《生物质能产业发展出路》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2020-08-12
  • 生物质能可利用量位居水能、风能、太阳能的前列,是唯一能够替代化石能的可再生能源。产业经过近二十年的发展,依然表现得不温不火,能源利用量约占可再生总量的1%左右。
      清洁高效的发展生物质能产业,需要全社会共同关注:首先是政府顶层设计,营造生物质能产业相适应的发展环境;二是生物质能产业需要技术创新,实现关键技术突破。二者相互配合是生物质能产业稳步发展的先决条件与出路。
      顶层设计
      生物质能与其它可再生能源不同,水电、风电、光电可以一次性投资终身受益,不存在发电原料价格问题。生物质能则不同,它涉及到农民增收增效,涉及到环境保护雾霾治理,涉及温室气体排放全球气候变暖。解决生物质能产业发展的难题,需要政府顶层设计,营造生物质能与化石能公平竞争的环境。
      从生物质能与标煤相比较:
      煤炭价格根据热值不同产地不同,平均在450元/吨,折合成标煤每吨不足600元。
      市场上收购1吨生物质原料按300元计算,扣除原料中的吸附水实际原料价格超过350元/吨。
      生物质经过能源转化才能更好的清洁利用,能源转化成本按200元/吨,转化率按90%计算,转化2吨生物质热值相当于1吨标煤的热值,成本约1100元。政府从生物质原料上补贴250元/吨,才能与化石能处于同一起跑线。
      中国改革开放40多年来,国民的薪资水平上涨了100倍左右,粮食价格上涨近10倍,城乡居民用电价格上涨不足0.5倍。很多人可能没有在意,我们每用1千瓦时燃煤发电,大约排放1m3的二氧化碳。
      德国对温室气体排放的收费将由此前每吨二氧化碳10欧元大幅上涨至25欧元,2025年以后,碳排放价格将由市场决定,上限为60欧元/吨。中国每年二氧化碳排放量有100多亿吨,如果参考德国经验排放1吨二氧化碳收费20元人民币(相当于3欧元),用于补贴农户或原料收集者,生物质能产业发展将会是另外一种景象。
      生物质能产业发展,需要政府权衡利弊,准确把握顶层设计。
      技术创新
      生物质能产业发展需要政府支持指导,更需要产业技术创新,重点应该放在能效利用上。生物质能源转化率的高低,直接关系到生物质能产业的经济效益和可持续发展。
      实验数据显示生物质在封闭条件下的中低温热解,能源转化率可达95.5%。其中一种中低温热解显示,热解产物比例大概是:固体产物:液体产物:气体产物(30%:45%:25%)。根据数据计算1公斤生物质原料在密闭条件下产生的固体燃料和气体燃料的热值合计约14350千焦,大概是0.5公斤标煤的热值。
      该文章作者邱祖祥从2004年开始关注生物质能产业,受焦炉炼焦工艺的启发于2014年搞了一个《生物质能源转化技术创新方案》,工艺创新的独特之处:
      1. 能源转化率高 生物质原料在相对密闭环境中干馏热解,原料中的少部分空气在原料干燥过程中随水蒸气排出热解通道,其余生物质在热解通道内完成中低温热解,满足能源转化率95.5%的基本要求;
      2. 规模化能源转化 生物质能源转化规模根据生物质能原料产地的多少、运输距离等因素,可选择40—100万吨/年的产业规模,形成规模化生产;
      3. 创新工艺节能环保 首先生物质原料不用深加工。热解降耗措施采用中低温热解,不刻意营造高温环境,热量来源:一是助燃气体通过热交换获取热量;二是利用生物质热解放热自然升温;三是燃烧室温度满足不了设计温度时,利用少量的热解气体补充增温。从三方面获取热量,可节省大量的燃料消耗,生产过程不存在有害气体排放。
      重大科技创新项目,需要组建相当规模的研发设计团队,需要成立相应规模的新型实体企业,前提条件是要确认创新项目的可行性。
      政府部门对个人技术创新的困境缺少必要的了解和认识,规定评审创新项目必须有研发设计团队和实体企业为依托,否则不得参与评审。
      目前生物质能企业都是在政府补贴的情况下生存,没有政府补贴的科技创新项目难以与化石能竞争,对企业产生不了吸引力。
      创新体制的进一步完善,有利于科技创新项目尽快转化为生产力。
      产业出路
      生物质能产业在清洁环保前提下,替代化石能高效利用是最好的出路。
      据悉生物质天然气的能源转化率可达到85%以上,它以餐厨垃圾、禽畜粪便、秸秆等碳水化合物为原料,不仅解决多种垃圾环境污染的问题,而且可实现清洁生产。政府从生物质天然气产业的各种优势考虑,制定了生物质天然气产业发展规划。
      生物质天然气产业有着各种利好,它不可能把所有的生物质能全部转化为天然气。一方面不是所有生物质都适合厌氧发酵,另一方面生物质天然气也要达到供需平衡,产能过剩社会难以吸收。
      大量的农作物秸秆、农林剩余物、林木枝叶、有机物干垃圾等,同样是亟待解决的现实问题。
      《生物质能源转化技术创新方案》参照常规中低温热解产物技术,热解产物以1公斤生物质热解为例:
      固体产物控制在30%,固体产物的热值约27000千焦/公斤,0.3公斤固体产物的热值8100千焦。固体产物属清洁能源储存运输方便,相当于2.25度电的热值,可替代燃煤直接使用;
      热解气体产物的产率25%,热值约25000千焦/公斤,0.25公斤气体产物的热值约6250千焦。气体产物二氧化碳约占10%,一氧化碳约占50%,甲烷、乙烯等含量约40%。气体产物的热值较高可直燃发电,也可根据市场需求将气体产物中的一氧化碳加氢液化,满足油气资源的不足;
      液体产物的主要成分是生物醋,另外含有少量的生物油等可燃物。生物醋、生物油应用方面的研究比较多,也存在一定的增值空间。
      生物质天然气产业与生物质热解产业相互配合,基本上可以转化所有生物质原料及有机物垃圾。能转化产物均属清洁能源,实现真正意义上的替代化石能,应该是未来生物质能产业发展的出路。

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    • 编译者:guokm
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    • 前言:生物质种类多样,属性各不相同,包括农业生物质,林业生物质以及废物生物质等,从这些生物质能的原材料到我们日常生活所需要的能源终端形式如电和热,生物质能供能厂都扮演了十分重要的能源转换功能,在上周的生物质能系列文章中我们对生物质能供能设备也做出了简要的介绍(常见的生物质能工业设施:生物质能发电厂,生物质能供热厂,沼气厂,生物质能热电联产厂,木材供热系统等),今天我们将立足于德国和全球视角,从市场与产业链的角度对生物质能供能领域展开详细的介绍。 生物质能市场的发展现状与趋势 德国市场之电力领域 随着1990年德国《电力供应法》的生效,生物质能走进了德国市场。2003年有了一次质的飞跃,净增加量为700兆瓦。2004年德国对《可再生能源法》(EEG)进行了修订,为能源转型保驾护航,在此之后,德国的生物质能市场开始稳步增长,虽然相较于光伏或风能的增长动力还有一定的差距。由下图可见,2009年电力行业的新增装机量最高,新增的生物质发电量约为1300兆瓦。但值得注意的是,由于2014年《可再生能源法》EEG的再次修订,补贴制度发生了变化,因而从2014年起,德国的生物质能源市场在电力领域的增长出现了大幅下降,原因是政府将重点放在了对已有设备的现代化改造,而不是投入建造更多新的设备,一定程度上避免了过剩生产和资源浪费的现象。 图1:德国生物质能发电市场 德国市场之供热领域 德国生物质能供热市场的发展得到了联邦和州两级政府的资助计划支持,从1999年开始的已经有相应的市场激励计划(MAP),在此之前还有分别为1亿马克和2亿马克的资助项目。有了政府的大力支持,生物质能供热领域的市场一直在蓬勃发展,尤其是颗粒燃烧供热系统如锅炉和火炉。由下图可见,在2006年出现了新增32000个颗粒锅炉首次高峰之后,2007年市场出现了急剧下降,但在之后的2008年该领域又再一次创下了新的记录,增加了43000多个工厂。从那时起,市场年平均增长量都在25,000至43,000台之间波动。 图2:德国生物质能供热市场 除此之外,德国的生物质柴油市场也从2000年起在政策支持下动态发展。在2001年至2008年期间,全德国生物柴油的生产能力从约50万吨增加到了500万吨,翻了整整十倍。但是自2006年起,生物柴油的税率突然提高,德国制造商的市场显著恶化,最终导致了生物柴油的停产。而德国的生物乙醇市场始于2004年,在2009年产量首次超过了50万吨。迄今为止,2015年和2016年的产量最高,约为74万吨。 图3:德国生物质乙醇市场 欧洲市场 截至2015年底,欧洲生物质发电厂的发电总量已超过37000兆瓦,约占全球装机量的38%(约98,000兆瓦),同年新增生物质能装机量为1700兆瓦,约占全球新增总量的27%(6400兆瓦),增长趋势如下图所示。 图4:欧洲生物质市场 在所有的欧洲国家中,德国以绝对的优势在生物质能领域位居榜首,连同瑞典,英国,意大利和芬兰这五个国家,其生物质能总装机量占据了欧洲发电量的65%以上。下图为2015年欧盟生物能源产量排名的前10个国家。 图5:欧洲生物能产量排名 全球市场 自2001年以来,生物质能发电领域的全球市场一直不太稳定。在2005年达到峰值(5,000MW)以后,市场进入了相对饱和的阶段,因而增长一度非常缓慢。但从2009年开始,市场有了明显回暖的迹象。在2016年,全球安装了近8800MW的新电厂用于发电,成为历史之最。根据2017年的统计数据,在全球范围内,利用生物质的发电量超过了550TWh,相当于全球总发电量(25721TWh)的2.1%,且这一比例仍在不断增长。 图6:全球1990-2017年生物质能发电量发展趋势 德国生物质能产业价值链 生物质能产业的价值链跨度从原材料的种植和加工,到各种性能水平工厂的规划和融资(从小型工厂到发电厂),再到工厂的制造和组装以及大型组件(CHP装置,电机)的生产,还包括了工厂的建设运营以及系统维护。这里将对德国的生物质能产业价值链进行简单的介绍。 1.工业生产与制造 生物质能设备供应商 生物能源工厂种类繁多,包括沼气厂,生物质供热厂,木材加热厂,液体生物质发电厂等等,因而制造商和供应商的规模也各异。在木材加热系统领域,除了一些专业公司以外,大型采暖建筑公司也已进入市场。在生物燃料领域,机械和钢铁建筑公司也有很高的活跃度,有生产生物柴油或生物乙醇等生物燃料的能力。 供应商和零件制造商 供应商是生物质能产业价值链的核心部分,尤其包括钢铁建筑,机械工程和电气工程领域的公司。大型部件的制造商,例如发动机,热电厂和发酵罐,储气罐,排气系统,搅拌器等均是生物能源领域的重要供应商。 2.项目规划 项目规划公司 大型工厂的规划和实施通常是由专业的项目规划公司或制造商执行的。除了地点的选择外,项目工程师的任务还包括汇编合适的系统配置,分析项目的获利能力以及执行批准程序等,同时还要对生物质能厂的施工进行监督,并将该系统最终移交给运营商或投资者。 能源行业专业人士 对于用于住宅和公司建筑物的供热/热水的生物质能设备来说(例如木片或原木加热系统),通常还要由能源行业的专业人员,水管工和供暖安装人员来负责该系统的规划。 3.融资与保险 银行和金融机构 根据投资成本的多少和生物质能工厂的规模,项目可以通过公司、项目融资或作为项目财团的一部分来实现,方式为经典的贷款支付利息模式。投资群体包括大型公司,银行合作社,市政公用事业和中小型企业或私人捐助者。 保险公司 在国家和国际层面上生物能源使用的增长会导致对保险服务的需求增加,由于对大型工厂的大规模投资,风险管理也面临着巨大的挑战,从施工到调试直至工厂运行过程中都会出现各种风险,因而保险也是生物质能产业链中必不可少的一份子。 4.安装与维护 建筑公司和设备制造商 生物质能设备厂的建设和电缆的铺设是由建筑公司和工厂建设者负责的,其中一些作为总承包商负责总承包项目的实施。 太阳能服务与维修公司 对于沼气厂和生物质能热电联产厂的运营商而言,无故障运行至关重要,因而系统的运营管理和维护服务必不可少,这部分工作是由系统制造商或外部服务公司负责执行的,会通过定期的特殊测试来检查设备的运营情况 5.认证和测试 独立的认证和测试机构可以为生物能源工厂发电提供服务,从而使其满足设备运行和电网供电的技术要求。 6.生物能源设备的运营 生物质能设备的经营者范围也是多种多样的,从个体经营者(生物质供热,热电联产电厂)到合作社,再到项目计划公司,市政公用事业或大型电力供应商,还包括例如生物柴油或生物乙醇等生物燃料的生产者,均可以参与到生物质能设备的运营中去。
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    • 来源专题:生物安全网络监测与评估
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-03-05
    • 以化石燃料为基础的世界经济正面临资源枯竭和环境污染的双重挑战,新能源成为拯救人类工业文明社会的必然选择。现在,整个世界经济都建立在化石燃料的基础上。经济的快速发展消耗了大量的不可再生能源,如煤、石油、天然气等。从众多权威能源机构的研究来看,21世纪上半叶,世界经济的资源载体将几近枯竭,也意味着以化石经济为基础的工业文明即将终结。   因此,在未来几十年,生态文明社会将完全取代工业文明社会。人们将开始使用多种类型的可再生能源,如生物质能、风能、太阳能等。   中国生物质能源产业发展的优势   近年来,资源消耗和环境污染问题使中国化石燃料和环境承载力达到了极限。传统的化石经济模式无法实现国家的可持续发展目标。因此,发展可再生能源是中国实现可持续发展的关键。   资源优势   中国是一个农业大国,农用地、林地和适宜林地总面积约670万平方公里,这给了中国发展生物质能的巨大潜力,生物质能的数量一定程度上可以替代化石燃料。中国有7亿多农民,劳动力资源丰富,劳动力成本低廉。与西方发达国家相比,这将是一个明显的优势。在西方国家,城镇化的比例通常在80%以上,而在中国,这一比例才刚刚达到50%,其中包括2.2亿在城市工作的农民。   政策优势   中央政府发布了一个完整的政策框架,包括建设低碳、循环、生态经济的可持续发展模式。我们具有中国特有的特色社会主义市场经济体系,中国市场经济最明显的优势是当党和国家在重大发展问题上达成共识时,具有世界上最强的推动力量。   由于政府决策的高效性,中国可以在一年内完成西方国家需要3-5年才能完成的事情。例如,中国用5-6年时间就已成为世界上最大的太阳能光伏制造业国家。为了实现这一目标,发达国家用了近20年的时间。   中国生物质能源产业拥有一批龙头企业,经过多年的努力,他们掌握了生物质能源产业化的核心技术。从生物质颗粒、发电到农村沼气生产,从工业酒精生产到高洁净航空煤油、汽油、柴油生产,我国的生物质能源技术已达到国际先进水平。   而在所有类型的生物质燃料中,生物质颗粒是应用条件最简单的生物质燃料,具有低碳排放和高燃烧性能,可用于工业和民用。由于其良好的燃烧性能和易用性,越来越多的生物质颗粒厂在世界范围内建立起来。   近十年来,中国生物质能源的发展势头强劲。在某些地区,人们对生物质能的认识程度甚至比风能和太阳能还要高。在农村或郊区,农民过去常常在冬天焚烧秸秆,这造成了严重的环境污染。随着生物质能源产业的快速发展,秸秆焚烧现象迅速减少,不仅消除了污染问题,而且增加了农村劳动力的就业和农民的收入。   中国生物质能发展面临的挑战   中国生物质能发展面临的困难和挑战远远超出人们的预期。在我国,发展生物质能源,原料回收是一个颇具有挑战性的课题。   一开始,企业对原材料收集的问题重视不足,一些中间商都是唯利是图,而且缺乏诚信,很难得到足够数量的原材料,更不用说高质量的原材料了。这种混乱不仅损害了工厂的利益,也损害了农民提供生物质原料的积极性。最后导致一些生物质颗粒工厂没有原料可加工,同时,农民又开始焚烧秸秆。   市场无序是目前我国生物质能源发展面临的主要挑战,生物质能源产业涉及千百万农民的利益,必须引起各方面重视,促进行业向健康有序的方向发展。 ———文章发布于2019-03-04