生物质车用替代能源产业发展研究

中国发展研究基金会资助项目生物质车用替代能源产业发展研究清华大学公共管理学院柴沁虎2009年8月为探索政策研究人才培养的新机制，为国家未来的理论与政策研究培养后备力量，中国发展研究基金会于1999年设立了“发展研究奖学金”项目。该项目每年从百余位博士研究生提交的论文研究计划中，通过严格的选拔程序，精选10-20篇博士论文研究予以资助。这些研究紧扣中国发展改革的脉搏，从不同学科视角，透视了经济社会发展中的重大问题，实现了理论研究与实践的紧密结合。本项目2007年得到了通用汽车（中国）投资有限公司的资助，更名为“通用汽车•中国发展研究青年奖学金”。本文是该项目2007-2008年度受益优秀博士生的论文摘要。目录一、主要研究方法和结论…………………………………………3二、主要创新点……………………………………………………7三、需要继续完善的地方…………………………………………10编者说明……………………………………………………………111高企的国际原油价格，国内原油产量增长缓慢和国内原油需求快速增加的极不平衡的局面使得中国的石油安全问题备受瞩目。基于石油专家的分析以及中国近年来原油产出的实际情况，中国中远期的原油供需矛盾十分突出。尽管随着先进采油技术的应用，勘探开发力度的加大，中国的原油产出还有一定的上升空间，但是在2010-2020年之间中国的原油产出只能稳定在1.8-2亿吨左右，到2030年原油产出将会不可避免走向下坡（严陆光等，2007）。与此形成对比的是，自1993年中国首度成为石油净进口国以来，中国的石油消费量持续增长，进口量快速增加。中国的石油需求在过去10年来翻了一番，占世界石油需求增长总量的41%；目前世界石油贸易增量中约1/3被用于满足中国的石油需求。目前已有的研究均认为中国的石油对外依存度会在左右突破60%。图1:中国中远期的石油对外依存情况随着经济的发展，人均收入的提高，中国大中城市居民的交通出行方式正在经历从非机动交通向机动交通的快速转变，对高速、快捷、舒适的出行方式的追求使得中国的机动车，尤其是私人轿车的保有量快速增长，轿车领域逐步成为中国石油消费需求增长的最主要的动力。1978年中国的民用汽车保有量为135.84万辆，其中私人轿车不足20万辆，2005年中国的民用汽车保有量已经达到3159.66万辆，其中私人轿车为1848.07万辆。随着私人轿车的普及，专家们普遍预计中国2020年民用汽车保有量将会超过1亿辆。2图2:中国机动车增长情况出于对能源安全、环境保护以及汽车工业跨越式发展的考虑，中国政府一直高度重视、积极扶持各种车用替代能源的发展。经过多年的努力，目前达到商业化推广应用条件的车用替代能源主要是以玉米（小麦）为原料的粮食燃料乙醇，以木薯为原料的非粮燃料乙醇1，煤基燃料甲醇以及压缩天然气。粮食燃料乙醇的推广区域主要是黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽全省以及河北六个地市、山东七个地市、湖北九个地市、江苏五个地市，推广形式主要是低比例掺烧（变性醇的比例为10%，简称E10），目前每年消耗燃料乙醇约102万吨，年替代石油约70万吨（张阿玲等，2007）；木薯燃料乙醇目前产能约20万吨，主要推广区域在广西，采用低比例掺烧的方式；压缩天然气（CompressedNaturalGas，CNG）的主要推广区域是天然气资源丰裕的地区，如四川、重庆等地，以及具备天然气利用条件的一些大中型城市，如西安、银川等城市，推广对象以公交、出租车辆为主，车辆形式多为双燃料天然气汽车，目前每年消耗燃气约16.6亿方，年替代石油接近150万吨（欧阳明高，2007）；煤基甲醇的主要推广区域为山西以及陕西、河南的部分区域，推广形式主要是低比例掺烧（变性醇的比例为15%，简称M15），在个别地区有高比例掺烧的形式存在（变性醇的比例为85%，简称M85），目前每年消耗燃料甲醇约8万吨，年替代石油接近5万吨。发展生物质车用替代燃料是中国交通领域有效应对能源安全和全球气候变化挑战的重要措施，但中国的生物质车用替代燃料产业发展还存在一定的争议，本课题选择生物质车用替代燃料作为分析中国车用替代燃料发展战略的突破口，主要理由如下：尽管煤基燃料、天然气基燃料有可能在解决中国的石油安全问题中1在中国，木薯燃料乙醇被划定为非粮燃料乙醇，但是根据FAO的定义，木薯属于粮食的一类。3发挥重要作用，但是生物质能源是唯一的可以兼顾能源安全与全球气候变化的本土资源。另一方面，关于煤基燃料、天然气基燃料本课题组已经进行了大量的分析，分析结果得到有关专家和政府决策部门的认可，相比之下，生物质资源的利用仍备受争议（申威，2007）。从资源的角度看，目前中国正在实践的利用粮食制取燃料乙醇的技术路线不仅在产业层次为专家所诟病，而且其全生命周期能源消耗和温室气体排放的效果到底如何也倍受争议（宋廷明，2006）（申威，2007）；国家目前鼓励发展的非粮乙醇原料，比如木薯，对外依存度巨大，是否适合被作为重点考虑发展的非粮乙醇原料也充满不确定；国际上普遍看好的纤维素生物燃料除了技术上的问题外，还面临着“与畜争饲”的争论。从燃料加工的角度看，不少研究均认为中国生物燃料加工过程能耗较高，但是中远期中国生物燃料的加工能耗能够降低到一个什么水平则说法不一。这样的背景下，如何定位好各种生物质资源，用好生物质能源，对于提高中国的石油安全和研判中国汽车产业的走向均有着重要意义。一、主要研究方法和结论本文首先使用“从矿井到车轮”的生命周期评价方法给出了被有关部门确定为发展重点的生物质车用替代燃料技术路线（以农业为原料的燃料乙醇、以油料作物、含油林木果实为原料的生物柴油以及以农林废弃物为原料的生物质车用燃料）的生命周期能源消耗、温室气体排放以及持有者成本等方面的影响，进而从产业发展层面探讨目前被确立为重点发展对象的部分生物质车用替代燃料资源可能存在的负面影响；在此基础上，利用线性规划工具探讨了能源安全和全球气候变化影响下生物质车用替代燃料在中国车用替代燃料发展体系中的地位以及发展方向；最后，本文还讨论了汽车产业和生物质车用替代燃料产业如何协同运作，共同促进中国生物质车用替代燃料产业的健康发展。关于车用生物燃料的生命周期评价目前国内已有一些研究机构开展过类似研究，研究大多以GREET模型为基础，本研究在如下领域进行了改进和创新，首先，生命周期评价牵涉的参数繁多，关联性强，为确保分析结果的可信度，本研究花费了大量精力进行数据的本地化工作，构建了完全中国化的相关技术数据库，累计本地化数据达700个左右，基本完成了GREET数据的本地化，为有关部门进行政策决策提供了真实的比较平台；其次，不同的生物质特点各异，对应的工艺路线也有一定的差别，比如玉米燃料乙醇的废醪一般多用于加工高附加值的DDGS4（distillerDriedGrainwithSoluble，可溶性蛋白饲料），但是薯类燃料乙醇的废醪则多通过厌氧-耗氧发酵装置处理，因此同样为淀粉类燃料乙醇技术路线，前者需要消耗大量的能源用于浓缩、干燥，后者则产生大量的能源。本研究采用基于流程的分析方法确定不同技术路线的能耗、物耗。确定各个环节的能源消耗的时候不能推断。最后，目前的很多研究在确定中远期的技术参数的时候往往倾向于采用国际上比较先进工艺的能耗作为中国相应工艺的中远期的能耗，但是却忽略中国和西方发达国家的能源消费结构的差异。西方国家的能源消费结构以燃气等清洁能源为主，中国的能源结构则以煤炭为主。在终端有用能消耗相仿的情况下，由于一次能源转换环节的能效差异，最终一次能源实际消耗可能会有不小的差异。本研究在确定各个技术路线的生命周期评价清单的时候通过建立各个技术路线的物质平衡和终端有用能平衡的方法来确保数据的可信性，并且为确定各个技术路线的节能潜力的奠定基础。生命周期评价结果表明：以煤为主的能源结构，原料种植阶段和燃料加工阶段相对较高的物耗使得近期内以农作物为原料的生物乙醇技术路线，以及以油料作物、含油林木果实为原料的生物柴油技术路线在WTW温室气体排放和化石能消耗方面和传统的汽、柴油技术路线相比不具优势。随着技术的发展，这些技术路线中远期的WTW化石能消耗可能会低于传统的汽、柴油技术路线，但是糖类燃料乙醇和玉米燃料乙醇的WTW温室气体排放仍比汽油技术路线差。资源废弃物的特点使得农林废弃物生物燃料的WTW化石能消耗以及温室气体明显优于传统的汽柴油技术路线，随着时间的推移优势更为明显。0.01.02.03.04.05.06.0SI:93#GasolineSI:E10,CornFFV:E85,CornFFV:E85,CassavaFFV:E85,SweetSorghumDICI:0#DieselDICI:BD5,WasteOilDICI:BD20,WasteOilDICI:BD20,JatrophaDICI:BD20,USSoyDICI:BD20,CHSoyMJ/km图3:中国主要生物车用能源的生命周期评价结果利用生命周期评价的方法可以系统分析特定技术路线的生命周期能源消耗和5温室气体排放等因素，避免片面地看待问题，但是仅仅从生命周期评价的角度尚不足以研判该资源在中国的产业化前景。西方国家在确立车用替代燃料的原料重点时均选择本国或者本地区具备比较优势的原料加以发展，巴西、欧洲和美国概莫能外。值得关注的是，目前被中国政府确定为车用替代燃料重点发展对象的一些生物质资源均存在不小的对外依存，比如中国在选择燃料乙醇技术路线的时候把木薯，这一存在较大对外依存度的作物，作为中国近期燃料乙醇的发展重点。本研究通过部分调整-自适应预期动态模型分析了中国木薯产业对木薯价格的响应情况。从中观的层次分析了木薯燃料乙醇在中国的可行性以及发展木薯燃料乙醇对国内木薯种植业的拉动作用。实证分析表明作为一个典型的存在严重的进口依存的原料，中国木薯种植面积的短期价格弹性大约只有0.006，木薯产出的短期供给价格弹性大约为0.02，远远小于周边的东南亚地区。这一结论的政策内涵包括：首先，目前中国的木薯燃料乙醇在成本上尚无法和传统的汽油竞争，需要政府进行大量的财政补贴维系生产装置的运转；其次，有关部门希望通过增加木薯需求促进中国国内产能增加，产业升级可能只是一个良好的愿望。通过生命周期评价确定出各个技术路线的生命周期能源消耗、温室气体排放、消费者的持有者成本后，本研究采用情景分析的方法优化出不同的发展情景下成本最小的车用替代燃料路线组合。情景设定的主要原则是不同的温室气体排放压力和石油安全压力，同过逐步放松全球气候变化和石油安全约束可以判断各种替代燃料技术路线在中国车用替代燃料发展路线图中的地位和作用。通过对每一个优化过程中全球气候变化和石油安全约束的松紧可以判断石油安全和全球气候变化对中国的汽车制造业以及交通活动影响如何。考虑到中国的生物质资源总量以及研究的系统性、全面性，本研究在进行情景优化的时候也考虑了以化石资源为原料的车用替代燃料，主要包括煤基甲醇、煤基费托柴油、煤基氢和压缩天然气等技术路线。这些技术路线的确定主要是基于张阿玲（2008）的激励-阻碍分析框架，相关技术路路线的参数确定也主要参考张阿玲（2008）的研究。分析结果表明，全球气候变化是中国的轻型车领域面临的主要挑战，石油安全的约束则远远小于全球气候变化。政府部门在制定导向性车用替代燃料产业发展政策时，应该优先考虑以温室气体排放作为激励措施的落脚点，从而以最小的成本在最大程度上兼顾石油安全和温室气体排放。基于组合优化的角度看，从燃料的角度看，应该高度关注纤维素通过热化学工艺转化为液体燃料，从车辆的角度应该高度关注先进内燃机技术，应该大力促成汽车零部件的整体升级，使之能够适应醇类燃料。6不同石油安全和温室气体排放约束下对应的昀优组合0400080001200016000P2G4P2G5P2G6P2G7P2G8P2G9P2G10P3G4P3G5P3G6P3G7P3G8P3G9P3G10P4G4P4G5P4G6P4G7P4G8P4G9P4G10P5G4P5G5P5G6P5G7P5G8P5G9P5G10辆直喷柴油车:0#柴油单