关于发展生物能源化解能源危机的思考

1、关于发展生物能源化解能源危机的思考    关于发展生物能源化解能源危机的思考关于发展生物能源化解能源危机的思考 摘 要:在全球能源危机不断加剧的情况下,生物能源作为一种理想的可 再生能源,越来越受到世界各国的关注。通过对自然界不同的演化态下能量守恒定律表现形 式的分析,提出生物演化状态下生物能量守恒遵循动态能量循环守恒,认为能源危机     关于发展生物能源化解能源危机的思考 在全球能源危机和油价不断上涨的大背景下,各国寻找新能源的脚步也前所未有地加快。在 种类繁多的新能源中,来源广泛、应用方便、污染小的生物能源作

2、为一种理想的可再生能源 ,越来越受到世界各国的关注。据有关专家估计,到本世纪中叶,采用新技术生产的生物质能 替代现有燃料的替代率将占全球总能耗的40%以上。在我国,生物质能也是仅次于煤炭的第二 大 能源,占全部能源消耗总量的20%。本文将通过对不同的演化态下能量守恒定律表现形式和 生物能源二重性探析,特别是通过对发展生物能源对化解能源危机的探讨,多角度对发展生 物能源进行深入思考。 一、 不同的演化态下能量守恒定律表现形式 当今经济的飞跃发展引起能源消耗的惊人增长,能源危机笼罩着全球,但对能源危机实质的认 识人们却不尽一致。能量守恒和转化定律告诉我们:能量既不会消灭,也不会创生,它只能从 一种

3、形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化和转移过程中能量的总 量保持不变。既然能量守恒和转化定律告诉我们能量既不会增加,也不会减少,那么为什么还 会发生能源危机呢? 为了回答这个问题,必须探讨能量守恒定律在宇宙各演化阶段的各种表 现,进而揭示能源危机实质。 自然界演化大致可分为宇宙的演化、恒星的演化、地球的演化、生物的演化四类1 ,在不同的演化态下,能量守恒定律有不同表现形式。宇宙大爆炸阶段。宇宙大爆炸学说 认为,宇宙起源于200亿年前一个极高温极高密度的“原始火球”的大爆炸2。从 大爆炸到基本粒子的形成,能量主要是以粒子辐射形式存在,这时的能量守恒定律主要表现为 粒能守恒定

4、律。恒星演化阶段。恒星演化状态主要是氢核聚变为氦核及各种重元素的原子 核聚变过程。根据爱因斯坦相对论,当光的速度为每秒3×109米时,质量和能量实现了互换 ,即E=MC2,其中E为能量,M为质量,C为光速。这一公式表明少量的质量能转换为十分巨 大的能量,它揭示了核能来源的物理基础,因此恒星演化状态下的能量守恒定律主要表现为质 能守恒定律。地球演化阶段。地球演化主要包括地圈、大气圈和水圈的形成。在地球演化 的物理变化中有机械能、热能、电能、光能等能量的相互转化和守恒,在地球演化的化学变 化中有质量守恒,因此在这一阶段能量守恒定律主要表现为封闭状态下能量守恒和质量守恒 。生物演化阶段。生

5、命起源于化学演化,在生物演化状态下,由大气圈、水圈和岩石圈组成 的生物圈是地球表面上生物生存和活动的范围。生物圈内的能量主要来源于太阳能,有机物 与无机物利用太阳能实现物质和能量互换。从太阳能的吸收到生物体活动能量的耗散,生物 圈内各种演化都是能量循环的表现。由于地球的运动变化导致生物圈内的能、力、热等能量 不同表现形式始终处于动态中,从整体观演化的角度来说,进入生物圈中的能量应该与生物利 用后散失的能量大体相等。因此生物演化态下能量守恒主要表现为总体意义上的动态能量循 环守恒。 二、 能源危机实质探析 能源危机是指由于能源短缺导致能源供应紧张, 能源价格不断上涨而形成的危机。 据国际 权 威

6、机构估计, 世界已探明的可采石油, 大约只可供应人类41年的需要, 天然气为6070年,煤炭约200年, 人类正面临能源危机对能源安全的威胁。 能量守恒定律告诉我们能量既不能被创造又不能被消灭,可以从一种形式转化为另一种形式 3。 在生物演化状态下,为进一步认识能量守恒定律,需要了解“熵”。 熵是体 系混乱的程度的量度,在封闭系统中从一个平衡态经绝热过程到达另一个平衡状态,如果过程 是可逆的,则熵值不变; 如果过程是不可逆的,则熵值增加,这就是“熵”增原理4 。有“序”是开放系统从环境里吸取了“负熵”或是减少“正熵”的结果。 作为地下的石 油、煤等能量形式的资源, 如任其自然燃烧, 将全部被耗

7、散在无规则的分子热运动过程中,使 环境的熵增加很多。 就太阳辐射能而言,如果地表没有任何生物体,太阳能流(普遍理解为一 种负熵流)几乎全部转化为紊乱无序的分子热运动,更会使地面的熵增加很多。 熵的增加是 能量减少的量度。 比如我们燃烧一块煤,它的能量虽然并没有消失,但却经过转化随着二氧 化碳和其他气体一起散发到空间去了,发生了熵增过程,再也不能把同一块煤重新烧一次来做 同样的功了。 如果只考虑能量守恒定律的普遍性,那地球上的能源就万世不竭了。 然而能 量守恒定律在不同的演化状态下有不同的表现形式:在宇宙的演化状态下,能量守恒定律主要 表现为粒能守恒定律,在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于能

8、量转化为粒子和粒子转 化为能量的成功,否则会发生能源危机。 在恒星的演化状态下能量守恒定律主要表现为质能 守恒定律,在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于能量转化为质量和质量转化为能量的 成功,否则会发生能源危机。 在地球的演化状态下能量守恒定律主要表现为封闭状态下能量 守恒定律和质量守恒定律, 在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于封闭状态下能量转化 和质量转化的成功, 否则会发生能源危机。 在生物的演化状态下的能量守恒定律主要表现 为 动态能量循环守恒定律, 在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于动态能量循环的平衡, 否则会发生能源危机。 现在人类居住和活动的地球表层状态主要是生物演化状态

9、,在生物演化状态下,能量守恒定 律告诉我们:每当能量从一种状态转化到另一状态时,会损失能在将来用做某种功的一定“ 有效的”能量。这就是熵的增加。熵的增加即表明系统处于从非平衡态到平衡态的自发的、 不可逆的演化过程中,用于做功的“有效的”能量做功后导致能量耗散,这必然会导致该演化 状态能量总量的减少。为了逆转这个过程,需要一个熵减过程5,即一种形态的能 源消耗以后,通过一定过程重新获得原有能源形态的存在形态,也就是使能量具有类似生物一 样恢复自身形态的能力,也就是发现一种能为人类持续提供能量的某种形式的物质资源。如 果能够发现和利用这种物质资源,在地球表层状态下实现动态能量循环的平衡,则能量守恒

10、和 转化定律的实现就有了现实条件,能源危机就不会发生;如果不能够发现和利用这种物质资源 ,在地球表层状态下就不会实现动态能量循环的平衡,则能量守恒和转化定律的实现就缺乏现 实条件,能源危机就必然会发生。这就是当前能源危机的实质。 三、 生物能源二重性及对能源危机的化解 生物能源是蕴藏在生物质中的能量,是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用能转化 为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量,包括生物质能、液体燃料及利用生物质生产的能 源,如燃料乙醇、生物柴油、生物质汽化及液体燃料、生物制氢等6。生物能源之 所以被认为是21世纪最有希望在解决能源危机方面有所作为的能源,是因为生物能源具有能 源性和生物性

11、的二重性特点,它既可以转化为人们所常用的能源,同时又可以持续不断地供应 ,能够满足动态能量循环守恒定律,保持能量守恒,化解能源危机。     关于发展生物能源化解能源危机的思考(2)1. 生物能源的能源性特点 目前人类使用的能源绝大部分来自含碳能源,包括煤炭、石油、天然气。其他可再生的一次 性能源,包括水能、风能、太阳能、地热能、潮汐能都不含碳。生物能源是唯一的一种含碳 可 再生能源。生     1. 生物能源的能源性特点 目前人类使用的能源绝大部分来自含碳能源,包括煤炭、石油、天然气。其他可再生的一次 性能源,包

12、括水能、风能、太阳能、地热能、潮汐能都不含碳。生物能源是唯一的一种含碳 可 再生能源。生物能源的这种特点称之为能源性特点,这种特点使它可以像其他能源一样可以 消耗和转化,除了转化为电力外,还可生成油料、醇类、燃气或固体燃料,特别是它可以在 不必对已有的工业技术作任何改进的前提下即可以替代常规能源,因而能够满足动态能量循 环守恒定律的条件,这使得生物能源在解决能源危机方面能够发挥重要作用。当前生物能源 可以转化为以下能源: (1) 生物柴油 生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾 油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。当今工业化

13、生产生 物柴油有两种方法,一是用甲醇取代甘三酯的甘油基,生成脂肪酸甲酯和甘油;二是用甲醇与 脂肪酸反应生成脂肪酸甲酯和水。由于柴油在目前的能源结构中占有重要地位,生物能源成 功转化成生物柴油,进而实现了和各类常规能源的相互转化,保证了对能源危机的化解的技术 上的可能性。 (2) 燃料乙醇 燃料乙醇是指以玉米、小麦、薯类、高粱、甘蔗、甜菜等粮食作物和非粮食作物为原料,经 过发酵、蒸馏制得乙醇,脱水后再添加变性剂,成为专门用于燃料的乙醇。燃料乙醇使用有两 种方法。其一是以乙醇为汽油的“含氧添加剂”(oxygenate additive),通常这种无铅汽油 约含10%的乙醇。另一种方法是使用乙醇代替

14、汽油,这方面的工艺也十分成熟。 从技术路线看,燃料乙醇的生产技术大致分为两类:六糖路线和五糖路线。六糖路线原料主要 为经济农作物,分淀粉类作物和糖类作物;五糖路线原料为秸秆等纤维素,经降解和发酵产生 木糖,进而生产乙醇。国际上成熟的乙醇路线是六糖路线,但存在较为严重的原料供应瓶颈。 纤维素(五糖)路线是燃料乙醇发展的最终路线,但目前缺乏高效五糖转化菌种以及纤维素酶 高效生产工程化技术。由于纤维素是植物的木质部分,是地球数量最大的植物积累的产物,植 物从太阳获取的绝大部分能量也都储存于其中。所以人类一旦掌握了释放出存储在纤维素中 能量的技术,能源危机便可得到很大缓解。 由于汽油在目前的能源结构中

15、占有极重要地位,生物能源成功转化成燃料乙醇,进而实现了和 各类常规能源的相互转化,同样保证了对能源危机的化解的技术上的可能性。 (3) 成型燃料 转化成型燃料是把树皮、木屑和秸杆等生物质颗粒燃料,在加热、高压的条件下压缩形成的 颗粒状成型物。该成型燃料具有着火易、热效高以及燃烧时几乎不产生二氧化硫等优点。经 过多年的发展,目前生物质颗粒燃料在发达国家已被大量生产和利用。目前国内部分高校和 科研机构已着手开展生物质颗粒成型技术的研究,已经可以生产从秸秆粉碎加工到压缩成型 等各个环节的系列产品,生物煤目前也已经有了一定范围的应用。 由于燃料在目前的能源结构中占有重要地位,生物能源成功转化成成型燃料

16、,同样保证了对 能源危机的化解的技术上的可能性。 (4) 生物制氢 氢气是最清洁的能源,但电解水制氢能耗仍然很高。氢气可以利用生物质通过微生物发酵而 获得,这一过程被称为生物制氢。目前我国科学家已获得了能高效产氢的微生物,可以小规模 地进行生物制氢。 由于氢能在未来能源结构中占有极重要地位,生物能源成功转化成氢能,同样保证了对能源危 机的化解的技术上的可能性。 2. 生物能源的生物性特点 绿色植物通过光合作用从太阳能中吸取负熵流,维持其生命。生物能源的生物性主要表现在 生物能源转化的过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质,使太阳负熵流 中有一部分被固定在植物体内,有一部分消耗在维

17、持生命系统有序的过程中。这种增长的秩 序与造成混乱两者在数值上相互抵消后,其能量实现了平衡。生物能源的生物性具体体现在 以下方面: (1) 可再生(renewable) 生物能源由于通过植物的光合作用可以再生,和太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证 能源的永续利用。只要有太阳,绿色植物的光合作用就不会停止,生物质能就不会枯竭。生物 能源可再生特点,使得熵减过程得以实现,能够保持能量守恒,化解能源危机。 (2) 巨大的储存量(abundant) 生物能源的巨大的储存量表现在由于地球上生物数量巨大,这些物质所蕴藏的能量相当惊人 。据专家估计,全球每年产生的生物质能的储量为1?800亿吨,其总量

18、换算成能量接近世界 能源年消耗量的10倍。生物能源还存在于世界上所有国家和地区,而且廉价、易取,其生产 简单,可以被充分利用。生物能源的巨大的储存量,使得熵减过程能够以产业化形式得以大 规模实现,从而化解能源危机。 (3) 可储存性与替代性(storable and substitutive) 生物能源的可储存性是指由于生物能源是有机资源,所以对于原料本身或其液体或气体燃料 产品可以进行储存。生物能源的可替代性是指生物质能的载体是以实物的形式存在的,是一 种可储存和可运输且不受天气和自然条件的限制的能源。生物能源的可储存性与替代性的特 点,使得熵减过程能够以产业群和产业链的形式得以大规模实现,

19、化解能源危机。 (2) 加快突破生物能源能量转化技术瓶颈    关于发展生物能源化解能源危机的思考(3)目前我国技术相对成熟的生物能源产业项目,如用粮食生产燃料乙醇和生物柴油有明显的能 量转化瓶颈,技术水平和国际先进水平相比也还存在很大差距。如用玉米制乙醇,我国目前 的能耗水平达生产1吨乙醇需15吨标准煤7     (4) 重视生物能源作物品种的改良和新品种培育 目前,在我国燃料乙醇的生产均以糖类或粮食为原料,其产量受到粮食资源的限制,难以长 期满足能源需求。从长远考虑必须进行科技创新,扩大原料来源。改良自然界已有

20、生物能源 作物,提高产量和可利用生物质含量9。纤维素的利用是世界难题,也是当前高技 术领 域竞争的焦点,我国应把它作为战略高技术进行重点布局,系统研究纤维素预处理技术、酶解 技术、发酵技术和分离技术,以及汽化、液化技术,开发系列生物能源产品,力争在此领域 进入国际先进行列。 2. 利用生物能源生物性特点化解能源危机的对策 由于生物能源具有生物性特点,目前,国际上对生物能源开发利用十分重视,一些土地资源 丰富、作物生长条件优越的国家,更把生物能源作为替代能源的重要发展方向。为了充分利 用生物能源生物性特点化解能源危机,尽快使其产业化,须采取以下一些对策: (1) 建立科学合理的生物能源产业开发模

21、式 生物质一般只能季节性生产,时间、空间分布很不均匀,储藏过程中极易腐烂变质,能量密度 低,生物质的上述特性,决定了通用的经济规模的概念不适合生物能源工厂。生物质工业转 化工厂规模,必须根据包括原料和产品运输成本在内的综合成本优化的结果确定。 为了解决这个问题,需要从我国的实际出发,通过各级政府引导,建立资源开发的中介组织 ,采用“适度规模,就近转化,统筹规划,模块建设,分散生产,集中营销”的发展模式, 切忌不顾该产业发展目前的制约条件,盲目投资。 (2) 制定发展生物能源产业的财政税收政策 发展生物能源产业有良好的环境和社会效益,但在生物能源产业起步阶段,很难为产业链中 各个环节带来很好的经

22、济效益。而只有当培育、种植生物能源作物能为农民增收时农民才有 积极性;只有从事转化加工的企业能有较好的投资回报,企业才有积极性,因此发展生物能 源要成为政府推动政策支持下的农户和企业行为。美国1979年建立联邦政府的“乙醇燃料发 展计划”,就对燃料乙醇生产企业进行补贴,补贴额为54美分/加仑,折合人民币1?495元/吨 。我国从2000年起步的乙醇汽油发展计划得到顺利实施,国家制定的对燃料乙醇生产企业进 行财政补贴的政策也发挥了极为重要的作用。借鉴国内外的成功经验,今后要继续完善推动 和支持这一产业发展的财政税收政策。 (3) 在发展生物能源过程中注意避免粮食危机 据世界银行统计,美国每年为制

23、造生物燃料消耗粮食1亿吨,其消耗的粮食足以满足大概5亿 发展中国家人口的粮食需求。由于生物能源和粮食作物具有相同的来源和用途,因此发展生 物能源过程中可能产生粮食短缺问题。 < 目前美国提出加速生物燃料转化的政策,不依赖于粮食作物生产乙醇,以此来应对粮食安全 问题。我国有大量的不宜种农作物的土地,可以作为能源等专用植物种植的土地约有1亿公 顷,所获得的农作物每年至少可产乙醇和生物柴油1亿吨左右,完全可以做到不与粮争地 。为此在发展生物能源过程中应注意避免粮食危机,尽量不依赖于粮食作物生产乙醇等生物 能源。 (4) 在发展生物能源过程中注意保护生物多样性 目前来看,生物能源开发主要集中在以

24、植物油为原料的生物柴油和以糖类、淀粉、纤维素为 原料的燃料乙醇等方面,由于生物能源具有生物竞争性,这可能影响其他生物的发展,破坏 生物多样性。而生物多样性的破坏可能会使人们过去在降低温室效应上的努力成果付诸东流 。对于我国来说,为解决这类问题,既需要中国自身在环保、节能、开发和利用生物能源上 多下功夫,也需要与其他国家合作,以吸取有益的经验。 五、 对开发生物能源的肯定和疑问 虽然生物能源是解决燃料需求问题的一个希望,但也有不同甚至反对发展生物能源的声音。 一种 观点认为作为目前应用最广的生物柴油和乙醇燃料尽管比化石燃料更加优越,但不可能满足 社会的能源需求,生物燃料的能量转换效率和经济性还存在疑问,因而称现有生物燃料无法 代替化石燃料。另一种观点认为用玉米、大豆等粮食作物制造生物燃料会引发粮食危机。生 物能源发展在一些国家的迅速升温,引起了不少国家和地区的忧虑,特别是在发展中国家,利 用生物资源开发生物能源是否引发粮食危机问题成为焦点。联合国粮农组织总干事雅克迪 乌夫反对以农作物为原料生产生物燃料,认为这