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中国生物液体燃料的发展与潜力
一、生物液体燃料(生物燃油)是中国今后开发利用生物质能的一个主要方向



1.1生物液体燃料产业的主要驱动因素是石油安全



        生物质能资源包括农作物秸秆和农业加工剩余物、薪材及林业加工剩余物、禽畜粪便、工业有机废水和废渣、城市生活垃圾和能源植物,可转换为多种终端能源如电力、气体燃料、固体燃料和液体燃料,其中受到最多关注的是生物质液体燃料(生物燃油)。世界不少国家已经开始发展生物燃油产业(包括生物燃油加工业以及其相关产业,如能源农业和能源林业),其中共同的目的在于保障石油安全。



        2004年中国石油净进口量为1.2亿吨,消费量为3.1亿吨,进口依存度达到了38.7%;国际能源署(IEA)预测中国到2010年、2020年石油进口依存度将达到61.0%和76.9%。石油进口量和进口依存度的迅速攀升给中国石油安全带来了日益严重的影响;中国的石油安全问题也引起了一些国家的顾虑。国产的石油和石油替代燃料能否“养活中国”呢?与资源有限的煤炭液化和国内油气资源开发等手段相比,资源可再生而且潜力巨大的生物燃油技术也受到了越来越多的关注。巴西生物燃油产业利用蔗糖发酵制取生物乙醇,2002年消费量达到了104亿公升,替代率接近40%。



        美国和欧盟国家在生物燃油产业方面也有丰富的经验。不过巴西的发展背景与中国更为接近。巴西生物燃油产业(以生物乙醇工程为开端,后来又发展了生物柴油)源于1975年,起因主要有二:一是出于国家能源安全和经济发展的考虑,在1973-1974年第一次石油危机中,由于巴西80%的燃料依赖进口,油价暴涨使巴西损失了40亿美元,经济也受到沉重打击;其次是为了促进国内种植业的发展和保护农民的利益,因为巴西是全球最大的甘蔗种植区。



1.2发展生物燃油产业将带来显著的环境效益



        能源农林业的大规模发展可以有效地绿化荒山荒地、减轻土壤侵蚀和水土流失。大量使用生物燃油对中国大气环境的保护和改善也有着突出的意义:与化石燃料相比,生物燃油的使用很少产生NOx和SOx等大气污染物;由于生物质CO2的吸收和排放在自然界形成碳循环,其能源利用导致的CO2排放远低于常规能源。到2050年生物燃油开发量如果能达到1.05亿吨(这一数据是基于能源研究所2005年“中国能源中长期开发利用前景分析”研究项目的生物质能部分的情景分析;情景分析中能源林业以生产生物柴油原料为主,能源农业以生产生物乙醇原料为主;其中2020年、2030年、2050年预计开发量为:生物乙醇0.039、0.079、0.16亿吨,生物柴油0.15、0.33、0.89亿吨),则可绿化约3000万公顷荒山荒地,减排约3.1亿吨CO2。



1.3发展生物燃油产业将为中国“三农”问题的解决做出相当的贡献



        建设从能源农林业到生物燃油加工业的生物燃油产业链可以成为中国解决“三农”问题的一个有力手段。



1.3.1带动农业经济和林业经济



        2020年生物燃油开发量预计为1900万吨左右,初步估算可给国家和地方创产值1000亿元。到2050年生物燃油开发量如果能达到1.05亿吨,将创造5000亿元左右的年产值、吸纳1000万个以上的劳动力(主要是能源农林业接纳的就业),并为带动农村经济发展起到极大的作用;形成这部分生物燃油产能的初始投资(主要是产业建设投资,荒地改造和树种等费用相对较低)预计可以控制在1.0万亿元以内:年产值与产能投资的比值(大于1:2)大于某些常规能源产业的比值(例如,火电的年产值与产能投资的比值约为1:2.5)。



1.3.2创造大量就业特别是农村地区的就业



        可以吸纳1000万个以上的劳动力,其中主要是农村劳动力,这有利于缓解农村大量劳动力闲置的局面。



1.3.3为中国的城镇化建设提供有力支持



        一方面,中国的城镇化建设提高了人均能源需求量,特别是人均燃油需求量;另一方面,城镇化建设需要与之相伴的产业建设和就业机会的创造(一定程度上还需要增加在农村的就业机会以缓冲农村向城镇的移民浪潮):能源农林业(和生物燃油加工业)在这两方面都可以发挥重要作用。



二、中国生物燃油发展现状与趋势



2.1中国发展生物燃油产业已有一定的技术基础



        生物燃油产业的核心技术是生物燃油技术和能源作物的选育和种植技术。自“八五计划”期间已经开始生物燃油资源与转换技术的研究开发,采用传统技术用粮食和油料作物生产醇类和油类产品,这只限于在食品与轻工产业;制取燃料作为交通能源产业建设则是在“九五计划”期间由原国家计委公布实施。能源作物的概念对中国来说是较新的,但其选育和种植技术的相关研究实际上已有数年的基础。



2.1.1  “陈化粮”制生物燃油



        目前生物燃油的主要原料为“陈化粮”。严格来说,以“陈化粮”制取生物乙醇并不能算在能源农业的范畴,因为就其主要用途而言粮食作物与能源植物有本质区别。但这也为发展生物乙醇技术积累了技术经验和产业基础,待甜高梁等能源植物资源得到发展后,即可进行原料转移。



        经国务院批准,原国家计委2001年4月17日发布中国实施车用汽油添加燃料乙醇的决定。同时国家质量技术监督局颁布了“变性燃料乙醇”和“车用乙醇汽油”两个国家标准。国家投资50余亿元,批准全国建立4个以消化“陈化粮”为主要目标的燃料乙醇企业,目前均已投产,总生产能力100余万吨。粮食为燃料乙醇原料,每吨超过3000元,含加工费后,燃料乙醇成本超过4000元/吨。



        国家规定2004年10月起黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5省及湖北、山东、河北及江苏的部分地区,强制封闭使用车用乙醇汽油。到2005年,上述各省及其所辖市区,军队特需和国家特种储备除外,全部实现车用乙醇汽油替代其他汽油。



2.1.2能源农业作物甜高梁和甘蔗



        科技部国家“863计划”支持的“甜高粱茎秆制取燃料乙醇”项目提供的甜高粱品种,种植技术和燃料乙醇加工技术已经较为成熟。目前已经达到年产5000吨燃料乙醇的生产规模。国内已经在黑龙江省、内蒙古自治区、新疆维族自治区、辽宁省和山东省等地,建立了甜高粱种植、甜高粱茎秆制取燃料乙醇加工的基地。



        甜高粱茎秆为燃料乙醇原料,每吨收购价2000元,含加工费后,燃料乙醇成本低于3500元/吨。16吨甜高粱茎秆(中国北方平均4亩耕地的产量)可以制取1吨燃料乙醇。废渣还可以制取500公斤生物柴油。甜高粱制取乙醇仅用其茎秆,甜高梁籽粒仍然作为粮食使用(不用于发酵制乙醇)。它的适应性也很好:中国10℃以上年度有效积温2000℃以上的地区都可以种植;同样情况下,甜高粱比其他作物抗旱、抗涝和耐盐碱。



        甘蔗是中国重要的糖料作物,近几年,广西、云南、贵州等省种蔗致富对脱贫起了一定作用,但糖的消费量有限,并且由于合成甜味素的冲击,甘蔗种植面积有大幅波动;而燃料乙醇市场需求量大,所以甘蔗在中国南方地区是最有可能大量用于生产燃料乙醇的糖类原料。大致4亩的甘蔗产量可制取1吨乙醇,与甜高梁近似;蔗渣同样可制取生物柴油。



        此外,亩产乙醇量高于普通甘蔗的“能源甘蔗”在澳大利亚等国已培育成功;中国在能源甘蔗方面的研究也已经起步并得到了较快的发展。



2.1.3能源林业作物麻疯树和黄连木



        中国开展能源林业作物的研发已有成果,南方已建有产业。如利用菜籽油、籽油、乌桕油、木油、茶油等原料小规模生产生物柴油的案例。近年来,为了不与食用油和工业用油争原料而开发了麻疯树果实、黄连木籽等作原料制取生物柴油技术,初步具备商业化发展的条件。



        四川利用麻疯树果实为原料建成了设计能力10万吨的柴油加工厂,现年产能力为2万吨,并制定了企业标准。制约生物柴油发展的因素是原料价格。麻疯树果实购入1.4元/公斤,每吨生物柴油需麻疯树果实3吨多,每吨生物柴油的原料成本超过4000元。种植麻疯树亩产生物柴油可接近200公斤。



        黄连木籽含油率在30%左右。按每亩种植40棵、每棵产果20公斤计,则亩产生物柴油约200公斤,与麻疯树的产量接近。



        麻疯树和黄连木在中国相当面积的地域都适宜栽种;随着相关科研工作的进行,完全有可能发现或培育出其他拥有相近或更高生物燃油产量的、适宜更广泛的栽种地域的能源树种(包括麻疯树和黄连木的改良树种)。



2.1.4生物燃油产业的经济效益



        以种植生产乙醇的甜高梁为例,按照内蒙古的试点经验,与种植普通玉米相比,每亩可增收140元,见表1。



        种植麻疯树的收益也较高:即便按较低的亩产量450公斤计,每亩收益也达630元。



        目前生物燃油的成本比化石燃油要高一些,但技术革新对降低成本的潜力是巨大的。以巴西为例,每吨乙醇的成本从开始时的800美元下降到目前的300美元。此外,由于资源有限、不可再生,化石燃油的价格始终会上涨,生物燃油相比之下将有更强的价格竞争力。



2.2中国生物燃油加工业目前的规模和产品价格



        中国生物柴油产业刚刚起步,目前的年产量不到3万吨;但发展势头较好,参见表2、表3、表4(资料来源:刘德顺教授,清华大学化工系)。



        2005年4月1日,安徽成为继黑龙江、吉林、辽宁、河南之后的第五个推广试用乙醇汽油的省份,中国燃料乙醇生产能力达到82万吨/年,如表5。安徽丰原集团正在建设20万吨/年燃料乙醇装置,年内即可投产,届时中国的燃料乙醇产量将达到102万吨/年。燃料乙醇价格按汽油出厂价格的0.911与销售单位(石化厂或加油站)结算,亏损部分由国家补贴。



2.3中国生物燃油产业的发展潜力与前景



2.3.1中国具有发展生物燃油产业的巨大空间



        中国发展生物燃油的资源潜力主要取决于用作种植能源植物的土地资源面积和单位面积产量。



          能源农业可利用的土地资源有:947万公顷的宜耕土地后备资源,按60%的垦殖率计入;2003年有72.24万公顷的高梁种植面积,按80%的甜高梁推广率计入;在全国800万公顷盐碱化耕地中,用中国已开发成功的技术加以改造的面积约为167万公顷,按80%的利用率计入。总计759.6万公顷土地可用于能源农业。按种植甜高梁计(种植普通甘蔗的生物燃油亩产量与之接近),则可生产生物乙醇约2850万吨,生物柴油1425万吨。以上部分所利用的土地与规划中的



        农业用地并无多大冲突。比如说,按照粮食生产中长期预测,粮食部门所需的耕地面积并无增加,因为提高单产的潜力足以满足中国粮食需求的增加。



        与上述能源农业用地无重复计算,能源林业可利用的土地资源有:林业用地中5700万公顷的无林地面积(部分用于发展用材林等),按60%计入;1470万公顷的退耕还林地,按80%计入(现有退耕还林地相当部分用作果园,但考虑到水果的市场需求有限,而且中国尚有212万公顷的宜园土地后备资源,故考虑了较高的百分比);5393万公顷的宜林荒山荒地,按40%计入。总计6753万公顷土地可用于能源林业。按种植黄连木计(种植麻疯树的生物柴油亩产量略低一些),则可生产生物柴油20260万吨。根据中国林业发展的中长期规划,以上划归能源林业用地的土地与规划中的林业用地的冲突性较小。



        能源植物资源能有这样的潜力,一方面是要适当利用中国现有农林业用地和宜耕土地后备资源(0.552亿公顷,约占耕地和林业用地总面积的14%),一方面是合理开发中国的宜林荒山荒地(0.216亿公顷,占宜林荒山荒地面积的40%),再者是利用一定的易改造的盐碱化耕地(0.013亿公顷,约占盐碱化耕地面积的17%):三部分面积合0.78亿公顷(与之相比,中国现有耕地1.3亿公顷,林业用地2.6亿公顷)。这些土地资源可为中国未来的本土替代燃油开发提供坚实的原料来源。



        此外,技术研发还将开拓新的资源空间。工程藻类的生物量巨大,一旦高产油藻开发成功并实现产业化,由藻类制生物柴油的规模可以达到数千万吨,因为中国有5000万亩可开垦的海岸滩涂和和大量的内陆水域。美国可再生能源国家实验室运用基因工程等现代生物技术,已经开发出含油超过60%的工程微藻,每亩可生产2吨以上生物柴油。青岛海洋大学十几年来承担了30多项国家及省部级海藻育苗育种生物技术研究,拥有一批淡水和海水藻类种质资源,积累了丰富的海洋藻类研究开发经验。如果能将现代生物技术和传统育种技术相结合、优化育种条件,就有可能实现大规模养殖高产油藻。



2.3.2中国生物燃油实际开发量的预测



        上文从资源潜力的角度分析了生物燃油的潜力,但它的实际开发利用率依赖于多种复杂因素,主要如下:



        (1)需求。中国未来的燃油供给是相当紧张的,本国生产、国际进口和煤炭液化所能供给的燃油都是有限的,这就为生物燃油的发展提供了良机。



        (2)经济性。生物燃油的经济性主要取决于自身的技术成熟度、规模化发展所导致的成本下降、石油价格(目前还较少考虑环境成本的内部化)。石油价格在短期内的波动性和不确定性较大,但长期看来,上升趋势相当明显,与之相比,随着技术的成熟和规模的提高,生物燃油的成本将不断降低,因此竞争力会不断提高。



        (3)综合性。生物燃油工程一方面其核心技术的研发相当部分是在能源技术研究部分,一方面从特点上看也是典型的能源工程,它具有规模性,也具有时间性(所以需要能源规划):如果是利用盐碱地、荒地改造,则存在改造期的问题,特别是能源林业还存在一个能源林从栽种到成林的生长期的问题。而从生物燃油的原料来源来看,则属于农林业范畴。中国能否顺利、协调发展生物燃油,有赖于能否把能源机构、部门和农林业部门的力量成功地整合起来。以美国为例,它在能源部和农业部下都设有能源农业项目,并且彼此之间建立了很好的沟通和协作。



        (4)政策性。一方面,生物燃油产业具有显著的能源、环境和社会效益,应当得到政策支持;另一方面,国家对土地使用的规划性非常强,需要在土地规划中为能源农林业的发展提供空间。



        基于对以上四方面的分析,2010年、2020年生物燃油开发量的一种情景是:2010年,年生产生物燃油600万吨,创年产值240亿元,其中生物乙醇(车用酒精)500万吨、生物柴油100万吨;2020年,年生产生物燃油1900万吨,其中生物乙醇1000万吨、生物柴油900万吨,创年产值近1000亿元。



三、中国生物燃油发展战略的讨论



        3.1“以国家先期投入为主导,以企业、科研机构为主力”的技术研发战略



        技术的成熟性和经济性对新兴的可再生能源产业来说是至关重要的,不少国家在可再生能源技术研发方面都有丰富的经验,特别是美国。美国可再生能源技术发展的核心战略是一贯的、明确的:以国家先期投入为引导,吸引产业界参与研制和开发长期(20年乃至50年后)可以发挥重大作用的关键技术,加速其商业化并形成相应的装备制造体系。美国政府始终重视企业占领可再生能源技术制高点的战略眼光和决心,先后制定了太阳光伏电池、风力发电装备和氢能技术发展的路线图,已经出台和即将出台一系列鼓励生物质能技术发展和    商业化进程的政策法规,如“生物质研究和发展法案2000”。



        为确保生物质能研发及推广工作的开展,美国能源部计划在4年内投入500万美元研究经费,吸引相关单位对其拟定的项目进行申请。目前在美国已掀起新一轮的生物质能研发利用高潮,有大量的机构参与到该项目中。为进一步拓展科研经费来源,美国政府还推出了购买可再生能源信用卡的措施。



        美国还采取了直接作用于消费者和科研人员的激励措施。例如,2003年7月美国农业部(USDA)拨款77万美元委托美国生物柴油部(NBB)启动了生物柴油教育计划(Biodiesel  Education  Program),又拨出19万美元用于奖励在生物柴油研发中作出了突出贡献的爱达荷大学的科研人员。



        中国借鉴美国经验、强化国家先期投入的引导作用是十分重要的(特别是考虑到中国政府对能源部门、农业部门的高度控制):关键技术的发展可以得到足够的资金;各种相互支持或相互竞争的技术可以在一个系统性的框架中得到公平的筛选和发展。



        3.2  “以政策扶植为必要辅助,以市场机制为根本基础”的产业发展战略能源农林业和生物燃油加工业是有显著的能源、社会、环境效益的产业,应当得到一定的政策支持,比如税收优惠、贴息贷款等。这对于起步中的新兴产业尤为重要。中国已出台《可再生能源法》,但和之前的《大气污染防止法》、《节约能源法》、《清洁生产促进法》等相关法律一样,在对生物质能等可再生、清洁能源的支持上基本上都属于原则性而非操作性的法律;尚待具体、明确的规章出台。此外,中国常规燃油行业尚存在相当程度的垄断,制约了生物质液体燃料产业尽快进入市场。这类问题的解决也有赖于国家政策。



          美国的生物柴油产业之所以落后于欧盟,主要原因就在于它相关激励政策的滞后。2004年底,美国总统布什签署

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