生物能源1

生物能源Bioenergy主讲：郑一涛[e-mail]关于课件Email地址：[e-mail]密码：ecust2009课程考核课堂表现30％课程论文70％论文主题：与“生物质和生物能源”相关。论文性质：综述，需列出相关参考资料。发现有作弊者，作0分处理。主题一能源危机！2004年世界一次能源利用(资料来源：Science,2007,314:808-810)提示：一次能源是指直接从自然界获得，而且可以直接应用的燃料或动力。目前能源使用情况化石燃料提供了世界能量总量（112亿吨石油当量）的3／4。提示：煤、石油以及与石油有关的天然气（高烃天然气）等含碳能源是地质时代生物遗体演变而成的，因此被称为化石燃料。人均年消耗能源量是6升石油／天（根据2002年世界人口62亿）。各地区数据：北美：世界平均水平的5倍（30升石油／人·天）。欧洲及前苏联地区：北美地区的一半（15升石油／人·天）。世界其它地区：世界平均水平的1／5（1.2升石油／人·天）。石油时代的终结？原油的储量：全球已知的可开采储量是1.01万亿桶。随着勘探规模的扩大和采油技术的提高，可开采储量可达2万亿桶。按照目前全球的原油消耗速度（约300亿桶／年），理论上，原油将在35－70年时间内耗尽。新技术一般要经过约25年时间才能被广泛应用。必须马上推出新的石油替代品。所剩的时间将远远短于石油耗尽的理论时间。目前的原油消耗速度在不断增加，尤其在中国、印度等新兴经济体。供求关系的紧张会在全球范围内产生严重的经济危机和社会冲突。数据来源：McLaren,2005,TRENDSinBiotechnology23:339-3421970－2008石油价格石油时代的终结？石油危机是世界经济或各国经济受到石油价格的变化，所产生的经济危机。迄今被公认的三次石油危机，分别发生在1973年、1979年和1990年。第一次危机（1973年）：1973年10月第四次中东战争爆发，原油价格从每桶3.011美元提高到10.651美元。持续三年的石油危机中，美国的工业生产下降了14%，日本的工业生产下降了20%以上，所有的工业化国家的经济增长都明显放慢。第二次危机（1978年）：1978年底，世界第二大石油出口国伊朗的政局发生剧烈变化，同时爆发的两伊战争使全球石油产量受到影响，从每天580万桶骤降到100万桶以下。油价从1979年的每桶13美元猛增至1980年的34美元，导致上世纪70年代末西方经济全面衰退。第三次危机（1990年）：1990年8月初伊拉克攻占科威特以后，伊拉克遭受国际经济制裁，使得伊拉克的原油供应中断，国际油价因而急升至42美元的高点。美国、英国经济加速陷入衰退。中国石油消耗量和产量美国能源部：2005年10月2日发布世界和中国石油储量美国能源部：2005年10月2日发布主题二温室效应温室温室气体与温室效应大气中某些气体能强烈吸收地面的长波辐射(热)，使之不能散射到宇宙中，具有很强的温室作用。这些气体称为温室气体。温室效应过去140年地球表面温度温室效应过去1000年地球表面温度温室气体大气的主要成分（氮气和氧气）都不是温室气体。氮气和氧气都是同核双原子分子，这类分子既不能吸收也不能发射红外辐射。因为当这类分子的偶极矩总是0，分子振动时也不会发生变化。异核双原子分子如CO或HCl等也不表现出温室效应。CO和HCl吸收红外辐射，但这类气体在大气中难以长时间稳定存在。温室气体主要温室气体：水汽：36-70%（不包括云）；占整体温室效应的60％－70%；二氧化碳：9-26%；约占温室效应的26%；甲烷：4-9%臭氧：3-7%其它温室气体：一氧化二氮（笑气）六氟化硫氢氟烃（氢氟碳化物，HFCs）全氟碳化物（PFCs）氟氯化碳（氟利昂，CFCs）水汽在温室效应中扮演的角色水汽约占自然温室气体总量的三分之二，实际上是大气中最有效并且含量最丰富的温室气体。如果忽略其它温室气体只考虑水汽的话，则自然的温室效应是观测值的60％-70％，而如果只考虑CO2则仅有观测值的27%。水汽的浓度变化主要由气温变化和水循环的相关效应决定，人类对水汽的浓度几乎没有直接的影响。然而随着其它温室气体的增加，大气和地表升温，空气中水蒸汽的量也不断增加，进而增强了其他温室气体最初的增温效应。不管由于温室气体增加还是其他原因引起的大气增温，都可增加大气的可含水量。表面温度的上升增加了全球陆地土态系统和海表的蒸发。大部分蒸发的水汽又随着降水的增加回到地表，但仍有一部分以水蒸汽的形式留在大气中。最近的几十年，全球温度上升的同时全球降水增加，并且部分地区的空气湿度增加。水汽不会降低其它温室气体浓度变化的重要性。温室气体大气中三种温室气体的量的变化趋势——显示进入工业时代以后有大幅度增加《京都议定书》旨在限制全球温室气体排放量的《京都议定书》于1997年12月在日本京都达成协议，2005年2月16日开始正式生效。其中，对二氧化碳、甲烷、氮氧化合物和三种含氟气体（六氟化硫、HFCs、PFCs）的排放作了限制。《京都议定书》规定在2008年之后的5年间，发达国家六种温室气体的排放量要比1990年减少5.2%，其中欧盟国家减少8%。如果超标排放要处以重罚，而对发展中国家暂时没有减排要求。人类活动与温室气体CO2通过燃烧化石燃料获取能源的途径，人类每年向大气排放可达220亿吨CO2，占人类活动产生的CO2总排放量的70％-90％。化石燃料用于交通、工业生产、取暖、制冷、发电以及其它诸多方面。其余的CO2来自土地利用活动。畜牧业、森林砍伐、森林退化和农业用地的管理不善大大增加了CO2的排放，每年的排放量可达20亿-90亿吨。部分土地利用变化所排放的CO2，可由世界一些地区植树造林和改良的土地管理产生的效应抵消。CH4水稻种植、牛羊养殖、垃圾填埋、采煤、炼油以及煤气管道泄漏等都有CH4的排放。N2O化石燃料燃烧、工业生产以及包括化肥使用在内的农业生产活动都会增加大气中的N2O。其它用于制冷、空调和溶剂的氟利昂和其他的卤化烃的生产会增加排放其它一些温室气体。由于它们会消耗平流层中的臭氧层，在现有国际协议的约束下排放已有所减少。温室效应全球化石能源使用－平均温度走势人类活动与温室气体在加拿大：大约三分之一的温室气体排放源于加拿大本国以及出口所需的能源生产，并且发电所需的化石燃料燃烧和能源市场中煤、石油、天然气的开采和生产几乎各占一半。27％源自于加拿大货物和人所需的交通运输（如，卡车、轿车、飞机、火车以及船只等等）。制造业和建筑业的贡献是17％。用于居住、商业和社会公共机构部分的非电能源对排放的贡献是13％。农业为9％。其他国家也有相似的排放源，只不过各方面所占的比例因经济、文化和气候不同而有所差异。温室效应的危害海平面上升；地球上的病虫害增加，影响农业和自然生态系统；气候反常，海洋风暴增多，急剧洪涝、干旱及其他气象灾害；土地干旱，沙漠化面积增大。影响人类健康，气候变暖有可能加大疾病危险和死亡率，增加传染病。高温会给人类的循环系统增加压力，热浪会引起死亡率的增长。主题三生物质和生物能源石器时代的结束并不是因为缺少石头；石油时代的结束也不会是因为缺少石油。谢赫·亚马尼——沙特阿拉伯前石油部长、欧佩克的缔造者之一，1973生物质和生物能源的定义和分类生物质（biomass）定义：生态学上用以表示生物量（即生物现存量）。——最初作为能源的生物资源。——石油危机后蓄有太阳能的各种生物体的总称。用质量或能量表示的生物体的量，或可以看作是能源或工业原料的生物体。树木整体及其一部分切碎以后形成的物质。一定累计量的动植物资源和来源于动植物的废弃物的总称。来源于动植物的、可作为能源利用的物质（原油、天然气、可燃性气体和煤以及由这些物质制造的产品除外）。生物能（bioenergy）定义：从生物质获得的能量。生物能的特征可再生——前提：及时填补利用掉的部分。可储存、可替代——可替代已有的石油、煤炭动力系统。巨大的储存量——森林树木年生长量相当于全世界一次性能源消耗量的7－8倍。生长一年的柳枝稷碳的循环化石燃料的使用——不可再生太阳能大气燃烧（利用）开采化石燃料形成（数百万年）生物质（数百年）碳的循环生物能源的使用——可再生太阳能大气转化（利用）生物质（一年——数年）生物乙醇的使用和碳循环生物质的分类根据生物学观点分类：生态学上的分类：生产者——植物大型消费者（捕食者）——动物微型消费者（腐生生物）——微生物根据植物生物学分类：陆生生物质水生生物质林业生物质农业生物质废弃生物质生物质的分类根据利用价值和用途分类：生产型未利用资源型陆地类水生类糖质类——甘蔗、甜菜、甜高粱等淀粉类——玉米、木薯、红薯等纤维素类——热带牧草、竹草、白杨等烃类——桉树、青珊瑚等油脂类——油椰子、菜籽、向日葵等淡水类——水葫芦、伊乐藻等海洋类——海带、石莼菜等微生物类——绿藻、光合细菌等农林水产类废弃物类农业类——麦杆、食品加工残渣等畜牧业类——动物粪便、养殖场残渣等林业类——二次林、木材加工废料等水产类——死鱼等企业类——制浆污泥等生活类——市政污泥、家庭垃圾等生物质的分类根据利用价值和用途分类：原来的农林水产资源生物质废弃物生物质种植型生物质农业资源——粮食、原材料林业资源——建材、纸浆、碎木片等水产资源——粮食等畜产资源——粮食等——农业、林业、畜业、工业废弃物树木生物质——桉树、白杨、柳树等草本生物质——甘蔗、菜籽、玉米等水生生物质——海藻、海带、浮游生物等生物质的资源量陆地地面以上总的生物质量1.81012吨；海洋中4.0109吨；土壤中1.81012吨。陆地地面以上总生物量换算成总能量3.31022J，是世界能源年消耗量的80倍以上。年净生产量：陆地地面以上1.151011吨；海洋5.51010吨。换算成能量接近世界能源年消耗量的10倍。废弃物类生物质资源的估算废弃类生物质的现存量：生物质种类废弃物产生率（T/T干重）能量换算系数（109J/T干重）米1.416.3麦1.317.5玉米1.017.7根茎作物0.46.0甘蔗（收获时的残余量）0.2817.33甘蔗（榨渣）0.1517.33牛1.10T／年·头15.0猪0.22T／年·头17.0鸡0.037T／年·头13.5马0.55T／年·头14.9水牛、骆驼1.46T／年·头14.9绵羊、山羊0.18T／年·头17.8工业用原木料1.1716.0燃料用木料0.6416.0用料碎屑0.78416.0废弃物类生物质资源的估算废弃类生物质的潜在量：生物质种类可能利用率（％）农业废弃物稻、麦、玉米、根茎作物、甘蔗（收获时的残余物）25甘蔗（榨渣）100畜业废弃物牛、猪、马、鸡、绵羊、山羊、水牛、骆驼的粪便12.5林业废弃物工业用原木材残余物75燃料木材残余物25用料碎屑100废弃物类生物质资源的估算废弃物类生物质的年现存量和年潜在量：蓄禽类：4.31019J；5.41018J农业类：4.81019J；1.51019J林业类：3.71019J；2.21019J能源作物资源量的估算能源作物：以获得能源为主要目的的快速生长的木本类或草本类生物质。不同类型生态系统生物质的平均生长量（吨干重／公顷·年）热带雨林22.0温带草原6.0热带季节林16.0高纬度草地苔原1.4热带常绿林13.0沙漠、半沙漠低木林0.9温带落叶林12.0极地沙漠0.03亚寒带林8.0耕地6.5灌木、低木林7.0湿地、沼泽地30.0热带稀树大草原9.0湖沼、河流4.0生物质的转化技术热化学转化燃烧气化快速热分解碳化水热气化、水热液化合成生物柴油固体燃料化生物学转化甲烷发酵乙醇发酵丙酮－丁醇发酵氢气生产美国能源部生物质项目美国生物质能的研究规划较为系统，研究计划（