清洁能源之生物质能

  清洁能源之生物质能 随世界经济的发展，以石油为代表的化石燃料支撑的产业体系已显出许 多弊端。首先是化石燃料的不可再生性导致其必然枯竭的命运，其次是化石燃 料使用时大量的环境不友好物质的释放为其发展设置了障碍。再加上如今世界 人口膨胀，各国间能源争夺愈演愈烈，大有为能源进行第三次世界大战之势。 为保证世界经济的加快速度进行发展，保证世界和平，寻找新的可再生资源替代化石能 源，解决其使用时的高成本问题成为21世纪的头等大事。清洁能源的开发与利 用应运而生，而以材料科学为代表的技术革新必将给世界带来一次新的产业革 命。 清洁能源顾名思义就是环境友好型的能源，其碳排放量低于一般化石能源， 对环境污染小，又被称作绿色能源。目前常见的清洁能源包括太阳能，风能， 地热能，波浪/潮汐能，生物质能，燃料电池等。核能作为一种比较有争议的 能源，在此不予讨论。 众多清洁能源各有优劣，但就我个人而言，经过一番比较，认为生物质能 这种清洁能源前景最广阔。下面我将对生物质能重点分析一一 生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它的能量最初来自太阳能。生 物质是地球上存在最广泛的物质，包括所有的植物，动物，微生物以及这些生 命体排泄和代谢的所有有机物质。从能源利用的角度来看，凡能够被利用的生 物质能资源统称为生物质能资源，这也是生物质能被看重的最主要的原因之一。 按原料的化学性质分，生物质能资源主要为糖类，淀粉和木质纤维素物质；按 来源分，则最重要的包含：（1）农业生产废弃物，主要为农作物秸秆；（2）薪柴， 枝柴和柴草；（3）农林加工废弃物，如木屑，谷壳，果壳等；（4）人畜粪便及 生活有机垃圾等；（5）工业有机废弃物，如有机废水废渣；（6）能源植物，包 括所有可作为能源用途的农作物，林木，水生植物资源等【1】从这一系列的 分类我们也已能看出生物质能简直无处不在。废弃不用，这些东西就被定 义为垃圾，而利用好这些“垃圾”就可以变废为宝，解决人类赖以生存的能源 危机。可谓意义重大。 生物质能是由植物光合作用而来，而其利用主要是类燃烧反应，生成二氧 化碳。如果这一过程能有机结合，形成 光合作用 如图的循环体系，则地球上一日有太阳存在，就有取之不尽用之不竭的能源。 目前对生物质能的利用主要有以下几种方法：（1）直接燃烧和发电；（2） 燃料乙醇；（3）沼气；（4）生物柴油；（5）其他技术，包括生物制氢；生物质 气化发电；汽化合成液体燃料；热分解液化；高压液化和气化等。生物质能动 力工业是仅次于水利的第二大可再生能源工业，相关发电装置装机容量750万 千瓦。 基于生物质能的特殊性，它拥有其它新能源所没有的一些特性。其特点主 要有： 生物质能资源的大量性和普遍性 生物质能资源不分地界，随处都有。包括我们的生活垃圾，工业废水废渣， 农村的作物秸秆，谷壳果壳都可作为原材料，且量大，加工简单。不像风能， 若该地区风力达不到要求，则无法建立风场；地热能源也有全球分布点，有些 地区拥有这种资源而有些地区无法利用这种天然的能源。可以说生物质能资源 是一种平民化的资源，对全球所有公民公平开放。这是其最突出的特点。况且 我国是农业大国，有多少人吃饭，就相应有多少作物秸秆。每年我国仅农作物 秸秆就有7亿吨之多，可获得系数为85%，相当于3.1亿吨标准煤。这些秸秆平 时主要以焚烧为主，农村有限的技术条件无法对其进行高效利用，只能让能量 白白嫁与东风，实在是一大浪费。其次，经调查表明，我国年均产薪量约为1.27 亿吨，折合标准煤0.74亿吨；据估算2000年全国禽畜粪便可获得实物量为3.2 亿吨，折合1.1亿吨当量油。据1995年统计，全国工业废水年排放量达22亿 吨，含有近50万吨有机物质；城镇垃圾也以每年8%-10%的速度递增。下表为中 国从2003年到2050年各类生物质能资源产生情况。 2皿年 2GWD 年 即30年 WOE0 年 (Ct) (4E tea) （亿t函 工业有机度札废造 （制沼气）（伍小） 0. 09 200 山17 2S0 0. 24 320 0. 27 鹿着粪便（制沼气） 0. 09 37 0 0. 26 □ 50 0. 39 S20 0. 55 粘拜及祝业加直则余物 L 7 L 0 L 9 4. 3 2. J 43 2. 2 稀柴及林业加工剧余物 ].】4 2.69 1. 48 2. 81 1. 60 3. 12 1.78 城市生活垃圾 山03 L 7 山4 7.7 0. 66 m s 1. 1S 小甘 4. 21 丸99 6. 02 能源埴物（制生物乙醇｝ 山03 0. 197 山17 0. 263 0. 23 0.395 0. 34 靛源植物｛制生物柴油） 0 0. 741 1. 00 1. J12 L 2. 223 3. 02 小计 山03 ].17 1」4 3. 36 3,】4 6. 38 6. 73 土 04 注：折标媒系数t当,值）同表1，生物柴油拆标煤系数取表中靛源檀林堂鞘廖网 为通过可裁得的能源植物蚩源可生产生物乙醇柬生物柴油的数量 -hw.ntt 而这些惊人的数据都显示出生物质能巨大的开发空间和能源潜力。 生物质能资源是一种理想的可再生资源 按照上图中的循环看，只要有太阳存在，就有生物质能资源产生。况且全球 的各种生活及工业消费可加快这一循环的进行，只要管理得当，开发有效，一 定可以得到优质低廉的清洁能源。 生物质能的清洁安全性 众所周知我国能源消费结构以煤炭为主，是世界第一大煤炭生产和消费国。 但由于煤炭燃烧放出大量有害气体，二氧化硫污染已成为主要的大气污染源， 有1/3的国土面积受到酸雨污染，极大的影响居民生活质量和经济社会发展。 清洁能源的发展是众望所归。但是由于技术有限，很多清洁能源在开发及使用 中都会对环境产生一定的影响。有些是在生产过程中产生有毒物质，有些在使 用时破坏了生态平衡。比如太阳能电池在生产时，硅片的制作就会对环境产生 不好的影响，也对工人的健康造成极大的破坏；而风能的利用会影响到周边地 区野生物的生存环境，造成物种灭亡或生态失衡等问题；地热厂的建立会对周 边地区土地的稳定性产生不利影响，当老井温度降低，地面沉降可能会发生； 而燃料电池在制氢的过程中会污染环境，而氢气的储存和运输本身也具有危险 性。 改善生态环境 纤维素类的生物质可生长在一些土地贫瘠的地方，用于固化土层，改良土壤， 以改善当地的生态环境。又能有效缓解对食用类生物质能的使用。 下面，我将用一张表简单比较各类清洁能源的优劣： 生物质能 风能 太阳能 地热 燃料电池 原材料 无地域限 制，无时间 气候限制 有时间和 地域限制 无地域限 制，有时间 限制 有地域限 制 可再生性 好 好 好 较差 好 清洁性 有适量二 氧化碳排 放 好 好 好 无有害气 体排放 抑制发展 点 纤维素类 物质的转 化难突破 电力的产 生有间歇 性 多晶硅的 转化率依 然较低 只有地热 活跃的地 区可行；开 发成本大 （勘探，打 井，建厂） 催化剂成 本高，效率 较差 氢气的储 备及运输 从上表中我们也能看出，除了技术问题有待提高，生物质能这种清洁能源 几乎没有什么硬伤。 从国际能源署的一些图表数据我们也会看出生物质能在未来应用的前景: Rate of world energy usage in terawatts (TW), 1965-2005 由上图可看出，天然气长期以来是能源中的主力。传统的天然气取之于地 下，如果可以用生物质发酵产生天然气来替代这种开采出的不可再生天然气， 对于缓解对煤炭石油等化石燃料的依赖性大有好处。且就其消费市场来看，潜 力巨大。 由这张图能够准确的看出，各国年度乙醇的生产量在显著提高。用乙醇燃料代替 化石燃料可以说是未来能源发展的趋势。当然，如果使用粮食作物来制造乙醇 其利弊还有争议。若能够突破非粮食作物的乙醇转化技术难度，这一点争议 也将随之消除。 目前我国已有一些非农作物用于生物燃油的制备。比如陈化粮制乙醇；从 能源燃料作物甘蔗和高粱中提取生物乙醇；还有利用菜籽油、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。 由这张图我们也可清楚看出生物质能各种开发利用途径的前景与现状。目 前为止沼气利用已经商业化，燃料乙醇也已基本走向市场。 作为东华大学材料系的学生，我更关注纤维素类物质包括植物秸秆，稻壳 等的转化问题。其原理很清楚，即将纤维素降解为单糖，而单糖可进一步发酵 成酒精。但由于纤维素分子以氢键形式连接，物理化学性质稳定，故很难水解。 由上图也可清晰看到，纤维素乙醇的利用目前还处于试验阶段。但在未来的二 十年里，这一技术必然会走向成熟，最后成为主流能源形式。目前科学家正致 力于用生物酶催化使纤维素降解而进一步产生乙醇。希望能提高纤维素的降解 程度。 综上所述，虽然目前的生物质能资源利用还有一定的问题，但至少能够正常的看到其 无限的市场。

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