（歐洲），生產生物柴油的油菜籽（歐洲）、大豆（美國、法國）、油棕（東南亞）等，其中以玉米、甘蔗和油菜籽為原料所生產的生物燃料占80%以上。2006年，全球耕地面積為1635萬km2，上述7種作物的種植面積為500多萬km2，其中，玉米、甘蔗和油菜籽合計為193萬km2。
3種最重要生物質原料的生物燃料生產率分別為：玉米1.4toe/(hm2·年)，甘蔗4.8toe/(hm2·年)，油菜籽1toe/(hm2·年)（表5）。如果把這3種農作物全部用于生物燃料的生產，每年的產量加起來為3.3億toe，僅相當于2007年全球原油產量的8%，或全球一次能源供應量的2.7%。如果將上述所列7種農作物全部用于生物燃料的生產，每年的合計產量為6.8億toe，僅相當于2007年全球原油產量的17%，或全球一次能源供應量的5.8%。人類所生產的糧油首先應該滿足食用的需要，真正可供人類作為能源開發利用的糧食和油料是非常有限的。因此，充分利用森林資源、宜林宜農邊際土地資源及海洋水域資源等非耕地土地資源，研發不需要消耗糧油的纖維素乙醇等新一代生物燃料技術是生物質能未來發展方向。
4.3生物質能資源開發潛力預測
雖然地球上的生物質資源量豐富，然而每年新產生的生物質不可能全部用于生物質能的生產，人類能夠開發利用的只是其中很小一部分。根據有關學者的研究，到2050年全球生物質能資源潛力為10~262億toe，平均60~119億toe，相當于生物質每年產生量的10%~20%（表6）。理論上，如果把生物質能的最大潛力充分發揮，能夠滿足人類對能源的全部需求，但受生態環境、可獲得性、開發成本、糧食安全等多重因素的制約，可被開發利用的生物質能資源可能連表6中所列數字的下限值都達不到。
5結語
生物質能資源的開發與糧食、環境、水資源、農業和農村等問題密切相關，如果規劃、管理或政策不到位，可能帶來許多潛在不利影響。近年來，全球生物燃料產業發展迅猛，造成糧食的需求量大幅度增加，2007年所消耗的糧食達1億t以上，2008年又增長到1.2億t，占全球糧食總產量的6%左右。由于糧食增產潛力非常有限，預計生物燃料用糧占糧食總產量的比重將持續增加，全球糧食安全問題日益嚴峻。此外，發展生物質能必然會改變土地用途，有可能會引發土地碳釋放量的增加。對生物質能資源合理的開發有利于生態環境的保護，而無節度的開發卻可能會造成森林和農業生態系統的單一化，從而導致生態系統因物種組成和結構發生改變而使調節能力下降，甚至最終徹底破壞整個生態系統。
生物質能與太陽能、風能等其他類型的可再生能源有著本質的不同，必須消耗有限的生物質原料，從而不可避免地受到糧食問題、環境問題等多方面的制約，發展生物質能需要進行縝密的戰略規劃。筆者認為，開發生物質能資源要以改善生態環境為前提，堅持“不與人爭糧、不與糧爭地”的原則，立即叫停糧食乙醇，限制糖類乙醇，鼓勵發展不消耗糧食的纖維素乙醇，進一步完善生物質能發展規劃和路線圖。 |
