[科普中国]-液体生物燃料

背景

在化石能源大量使用之前，生物能源在人类能源利用史上一直处于主导地位。即使在今天的一些发展中国家，高达90%的能源消耗仍是由生物质能供给的。近些年，随着能源危机的加重及化石燃料大量排放温室气体造成的全球生态环境持续恶化，许多国家开始重新关注生物能源并不同程度地实施了生物液体燃料的生产与利用促进政策。

生物液体燃料经过几年的蓬勃发展，其对环境的负效应引起了人们的关注，争论也日趋激烈，各国政府重新审视生物燃料政策成本以及这些政策可能产生的后果。近年来的研究表明，生物燃料生产的环境成本因原料生产与供应、转化技术等不同差异巨大，使用生物燃料以减轻环境污染的政策目标受到越来越多学者的质疑。2

研究发现，与石油相比，不同的生物燃料在温室气体减排上的作用千差万别。视生产原料和加工方法不同，一些生物燃料排放的温室气体甚至超过化石燃料。提高生物燃料产量引发的直接或间接的土地用途转变，也会产生温室气体，如将森林草场转为作物种植便释放了土壤中贮藏的碳。

此外，能源作物生产过程中为了达到一定的经济产量而转变土地利用方式并进行集约化生产，农业生产技术也相应影响着土壤、水和农田生物多样性的变化，可能造成诸如水土流失、土壤碳库破坏等所附带的环境成本。我国生物燃料发展较晚，相关研究相对薄弱，加强生物燃料产业发展研究，阐明生物燃料发展对环境的影响，无疑有利于促进我国生物燃料产业的健康发展。2

燃料乙醇目前适合中国燃料乙醇生产的能源作物主要有甜高粱、木薯、甘薯和甘蔗等，其资源和研发现状分析如下。3

甜高粱20世纪80年代初，我国开始进行甜高粱能源利用研发。 “八五”、“九五”计划期间，甜高粱秸秆制取乙醇被国家科技部列入科技发展规划。发展至今日，我国甜高粱品种、种植以及利用甜高粱茎秆生产乙醇技术已经逐渐成熟4。

甜高粱的酒精产量可达3.92 t/hm2，约为玉米的2.1倍，木薯的1.3倍，在生物能源系统中是一位强有力的竞争者。3

目前，中国注册甜高粱资源有374份，其中地方品种159份，选系（品种）207份，不育系和保持系4对，资源分布于全国各地区5。

木薯木薯是19世纪初中国从印度尼西亚引进的作物品种，有近200年的历史，已成为仅次于水稻、甘薯、甘蔗和玉米的第五大作物。 2005年全国木薯种植面积 为43.8万hm2，鲜木薯产量约达1100万t6，其中90%以上集中在广东和广西地区，现已初步形成产业优势布局。而广西的种植面积和总产量均占据全国总量的80%7。

目前，木薯发展重点地区的生产已初步实现种植良种化、丰产栽培标准化和加工专业化。但总体来看，中国木薯生产尚处于粗放阶段，单产偏低，平均鲜薯单产只有25.11 t/hm2产量远远不能满足加工需要8。

从生产潜力看，木薯是目前替代粮食生产乙醇最现实可行的原料7。中国木薯酒精加工业是从20世纪90年开始发展的，主要以鲜木薯和木薯干片为原料生产食用酒精及工业酒精。目前，我国酒精产量的1/3以木薯为原料，现有木薯酒精企业30多家，日产能力约2000t，年产木薯酒精约40万t，技术相对成熟。淀粉出酒率为50%～53% ，耗鲜木薯量为6.6～7.2 t或耗木薯干片量2.7～3 t，生产每吨酒精一次耗水量约30m3，耗电量约200kWh，耗标准煤约0.6t。3

甘薯中国是最大的甘薯生产国，每年种植面积约690万hm2，约占世界甘薯种植面积的65.4%，年生产量约12000万t，占世界甘薯总产量的85.9%9。

甘薯种植遍及热带和温带地区，分为北方春薯区、黄淮夏薯区、长江夏薯区、南方夏秋薯区和华南秋冬薯区10。目前，四川、山东、重庆、河南、安徽、河北尚有约466万hm2荒地可供开发。

我国甘薯品种达到60余个，其中种植面积最大的甘薯品种是徐薯18，淀粉含量为18%～20%，干物质率为30%～32%。以山西省为例，甘薯多种植在干旱的丘陵地区，产淀粉达到5.67～6.03 t/hm2，干物质9.45～10.08 t/hm2。目前，每生产一吨乙醇需鲜甘薯7.98 t，平均每公顷甘薯可生产3.03 t乙醇。3

甘蔗我国甘蔗的主要生产区集中在广西、云南、广东、海南4省，甘蔗播种总面积占全国的85%以上；另外，四川、江西、湖南、福建、湖北和贵州等省的种植也占有一定的比例。根据国家统计局的统计11，2006年我国甘蔗收获面积1220.0 khm2，产量10068.4万t，平均单产为82.53 t/ hm2，比2005年63.97t/hm2的单产水平增长了29%。3

我国能源甘蔗的研究起步较晚，但已获得一定进展。用甘蔗生产燃料乙醇，首先需要提汁，再进行浓缩、发酵、蒸馏和脱水等工艺过程。而糖厂中的蔗汁提取、浓缩的工艺和设备都是现成的。就发酵过程而论，大型甘蔗糖厂都有食用乙醇车间，其发酵原料主要是制糖过程中产生的废蜜（糖蜜），在甘蔗糖蜜生产乙醇方面的经验和技术是成熟的。3

近年我国用糖蜜生产酒精（食用酒精）约5亿L，应用纯蔗汁发酵生产燃料乙醇工艺技术方面仍处于中试阶段。能源甘蔗品种是乙醇生产的核心技术。目前我国已选育出3个能源甘蔗品种，蔗茎产量达到121～129.5 t/hm2，每公顷甘蔗可产11～14 t燃料乙醇12。

国家糖料作物改良甘蔗分中心、农业部甘蔗遗传育种重点开放实验室正在进一步完善核心技术，为我国可再生能源工业的兴起提供强有力的原料保障和技术支撑。3

生物柴油我国生物柴油的研发虽起步较晚，但发展速度很快，部分科研成果已达到国际先进水平，目前主要以餐余物（地沟油）为原料，其产量2005年维持在10万t/a；2006年，生物柴油产量急剧放大至50万t。生产的生物柴油尚未进入运输燃料销售供应系统，直接供给运输企业或作为工厂和施工机械的动力燃料生物柴油的原料来源还可以是含油量高的油料植物。3

专家指出，在我国油脂短缺的国情下，仿效西方发达国家，依靠扩大油料作物种植获取油脂资源，并不可取。中国宜林地丰富，应重点发展木本油料作物。 “八五”期间，我国曾针对麻疯树、光皮树、绿玉树等进行了系统的研究，研究内容涉及油脂植物分布、选择、培育、遗传改良及其加工工艺和设备研发等。3目前，各方面都取得了阶段性成果，初步具备了推广应用的技术基础，海南、四川、福建等已开发出拥有自主知识产权的生物柴油生产技术。

麻疯树等木本油料基柴油价可降到3000元/t以下，单就原料价格而言，绿玉树成本最低，油菜籽成本最高。因此，大力开发高含油量木本植物，可解决原料供应和原料价格的双重问题。3

另外，中国林科院、中国农科院、中科院植物所等也对菜籽油、大豆油、棉籽油等生物柴油资源进行了深入的研究，研究的加工方法包括常规的液碱催化酯交换、固体碱催化酯交换等。3

生物液体燃料发展对温室气体减排的影响生物燃料生产传统上以淀粉和糖类为生物质原料经过化学发酵而生产生物乙醇，或以油料作物和树种为原料加工生物柴油，工艺简单、经济可行，一般归结为第一代生物燃料技术。

目前正在逐渐开发的以纤维素为基本原料生成生物乙醇以及以海藻为原料提取生物柴油的生产技术一般称为第二代生物燃料技术。2

将纤维素转化为乙醇要经过两步: 纤维素和半纤维素首先要被分解为糖，然后再将其发酵得到乙醇。第一步在技术上颇具挑战性，技术难点在于寻找合适的催化剂使得糖化过程简单易行。虽然不断研发出高效、低成本的方法来完成这一糖化过程，但到目前为止，商业可行性不足仍阻碍着第二代以纤维素为原料的生物燃料的大量生产。

从海藻中提取生物柴油的技术开发难度更大，美国正在积极开发这一技术以利用原料丰富的海藻。此外，据媒体最新报道，荷兰皇家航空公司宣布“加氢可再生飞行燃料”技术实现新的突破，用餐饮业废弃的食用油生产出一种新型航空燃油，于2011年通过国际标准组织的认证，可以100%地替代石化燃料。2

虽然正在大力发展第二代生物燃料技术，但其目前尚不能进行大规模商业生产，有关第二代生物燃料碳排放的系统评估研究尚不多见，仅仅见诸于新闻媒体的报道。

许多生物液体燃料政策基于“碳中性(Carbon Neutral)”的物理假设，将温室气体减排设定为政策目标之一。所谓碳中性，即指从理论上来讲，生物液体燃料燃烧所排放的二氧化碳与能源作物生长过程中从大气中固定的二氧化碳之间实现了碳平衡。但在实际生产过程中，无论是能源作物的种植过程，还是生物液体燃料的生产加工过程，均需要投入大量的化石能源，生物液体燃料的碳中性问题受到了极大的质疑。最近的研究成果也显示，生物液体燃料温室气体排放受能源作物物种、加工工艺、转化效率等多种因素影响，结果差异很大。2

能在一定程度上减少温室气体的排放近来，对生物液体燃料温室气体减排的研究很多，结论并不一致。其中比较综合的研究成果是国际能源署及粮农组织13对世界范围内生物液体燃料生产过程温室气体排放进行的评估。

研究认为，尽管效益各不相同，但生物液体燃料均能在一定程度上减少温室气体的排放。其中，巴西以甘蔗为原料生产燃料乙醇的温室气体减排效益最好，相比化石能源其温室气体排放可以减少70% ～ 90%; 而以木质纤维素为原料的第二代生物燃料加工技术是值得期待的新技术，一旦突破技术瓶颈，其应用前景极为广阔;；欧盟以甜菜与油菜籽为原料生产生物柴油的温室气体减排效益在40% ～ 60%之间;；美国以玉米为原料生产燃料乙醇的温室气体减排效益只有10%左右。Revin Panray Beeharry14分析了毛里求斯用甘蔗生产燃料乙醇并用蔗渣进行发电的生物能源生产系统，研究认为此生物能源生产系统有利于减轻温室气体排放并带动当地经济发展。

胡志远等研究中国广西木薯燃料乙醇，认为大大降低了化石能源消耗，是潜力巨大的绿色燃料15。据媒体最新报道，荷兰皇家航空旗下的Sky NRG公司宣称用餐饮业废弃油加工航空燃油，避免了作物生长过程造成的碳排放，从而相对传统的化石燃料碳减排60% ～ 80%，今后还可以增加到90%。2

温室气体排放与化石燃料相当，甚至更糟最新的一些研究成果认为生物液体燃料的温室气体排放与石油相比几乎没有差异，甚至更糟。Farrell等研究显示尽管目前利用玉米生产燃料乙醇能有效降低石油的消耗，但是其温室气体的排放量和石油相比几乎没有差异。Joseph Fargione等研究认为，在巴西、印度尼西亚、马来西亚和美国等地将热带雨林泥炭地、热带大草原或草地等转变为种植能源作物以生产生物液体燃料，导致的碳排放远远超过使用生物燃料所少的碳排放，甚至达到17 ～ 420倍。2

若是在退化土地或荒地上种植多年生作物将大大减少碳排放，提供可持续的发展方式。Renton Righelato和Spracklen估算了在农田中种植各种能源作物而避免的碳排放，研究显示将农田变为森林可能会在30a间固定更多的碳。据此认为，如果生物液体燃料支持政策的目标是减缓全球变暖，那么提高燃料燃烧效率、保护森林将是更有效的选择。

张治山等研究认为，与汽油相比，我国夏玉米燃料乙醇的生产并不能明显减少温室气体的排放。也有研究认为，能源植物种植可能释放土壤碳库中所储存的碳，导致土壤碳汇减少、肥力下降，甚至可能产生比传统能源更严重的增温效应。如果能源植物种植破坏了当地的生态系统，如导致热带雨林面积下降，则其在温室气体减排方面的好处不足以弥补热带雨林减少所带来的环境影响。2

生物液体燃料温室气体减排关键生物液体燃料温室气体减排关键是如何评估副产品的替代效应最近一些研究发现，最为显著的分析结果差异源自副产品的分配与土地利用方式转变所导致的碳排放变化。

能源作物种植过程与生物液体燃料加工过程产生的副产品产生的替代效应，如作为饲料处理的副产品及参与二次利用( 诸如蔗渣发电、废料还田) 的副产品，这些被称为是“避免了”的温室气体排放对评估结果影响巨大。此外，能源作物大规模集约化种植导致土地利用方式发生变化，与其他农作物形成土地竞争，垦荒导致的碳排放很难纳入到这一分析体系。如果希望温室气体平衡的评估结果完整而精确，那么土地用途转变导致的排放数据将非常关键。2

生物液体燃料发展对水土资源的影响近些年生物燃料的快速发展加剧了市场对能源作物的需求，大量能源作物单一集约化生产消耗了大量农业用水，占用了大量农业用地，甚至将大量草场、森林快速转化为农田，这些均对水土资源产生了巨大影响。

能源作物消耗大量水资源并造成水质下降很多能源作物( 如甘蔗、棕榈油和玉米) 需要消耗较多的水才能达到商业化产量，因此除非有灌溉，否则这些作物最适合生长在降雨丰富的热带地区( 在巴西，雨育生物燃料作物的生产很普遍，76%的甘蔗依靠降水灌溉; 美国70%的玉米产量靠降雨灌溉)。即使麻风树和水黄皮这些多年生、可在半干旱地区退化土地上生长的作物，在炎热干燥的夏季也需要一些灌溉。

近些年，为满足对生物燃料原料的需求，大规模种植能源作物严重影响了种植地水资源的平衡，非洲南部和东部以及巴西东北部许多蔗糖产区的灌溉生产用水已接近所在流域用水量的上限。生产更多的能源作物将同时影响水资源的质量。2

大规模能源作物单一种植由于过度施用化肥造成养分( 氮和磷) 向地表水流失以及向地下水渗透等问题。Runge和Senauer认为在美国一些地区玉米和大豆的轮作连续被玉米生产取代后，氮肥的大量使用加剧了对水资源的污染。巴西大部分生产乙醇的甘蔗靠雨水灌溉，水并非产量的制约因素，但施用化肥农药造成的水污染是需要关注的主要问题。多样化程度高的草类生物质每产出一单位的能量，预计所需氮肥、磷肥和杀虫剂的用量相对于玉米、大豆等农作物要小一些，从而对水质的负面影响也小得多。2

能源作物集约化生产或对土壤产生负面影响虽然未来几年内扩大种植面积在满足不断增长的生物燃料需求方面将起到重要作用，但目前大部分能源作物需要高质量农田和化肥、农药、水等主要投入物才能实现经济可行的产量，通过改进技术和管理来提高土地集约化程度的辅助作用也是必不可少的。

然而，集约化生产可能对土壤产生巨大的负面影响，但这些影响在很大程度上都取决于耕作技术。耕作方式不当，可能因剥离了永久性土壤覆盖层而减少土壤有机质，加剧土壤侵蚀。清除田间的农业废弃物可能减少土壤养分含量，并因土壤碳流失而增加温室气体排放。

保护性耕作、轮作和其他改良的管理方式在适当条件下可以减少负面影响，甚至在提高生物燃料原料产量的同时改善环境质量。此外，寻找新的对水土消耗较少的能源物种、提高单产、开发新的生物燃料技术( 以木质纤维素原料为基础的第二代生物燃料新技术) 均能减少对土壤的破坏。2

生物液体燃料发展使土地利用方式转变的影响近年来，随着生物燃料的快速发展，市场对能源作物需求远远超过了对农产品的需求，能源作物的大规模种植造成土地利用方式的巨大转变，农田、甚至林地、草场大规模用来种植能源作物，而这种土地利用方式的转变造成的潜在影响巨大。

Searchinger等所做的一项分析揭示了生物燃料间接引发土地用途转变的潜在影响。据他们预测，视政策和市场情况，到2016年，美国用于乙醇生产的玉米种植面积可能会扩大至1280×104hm2甚至更多，由此引起大豆、小麦及其他作物耕种面积减少，从而推动这些产品的价格上涨并导致这些作物在其他国家的种植面积增加。Banse等也预言，加拿大、欧盟、日本、南非和美国的强制性化石燃料混合政策将会导致农田面积大幅上升，特别是在非洲和拉丁美洲。2

其他一些研究也强调生物燃料政策可能会对土地用途转变产生间接影响。为了抑制土地用途的快速转变，对能源作物种植的土地潜力研究正在积极开展，有学者研究了麻风树、甘薯等能源作物种植的土地潜力。在过去50a中，全球农作物产量的大部分增量(约80%) 来自单产提高，其余来自扩大种植面积和提高复种指数。

世界范围内除去森林、保护区及用于满足不断增长的粮食和畜牧业需求所需土地之外，可以用于扩大种植面积的土地估计约在2. 5×108～8×108hm2之间，其中大部分位于拉丁美洲热带地区或非洲。从近期看，可以通过扩大原料作物种植面积来满足对生物燃料的需求; 而就中长期而言，开发优良作物品种、转变农作方式和发明新技术( 例如纤维素转化) 则可能发挥决定性作用。

单产大幅提高及技术进步是实现生物燃料作物可持续生产的关键，从而能够最大限度地抑制农田、林地、草场等向非农田土地的快速转变。2

生物液体燃料发展对生物多样性的影响生物燃料发展对生物多样性的影响同样不容忽视。生物燃料生产可以对野生和农业生物多样性产生一些积极影响，如通过恢复退化的土地等; 但是也可以产生很多不利影响，例如，生物燃料生产造成自然景观被转换为能源作物种植田或泥炭地被排干。Goldemberg在对目前全球生物燃料乙醇发展及巴西甘蔗燃料乙醇30 a的发展进行综合研究之后，曾乐观地表示其他国家可以像巴西一样生产甘蔗燃料乙醇而不会对自然生态造成危害。然而，Goldemberg等次年发表在《Energy Policy》杂志上的进一步研究却表明: 大规模发展甘蔗燃料乙醇对生物多样性产生了负面的影响。总体而言，随着作物种植面积扩大，野生生物多样性由于栖息地的丧失而受到威胁，而农业生物多样性在大规模连作情况下也是脆弱的。2

生物多样性流失的首要途径就是将土地转为农田之后造成的栖息地丧失。目前种植的许多生物燃料作物非常适合热带地区，这增加了具备生物燃料生产潜力的国家将自然生态系统转换为原料种植园的经济激励因素，导致野生生物多样性的流失。尽管已有文章提到在一些国家由于土地被转换为生物燃料原料生产用地而造成自然栖息地丧失的情况，但是评估自然栖息地丧失程度和后果所需的数据和分析仍然不足。Nelson和Robertson对生物燃料需求增长引起的商品价格上涨会如何引发巴西的土地用途转变和集约化生产进行了分析研究，结果发现，高价位驱动的农业扩张可能危及鸟类品种多样性丰富的地区。2

另一种主要途径是由农田集约化生产引起的农业生物多样性流失，表现为作物遗传的单一性。大多数生物燃料原料种植地都建立在单一品种的基础上，这样增加了这些作物感染新发病虫害的可能性。至于第二代生物燃料原料，推广的品种中有些属于入侵物种，从而引发了关于如何对其进行管理和避免意外后果的新担忧。

有人提及，由于在退化或边际土地上引进了多年生混合新品种以修复生态系统机能，增加了生物多样性，从而对生物多样性产生了积极影响。2

中国能源作物制备液体生物燃料的发展趋势“非粮、无污染、低能耗”是我国燃料乙醇发展的先决条件[23]，同时这一条件也代表了今后我国能源作物开发利用的发展方向，即：恪守“不与粮争地”的原则，利用边际土地种植能源作物；致力于研究如何降低能源作物在种植、收集、运输、储藏、制取生物燃料等过程中的生产成本问题；纤维素制乙醇成为国内外业界寄予厚望的重点。3

利用边际土地种植非粮能源作物“不与人争粮，不与粮争地”是生物燃料发展应该遵循的一个基本原则，充分合理地利用宜能边际土地资源，适度发展高产非粮能源作物，将成为我国应对化石能源枯竭，发展替代能源的重要途径。3

2007年4月，农业部科教司向各省市发布了关于开展对我国适宜种植能源作物边际土地资源进行调查评估的函，开始着手对可用于种植能源作物的冬闲地和宜能荒地的调查评估工作。此次调查除对没有连片宜能荒地的一些直辖市、省会城市等大中城市所辖县（市、区）未要求上报外，共收到1845个县（市、区）的资料，基本上覆盖了我国潜在的宜能荒地资源地区。调查表明，我国共有各类宜能边际土地3420万hm2，其中：宜能荒地约2680万hm2，占78.36%；宜能冬闲田约740万hm2，占21.64%。科技部中国生物技术发展中心有关专家指出，

根据能源作物生产条件以及不同作物的用途和社会需求，估计中国未来可以种植甜高粱的宜农荒地资源约有1300万hm2，种植木薯的土地资源约有500万hm2，种植甘蔗的土地资源约有1500万hm2。如果其中20%～30%的宜农荒地可以用来种植上述能源作物，充分利用中国现有土地与技术，生产的生物质可转化5000万t乙醇。3

降低成本消耗居高不下、生产效率低是我国燃料乙醇产业发展的重大障碍。我国现有4家定点燃料乙醇厂家（吉林燃料乙醇有限责任公司、黑龙江华润乙醇公司、河南天冠燃料乙醇有限公司和安徽丰原燃料乙醇有限公司），在国家补贴的前提下，仅能够“保本微利”。如何降低生产成本，减少能耗，做到“不与财政争钱”，将成为今后能源作物在种植、收集、运输、储藏、制取生物燃料等过程中的重点研究内容。3

企业将根据现有的条件，在生物燃料的原料生产、流通以及生物燃料加工等关键环节寻找缩减生产成本的空间。例如，企业将更倾向于将工厂建在能源作物产区，从而缩小收集运输半径；会采用更加经济的生产模式，如“原酒生产企业+酒精精馏企业”模式，由小企业生产酒精含量较低的原酒，再统一集中到精馏企业加工成99.5%的燃料乙醇，从而既减少运输量，又有效降低了生产成本；企业将更加注重实现副产品综合开发，与其它企业形成产业链，提高产品附加值和整体效益；在技术方面，则会更加努力加快技术改造，提高生产效率。3

纤维素制乙醇技术将是未来主要发展方向尽管目前纤维素制取乙醇技术还存在技术障碍，但大部分人仍相信，利用纤维素生产燃料乙醇代表着未来生物燃料发展的方向。在植物纤维质原料中，农林废弃物占有相当大的比例，仅农作物秸秆一项，我国的年产量达到7亿t左右，相当于3.5亿t标准煤，可转化为1亿t燃料乙醇。3

据了解，我国纤维素乙醇研发已取得阶段性成果，纤维素乙醇研究与国际水平差距不大。然而，距离实现工业化生产还有较长时间，当前必须妥善处理存在于原料收集、预处理、糖化、发酵和精馏各工艺过程中的一系列问题，加强技术创新。除此以外，借鉴石油化工的经验，走生物精炼和乙醇联产模式，尽可能最大限度地提升和拓展底物各组分的经济价值，也许成为促使纤维素乙醇产业化的一条重要途径。3