[科普中国]-能源作物

基本内容

关于能源作物的定义，国内有关文献从不同的角度有多种表达方式。例如，凡可以被有效转化成能源替代物的作物都可以称做能源作物；或者，能源作物即是指各种以提供制取燃料原料或提供燃料油为目的的栽培植物总称。台湾行政农业委员会农业实验所所长，从强调能源作物的可转化性为出发点，对这一概念进行了总结：能源作物系指可利用作物生生不息的能量生产方式，将太阳能经光合作用转化成植物之化学能（燃料之热能），此种能量之转化可在常温常压下进行，是一种极具希望与效率的能源生产方法。1

作物优点理想的生物燃料作物应具有高效光合能力。从当前情况看，芒属作物可算是一种理想的生物燃料作物。“芒”。原产于中国华北和日本，这种植物具有许多优点：

1．生长迅速：它季就能长3米高，所以当地人称它为“象草”。

2．生长泼辣：这种作物从亚热带到温带的广阔地区到处都能生长，它在强日照和高温条件下生长茂盛，对肥水利用率高。在生长期间，可不施化肥和农药，凭它根状茎上的强大根系能有效地吸取养料。

3．燃烧完全：“芒”在收割时比“较干燥，植株体内只会有20%－30%的水分。这种作物在生长过程中从大气中吸收多少二氧化碳，燃烧时就释放多少二氧化碳，不增加大气中二氧化碳的含量。

4．成本低：芒属作物所产生的能源相当于用油菜籽制作的生物柴油的两倍，其成本还不及种植油菜的1/3。

5．产量高：据试验，这种生物燃料作物，每公顷产量高达44吨。如果1公顷平均年“收获”12吨石油，比其它现有任何能源植物都高，而且可连续收获多年。

主要作用绿色植物将向人们提供越来越多样的化学制品和能源。从能源作物提炼出来的生物柴油可以取代石油，减少人类对石油的过度依赖。因而能源作物的开发与种植，不仅使能源可再生和综合利用，减少环境污染，也为农业经济的复苏创造了契机。能源作物将成为人类开发再生能源的又一新途径。

能源作物是再生能源，取之不尽，用之不竭。德国奥尔登堡大学经讲学博士林奇聪在《能源季刊》发表的研究结果指出，每1公顷油菜可生产1200升植物油和1060升的氧气（40个人1年所需的氧气量），植物油不仅可供食用，同时只要经过简单的化学反应，就可变成生物柴油；氧气对净化空气很有益处。

研究结果表明，生物柴油不含硫化物，因此不会形成酸雨现象；另外它可以借由生物分解，避免对土填。地下水的污染。目前世界各国纷纷开往新能源，期望能在维持工业发展的周时，减少温室气体的排放量。

能源作物的种植和利用对增加农民收入、解决三农问题都具有重要意义。我国的土地荒漠化、水土流失、污染等问题十分严重，开发培育适合中国的能源作物，能有效利用退化、退耕和不宜农荒地，对生态恢复有很大的帮助。2

常见品种高梁甜高粱是一种具有优良特性的能源作物,在我国利用甜高粱生产燃料酒精有着广阔的发展前景。3它的气候适应性强，种植方法简单，有很好的遗传可变性，而且全世界很多地方都掌握了种植高梁的经验。高梁的耐干旱性比玉米强，而且对水份的利用效率也远高于玉米、干旱时，它可以保持在 “睡眠”状态，一旦湿度增大就能很快恢复生机。它还有很强的土壤适应性，对营养的要求也较低。一些杂交品种的产量已达到10t/hm2谷物，外加100t/hm2含糖高的绿色秸杆物质。虽然美国开展蔗糖型高梁的研究已有一个多世纪的历史，但它对糖浆型高梁的研究开展的就相对晚一些，这种研究的主要目的是为了生产食用糖浆。还可以用高梁生产乙醇，淡季时再用乙醇作为制糖的原料。

甘蔗甘蔗较早地作为能源作物进行了研究，2是世界很多地方都可以生长的作物，传统上都是用它作为生产糖和酒精的原料。除此之外，它还是潜在的纤维素原料。现在已培育出一些高产的“能源型甘蔗”杂交品种，其试验产量已达到253t/hm2（约含 76t/hm2）。澳大利亚利用他们新培育的优良甘蔗，通过对甘蔗中的糖份进行发酵，每吨甘蔗可生产90L 乙醇。巴西甘蔗产量高，成产乙醇成本低，其燃料乙醇早已进入商业化运行，具有很强的竞争力。2在巴西，已有12个效益最好的酒精厂，其种植的甘蔗产量已达到89t/hm2，每吨甘蔗的酒精产量为79L，这相当于每公顷土地每年的酒精产量超过7000L。 耶路撒冷菜蓟（artichoke）是一种块茎状植物，原生长在北美东部。它的生命力极强，能忍受恶劣条件，尤其是能在干旱、寒冷和土质相对贫瘠的条件下生长，是一种适合于在条件不良地区种植的优良品种。块茎内含有丰富的聚含物—菊粉，它们在酸或水解酶的作用下生成果糖，然后将果糖发酵便生成乙醇。根据法国和美国的试验结果，每吨块茎可以生产85L乙醇，若每公顷生产40t块茎，就相当于每公顷生产出 300～ 400L乙醇。

另外，除了块茎，每公顷还可以生产7～8t干叶蔓，由于它们能做燃料， 因而可为乙醇加工过程提供部分能源。 木薯作为生产乙醇的替代原料已引起世人们的注意，尤其是在巴西和澳大利亚。在巴西，为了推动乙醇生产，木薯被当作甘蔗的补充代用品，因为木薯可以在酸性和贫脊的土地里种植，而甘蔗则只能在比较适宜的环境下生长。

植物油植物性油料作物 植物油本身（或与柴油混和）可作为内燃机燃料。现已对40种不同的植物油在内燃机上进行了短期评价试验，它们当中包括豆油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜于油、棕桐油和蓖麻子油。世界很多地方都有种植向日葵的经验，因此许多试验计划都是利用葵花子油。

植物油燃料工业可以带来许多重要的和具有吸引力的好处， 例如：

1、对于大部分国有的和私营的植物油生产厂来说，一旦需要便 可迅速增加生产，常常只需要一 个生长季节的提前准备时间。

2、种植大部分油料作物只需要种植普通作物（如玉米）那样的技 术。

3、1公顷好的油料作物所生产的燃料，足可以满足种植8- 20hm2其他作物所需要的燃料。

4、由于榨油和浦油技术较简单，因此可以直接在农场生产油料，也可以合作社规模或产业化规模 生产。

5、绝大多数油料作物都有非常强的适应性和忍寒性。

6、植物油贮存和使用都很安全。

7、榨油剩下的副产品经常可当作高蛋白动物饲料。 制取碳氢化合物的植物 已有人提议直接利用植物生产汽油和其他碳氢化合物。例如，为了从Euphorbia Lathyris中提取分子量非常接近石油的碳氢化合物和产生副产品——糖，已在加利福尼亚开展了Euphorbia Lathyris的研究。在有灌溉的条件下，每公顷土地每年可以获得2t油和5t糖。为了评价这种方法的经济可行性，在世界其他地方至少已进行了5次尝试，但不同的研究者所获得的结果却不同。

柳枝稷柳枝稷（学名：Panicum virgatum），多年生草本植物，容易繁殖，草梗粗壮，高度达3米。柳枝稷适应性强,产量潜力大,且对环境友好,是理想的能源作物。4分布于美国得克萨斯州草原地区至加拿大，可用于提炼乙醇燃料。

柳枝稷是北美洲的原生植物，不太需要施肥灌溉，若北美大量种植取代玉米等作物，可以降低农业对生态的冲击，帮助鸟类等野生动物。柳枝稷的生物产量高达20t/hm2，对瘠薄的土壤有很强的适应性，其多年生的特性更是减少了管理强度和投入。2

柳枝稷作为能源作物之一，有以下几个特点：

1、纤维素乙醇 纤维素乙醇比玉米乙醇更能减低碳排放。种植柳枝稷的成本比种植玉米便宜；但是目前生产纤维素乙醇的成本仍然比较高。

2、直接燃烧 柳枝稷可以直接燃烧取得能源，目前已经有办法克服空气污染问题，柳枝稷可以取代（部分）煤炭使用。

3、水土保持 柳枝稷的根很深，可以用作水土保持。种植柳枝稷也可以增加土壤的有机质含量。

4、饲料 柳枝稷是优良的牛饲料，但是对马、绵羊跟山羊有毒。

生物柴油生物柴油是利用植物油脂或动物油脂等可再生资源，制造出来的可以替代石化柴油的所谓“清洁安全”的新型燃料。与传统的石化燃料相比，生物柴油具有可再生、易于生物降解、燃烧污染排放物低等特点。因此，一些国家将生物柴油作为生物能源开发的重点方向。

目前，欧盟是世界开发和应用生物柴油的主要地区。据欧盟有关材料显示，欧盟发展生物柴油既有保障能源安全方面的考虑，也有保护环境、减少温室气体排放的打算。欧盟在温室气体排放量中，约有90%的排放量来自交通运输业。按照《京都议定书》规定，欧盟在2008～2012年间要减少8%的二氧化碳排放量。据测算，欧盟在此期间完成这一指标难度很大。

欧盟把生物质燃料作为主要替代能源。根据《欧盟生物燃料战略》规划，欧盟国家生物质燃料占全部燃料的比重，将从2005年的2%提高到2010年的5?75%、2020年的10%。欧盟计划到2030年，实现生物质燃料在交通运输燃料中占到25%的目标。欧盟开发的生物质燃料，主要是利用油菜籽开发生物柴油。2007年欧盟共生产了约800万吨生物柴油，预计2010年生物柴油产能达到1350万吨。这意味着欧盟国家必须扩大油菜籽的播种面积，增加油菜籽产量，以提供更多的生物柴油开发原料。目前，德国专门用来制造生物柴油的油菜籽，播种面积已达100多万公顷。

总之，随着人口的增加、人们膳食结构的改善，以及以粮食为原料的生物质能源的开发，对粮食的消费需求会不断增加。根据联合国粮农组织在2000年前所作的预测，预计到2030年，世界粮食需求年均增长率为13%，与粮食生产增长率相当；预计世界用于各种用途的粮食总需求将从1999年的186400万吨，增加到2030年的283000万吨，其中食用粮食需求将从1999年的100300万吨增加到2030年的140600万吨；预计发展中国家用于各种用途的粮食总需求将从1999年的112900万吨，增加到2030年的191700万吨，其中食用粮食需求预计将从1999年的79000万吨，增加到2030年的118500万吨；预计世界饲用粮食需求年均增长率1999～2015年间为19%，2015～2030年间为15%。但联合国粮农组织的预测毕竟是有些迟滞，落后于粮食消费需求的实际增加情况，当时世界毕竟还没有大规模用粮食开发生物质能源，因而预计到2030年世界粮食需求年均增长率为13%，略低于实际粮食消费需求增长率。仅美国到2020年左右，按生物质能源开发计划就要消耗10000万吨的玉米，实际消耗量还会更多。所以，未来世界粮食供求的紧张格局已初步形成，而此次世界粮食危机只是这一格局的一次“短暂而又集中”的体现。

利用技术生物质能资源种类繁多，利用技术多样。生物质能包括农作物秸秆、林业剩余物、油料植物、能源作物、生活垃圾和其它有机废弃物。

目前，每年可作为能源使用的农作物秸秆资源量约为1．5亿吨标准煤，林业剩余物资源量约2亿吨标准煤，小桐子(麻疯树)、油菜籽、蓖麻、漆树、黄连木和甜高梁等油料植物和能源作物潜在种植面积可满足年产5000万吨生物液体燃料的原料需求。工业有机废水和禽畜养殖场废水资源量，理论上可以生产沼气近800亿立方米，相当于5700万吨标准煤。根据目前我国生物质能利用技术状况，生物质能利用重点将是沼气、生物质发电、生物质液体燃料等。

沼气技术我国的沼气利用技术基本成熟，尤其是户用沼气，已经有几十年的发展历史。自2003年，农村户用沼气建设被列入国债项目，中央财政资金年投入规模超过25亿元，在政府政策的大力推动下，户用沼气已经形成了规模市场和产业；自2000年，畜禽场、食品加工、酒厂、城市污水处理厂等的大中型沼气工程也开始发展，到2008年底，全国已经建设农村户用沼气池约3000万口，生活污水净化沼气池14万处，畜禽养殖场和工业废水沼气工程达到2700多处，年产沼气约100亿立方米，为近8000万农村人口提供了优质的生活燃料。同时，随着沼气技术不断进步和完善，我国的户用沼气系统和零部件基本实现了标准化生产和专业化施工，大部分地区建立了沼气技术服务机构，具备了较强的技术服务能力。大中型沼气工程工艺技术成熟，已形成了专业化的设计和施工队伍，服务体系基本完备，具备了大规模发展的条件。

生物发电能源作物是生物质能源发展的基础环节，2除沼气外，我国其它生物质能技术的应用仍处于产业化发展初期。在生物质发电方面，已经基本掌握了农林生物质发电、城市垃圾发电、生物质致密成型燃料等技术，但目前的开发利用规模还有待扩大。到2006年，全国生物质发电装机容量超过220万千瓦，其中蔗渣发电170万kW，碾米厂稻壳发电5万kW，城市垃圾焚烧发电40万kW，此外还有一些规模不大的生物质气化发电的示范项目。截止2008年底，共投产150多万千瓦。生物质气化以及垃圾填埋气发电方面，2007年投产10多万千瓦，在建20万千瓦。目前全国已有10多个生物质直燃发电项目在建，装机规模超过20万千瓦。混燃项目装机约50万千瓦。但是，对于达到2010年和2020年生物质发电装机500万千瓦和3000万千瓦的发展目标，仍需解决资源分散、原料收集成本高、原料供应的连续性和保证度等问题。

生物液体燃料在生物液体燃料方面，为了缓解石油供需矛盾，国家积极推进生物液体燃料技术的研发和试点示范工作。“十五”期间国家批准建设了4个以陈化粮为原料的生物燃料乙醇生产试点项目，形成年生产能力102万吨，自2004年，先后在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5个省及河北、山东、江苏、湖北4个省的27个地市开展车用乙醇汽油试点工作，2006年产量达到了165万吨。2007年以来，国家开始限制以粮食为原料的燃料乙醇的生产，燃料乙醇的发展势头变缓。近期内我国生物液体燃料的重点技术研发方向是利用非粮食原料(主要为甜高梁、木薯以及木质纤维素等)生产燃料乙醇技术，以及以小桐子等油料作物为原料制取生物柴油技术，并建设规模化原料供应基地，建立生物质液体燃料加工企业。目前，以甜高梁、木薯为原料的燃料乙醇和以小桐子为原料制取生物柴油已开展了小规模试验，为我国大规模开发利用生物液体燃料积累了经验。预计到2010年，燃料乙醇的年生产能力将达到约200万吨，生物柴油的年生产能力可达到20万吨，总计年替代200万吨成品油。与此同时，我国的部分企业正在研究开发以秸秆、木材等非粮食为原料的生物液体燃料技术，并取得了一定的突破，可望在2010年前后形成规模化生产能力。但是总起来看，不论是生物质发电还是生物液体燃料的发展，达到可再生能源中长期发展规划的目标，局势扑朔迷离、困难重重。

主要问题事实上，即使美国大量应用转基因技术生产用于加工乙醇燃料的玉米，但在目前耕地供给偏紧和干旱等灾害多发的情况下，玉米产量大幅提高的前景仍不乐观。即使未来20年美国玉米产量增加，但加工乙醇燃料的玉米需求量可能比玉米产量增长得更快。因此，未来世界玉米市场的供求关系仍将十分紧张。

可以预见的是，未来玉米价格将保持长期高位运行。这对于自身粮食生产和供给能力不足的发展中国家是十分可怕的事情。由此可能引发玉米价格狂涨，并带动所有的粮食品种价格上涨，进而传导到畜牧业生产领域，肉类食品价格也将随之上升，世界通货膨胀的景象仿佛就在眼前。

需要补充的是，美国除了生产乙醇燃料外，还是最早研发生物柴油和进行商业应用的国家之一。生物柴油在美国的商业应用可追溯到20世纪90年代初。为了促进本国生物柴油的应用，美国于1998年制订了相应的生物柴油标准，严格规范生物柴油的生产和使用。截至2005年4月，包括筹建的企业在内，美国共有60多家生物柴油生产企业，年生产能力已接近100万吨。按照美国的规划，其生物柴油生产能力到2011年将达到115万吨，到2016年将达到330万吨。根据本国的自然资源禀赋，美国生物柴油生产主要以大豆为原料。大豆加工的油脂正是发展中国家主要的食用油品种。近年来大豆及油脂价格不断攀升，这与美国生物柴油的开发和应用有着密切关系。

示范基地2007年7月，农业部颁布了《农业生物质能发展规划》，提出了到2010年，建成一批农业生物质能示范基地，部分领域关键技术达到国际先进水平，产业化程度明显提升，农业废弃物利用范围和规模明显扩大，农村生活用能结构明显优化，农民从农业生物质能产业中获得的收益不断提高.

农业生物质能在国家能源消费中的比例和地位不断上升。到2015年，建成一批农业生物质能基地，技术创新和产业发展体系基本建成，开发利用成本大幅度降低，初步实现农业生物质能产业的市场化。生物质能产业成为农业发展的重要领域，对促进农民增收、改善农村生活条件，建设社会主义新农村作用日趋明显，成为保障国家能源安全、保护生态环境的重要力量。到201O年，全国农村户用沼气总数达到4000万户(新建1800万户)，占适宜农户的30%左右，年生产沼气155亿立方米；到2015年，农村户用沼气总数达到6000万户左右，年生产沼气233亿立方米左右，并逐步推进沼气产业化发展。年，新建规模化养殖场、养殖小区沼气工程4000处，年新增沼气3．36亿立方米；到2015年，建成规模化养殖场、养殖小区沼气工程8000处，年产沼气6．7亿立方米。

发展前景面对问题能源安全和粮食安全是人类面临的两大问题。但是中国的国情不同，中国人多地少，粮食安全的压力长期存在，所以说中国不可能以牺牲粮食安全为代价来发展能源作物，这就要求我们走一条具有中国特色的生物质能源发展道路。始终要坚持“不与人争粮，不与粮争地”的基本原则。具体来说，应该把握好三个方面：

第一，要严格控制利用玉米、油料等作物来制作生物质原料。

第二，坚持充分利用秸秆、畜禽粪便废弃物发展沼气，秸秆气化、固化，部分代替化石能源。

第三，在不与粮争地的前提下，适度发展能源作物，生产生物质原料。5

发展潜力我国在利用农村废弃物方面还是有很大潜力的。我国每年产生的农作物秸秆是7亿吨，畜禽粪便近30亿吨，农村垃圾3.6亿吨，这些都是开发生物质能源的巨大潜力所在。目前，我们已经探索了一些成功的路子，比如这几年来，我们一直在农村大力发展农村沼气事业，把畜禽粪便甚至是生活垃圾处理，转化成生产生活用的能源。到2007年底，农村沼气用户已经达到2650万户，年产沼气102亿立方米。102亿立方米是什么概念呢？相当于1600万吨标准煤，相当于减排4400多万吨二氧化碳。这个我们认为是最大最现实的生物质能源。5