从生物质能的利用谈起

中国工程院院士、清华大学热能系教授 倪维斗

1.引言

由于化石能源的资源和其应用所引起的严重环境问题，可再生能源的发展越来越引起人们的注意，各国都投入大量的资金和科技资源进入可再生能源的研究与开发。尤其是在我国，人均资源比世界更为贫乏、石油更为短缺、大量煤炭直接燃烧引发的环境问题更为严重，因而把目光投向可再生能源是完全可以理解的，也是正确的。但是可再生能源的发展所涉及的方面比化石能源大得多，对人类和生态等多方面的影响尚不能十分清晰地预测。我国地少人多，粮食、食品供应体系薄弱，因而对可再生能源，尤其是生物质能源的发展一定要十分谨慎和理性，一定要结合中国国情，切忌照搬国外、一哄而起。

2.生物质燃料在世界和美国的简况

近几年来世界燃料乙醇的生产快速增长，从1985年到2005年增长了3倍，2005年为3428万吨。生物柴油从1995年才发展起来，目前为226万吨。2005年乙醇作为燃料占全世界汽油消费量的2%。

在美国燃料乙醇快速发展的一个重要原因是世界谷物和油品价格比变化（见表1），可以看出，谷物相对油越来越不值钱。美国进口石油，出口粮食越来越吃亏。以前美国用粮食出口可以抵消石油进口，但在2004年，粮食出口的钱只占石油进口的13%，为石油进口，美国花了1320亿美元。从而，用粮食做燃料以减少石油进口在经济上合算是美国发展粮食乙醇的主要驱动力。2004年，美国生产燃料乙醇34亿gal，占汽油总需求量的2%。

再来看巴西，目前年生产乙醇40亿gal，满足40%的汽油需求。巴西生产甘蔗的50%用于生产酒精，种植面积从530万公顷（2004）增至800万公顷。听说巴西已与中国、日本商谈乙醇出口问题。

欧洲在生物柴油方面走在世界前列，欧洲各国大力推行生物柴油。它们的主要原料是植物油，大部分是进口的。

●德国生物柴油的产量是104万t（2004），主要原料是油菜籽。可替代其3%的柴油，准备在最近几年产量增加150%；

●法国生物柴油的产量为45万t，德、法按规划都准备在2010年用生物柴油替代柴油5.75%；●美国主要用大豆，生产89.3万t生物柴油，其副产品蛋白质丰富，价值高。

●亚洲国家如印尼、马来西亚用棕榈果实生产生物柴油，出油率高。欧洲正在大量从这些国家收购棕榈油。

3.生物液体燃料应用的几个重要指标●全生命周期能量转换系数，与此相关的是全生命周期二氧化碳排放●土地的利用（单位输出所需土地大小，对土地的质量要求，如盐碱程度），单位土地的产出●粮食安全（包括饲料）与生态评估，生物多样性，森林保护●水的利用3.1全生命周期能量转换效率全生命周期能量转换效率就是输入能量与作为燃料输出能量的比值。由于甘蔗榨出糖液以后，其渣可以用作燃料来加热和脱水，故把甘蔗作为整体来看，输入是1，输出是9，甜菜输入为1，输出为1.9。玉米就要差一些，按照先进工艺，大抵是输入为1，输出为1.5。若工艺落后，输出与输入之比只有1.2或是更小，甚至会达到1：1。

这是一个非常重要的指标。譬如说用玉米做乙醇，就必须要把玉米从种植、运输、加工等环节所耗费的能量都考虑进去。如翻地、施肥（目前我国氮肥的主要原料是天然气和煤，是耗能产业）、收割、运输、加热、发酵、脱水等，都需要外来能量的输入。

在我国一般是3.5吨玉米做1吨乙醇，在生产过程中需要0.6-0.8吨煤。

我们用可再生能源的目的是开拓能源利用的新途径，使之来源多样化，同时考虑到作物在生长时从大气中吸收CO2，在随后作为燃料应用时放出CO2，一吸一放，似乎CO2的排放应该为零。但实际上，从生命周期考虑，有些生物燃料不仅没有增添新的能量，相应的CO2减排的能力也很小。所以，对任何可再生能源的作用必须从全生命周期的效率和排放来考虑，这样才能有一个客观的评价。我们提出一个净可再生能源系数（或者称之为绿色程度），这个系数的大小标志着再生能源中有多少份额是真正可再生或者是真正绿色的。这个系数的物理意义是：生物质加工后得到的能量有多少比例是真正可再生的。该系数越低表示可再生度越小，意味着这种可再生能源实际上对增加能源供应、减排CO2的贡献很小。

据某些专家研究，风力发电设备的制造与安装要耗费本身150天左右的发电量，考虑到其寿命为20年，则有较高的绿度。其它可再生能源，如光伏发电，这个系数要低得多。

图2是几种可再生能源的净可再生系数（在图上用浅色表示真正可再生的部分），（a）、（b）和（c）是玉米制乙醇的不同工艺。从而可以看出，用玉米制乙醇对能源开源和减排CO2贡献甚微，打着减排CO2的旗号来推广这个方向是名不符实。

图2几种可再生能源的绿度3.2土地利用系数单位土地的产出对我国这样的土地缺乏国家十分重要。中国有多少土地可以用来生产有关植物来获得乙醇、生物柴油？这个问题必须深入研究。目前有五花八门的各种统计数据，相互之间差别很大。有些资料提出的所谓的边际土地量非常大，实际上把已经退耕还林、退耕还草、以及一些适宜种粮食现由于种种原因（如农民离家外出打工）弃耕的土地都算进去了。总的来说，所估计的、可种植能源植物的土地面积偏大。

对生物柴油来说，棕榈果实单位面积出油最多，其它作物相对要小得多。由于这个原因，东南亚及南美等地大量种植棕榈树，甚至不惜砍伐雨林作为代价，从而引起新的生态问题（生物多样性、CO2的吸收）。我国从因地制宜的角度出发，应采取哪几种植物、在基因方面要做哪些研究、如何种植、如何示范等等都要进行扎扎实实的研究工作，当然，麻风树果实可以作为其中可选植物之一。

目前在世界上生产燃料乙醇和生物柴油的原料主要是玉米、甘蔗和棕榈，但我国不可能以棕榈或甘蔗为主，必须要通过生物工程来培植耐旱、耐碱、单位面积出油率高的植物。有些植物的储存问题很难解决。比如：甜高粱，成熟收割以后，数星期内糖分大量降低。此外，由于我国土地比较分散，以下两个方面更加突出：大面积、低密度（能量）和集中大生产的矛盾（收集、运输、存储）；连续的大生产和农作物成熟、收割季节性的矛盾。

其实，按目前的发展，即使在玉米、甘蔗和棕榈资源比较丰富的国家也会出现不少社会和生态方面的问题，如由于市场好，巴西大量种植甘蔗用于生产酒精—亚马逊河雨林保护就受到威胁，砍伐后减少了CO2消耗破坏生态。美国大量用玉米生产乙醇，引起世界性粮食涨价；印尼、马来西亚大量种棕榈树会引发食品安全和生物多样性问题。已有报道，由于大量棕榈油用于生产生物柴油，棕榈油的价格上涨，当地居民不得不一定程度地割爱他们喜欢的油炸食品。

我国的生态、自然条件要比美国、巴西、马来西亚差得多，发展生物质燃料一定要有一个度，以平衡各方面的影响。这个度是多少？需要深入研究和示范，绝不能一厢情愿、鲁莽行事。

3.3水耗系数按世界较先进水平，1吨干玉米耗水350吨，1吨干小麦耗水500吨（包括自然降水）。由于我国灌渠漏水多，大多数采用漫灌方式，1吨干小麦要耗1000吨水。从而粮食是用大量的水换来的，若用来生产液体燃料，每吨生物替代燃料耗水极大。1吨粮食1000吨水，意味着1吨当量汽油要耗5000吨水，这在我国是要慎重考虑的，因为我国水资源只有世界平均水平的1/4！

考虑到粮食还要用作饲料，我国是最大的猪肉消费国（约5000万吨/年），每1公斤猪肉要耗费3-5公斤粮食，保证饲料供应这是我国食品安全的一个大问题。

目前世界上把生物质利用的希望寄托在纤维素转化乙醇上。这个技术远没有商业化，其中一样存在转换效率、用水和其它经济问题。

4.有关替代能源的一些总的考虑除了上述转换效率、土地利用和水等三方面因素以外，对可再生能源的利用还要以下几方面总的考虑。

4.1国情尺度资源总量，人均多少，分布如何，环境、土地、水、社会发达水平、生活、生产模式，可获得性，运输、道路条件，大气，生态，生物多样性，以及国际形势，在国外可获得性。

4.2份额尺度有些可再生能源是可行的，但份额不大（地沟油，潮汐能……）。我们所要重点下功夫的主要是能起到一定份额作用的，这才能分清轻重缓急，明确主要努力方向。有所为，有所不为，或者少为。

如风电，它是再生能源（水电除外）起作用最大的一种，即使这样，在整体电力系统中份额仍然是很有限的。2007年增加了约2500MW，2006–1300MW，每年都以100%增加。但从我们发电装机总量来看，2007年发电装机的增量为100GW，风电增量相比之下不到1%（考虑风电的工作时数）。风电的发电量占到总发电量不到0.5%。

按发改委的规划，2020年风电装机总容量是30GW。当然，按目前风电发展的势头，这个指标肯定要被大大突破。2020年究竟会是多少，各界说法不一，作一个能源工作者的美好愿景，是否可以设想比原规划大五倍、风电总装机容量达到150GW。但是，即使是这样，风电的发电量仍到不了届时总发电量的2.3-3%。

4.3时间尺度什么样的可再生能源，什么样的技术，按什么样的时间表发展，能实现多少？我国自己的制造、安装和运行能力极限是多少？有的同志总是重点强调能源结构的改变，描绘将来以可再生能源为主的美好前景，而对我们经常谈煤的现代化利用感到“不够前瞻”，或者说总是愿意把“将来的可能”来“吊”现在需求的“胃口”，而轻视对目前一些迫切需要技术的开发。的确，要发展可再生能源，尽快地使其成为主要能源之一是我们应当努力的方向，但这毕竟是远水，“远水”救不了近火。首先是应该考虑“近水”、“中水”来救“近火”和“中火”。怎样来满足近20–40年的用能需求和环境容量的限制，尤其是日益严峻的气候变化问题。这几十年怎么办？每年几十亿吨煤怎么应用，这是我们首先应该最认真考虑的问题。

4.4经济尺度对替代能源国家一定要有一定的政策、税收、补贴，但最终还是市场说话。若没有严格的环境税、排放税、污染罚款……，再生能源是很难发展起来的。

发展再生能源一定要结合我国国情，走出自己的路子（如风电非并网发电，生物质能结合我国新农村建设等）。中国很大，不能一刀切，分区域，分时间，各有不同。

4.5可再生能源的特点如何发挥（分散，能源密度低，不稳定）

应从能源、转化、输送，终端用户一体化的角度来研究再生能源在我国总的能源系统中应有的战略定位和合理的配置，合理的地位。分散能源尽量分散利用（农村，建筑……）。

这五个尺度（不见得很全面）提供了我们对可再生能源利用应该思考的几个方面，结合前面的几个指标，因时、因地形成对各种可再生能源科学、理性评估的方法论。

5.有关可再生能源的合理利用我国能源系统是一个十分庞大、复杂的系统，不同地区、不同时间有不同的合理配置，从能源生产、转化、输运和终端应用一体化加以考虑。尤其是对具有分散、能源强度低特点的可再生能源，更应该以面向终端应用为导向。

5.1目前我们面临的时代特点21世纪是一个多元化时代，能源供应多元化，转换多元化，分散、集中多元化，终端应用供应一体化；21世纪是一个集成的时代，一些单项技术已经到了一定的极限（如燃气轮机的燃气初温已达1450℃，大型轴流压气机效率已达89%），进一步提高虽有可能，但已十分困难了。但在打破行业界线，按最优系统集成（煤、化、电、热、钢铁……），却有很大潜力，例如，以煤气化为基础的多联产。

各种能源一定要相互搭配，各自发挥长处，弥补缺点。多种能源的配置必须因地制宜，因时制宜，因应用而制宜。尤其是可再生能源，不要“单打一”，应该和其他能源的应用结合起来，达到最佳效果。

5.2几个明显例子①秸秆发电25MW电站，投资10000人民币/kW，每年需16-20万吨秸秆，收集半径达100公里，用拖拉机、汽车从一个个分中心运送到电站，耗费了稀缺的液体燃料，电站效率<30%，低于先进燃煤电站12-13个百分点，其效率相对值为先进燃煤电站的70%。在这种条件下，农民作为燃料的秸秆被收走了，他们只能靠煤来满足炊事和采暖的需求。这样，集中生产的煤，本来可以在先进电站转换成电，却要分散到农村作低效、高污染的应用！

退一步说，即使秸秆有多余、可以用于替代一部分煤来发电，那么为什么要建“纯”秸秆电厂呢（单位基本投资大，发电效率低）？最合理的方法就是把这部分生物质和煤共燃（co-firing），减少一部分耗煤。共燃可以提高秸秆的利用效率、缓解腐蚀问题、减少污染、基础设施简化。

建设社会主义新农村需要能源的支持，除了用电以外，炊事、采暖应尽可能就地取材。秸秆一家一户直接燃烧确实不利现代化能源供应的要求（使用不方便，户内环境污染大），我们应该花较大力量，研究简单、廉价、低能耗的小型颗粒化或是铡段设备，提供燃烧完全、污染低、廉价的炉子，面向农村建立相应的加工、供应链。从系统角度着眼，这样做才能把有限、宝贵的能源有效利用，才能带来能源系统的整体效益。

②再生能源自己相互之间和化石能源的结合风/燃气轮机互补系统，以及风能和水力发电，风能和太阳能光伏技术，风能/柴油机互补系统，中小型聚风型风力发电与蓄电相结合……，1+1＞2。

应该特别强调的是，在多元化能源、再生能源逐渐增大作用的阶段，加强研发多种廉价、方便的蓄能（蓄电、蓄冷、蓄热……）装置是十分重要的，这对充分利用随机性大的可再生能源有很大的意义；建筑节能——与建筑一体化的太阳能集热管+地源热泵+少量天然气补燃，较高温度的太阳能集热器用于制冷；在北方，为了在冬季多产沼气，可以将太阳能集热器用于沼气池的加热。

③生物质利用和造纸工业相结合，和黑液处理相结合④面向用户、和用户相结合中国的重化工业的发展阶段不可逾越，一些可再生能源可以和耗能大户（电解铝，耗电16000kWh/t，氯碱工业，电解氢，海水淡化……）结合起来。过程的工况可允许一定程度地随风能大小而变化，用的是低压直流电—因而在有条件的地方可以发展非并网风电（免除对电网的冲击，简化设备，降低成本）。

⑤和煤脱灰、脱硫、制浆结合，加入一些有机废弃物，中小规模地生产燃料油归纳一下，要逐渐形成新的新能源系统，其特点是：把合适的能源放在合适的地方，如煤现代化利用，以气化为龙头的多联产，能源的梯级利用分布式、低能源密度能源应主要分布式利用直接面向不同的终端用户，减少中间转换，因地制宜，大、中、小结合打破行业分隔，各类系统优化集成（煤、化、电、钢铁、多联产……）

在这个新的能源系统中，可再生能源应该找到能够克服自身缺点的利用方式，发挥优点和找到用武之地，不要各种能源各自转换、各自输送、各自终端应用，不要“各吹各的号，各打各的仗”。政府规划部门，从中央到地方，责任十分重大。

6.人与自然和谐相处这是可再生能源、尤其是生物质能利用的最高原则。

6.1几点思考目前自然环境是地球内、外动力在万亿年动态变化过程中的阶段表现，是不以人们的意志为转移的。

人有生命，整个生态系统也有生命。“自然”与人在生态道德上是平等的。以敬重和呵护之心对待自然，是生态道德的基本要求。

过去，人们为了人类一己之利，在“人定胜天”、“征服自然”的思想指导下，做了很多违反自然规律的蠢事，“自然”已经给了我们应有的惩罚，同时，巨大的灾难还在后面。至今这种思想流毒很深，尤其是在一些急功近利掌握权力的官员们头脑里。他们所带来的消极后果，我们子子孙孙都无法偿还。所以，如何处理人与自然的关系是对每一个人，尤其是对领导干部素质的重要考验，也是对是否真正理解和谐社会的试金石。

由于现代科学在物质、技术进步方面的巨大成就，人类对自然无情索取和掠夺的能力加强，又掌握了巨大的社会资源，也掌握了绝对优势的话语权。一些科学家和一些工程技术人员相信科学技术可以解决一切问题，并以此来误导人们，去迎合一些领导的急于拿出政绩的心理。这种思想是十分有害的。

实际上，科学技术和相关的方针政策，只有尊重自然，善待自然，和自然和谐相处，才能成为第一生产力。否则的话，科学技术会走向其“为人类造福”

这个根本目的的反面，人类将为此付出惨重的代价。

因此，从人与自然和谐的角度，人类对于可再生能源、尤其是生物质能、小水电等的开发应用，要持慎之又慎的科学态度，进行多方位的全面分析，切忌一哄而起，鲁莽行事！我们在这方面的教训已经不少了。

6.2几个忧虑人类用能大致经过几个阶段：薪柴→煤炭→石油→天然气，各国由于资源不同，发展阶段不同，这些“阶段”有重叠和交叉。

煤、石油、天然气是地球几千万、几亿年太阳能的“沉淀”。在用量较小时问题不大，而现在由于人口的增长，现代化条件下人均用能的大幅度增加，引发了日益严重的资源、环境、生态问题。

●开采（尤其是煤）：地表荒漠、土地塌陷、地下水破坏、瓦斯泄露等。

●使用：SO2、NOx、Hg、PM2.5、PM10、温室气体（CO2、CH4……)。

●资源枯竭所产生的问题逐渐扩大，从能源、环境、生态……延伸到经济、政治、军事，越来越显得不可持续。

但是，即使如此，人类使用的基本上是几千万、几亿年太阳能积累下来的化石燃料，从地层深处较“集中”地开采出来，和“大自然”的交互（interaction）相对较少，主要是大量使用过程中发生了问题。

目前，大规模、有份额地转向使用再生能源，用的是当年的太阳能（表现形式为：水能、风能、生物质能、太阳能的直接辐射能和热能等）。采集面积和大自然已存在“循环”的交互就会越来越大，也就是说，人类与自然的交互，相互影响，对比利用化石能源交互的范围，交互的深度，交互的频度……将会起很大变化，甚至于会从量变到质变。

因而，在这种形势下，人与自然和谐相处，尊重自然，爱护自然，将进入一个新的阶段，问题会越来越突出，弄不好的话，大自然的惩罚会来的更快、更早、更严峻。从本质上讲，没有人与自然的和谐，就没有人与人的和谐以及社会的和谐。

人类为了解决大量利用化石燃料而转向大规模利用可再生能源，就要对上述问题做十分深入、谨慎的全面分析，扎扎实实地前进，否则的话，为了解决一个问题就会“制造”出另几个更为复杂、更为严重的问题。

大自然的惩罚已经教训了人类，人类应该更科学、更聪明地与自然和谐相处，并在相处中实事求是、相互尊重、不断前进。