生物质能与节能减排及低碳经济

中国生态农业学报2009年3月第17卷第2期ChineseJournalofEco-Agriculture,March2009,17(2):375−378程序(1944~),男,教授,博士生导师,主要研究方向为可持续农业与生物质能。E-mail:[e-mail]收稿日期:2008-08-17接受日期:2008-10-11DOI:10.3724/SP.J.1011.2009.00375生物质能与节能减排及低碳经济程序(中国农业大学生物质工程中心北京100193)摘要生物质(Biomass,原意生物量)一词出自生态学,现已成为生物质能和生物基材料的惟一可再生性原料的专用词。生物质可部分替代化石能源,减少化石能源使用产生的温室气体及污染物。我国农业和农村在节能减排中应有所作为。农业是惟一生产生物质的产业,在我国的节能减排及向低碳经济战略转型中,生物质能可发挥重大作用,也能成为生态农业的新内涵。关键词生物质能节能减排低碳经济生态农业中图分类号:F3文献标识码:A文章编号:1671-3990(2009)02-0375-04Bioenergy,reductionofenergyconsumptionandwastedischarge,andlow-carboneconomyCHENGXu(CenterforBiomassEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)AbstractTheterm‘biomass’hasbeenfrequentlyusedinrecentyears.Borrowingfromecology,itreferstobio-energyandbio-basedmaterialswhichcansignificantlysubstituteforfossilfuelandreduceGHG(greenhousegases)emission.China’sagricul-tureisamajorconsumeroffossilfuelandreleaserofGHG.ItmaycontributetothelessenergyconsumptionandGHGemissioninthenation.Agricultureisauniqueindustrythatproducesbiomass—arenewablefeedstuffofbioenergy.Inthetransitionperiodfromconventionalhigh-carboneconomytolow-carboneconomy,bioenergyplaysanimportantroleinenrichingChina’seco-agriculture.KeywordsBioenergy,Energyconsumptionreduction,Wastedischargereduction,Low-carboneconomy,Eco-agriculture(ReceivedAug.17,2008;acceptedOct.11,2008)近年来,不但“碳汇(库)”[Csink(pool)]、“碳排放“(Cemission)和“碳循环”(Ccycling)这类生命科学(含生态学)的学术用词进入了通俗话语,甚至连自然科学界新创造的专业用语,如“碳中性”(Cneutral)、“碳封存”(Csequestration)、“碳足迹”(Cfootprint)等,也都很快地被西方社会科学界接受和采用。生态经济学家们更开发了“碳税”(Ctax)、“碳交易”(C-certificatetrading)、“零碳排放能源技术”(C-freeenergytechnology)等概念,在公共领域和媒体频繁出现。“低碳经济”(Low-carboneconomy)则首次出现在2003年英国政府能源白皮书中。“碳”之所以受到如此重视,盖因以CO2和以其为代表的温室气体造成的全球气候变化,已对人类造成巨大威胁。从近代工业革命人类大规模使用煤炭算起,到20世纪前期开始加速开采石油,再到可预见的今后300~500年中全球煤炭资源耗尽(石油和天然气只有几十年)。其生态实质,就是把自然生态系统经几十亿年的漫长进化,才将巨量的碳,通过具长碳链形态的烯烃类(化石能源)封存于地下,从而使大气中CO2、CH4等的浓度降低到适合人类和动物生活;而如今,却要在短短的几百年中,把这些封存的碳集中、快速地释放出来。如同打开了“潘多拉魔盒”,必然极大地破坏生态平衡,造成巨大灾难。大量使用和依靠煤和石油(含天然气)的经济是“高碳经济”,它注定要排放巨量的CO2,还有SO2和氮氧化合物等其他温室气体,是不可持续的。“低碳经济”则要改用含碳量很少甚至不含碳的、并且是可再生的燃料[1,2]。它是针对依靠使用属长碳链烃类的煤、石油的传统“高碳”经济模式而言的,由国际发展界和生态经济学界的一些有识之士近年提376中国生态农业学报2009第17卷出和倡导。联合国环境规划署将2008年“环境日”的主题定为“转变传统观念,推行低碳经济”。生物质(Biomass)的形成是植物同化和固定阳光能和大气中CO2的结果。它是释放CO2的化石能使用的逆向过程。从本质而言,它应能对替代部分化石能源和减少碳排放的绝对量起相当作用。1形成目前我国能耗过高、污染物和温室气体排放量巨大的“高碳经济”的成因近年来,我国高层领导再三强调要走新型工业化道路,包括要发展“跨越式经济”。这些提法完全符合可持续发展的要义。节能减排——具体说是在“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗要比“十五”末降低20%,主要污染物SO2和COD(化学需氧量)排放总量要减少10%——也早已成为国家昀重要的发展目标,写入国民经济“十一五”计划及多个重要文件之中,也是我国应对越来越大的国际温室气体减排压力的利器。1.1中国是典型的高碳经济目前中国仍处于“高能耗经济”阶段,是典型的高碳经济。“十五”和2006年,我国都没有实现年初确定的节能及减排的目标。为此“十一五”规划提出了约束性指标,即到2010年万元GDP能耗在2005年基础上降低20％左右。2007年第一季度,经济同比增长11.1%,而电力消耗却增长14.9%。这里涉及所谓“能源弹性系数”的概念,即国民经济总值每提高1%,相应需能源消耗量增加的百分点。发达国家,即使是能源利用效率昀高的日本,在工业化阶段都经历了能源需求与国内生产总值(GDP)之间弹性系数为1.0以上的阶段。但他们都登上了廉价石油的车,甚至是末班车;且弹性系数很快降至0.5以下。而我们就没有那么幸运了。1.2高能耗不可持续1980~2000年间,我国能源需求与GDP之间的弹性系数为0.43。但2000~2005年间,一次能耗(Consumptionofprimaryenergy)从每年13.86亿t标准煤迅速增至22.25亿t标准煤;弹性系数则超过了1.0(可持续发展要求需求弹性系数低于0.5),其中电力更达1.4。若该弹性系数水平持续到2020年,届时的年能耗将超出50亿t标准煤,比此前昀高的预测值还要高出50%[3]！而届时一次能源的年产量只有不到30亿t标准煤,特别是原油的进口依赖度已接近50%,能源安全受到严重威胁。大量化石能源(主要是煤)消费是空气污染的主因。我国大气中70%的CO2、90%的SO2以及67%的NOx,还有一半以上的总悬浮颗粒均来自煤炭。2006年我国因能源使用的碳排放量14亿t,仅次于居第一位的美国。一些国际专家认为中国的碳排量很快将超过美国。1.3形成高碳经济的最重要原因形成高碳经济的昀重要原因主要是过于依靠工业特别是重化工业和常规制造业。之所以如此是因为内需严重不足,因而不得不依赖基本建设投资,从而产生对高耗能产品钢、水泥、玻璃等建材的巨量需求;同时也不得不依赖出口,经济的外贸依存度近40%,大大超过以出口商品著称的日本(约20%)。而重化工业及相匹配的火力发电均是耗煤特大户;还使第三产业的比例迟迟不能提高,传统的制造业虽然对GDP增长很有贡献,但大量消耗能源和资源,并大量排放温室气体(包括替那些进口中国造产品的国家背“黑锅”),特别是因为能源效率低下,使问题更加严重。2扩大应用生物质能有助于节能减排2.1农村生活和生产用能量可观且增速快2006年,全国能源消费统计总量24.6亿t标准煤,而农村生活用能(不计入统计量)和生产用能每年分别达5.0亿t和4.2亿t标准煤。其中生产用能2/3是煤,能效亦不高,生活用能的55%仍靠沿用了几千年传统的、热效率极低(10%)的直燃生物质方式,因此排放CO2的总量巨大。同时,由于目前农民人均能源消费水平只及城市居民的1/2。可以预料,随着农村全面“小康”和农民收入的不断提高,农村生活用能和生产用能数量还将会较快地大幅增加[4]。以渔业生产为例,2005年我国渔船捕捞、养殖、水产品加工、渔船/渔机制造和渔业饲料的能源消耗折合标准煤1935.2万t,约占我国大农业总消耗量(2005年为7971.53万t标准煤,国家统计局数据)的1/4。而且渔业的单位产值能耗是全国第一产业总体水平1.84倍,其中捕捞业高达8倍。2.2农业是污染物和温室气体的排放“大户”在污染物和温室气体排放[5]方面,除农业造成的非点源污染物(氮、磷化肥)的排放已被很多人认识外,还有鲜为人知的有机污染物——COD排放问题。农产品加工业特别是淀粉、酿酒、造纸等排放大量以COD衡量的高有机物浓度废水。COD是地表水体(湖泊、河流)富营养化的主要源泉之一,被列为国家考核污染治理的两大指标之一(另一项是SO2排放量,主要涉及空气质量)。全国每年工业/城市COD总排放量1400余万t,大部分来自农产品加工业和食品工业。第2期程序:生物质能与节能减排及低碳经济377渔业生产中主要是水产养殖和海洋捕捞业排放污染物。养殖生产的污染物主要是养殖过程中氮和磷的排放,捕捞生产的污染主要是柴油机燃烧的废气、废油排放和船上生活污水排放。据推算,我国海水网箱养殖和池塘养殖的氮排放量可分别达3.7万t和45万t(相比之下我国每年城镇生活污水排放氨氮总量仅90多万t)。另据测算,全年渔业动力机械主要是20多万艘海洋捕捞渔船,NOx排放总量为42.55万t,占全国氮排放总量1860万t的2%(2004年),SOx的排放总量为19.2万t,相当于全国火电厂SO2排放量1281万t的2.3%(2003年)。2.3有机污染物排放案例再来看广西壮族自治区农产品加工的例子。以甘蔗和木薯为原料的制糖业和淀粉(含酒精)业一直是广西壮族自治区两大支柱产业。但甘蔗和木薯在加工糖与淀粉、进而加工酒精过程中,产生数量巨大、以COD衡量的有机污染物含量达数万mg·L−1的废液,即所谓“高浓度有机废液”。广西全境内分布着数百家制糖、淀粉和酒精厂,且绝大部分是中小规模,缺乏彻底根治废液污染的理想技术和设备的状况长期存在。加上还有若干造纸厂、食品厂和酿造厂,使得广西工业废水年COD排放量高达70万余t,居全国各省(市、区)之首。按国家有关环保规定,这些废水的COD值必须经处理降至300mg·L−1以下才能向农地排放;如果是向水系排放,COD值更须降至100mg·L−1以下,其处理难度之大可想而知。2.4治污与获取生物质能的“双赢”换一个角度看,这些高浓度有机废水却是生物质能源的理想原料。一个年产10万t糖蜜酒精厂,废液量120万t,可以回收沼气4032万m3,沼气发电6109万kW·h。据估算,广西糖厂年产生废水800多万m3,淀粉厂年产生废水1300多万m3,酒精厂年产生酒精废水600万m3左右。若将其所含能量回收利用,估计每年可获得10亿m3沼气。2000年起,广西必佳环保科技公司与中国农业大学合作,在引进TLP-UASB技术的基础上,针对糖蜜酒精废液和木薯酒精废液的特点,进行了菌群筛选优化、颗粒污泥昀适宜培养条件以及厌氧罐内部结构的改进,获得了初步的成功:在中试规模下,CO