《德国和全球视角下的生物质能产业》

  • 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:2020-04-20
  • 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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    • 随着城镇化水平的不断提升,城市能耗占全球总能源的百分比大大增加。生物质是一种存在于木材、锯末、稻草、种子废料、粪肥、废纸、生活垃圾、废水等各种不同材料中的资源,由于其经济潜力巨大,生物质能的利用正变得越来越重要。大量的农业生产会产生副产品,其可作为所谓的能源作物加以推广。对生物质能全球研究趋势的分析可以辅助能源工作者理解当前能源形势和未来发展趋势,本文将从这一角度为大家展开分析介绍。 上世纪90年代初,城市能耗不到全球总能耗的一半,随着城镇化水平的不断提升,城市能耗占全球总能源的百分比大大增加(三分之二)。这意味着城市能源在全球能源结构中所占比例的增长速度高于全球城市人口所占比例的增长速度。虽然城市中化石燃料是主要的能源,但如何保证能源的可持续性正成为解决气候变化问题的重要方向。此外,城市所排放的二氧化碳也是造成气候变化的最大因素之一,约占全球排放总量的70%。不断增长的能源消耗不仅导致了城市空气污染,也带来了由于气候变化方面的毁灭性影响,目前大约70%的城市已经在经受气候变化带来的考验。根据世界卫生组织的数据,城市地区90%的居民受到的环境污染水平超过了他们建议的标准。 作为可再生能源的生物质能,来源十分广泛,包括动植物以及通过自然或人工转化而获得的有机物质。生物质存在于各种不同的材料中:木材、锯末、稻草、种子废料、粪肥、废纸、生活垃圾、废水等。某些材料的特性使它们可以直接用作燃料,其他的则需要一系列的预处理,在使用之前需要不同的技术。 可再生供热源既可以来自建筑物内分散的设备,也可以来自集中的发电及其进一步的分发。分散式生物质锅炉是一项不断发展的新兴技术。生物质是一种碳中性能源,它在生长过程中吸收二氧化碳,然后在燃烧过程中重新释放到大气中,达到二氧化碳排放净平衡。然而,大量的热能被浪费在发电和制造过程中。热电联产重新利用排出的余热发电,同时生产电力和热能,供工业、商业或住宅使用。工业消耗了大量热能和电能,多余的电能被输入电网。另一方面,区域供热和供冷网络是整合工业和农业生物质等自然资源,同时提高能源效率的一种非常有效的方式。分布式能源系统由地下绝缘管道网络组成,连接到一个热电厂,热水或冷水被泵送至一个区域内的不同建筑物。 由于生物质在世界范围内的广泛可用性,作为许多工业和农业过程的副产品获得,生物质能是一种具有高增长潜力的可再生能源。生物质集中供热(BDH)是一种自然能源资源在城市环境中的系统集成,一方面减少了二氧化碳排放与化石燃料的燃烧,另一方面增加了能源效率。 生物质能作为生物燃料的使用是科学界非常感兴趣的一个领域。目前,大部分的研究都集中在从生物质中提取对环境友好和可持续的能源来补充代替传统的化石燃料。其主要目的是帮助研究社区环境,了解可再生能源未来的趋势以促进决策的科学性。下表所示为近十年来生物质燃料的一些主要研究方向。 表1:近十年来生物质燃料的主要主要研究方向 研究结果 一个机构、地区或国家的出版物数量是量化这些单位的科学活动的有用指标。在同其他机构、地区或国家的活动进行比较时,可以作为监测科学生产的一个手段。根据调查统计,1978至2018年期间,生物质能领域研究工作主要还是以学术论文居多(59.0%),其次是会议论文(23.2%)和综述(9.4%),相比之下,相关的书籍和调查数量比较少。 图1:各时期生物质能相关出版物发行数量 由图1所示可以明显看到,在2006年之前围绕生物质能的科学研究并没有什么显著的变化,但是在2008年却突然达到了一个峰值。其背后的原因是由于2008年6月世界范围内的油价达到了每桶136美元,这意味着传统化石能源在经济适用性方面呈现出了相当的劣势,急需寻找可以替代的可再生能源,而生物质能在对化石能源的替代性方面表现非常优异,因而越来越多的科研机构将目光聚集在了针对生物质能的研究中,可以说,高油价和大范围的经济危机为生物质能创造了时代的发展机遇。 图2:全球各地区生物质能相关出版物发行数量 图2则展示了各个国家生物质能研究成果的数量,也可以侧面反映出该国对生物质能发展领域的重视程度。这一领域发表论文最多的国家是美国(3318篇),其次是中国(1514篇)、印度(1165),德国(1137)和意大利(993)。由此可以得出结论,工业国家利用生物质作为可再生能源是实现可持续发展的关键因素,各国政府推行能源政策的目的是减少污染温室气体的排放和缓解全球变暖的问题。例如美国环境保护署(EPA)在2013年9月公布了新的标准,目标是到2030年减少30%的二氧化碳排放。 图3:对生物质能研究的合作集群 图3所示为全球重要的国家和生物质能研究机构之间的合作,可以观察到存在8个生物质能合作集群,其中美国、印度和英国出现在所有的集群中。最重要的红色集群是由英国领导的,它是由具有政治和经济影响的传统地区组成的。这之后的绿色集群是主要由拉丁美洲国家组成。蓝色集群以美国为首,与中国、加拿大、墨西哥等北美国家关系密切,因而归为了一个集群。黄色集群以德国为首也涵盖了很多东欧国家。不太重要的是中欧集群(绿松石色)、斯堪的纳维亚-俄罗斯集群(灰色)和一些非洲国家的橘色集群。分组有两种可能的形式:第一种是基于国家集团之间的影响或经济关系形成的四个重要集群;第二种是根据它们的地理位置或气候条件,以及可能拥有的生物量类型,基于此形成了最后三个集群。 表2则列出了目前生物质可再生能源领域科研产出最高的10家机构,以及这些机构使用最多的关键词。 表2:十大最重要的国际研究机构和关键词 可以看到,这些机构使用最多的关键词是生物燃料,在5个机构中都排名第一。中国的研究机构主要专注于固体燃料,而美国和巴西机构专注于液体燃料乙醇等。从这些重要的生物质能研究机构的研究方向可以看到,生物质燃料一定是未来的一大发展趋势,与其他可再生能源相比,对化石燃料的替代性很高,对一些能源设备而言,所需要的额外改造与成本投资会显著下降。 图4:生物质能领域最热门的5个关键词 图4则展示了在生物质作为可再生能源研究领域的5个最为热门的关键词。在2008年,“生物质能”和“可再生能源”一跃成为了最为热门的话题,在上文中我们也提到了其背后的原因是石油价格的暴涨。在2010之后,“生物质” 这一关键词的热度也远超其他关键词,由此可以看出,生物质能已经从可再生能源这一综合领域独立成为了一个类似于风能和太阳能的专题热点。 总结 通过计量学分析可以得出结论,研究生物质作为可再生能源这一主题的主要国家是美国,其次是中国、印度、德国和意大利。可以看出,人口众多的大国对使用新的可再生能源,例如生物质能的需求更加旺盛。关于这个主题的出版物的主要语言是英文(95.3%),其次是中文(1.4%)。发表有关生物质作为可再生能源文章的主要期刊有:《可再生与可持续能源评论》、 《生物质与生物能源》和《生物资源技术》。随着时间的推移,人们对生物质作为可再生能源的研究兴趣不断增长。在生物质领域进行的研究中,能源领域最为突出(23.4%),这是因为大部分的研究都集中在生物质的产热或产电,除此之外,生物质燃料也是各国争先研究的对象。