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生物质能源的第二个春天

2010-10-11 11:22 作者:袁越 2010年第39期
今年7月23日,中国国家能源局正式批准中粮集团设立国家能源生物液体燃料研发(试验)中心。就在今年9月10日刚刚结束的中美可再生能源产业论坛和中美先进生物燃料论坛第四次工作组会议上,该中心第一次代表中国政府与美国政府代表团谈判,共商合作大计。这一系列事件表明,中国的能源产业格局面临着一次重大调整。

巴西街头的汽车大都使用从甘蔗中提炼的乙醇做燃料,每吨甘蔗释放的能量相当于1.2桶石油

今年7月23日,中国国家能源局正式批准中粮集团设立国家能源生物液体燃料研发(试验)中心。就在今年9月10日刚刚结束的中美可再生能源产业论坛和中美先进生物燃料论坛第四次工作组会议上,该中心第一次代表中国政府与美国政府代表团谈判,共商合作大计。这一系列事件表明,中国的能源产业格局面临着一次重大调整。

第一代生物质能

从某种意义上说,整个人类发展史就是一部能源利用方式的进步史。

人类第一个熟练掌握的能源载体就是生物质(Biomass)。自从人类学会了钻木取火,木头就成了人类最主要的能量来源。木柴热值高,易于运输和储存,所含能量也很容易释放,是早期人类最喜欢的能源载体。可是,随着人口的增长,木材的需求量飞速上涨。17世纪末期,英国为了冶炼金属,将国内的森林几乎砍伐殆尽。最终拯救英国森林的,恰恰是如今谈之色变的煤炭。事实上,第一次工业革命之所以发生在英国,与英国丰富的煤炭资源有密不可分的关系。

因为照明的特殊需要,人类还使用过一段时间的鲸油。如果不是因为19世纪中期一名加拿大人发明了从煤炭中提取煤油的技术,鲸很可能早就灭绝了。

煤炭的热值比木头更高,开采和运输也很容易,很快就代替了日渐稀少的木材,成为人们的最爱。1859年,第一口现代化油井在美国的宾夕法尼亚州喷出了原油,又一种化石能源登上了历史舞台。伴随石油而来的是天然气,现代人烧饭取暖已经离不开它了。从木头到煤炭再到石油和天然气,人类使用的能源载体的质量越来越好。无论从能量密度、释放方式还是储量多少来衡量,煤炭、石油和天然气这三种化石能源载体都远好于木材和鲸油等生物质能。但即使如此,化石能源仍然用了将近100年才彻底打败了生物质能源,主宰了人类的能源市场。由此可见,能源的使用习惯具有很强的惯性,很难被改变。

就拿汽车工业来说,从石油里提炼出的汽油直接促成了汽车工业的兴起,但早期的汽油非常昂贵,发明家们不得不四处寻找替代品。1900年巴黎世博会上展出的一台迪塞尔发动机(发明人为著名的德国汽车工程师鲁道夫·迪塞尔〔Rudolf Diesel〕)居然以花生油为动力!而美国汽车大王亨利·福特也曾经预言,从植物中提取的乙醇将取代汽油,成为未来汽车的动力来源。事实上,那时的美国汽车都是能烧乙醇的,直到19世纪30年代美国开始禁酒,乙醇燃料才终于被汽油打败。自那之后,化石能源享受了半个多世纪的好时光,直到科学家发现了全球变暖的潜在威胁后,生物质能源才被重新请了回来。

当然,这些年来生物质能源也并没有消失,世界上还有不少人靠烧柴取暖做饭。但这些都属于“第零代”生物质能源,我们通常所说的第一代生物质能源指那些意在代替化石能源的新的能量利用方式。其中,焚烧发电是能源效率最低的做法,但却因为技术简便、成本较低而最先被商业化了。尤其在那些森林资源比较丰富的国家,木材加工后剩下的碎木片很容易被混入煤炭当中,燃烧发电。

但是,大多数能源专家都会告诉你,风能、太阳能、潮汐能、核能和水电才是最有前途的低碳发电方式。相比之下,生物质能最好的利用方式是做成液体燃料,代替汽油。不过,英国可再生能源专家克里斯·古德尔(Chris Goodall)通过计算发现,同样一吨粮食,如果做成乙醇加到汽车油箱里,和先燃烧发电,再驱动一辆同等吨位的电动车相比,行驶的路程是差不多的。

但是,即使古德尔的算法是正确的,液体燃料也不会很快被淘汰,因为电动汽车的发展遇到了很多困难。除了电池的技术瓶颈外,电动汽车还会对整个汽车工业体系带来颠覆性的冲击,会面临很多政治压力。相比之下,生物乙醇替代石油的做法很容易融入现在的体系当中,遇到的阻力会小很多。

粮食乙醇项目就是在这样的背景下上马的。

简单说,粮食乙醇就是先把粮食中的淀粉转变成糖,然后通过酵母发酵的方式将糖变成乙醇。最先开始进行大规模工业化生产的是美国和巴西,这两个国家都是农业大国,都有着广阔的土地资源。巴西因为气候原因盛产甘蔗,避免了水解淀粉这一步,成本降到了最低,不靠补贴也能盈利。美国则主要用玉米来生产粮食乙醇,成本较高,目前还需要国家补贴才能确保盈利。

去年美国一共生产了121亿加仑(1加仑约等于3.8升)的粮食乙醇,每加仑大约补贴45美分。目前美国的汽油标准是E10,也就是乙醇含量占汽油总量的10%。去年美国一共消耗了大约1400亿加仑的汽油,这样算下来美国的粮食乙醇产量已经接近极限。不过奥巴马政府正在考虑把标准提高到E15,这个配比对汽车发动机的工作状态影响不大,无须另行改装。从理论上讲,汽车发动机可以承受的最高配比是E85,即使这么高的配比也只需对发动机做些小改动就行了。

乙醇的热值比汽油差一点,但乙醇中含有氧原子,可以替代汽油中的增氧剂,因此加了少量乙醇的汽油加速性能还要更好一些。另外,乙醇可以代替汽油中的一些有毒添加剂,对环境更友好。

既然粮食乙醇有这么多好处,为什么没有在世界范围内普及开来呢?一个原因就是这种办法对于减排二氧化碳的作用并不大。种玉米需要消耗大量的化肥,收割和运输也需要能量,淀粉水解的过程还要加热,算下来粮食乙醇只比汽油节省了大约30%的二氧化碳排放。如果再把毁林开荒造成的损失算进去,粮食乙醇并不合算。

更重要的是,目前全世界粮食供应并不富裕,用粮食造乙醇难免有与民争粮的嫌疑。这一条正是许多环保组织批评粮食乙醇的主要罪状,中国的粮食乙醇产业也正是在这里被卡住了。

中国的粮食乙醇起步稍晚。大约在2004年前后,中国粮食大丰收,出现了农民卖粮难的情况。为了维持粮价,保障农民利益,政府批准上马了一批玉米乙醇加工厂。谁知2006年粮食减产,全世界的粮价也都开始疯长,不少人便把矛头对准了粮食乙醇工业。中国政府顺应民意,迅速出台了新政策,对燃料乙醇实行配额制管理,只允许黑龙江华润、吉林燃料乙醇、安徽丰原、河南天冠这4家企业生产粮食乙醇,并把接受国家补贴的粮食乙醇总量限制在144万吨的水平,这就等于为中国的粮食乙醇产量设定了上限。

“中国目前每年生产燃料乙醇172万吨,其中以玉米为原料的大约是110万吨,其余的用小麦和木薯(属于‘非粮’)。生产110万吨乙醇大约需要340万吨玉米,相比之下,中国的玉米年产量约为1.6亿吨,这点量对玉米价格影响很小。”中粮集团(以下简称“中粮”)生化能源事业部总经理岳国君对本刊记者说,“更重要的是,生产玉米乙醇用的都是陈化粮,有的连做饲料都不合适,拿来生产乙醇恰好是一种很好的废物利用方式。”

在岳国君看来,中国粮食储存能力有限,粮食乙醇正好可以用来消化部分陈粮,有利于解决丰收年农民卖粮难的问题,比国家托市收购更能有效地保护农民利益。

“美国政府就是这么做的。”山东大学生命科学院院长、生物酶专家曲音波教授对本刊记者说,“美国的粮食产能过剩,即使生产了这么多乙醇还是能保证正常的粮食出口。以前美国农民只能靠大量休耕来维持粮价,粮食乙醇工业的兴起解决了美国农民的就业问题,符合美国的国家利益,所以美国政府在税收上给予粮食乙醇很多优惠政策,极大地促进了这个行业的发展。”

据岳国君介绍,目前中国粮食乙醇的成本与工厂所在的位置有关系,比如东北是玉米的主产区,玉米价格相对较低,玉米乙醇的成本大约为每吨6000元左右,而中国目前的汽油价格是每吨5000元左右,比粮食乙醇低。但是玉米乙醇在生产过程中会产生一些具有高附加值的副产品,这样算下来,粮食乙醇的成本已经基本上可以和汽油价格持平了。

“中国对燃料乙醇的补贴方式不利于促进企业竞争。”岳国君补充说,“美国政府对玉米乙醇企业采用招标制,并在国内实行燃料乙醇交易配额系统,把燃料乙醇的配额商品化,这两招鼓励了企业之间的竞争,提高了企业降低生产成本的积极性。”

据估算,中国汽车行业每年消耗的汽油总量大约为6000万吨,如果采用类似E10的标准,未来几年内大约需要500万~1000万吨燃料乙醇。目前中国只有5个省和27个城市供应加了乙醇的汽油,采用的是E10标准,燃料乙醇的年消耗量只有100多万吨,看似发展空间很大。但岳国君和曲音波都承认,中国的粮食乙醇产业面临诸多难以克服的障碍,实际上已无多少潜力可挖。燃料乙醇行业必须走非粮的道路,开发第二代生物质能。

第二代生物质能

自然界中年生成量最高的有机碳分子是什么?答案不是淀粉,而是纤维素。虽然两者都是葡萄糖分子链接而成的长链,但纤维素的糖链更长,糖与糖之间的化学键更牢固,因此也就更适合被用来作为植物的结构分子。

“纤维素很像钢筋,负责支撑植物的身体。钢筋外面通常会包着一层起保护作用的水泥,这个角色在植物里是由半纤维素和木质素来承担的。”曲音波教授解释说,“问题在于,纤维素的这种功能决定了它一定很难被降解,这是多年进化出来的必然结果。”

所谓第二代生物质能,主要指纤维素的分解和利用。纤维素和半纤维素占全世界植物总量的一半以上,草、碎木片和农业废弃物(比如棉花和玉米的秸秆)都是又好又廉价的纤维素来源。中国农村历来有烧秸秆还田的传统,每年秋收时节都会造成严重的空气污染,但直到现在全世界都还没有一家以秸秆为原料的商业化纤维素乙醇工厂,原因就在于这件事存在很多障碍。

首先,分解纤维素的技术一直是该行业的短板。物理化学法和生物酶法都说自己的效率最高,成本最低。美国政府的做法是一视同仁,选出6家采用不同工艺的企业,每家补贴3300万~8000万美元不等,并要求企业以两倍的力度匹配。也就是说,这6种技术路线分别获得了1亿~2亿美元的研发资金。

相比之下,中国政府在这方面的投资相对保守。中国的纤维素乙醇项目通常只能从政府拿到几百万人民币的研发经费,和美国相比少得可怜。“由于经费和研发力量投入不足,尽管这几年不断有人宣称自己做出了纤维素乙醇,成本低于汽油,但他们的技术都还不够完善,无法真正实现产业化。”曲音波教授对本刊记者说,“直到近几年政府才终于开始重视,加大了拨款力度。中科院还自己拿出了3000万元的科研经费,组织力量攻关,力争尽快取得突破。”

作为中国纤维素乙醇领域的领头羊,中粮选择了一个相对简便的做法。2006年,中粮和丹麦的诺维信(Novozymes)公司结成合作伙伴关系,共同开发中国的纤维素乙醇市场。诺维信是全世界最大的酶制剂生产企业,2009年的销售额高达84亿丹麦克朗(约合人民币100亿元),做出这个成绩的居然只是一个5000多人的团队。诺维信承诺每年拿出销售额的14%用于研发,近两年更是把大部分研发经费都投在了纤维素乙醇项目上。“我们还从美国能源部拿到了1450万美元研发经费,在美国的中试厂已经将每加仑纤维素乙醇所需酶的成本降到了50美分左右。”诺维信公司总裁兼首席执行官李斯阁(Steen Riisgaard)对本刊记者说。

“诺维信今年2月刚刚在中国市场投放了新一代纤维素酶‘诺赛力二代’(Cellic CTec 2),酶用量比过去下降了很多。”诺维信(北京)研发中心高级总监吴文平博士对本刊记者说,“不过这个产品还是有点贵,我们正在积极研发‘诺赛力三代’,争取在2~3年内能够达到商业化水平。”

中粮把酶的问题交给诺维信,自己则把精力放在了工艺方面。“前两年大家都把研究重点放在了酶上,但我认为这个问题已经基本得到了解决。”岳国君对本刊记者说,“中粮的研究重点是纤维素原料的预处理技术,从秸秆切割到发酵罐的加热,从控制发酵黏度到提高固液分离效率,甚至最后的废水处理,每一步都面临着诸多技术困难,被攻克的难度一点也不亚于纤维素酶。这些技术涉及工程技术领域的方方面面,直接关系到产品成本。”

2006年,中粮在黑龙江的肇东建设了一个年产1000吨纤维素乙醇的中试装置,通过不断的技术改进,4年来成本下降了2/3。就在去年,美国的普渡大学对全世界20多家纤维素中试工厂送来的预处理物料进行了一次评选,中粮送交的样品在质量上位列第4名。

2009年,中粮又和中石化结成了合作伙伴关系,进一步巩固了其在中国纤维素乙醇行业领头羊的地位。三方计划下一步成立合资公司,争取在明年开始动工建设中国第一座年产1万吨的示范装置,这将是纤维素乙醇产业全面开花前的最后一步。

但是,这个产业在中国还需解决一个重要问题,那就是原料的采集。秸秆是农业废弃物,不是每天都有;中国又是以小农经济为主,秸秆收集有一定的困难;中国的公路条件较差,运输成本较高。这些因素必将影响到原料供应的稳定性和成本。但是,岳国君对此很乐观。“中国在秸秆商业化收集这块已经有经验了,国家电网下属的国能生物质燃烧发电项目已经运行了很多年,目前有20多家电厂,遍布全国。所以我认为,一旦下游的问题解决,上游有现成的案例可供借鉴。”

作为纤维素乙醇项目开展得最好的国家,美国也一直对中国的情况很感兴趣。早在2006年,中粮就代表中国企业和美方签署了合作备忘录,双方约定互相交流经验,分享成果。今年7月23日,国家能源局正式批准中粮集团设立国家能源生物液体燃料研发(试验)中心,这就等于给中粮穿上了“纤维素乙醇产业国家队”的队服。今年9月10日刚结束的中美可再生能源产业论坛和中美先进生物燃料论坛第四次工作组会议,是中粮第一次代表国家与美国政府代表团谈判,中粮、中石化和诺维信的专家与美国能源部、农业部、橡树岭国家实验室和爱达荷实验室的同行们共同商定,立即开始对中国的上游原料收集和供应体系做一个案例研究,希望能在原料种植、收购和物流体系方面找出最佳方案,尽快确定1~2个原料品种,选出最合理的厂址。

那么,从宏观角度看,中国究竟有多少原料可以用来生产纤维素乙醇呢?为了回答这个问题,诺维信于2008年和国际著名的咨询公司麦肯锡合作,对中国的纤维素乙醇市场做调研。据麦肯锡计算,中国每年产生大约6亿吨农业废弃物(主要是秸秆),除了用于饲料和还田之外,还应该有2亿吨可以被用来生产5500万吨纤维素乙醇,这几乎等于目前中国的汽油总消耗量。麦肯锡估计,到2020年时,中国生产的纤维素乙醇将可以替代3100万吨汽油,每年为中国带来320亿元人民币的收入,创造600万个就业机会。而且这些机会主要是在农村地区创造的,所以它给中国带来的收益既是能源安全和GDP的增值,更可以为城乡的均衡发展提供新的可能性。

纤维素乙醇项目还需解决两个小问题,第一是与秸秆还田的矛盾。从表面上看,纤维素乙醇工厂剩下的残渣含有全部的金属和微量元素,和烧秸秆剩下的灰没有区别,只要把工厂残渣还田就可以了。但是秸秆中含有的有机物也不能忽视,它们是土壤微生物的养料。换句话说,如果想完全恢复土壤肥力,正确的做法也许是秸秆切碎后不烧,直接还田。不过,两种方式到底对土壤有何影响,目前尚缺乏研究。

第二,纤维素乙醇的生产过程需要消耗大量能量,是否真能降低温室气体排放呢?曲音波教授认为,这一点恰好是纤维素乙醇比粮食乙醇好的地方。原来,秸秆中含有的纤维素和半纤维素理论上都能被转化成乙醇,但木质素则不可以。但是木质素的热值几乎和煤炭一样高,非常适合用来焚烧发电。事实上,纤维素乙醇工厂的旁边都会另建一座发电厂,燃烧木质素残渣就足以提供本厂所需的全部电力和蒸汽。

那么,这么好的产业,为什么还没有迅速推广呢?问题就在成本上。根据曲音波的估算,目前中国纤维素乙醇的生产成本多半都还在每吨8000元以上,高于汽油目前的价格。如果石油价格在未来的几年内没有大幅度增长,纤维素乙醇就必须大幅度降低成本,否则只能依靠国家补贴才能维持下去。

美国政府为本国纤维素乙醇产业预定的补贴力度为每加仑1.01美元,大约折合为每升2元人民币。岳国君告诉本刊记者,按照中粮的估算,如果中国政府采用和美国同等的补贴力度,中国的纤维素乙醇产业是可以盈利的。

“很多人觉得生物燃料产业需要大量的国家补贴才能生存,这是有偏见的。”岳国君对本刊记者解释说,“国家为了鼓励石油行业收购生物燃料,规定他们在收购乙醇时在价格上乘以0.911的系数,但他们卖汽油时则按原价卖出,这个差价让石油行业赚走了。如果没有这个系数,我们的补贴力度完全可以再降低很多。”

曲音波则从另一个角度解释了纤维素产业的巨大潜力:“评价这个行业的价值,不能光看它能产生多少燃料乙醇。要知道,石油不光可以制造汽油,还可以同时生产很多其他化工产品。纤维素和半纤维素变成糖后,同样可以同时生产多种多样的化工产品,这就可以用来替代石油的这部分功能,并通过分担原料和加工成本,使得生物炼制产业变为盈利的产业。”

曲音波正在和一家工厂合作,利用玉米芯中的半纤维素部分生产木寡糖和木糖醇,而剩余的大量纤维素残渣也可以很容易地转化为燃料乙醇,木质素也可转化为化工产品。目前这项先进技术正在进行中试研究,已经可能盈利了。诺维信也和东北大成集团签约,帮助他们从秸秆中提取丙二醇。丙二醇是化纤工业的基础原料,既可以做衣服,也可以做成各种化纤制品。这项技术已经成熟,预计在几年内就可以开始运营了。

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