美国先进生物燃料技术政策与态势分析

书书书中国生物工程杂志　ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，３０（１）：１１７１２３美国先进生物燃料技术政策与态势分析刘润生（中国科学技术信息研究所　北京　１０００３８）摘要　美国是生物燃料大国，更是先进生物燃料研发强国。美国制定了宏大的生物燃料发展目标，采取了有力的政策支持措施，组织实施了生物质计划，将纤维素乙醇作为目前先进生物燃料研究、开发和示范的焦点，并已着手第三代生物燃料的研发。美国政府十分重视生物燃料的规划分析和部际协调工作，在立足于基础研究和应用研究前沿的基础上，大力推进技术示范与商业化，正努力加速向先进生物燃料转变。关键词　美国　生物质　先进生物燃料　纤维素乙醇　生物炼制中图分类号　ＴＱ９１收稿日期：２００９０６２３　　修回日期：２００９１１０９电子信箱：[e-mail]　　生物质是唯一可以转化为液体燃料的可再生资源，所以生物燃料被认为是非常具有吸引力的石油替代燃料。要使生物燃料获得成功，它们必须具有价格竞争力、净能源效率，有利于环境保护，而且不影响粮食供应。以非粮生物质原料为基础的先进生物燃料符合上述要求，但目前距大规模商业化生产还有较远的距离［１］。由金融风暴演化的经济危机引起了人们对生物燃料投资的担忧，但是美国开展先进生物燃料研发与示范活动的努力有增无减。美国现任总统奥巴马认为，帮助美国能源独立，玉米乙醇是一种重要的过渡技术，还承诺要加速向先进生物燃料的转变，并努力付诸实施。１　美国生物燃料发展的现状　　美国是生物燃料大国，其生物燃料产业的特点表现为：近年来玉米乙醇发展迅猛，正趋向成熟，纤维素乙醇技术颇受支持，第三代生物燃料的研发已经开始。　　在油价屡创新高时期，美国的玉米乙醇显示出成本竞争力，玉米价格看涨，玉米供应相当紧张，以致美国用食品换能源的政策备受质疑。随着石油价格大幅回落，加之当前经济危机的影响，私营部门投资积极性受挫，这对美国近期生物燃料产业的发展产生了非常不利的影响。　　发展玉米乙醇虽然饱受质疑，但是作为“一种重要的过渡技术”，为美国生物燃料的发展奠定了市场基础。更为重要的是，纤维素乙醇的生产成本已实现大幅减少。根据美国可再生能源实验室的模拟估计，纤维素乙醇的生产成本（出厂价格）已由２００１年的５．９５美元／加仑下降到现在的２．２６美元／加仑。另外，还从油料作物和玉米葡糖中开发出了高价值的塑料、泡沫和涂料等生物材料。　　美国的生物燃料技术水平处于世界领先地位，但是，纤维素乙醇等先进生物燃料的大规模商业化生产还面临着市场、技术及公众认识等方面的障碍。市场障碍包括缺乏纤维素原料市场、投资费用高、基础设施少等。技术障碍包括缺乏原料收集设备，对生物酶和微生物的要求高，成本竞争力还需加强等。公众认识方面的障碍主要体现为公众对先进生物燃料缺乏了解。２　美国先进生物燃料发展目标及政策支持２．１　美国先进生物燃料发展目标　　为降低对石油的依赖，美国制定了宏大的生物燃料发展目标，并明确了发展时间表。《能源独立与安全法２００７》扩大了《能源政策法２００５》中的可再生燃料标准（ｒｅｎｅｗａｂｌｅｆｕｅｌｓｔａｎｄａｒｄ，ＲＦＳ），将先进生物燃料定义为“寿命周期内温室气体排放比参考基准减少５０％以上的、玉米乙醇以外的可再生燃料”，并要求：①可再生燃料生产从２００８年的９０亿加仑／年增加到２０２２年的３６０亿加仑／年，其中，先进生物燃料的产量到２０１２年中国生物工程杂志ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．３０Ｎｏ．１２０１０要达到２０亿加仑，２０１７年达到９０亿加仑，２０２２年为２１０亿加仑；②玉米乙醇的最高产量限定为１５０亿加仑；③由新生产设施生产的可再生燃料，在寿命周期内温室气体排放量要比石化燃料至少低２０％。　　①美国前总统布什在２００７年国情咨文中公布的能源目标，即在未来１０年内，美国将通过开发替代燃料和提高燃油效率，将汽油消耗量降低２０％。　　专家分析［２］，如果按照ＲＦＳ的要求，对先进生物燃料的投资在４年内必须达到１１０亿美元，１０年内增加到４６０亿美元，１５年内增加到１０５０亿美元。到２０１２年，先进生物燃料生产的增长将至少需要３５家年产５５００万加仑／年的生物燃料厂投产，到２０１７年为１６４家，到２０２２年达到３８２家。如果只依赖私营企业来实现投资目标，困难颇多，因此需要政府在研发、税收、补贴、融资和贷款担保等方面给予大力支持，其代价必将不菲。２．２　美国加速先进生物燃料商业化的主要政策　　美国重视制定发展先进生物燃料的政策，这主要体现于政令与立法之中。与生物燃料相关的政令有第１３４２３号和第１３４３２号总统令、“１０年２０”计划①和先进能源计划。相关立法则有《能源独立与安全法２００７》、《食品、环境保护和能源法２００８》、《能源政策法２００５》、《美国创造就业法２００４》、《ＳｕｎＧｒａｎｔ研究倡议法２００３》和《生物质研究开发法２０００》。其中，加速实现先进生物燃料的商业化是近期以及未来的政策焦点。　　美国州长乙醇联盟对《能源政策法２００５》中有关燃料乙醇研究、开发、示范和政策激励的规定进行了统计分析，结果表明，２００６年至２０１５年间的资金支持将在４０亿美元以上，支持对象主要是纤维素乙醇［３］。　　《能源独立与安全法２００７》鼓励纤维素乙醇等先进生物燃料的生产，优先资助能够最大程度减少温室气体排放的申请项目，并规定只有那些减排８０％的项目才会获得拨款，２００８年至２０１５年将拨款５亿美元。　　《食品、环境保护和能源法２００８》将加速先进生物燃料的商业化。该法的要点有：①对生产先进生物燃料的生物炼制示范厂给予资助，资助额达到开发建设成本的３０％；②允许对生产先进生物燃料的生物炼制示范厂的建设给予高达２．５亿美元或项目成本８０％的贷款担保；③加大纤维素乙醇的税收优惠力度，２０１２年年底前，１加仑纤维素乙醇生产享受的税收抵免从０．５１美元增加到１．０１美元。　　在当前经济危机的背景下，美国政府还将从《美国经济复兴与再投资法》中提供７．８６５亿美元，以加速先进生物燃料研发，并通过向商业生物炼制厂追加额外资助来扩大商业化［４］，为经济复兴和创造就业做出贡献。３　美国能源部生物质计划３．１　生物质计划概况　　将丰富的可再生的生物质资源转化为具有成本竞争力、性能优越的生物燃料、生物产品和生物电力是美国生物质计划的使命所在。为加强生物质计划的管理，美国能源部在能源效率和可再生能源局（ＥＥＲＥ）设立了生物质计划办公室（ＯｆｆｉｃｅｏｆｔｈｅＢｉｏｍａｓｓＰｒｏｇｒａｍ，ＯＢＰ）。　　在最新发布的《生物质多年度计划方案》［５］中，确定了清晰的计划逻辑框架；并运用项目管理中的工作分解结构方法，根据计划目标对ＯＢＰ的任务进行了分解（图１）。　　基于布什提出的“１０年２０”计划、技术成熟度和市场接受度等方面的考虑，目前生物质计划主要关注纤维素乙醇的开发与示范。从生产技术、成本效益、性能方面看，其他的先进生物燃料，如生物丁醇、藻类制烃、费托合成油等，仍处于研究初期；转脂工艺生产的生物柴油已经商业化。不过，随着生物质转化技术的进步和运输燃料市场的发展，生物质计划的范围将扩大至有助于实现ＲＦＳ目标的其他生物燃料。　　生物质计划希望通过技术研发有力促进纤维素乙醇商业化。生物质计划的短期目标是：培育突破性技术，到２０１２年使用成熟技术生产的纤维素乙醇有成本竞争力，生产成本要降低到１．３３美元／加仑。其中期目标是：２０１７年前，营造有利于实现生物燃料可持续生产的环境，包括有成本效益的技术、充足的基础设施、适当的政策和支持的客户等，为“１０年２０”计划做出贡献；成本降低到１．２美元／加仑。能源部确立的长期目标是，到２０３０年生物燃料将替代２００４年汽油消费量的３０％，相当于６００亿加仑的乙醇。　　生物质计划将生物化学方法和热化学方法作为生物燃料研发的两条途径。对于生物化学方法，美国的研发重点为预处理、酶水解、乙醇微生物和产品采收；对于热化学方法，主要关注两条路线，一条是气化后进行气体处理和燃料合成，另一条是液化后进行生物油处理和燃料合成。　　综合生物炼制厂是将生物质转化为燃料、电力和８１１２０１０，３０（１）刘润生：美国先进生物燃料技术政策与态势分析图１　生物质计划办公室（ＯＢＰ）的工作分解Ｆｉｇ．１　ＷｏｒｋｂｒｅａｋｄｏｗｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＯｆｆｉｃｅｏｆｔｈｅＢｉｏｍａｓｓＰｒｏｇｒａｍ化学品的工厂［６］。能源部采取７条可能的路径来部署综合生物炼制（图１），这些路径与资源基础和已有的产业细分市场联系在一起。如美国的森林工业已开始与电力、石油、化工公司合作，旨在利用林木废弃物生产能源及化工产品。３．２　生物质计划的资金支持　　为消除纤维素乙醇的生产障碍，美国能源部采取的解决之道包括：通过研发改进酶的效力，降低酶转化的成本；对用于糖发酵的先进微生物进行研发；重新将热化学转化方法确定为取得成功的第二条路径；为贷款担保项目、生物炼制商业示范项目和１０％商业规模的验证项目提供资金支持。　　在资金支持政策设计上，重视系统性，从基础研究、试验发展到产业化的全过程，对生物能源给予持续和成本分担份额递减的补助政策，以降低企业投资的风险：①在基础研究方面，全额拨款支持实验室研发；②在技术开发和工业性试验阶段，由于所需资金相对较大，市场前景不明朗，资金补助比例维持在５０％～８０％的水平；③在商业化初期，向初期的商业工厂提供贷款担保，甚至３０％的建设资金。这种做法有效保证了技术研发活动的持续性和技术储备的不断累积，这是美国先进生物燃料技术走在世界前列的重要原因之一。　　为响应ＲＦＳ中的生物燃料发展目标，生物质计划的资金支持力度也很大。２００７年能源部宣布为多年期生物燃料研发项目提供１０亿多美元的拨款，对技术部署（小规模和商业规模生物炼制厂的建设）和核心技术研发提供支持［７］。２００７年和２００８年生物燃料的联邦研发经费投入大幅增加（图２）。２０１０年生物质研发的预算请求额比２００９年２．１７亿美元的拨款额增加了８．３％，这不包括《美国经济复兴与再投资法》中提供的７．８６５亿美元［８］。这也表明能源部支持发展先进生物燃料的态度是明确的。　　为加快开发经济上可行的综合生物炼制厂，推进先进生物燃料商业化，２００８年对综合生物炼制技术的年度资助额占拨款总额的５２％。热化学转化平台和生物化学转化平台的研发资助则分别占拨款总额的１３％和２０％。　　美国能源部采取成本分担的方式与产业界伙伴紧密合作，推动技术部署。２００８年对产业界的拨款达到了资助总额的４４％，资助的项目有小型商业生物炼制项目、生物炼制示范项目、酶开发项目、乙醇微生物开发项目和热化学转化项目。对实验室和大学的核心研发活动的资助分别占２２％和１４％。４　注重规划分析与评估　　美国能源部一直重视相关的规划分析与评估工作，近年来公布了许多重要文件，其突出特点是从供应链的角度进行系统分析。２００２年生物质研究开发技术咨询委员按照能源部和农业部部长的要求，会先后制９１１中国生物工程杂志ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．３０Ｎｏ．１２０１０图２　２００４～２００８年资助情况（不包括专项拨款）Ｆｉｇ．２　ＦｕｎｄｉｎｇｏｆｔｈｅＢｉｏｍａｓｓＰｒｏｇｒａｍ（２００４～２００８，Ｅａｒｍａｒｋｓａｒｅｎｏｔｉｎｃｌｕｄｅｄ）Ｓｏｕｒｃｅ：ＵＳＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙ定了《美国生物能源和生物产品的发展远景》、《生物质技术路线图》。２００４年ＯＢＰ组织专家，制定了详细的《生物质计划多年度技术计划２００４２００８》。　　２００５年，橡树岭国家实验室在ＯＢＰ的支持下，完成《生物能源和生物产品产业的生物质原料：年供应１０亿吨的技术可行性》的报告。报告认为美国生物质可持续供应的潜力超过１３亿吨干重，绝大部分为非粮原料，足以满足到２０３０年实现替代２００４年汽油消费量３０％的需要［９］。　　２００６年６月能源部科学局与能源部能源效率和可再生能源局举办了《突破纤维素乙醇的生物学障碍—联合研究日程》的研讨会。次年６月在美国能源部、美