生物能源现状与发展前景

生物能源现状与发展前景

黄华兵

绿色植物是生物圈中最大的生产者，绿色植物通过光合作用等各种生命活动将太阳能转化为化学能，在生物体能储存，从而成为生物能源，生物能源广泛存在于我们身边，并为我们所利用，随着近代工业的兴起，生物能源逐渐被矿物质能源所取代而被人们忽视。近年来，全球性的能源危机，世环境急剧恶化（酸雨、温室效应等），全球化经济衰退等重大问题都与能源息息相关。生物能源则以其污染小、资源丰富、方便安全、可再生、多样化等优点得到了世界范围的高度重视。

生物能源不仅分布广泛而且数量巨大。据不完全统计，全世界每年产生生物能源的量是全世界耗能量的10倍之多。生物能源不同于矿物能源，它具有再生性，不会消耗殆尽。生物能源取材广泛，可以大大减少了对少数矿物质能源的依赖，使能源利用的多样性发展。目前，世界上生物能源的使用量排在第4位，虽然在煤炭、石油、天然气之后，但它具有很大的应用前景。尤其在20世纪70年代后，生物能源领域得到子快速的发展。生物能源通常包括：农业生物能源（农业作物、农业废弃物等），林业生物能源（木炭、薪材、林业废弃物）微生物能源（主要为藻类、细菌），城市及工业废物残渣，动物粪便等。

1、农业生物能源

农业生物能源来源极为广泛，主要有农业废弃物和农业作物两大类。农业作物的种类很丰富，如甜高粱、稻米、木薯、甘薯、油菜籽、玉米、花生等；农业废弃物如桔秆、枝条、谷壳等。

（1）农业作物中有许多物种都可以用于转化为生物能源。农业作物具有很多品质上的优良性状，如产量高，成熟快，抗病能力强，光合作用效率高等优点。农业作物适合于大面积的田地种植，因此便于撒种、施肥、施药、采集，可以进行现代化大规模种植和采收，利于进行机械化管理。在农业作物中，有一类富含糖、淀粉、纤维的植物，如木薯、甘蔗、甜菜、玉米、高粱等，这一类作物经过发酵等化学手段可以获得醇类，并且产率很高，而另一类农作物，如大豆、花生、油菜籽等中，则可以通过物理，化学手段，直接取得生物柴油。

a、醇类燃料。农作物中所含的多糖类物质（淀粉、纤维素）经过微生物发酵可以产生乙醇。燃料醇类可以以10%的比例加入汽油中，称为汽油醇。汽油醇不仅可以减少汽油的消耗，还可以减少铅、硫的污染，从而起到环境的净化作用。

甘蔗的生物能源利用。在巴西，人们利用甘蔗发酵产生酒精，相当于每天生产117万桶石油，实现了国家不进口石油的目标。这不仅节省了大量外汇，还创造了大量的就业岗位和相关产业，具有重大的经济效益和社会效益。在环境方面，燃料酒精燃烧充分，可以减少了对空气的污染，大大提高了空气质量。

甜高粱的生物能源利用。甜高粱源产于非洲，于20世纪70年代引入我国，得到大面积种植。甜高粱的光合效率很高，是一般粮食作物的数倍。它的茎富含糖分，易经过发酵转化为燃料。使用甜高制造酒精的原料，成本仅为粮食的一半。用甜高粱制造了酒精不仅降低了成本，而且扩大了燃料酒精发酵原料的来源。

甘薯的生物能源利用。甘薯的块根富含淀粉，经过发酵、蒸馏可产生燃料酒精。

甘薯的单位面积产量很高，我国甘薯种植面积很广，因此甘薯作为生物能源潜力很大。

b、生物柴油。植物油脂和动物油脂通过脂化及应形成硬脂及生物柴油。目前，发达国家使用油菜籽或大豆作为原料进行了生物柴油的生产。生产柴油燃烧后的尾气中，有毒气体，颗粒物含量仅为普通柴油的10%左右。目前，生物柴油有国外已经得到了广泛的使用。随着能源们的紧缺，生物柴油在将来会成为一个重要的能源产量。

（2）、农业废弃物

在农业物产过程中，人们将植物可以利用的部分取走后，还剩下了很大一部分不能利用或者利用价值低的物质，称为农业废弃物。

秸杆是主要的农业废弃物，我国是农业大国，每年的秸杆多达7×108t。a、利用秸杆可以生产沼气，沼气的热植比煤大。我国农村有沼气池地数百万个，但都属于小型沼气池。b、利用秸杆燃烧也可以发电，1988年第一个利用秸杆发电的发电站在丹麦建成。利用秸杆发电，成本低，污染小。c、利用秸杆可生产生物柴油。在催化剂的作用下，秸杆可以转化为汽油和柴油等有机物。总的来说，秸杆作为生物能源污染很小，成本较低，已经逐渐得到了人们的青睐。

2、林业生物能源

林业生物能源和农业生物能源一样在能源利用中同样起着十分重要的作用。林业生物能源在未来能源利用领域中存在着巨大的开发潜力和广泛的市场前景。林业生物能源主要来自森林生态系统，它对太阳光的利用率远高于农业生态系统。据报道，森林生态每年通过植物光合作用吸收的CO2 量为3.28×1010t，实际每年吸收量达到3.28×1010t。由此可见，林业生物能源存在着巨大潜力。

林业能源的主要组成部分里木柴能源，包括薪柴、木炭，林业废弃物和作为燃料用的其他木质产品，薪柴指的是圆木段、块、枝成梱类似形状的木柴。它主要来源于林业用地，所以大规模的砍伐森林会造成薪柴的短缺。木炭是上好的木柴经过拱制等工序加工而成，它也来源于木柴。林业废弃物指的是利用价值低的木条，据木等。目前，木柴燃料一般利用3种加工方法：薪柴燃烧，木质压缩成型，木浊复合。薪柴燃烧是最普通的方法，也是传统的手段，木质压缩成型燃料和木油复合燃料是新型的木柴燃料。

（1）薪柴燃烧

我国传统的木质柴料通常采用薪柴燃烧的方法，但是存在很多弊端，如污染大、利用率低、资源浪费成本高等。有人认为这种方法不适合未来的普及应用，原因如下：a、木质柴料源自林业资源大规模砍伐会造成生态系统的破坏，b、木质燃料利用率低，污染大逐渐被新型的燃料所取代。C、使用木柴架燃料会释放出大量的CO2，从而导致全球气暖。但是结合我国实情来看，我国是个农业大国、农业、林业资源十分丰富，如果能充分利用这些资源，改进技术，提高利用率，减少污染，那么未来能源供应的前景就极为乐观。

（2）木质压缩成型燃料

木质压缩成型技术是将木质化柴料如树皮、木片等物质，经粉碎、筛选、干燥、高压成型制成各种不同形状的固体燃料。木柴能源中的薪柴，木片等木质柴料均可采用这种方法。木质压成型燃料起源于第一世界大战和20世纪30年代的经济萧条时期，我国起步较晚，至今还没有得到推广。但我国的市场很大，有巨大的开发潜力。木质压缩成型燃料将会是未来最有竞争力的能源燃料中的一种。

（3）木油复合燃料

日本近年来研制出了一种新型燃料——木油复合燃料。它是由木质粉，燃油，表面活性剂等成分复合而成的。其优点就在于充分利用了木质柴料，通过不同的方法将其磨成微粉状，从而增加了木柴的利用率，节约了原料。当然，这种方法尚处于研制中，重点是如何解决木质原料的微粉碎。

除此之外，对木质生物质的转化还可采取气化，液化，石状化等技术进行加工。总之充分利用林业资源是我国能源开发工作中的重点，这也非常符合我国的国情。

3、微生物能源

微生物能源资源丰富，是重要的再生能源，在生物能源的开发利用中起着不容忽视的作用。微生物中的蓝绿藻、光合菌、厌氧菌等都可以通过不同的方法产生H2。H2是重要工业原料，也是理想的节能原料，所以世界各国未来对H2的需求量极大。当前，制备H2的方法主要有：电解水制氢，利用太阳能制氢，以煤、石油和天然气等物质制氢。然而这些方法都是不理想的制氢方法；水电解法成本太高，太阳能制氢也正在研究中，用煤等矿物质制氢又不符合可持续发展策略。所以微生物制氢。就受到了人们的广泛关注。

微生物制氢是利用微生物在常温压下进行酶催化反应制得H2。可以制备氢气的微生物常见的有3类：藻类、光合菌和厌氧菌。

藻类利用太阳光光解水，固定碳而产生H2，但同时也产生了02，容易引起爆炸或者使氢酶失活。现在，科学家已找到一种绿色藻类，通过改变它的生活环境来增加H2的产量。

光合菌（包括绿藻和蓝细菌）是在有机酶的作用下利用光产生氢气和CO 2的细菌。这类菌可以利用太阳能产生H2，也可以利用葡萄糖和有机酸等各种有机物产生H2。其优点是放氢不放氧，较安全，并且产氢的效率很高。但是光合菌制氢的方法一直没有得到大规模使用，其原因就在于它不能利用太阳能光解水，而且也不能轻而易举地获得有机酸。

厌氧菌不需要O 2，而是利用生物界的有机物（蛋白质、葡萄糖等）产生H2、O2

和有机酸。厌氧菌通过无氧发酵，产生H2的速率相对较高。但此种方法也有弊端，厌氧菌产生的发酵液如不经过处理，会造成水体污染。

在国外，微生物制氢已经得到了实际应用，在我国也有十分广阔的应用前景。 4、城市、工业废物残渣和动物粪便

随着近代工业的发展，城市化进程的速度，迅速增大。城市和工业在经人们带来便捷和舒适的同时，也不可避免地带来了副产品——城市及工业废物残渣。城市及工业废物残渣的种类多样，数量巨大，如食用的废油，生产后的食物下脚料，部份生活垃圾等。动物粪便主要是畜禽产生的，尤其是现代化大规模养殖场，数以万计的动物将会产生大量的粪便。对这些粪便的处理就成为重要的问题。

在隔绝空气的适合条件下，生活垃圾，工业废物残渣，动物粪便，秸杆，畜禽类便等废弃物在细菌的作用下，产生以甲烷为主的可燃气体——沼气。在各国，沼气已得到广泛的利用，现在正向规模化，集约化发展。美国纽约建成的垃圾处理站，能处理垃圾，并能将回收的沼气用于发电，剩余废渣还可以用于肥料生产。仅1995年我国排放的垃圾量就可产生4.9×1010KW·h的电能，利用垃圾等废弃物的燃烧可以直接产生电能。生物质废弃物由于其体积大，密度低，不便于运输等原因，不适合建成大型垃圾发电厂。现在通常是在发电的矿物质能源中加入一定比例的生物质废弃物，这样不仅可以

节约矿质能源还可以减少污染，净化环境。美国有垃圾发电厂100多座，装机总容量为世界第一。在欧州国家，已建成生物质颗粒燃料工厂数十家，形成了大规模生物能源利用产业。

城市、工业废物残渣中的有机油类，经过处理也可以回收利用。德国政府制定法规，规定生活中的废弃油类，经过统一回收，过滤处理，净化等工序，可以直按比例加入汽油或柴油中使用。

5、人类社会的发展面临着世界化石能源枯竭这一重大问题。不仅如此，由于大量化石燃料如煤、石油、天然气的使用，导致大量CO 2进入大气层，引发了温室效应，发生了全球气候变暖，永久冰川融化，海平面急速上升等威胁人类生存的事件。而生物由于是可再生能源，不仅可重复利用，而且取之不尽，用之不竭。生物能源燃烧后产生的CO2是植物光合作用时从大气中固定的CO 2，所以不会引起大气层中CO 2的的含量增高。生物能源来源广泛，数量巨大，取材方便，完全可以眉满足人类社会对能源的需求。生物能源可以变废为宝，一方面可以产生经济效益，节约能源，资金，另一方面可以减少废弃物数量，减少污染，从而保护了自然环境。