生物质能的利用现状和优化策略

4.1.3.1　全球生物质能的开发利用

1.国外开发及利用状况

据统计,全世界总能耗的1/7来自生物质能,尤其是在发展中国家,生物质能所占比例重更为突出。目前,全世界约有15亿以上的人口仍把生物质能作为主要能源。因此,人们开始日益关注如何更多更好地利用生物质能,想方设法开发和利用好这一富有潜力的可再生能源,使它在21世纪发挥重要作用。生物质能是地球上最普遍的一种可再生能源。它遍布于世界陆地和水域的千万种植物之中,就像一个巨大的太阳能化工厂,不断地把太阳能转化为化学能,并以有机物的形式储存于植物内部,从而构成一种储量极其丰富的可再生能源——生物质能源。地球每年由光合作用产生的有机物约有500亿t。它所含能量为目前世界能源消费总量的10倍。目前生物质能仅仅作为能源来利用还不到其总产能的1%,但它给人们提供的能量却占全世界总能耗的14%。

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一。在远古时代,自人类发现火开始以来,就以生物质能的形式利用太阳能来烧烤食物和取暖,而直到近两个世纪,人类发现并大规模使用矿物燃料时,这一情况得到改变。即便如此,生物质能在全球能源消费中仍占有相当的份额(约4%),仅次于煤炭、石油和天然气,居于世界能源消费总量的第四位。据中科院统计资料显示,全球再生能源可持续为二次能源的储量共1.8555×1010 t标准煤(表4.4),相当于全球油、气、煤等化石燃料年消费量的两倍,其中生物质能占35%,位居首位。

表4.4　全球再生能源储量分类

从世界的整体发展状况上看,不同国家和地区生物质能消费在总能耗中所占比例有着很大的差别。在发展中国家,生物质能消费量约占40%,非洲地区高达55%,在个别发展中国家如缅甸和苏丹,能源总消费量中生物质分别提供了90%和87%。发达国家生物质能平均消费量达到能源消费总量的3%左右,如美国生物质能占能源消费总量的4%,芬兰、澳大利亚、瑞典和奥地利较高,分别为17%、10%、16%、10%。有关专家估计,随着社会经济的不断发展,生物质能极可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分,到21世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上,将为全球提供60%的电力和40%的直接燃料。

世界环境与发展大会于1992年召开后,欧、美等国大力发展生物质能,如北欧各国大力发展木材发电,德国大力发展沼气,美国加快燃料乙醇和木柴发电的启用。特别是1997年的《京都议定书》中确定对发达国家2010年减排二氧化碳的考核目标(实际欧盟比1990年减排8%,美国减排7%,日本减排6%)后,有关政府采取了推动扩大利用生物质能的政策措施,进一步推动了生物质能的扩大应用。

国外对于生物质能的开发应用比较早,国外的生物质能技术和装置多已达到商业化应用程度,实现了规模化产业经营发展。

(1)美国。美国对生物质能的利用较为重视,早在1979年,美国就开始采用垃圾直接焚烧发电,发电的总装机容量超过10000MW,单机容量最大达10～25MW；至1992年,美国已经约有1000个利用木材气化自发电厂,运行装机650 kW,年发电42亿kW·h,发电成本每千瓦时4.6美分,加利福尼亚州电力供应40%来源于生物质发电。生物质动力工业在美国已成为仅次于水电的第二可再生能工业。2001年的统计,美国消耗的可再生能源中有50.4%来自生物质能,41.9%为水电,其余为太阳能和风能等。2012年美国拥有350多座生物质发电站。2011年美国可再生能源供能首次超过核电,同比增长了14.4%。

20世纪80年代以来,美国大规模地建立了能源农场,进行生物柴油生产。进行了能源植物物种的选择、富油树种的引种栽培、遗传改良以及建立“柴油林林场”等方面的工作与研究,并在能源植物特性的研究、植物燃料油的研制和燃料油使用技术等多个方面均取得了进展。目前已对40种不同的植物油在内燃机上进行了短期评价试验,它们当中包括豆油、生油、棉籽油、油菜子油、棕榈油等。1986年,诺贝尔奖获得者、美国加州大学的化学家卡尔文在加利福尼亚种植了大面积的石油植物,每公顷可收获120～140桶石油。美国种植有百万英亩的石油速生林,加利福尼亚州的“黄鼠草”每公顷可提炼1000L石油。根据对全美113家生物柴油生产厂调查统计,2011年12月,美国生物柴油产量达到创纪录的4.13亿L；2011年,美国共生产生物柴油36.6亿L,创下自美国能源信息署统计该数据以来,最高的纪录。美国有关部门期望其国内生物柴油产量能以每年11.36亿L的速度增长,以在2017年达到94.64亿L的预设目标。目前,美国的生物柴油主要替代柴油燃料用于运输业。

(2)巴西。巴西的生物质能在巴西能源利用总量中约占25%,其中薪柴和甘蔗占生物质能的50%～60%,其余是农业废弃物。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家,20世纪70年代中期,巴西为了摆脱对石油进口的过度依赖,实施了世界上规模最大的乙醇开发计划(原料主要是甘蔗、木薯等),到2010年,巴西市场乙醇消费量将接近每天50万桶,目前乙醇燃料已占全国汽车燃料消费量的50%以上,正在评价使现有乙醇生产提高12倍的可能性。如能实现,则有望替代世界消费汽油总量的10%。这需大大增加用甘蔗生产乙醇的生产率,到2025年即可望生产乙醇2050亿L(540亿美制加仑),占世界生产量约50%。

目前,经过长期不懈的努力,与1975年相比,2000年巴西的甘蔗单位产量提高了33%,甘蔗的含糖量提高了8%,蔗糖-乙醇的转化率提高了14%,发酵罐生产率提高了30%。乙醇燃料已经不必再接受政府的价格补贴,而且燃料乙醇的价格已低于汽油的价格,具备与石油市场竞争的能力。30多年来巴西政府发展燃料乙醇的总投入为49亿美元,而在此期间节省的进口石油的外汇达50亿美元。实施乙醇燃料计划给巴西带来了很多收益：

1)成了比较独立的经济能源运行系统。

2)刺激了农业及乙醇相关行业的发展,收益达270亿美元,增加就业人数是30年前的1.05倍。

3)加快了技术进步的步伐。

4)进了生态环境和人民生活质量的改善,温室气体排放与30年前相比减少了20%。

巴西是一个盛产甘蔗的国家。自1965年制定了《国家森林法》以来,开始大量营造薪炭林,巴西的东北部有1/3的土地(约5000万hm2)适宜营造薪炭林,在该地区的巴伊亚州,已用桉树做原料兴建了一座25MW的生物发电站,并投入商业运营。

(3)欧盟。欧盟各国比较重视环保,为完成较大程度的二氧化碳减排任务,各国因地制宜地出台了扩大再生能源,特别是生物质能的政策措施。如北欧的瑞典和芬兰等国利用丰富的森林优势,以木材为原料发展生物质能发电。为了解决生物质能价格高于化石燃料的问题,采取了对石油和煤等化石燃料征收碳税和硫化物税的措施,使生物质能的发电成本低于化石燃料发电,从而促进了生物质能电力的继续发展。两国生物质能发电在电力中的比例已分别达19%和16%。德、英、法等国为扩大垃圾填埋产沼气和风电等再生能源发电,要求电力部门按较好的电价收购上网。

近十多年来,欧盟开展了将木料气化合成甲醇的研制工作,先后已有数个示范厂。德国已广泛应用含1%～3%甲醇的混合汽油供汽车使用,在法国、捷克、瑞典、西班牙、俄罗斯等国,都在开发应用甲醇和乙醇的液体燃料。俄罗斯是利用植物原料生产乙醇产品最早的国家,水解乙醇年产量已达35万t,水解乙醇成本约为粮食乙醇成本的70%,经济成本较低。

另外,欧盟通过制定严格的汽车尾气排放标准和对生物柴油的减免税政策,亦推动了生物质能在汽车上的应用。英国正在研究应用基因技术改良油菜品种以期提高产量,并已将菜籽中的脂肪酸碳链由18个碳原子缩短到8个左右,用以获得优质菜籽燃油。瑞典研究用适当配比菜籽油和甲醇的方法,获得了生物柴油。2000年德国生物柴油已达0.25Mt,并建有300多个生物柴油加油站；意大利拥有9家生物柴油的生产厂。2003年欧盟推广生物柴油已达230万t,2013年之前,整个欧盟生物柴油市场单位出货量预计将达975万t,同时按生物柴油的当前市场价测算,年营收预计将达74.6亿欧元。预测阶段的平均增长幅度将为14%。

(4)日本。日本近年来从减排二氧化碳出发,开始学习欧盟经验,于2000年将生物质发电列入2010年新能源发展规划,自1999年以来,发电量由8万kW扩大到33万kW,同时于2002年颁布了《新能源电力促进法》,要求到2010年新能源电力配额量达122亿kW·h(占当年总发电量的1.35%),并给予一定上网价格补贴及帮助,以解决再生能源受地区分布不均的限制。尽管该配额远低于欧盟各国,且预计生物质电约占配额的30%,但优惠的上网电价对发展生物质电仍然是有促进作用的。加上2000年颁布的废物再生法对生物质能的利用,更起到积极的推动作用。

1)从2001年4月开始实施的《食品废物再生法》,促进使用食品废物发酵生产沼气,除了直接燃用发电外,还从沼气中提取氢气供燃料电池发电。几个啤酒公司现已建成多台200kW燃料电池发电机,京都市不仅每天将宾馆的废食集中后供发酵制沼气和100kW燃料电池发电使用,并拟大量推广。京都市目前每天收集全市废食用油5000L,以生产生物柴油供市内的公共汽车和垃圾运输车的使用。

2)从2002年4月开始实施的《建设废材再生法》要求废木屑的利用率由40%提高到95%,加上日本的木制房屋很多,正值更新的高峰期,可利用的废木屑较多。

3)结合《畜禽排泄物处理法》的实施,推动畜禽粪便发酵产生沼气的利用,现在有的牛奶场利用沼气提取氢气供燃料电池发电。

生物质能源属于可循环使用的清洁能源,是未来能源系统的希望,受到许多国家的重视。近20多年来,在各国政府的支持下,各类可再生能源技术发展很快,开发利用量不断增加,已经成为现实能源系统的一个组成部分。英国和德国都承诺,和2020年可再生能源的比例将达到20%；北欧部分国家提出了利用风力发电和生物质发电逐步替代核电的战略目标。

2.国际生物质能源发展的经验

(1)先进的技术优势,产业化大发展。在生物质能源技术方面,美国、日本、欧洲各国都是世界上的领先者。这些国家拥有雄厚的经济基础及领先的科技力量,具备将先进技术转化为产业的实力,加上超前的发展意识,致使目前大多数先进的生物质能源技术都集中在欧美发达国家手中,并拥有最大份额的国际市场。这些国家以科技为前导,吸引产业界参与研制和开发在20年乃至50年后可以发挥重大作用的关键技术,以此加速这些技术的产业化,形成相应的制造工业基础体系。换言之,这些国家具有以国家先期投入为引导,唤起企业发展可再生能源技术,从而占领技术制高点的战略眼光和决心。如美国政府始终要求企业要保持其技术研发和装备制造能力的国际领先地位,先后制定了太阳光伏电池、风力发电装备和氢能技术发展的路线图,抢占了大多数可再生能源技术的制高点,确保了美国在这一领域的领先地位。世界上最优秀的风机制造技术则集中在丹麦、德国、西班牙和美国等几个国家。丹麦在生物质发电产业,一直保持其技术研发和装备制造能力的国际领先地位。

(2)明确发展可再生能源目标,建立稳定的市场规模。德国在20世纪90年代就明确提出,要利用30年左右的时间,发展可再生能源技术,特别是风力发电技术,使其取代核电技术。这一决策,大大增强了企业界对开发风力发电为代表的可再生能源技术和装备的信心和步伐,在不到10年的时间内,便迅速建立了装备制造、安装和运行维护的产业体系。根据美国风能协会(American Wind Energy Association)发布的数据显示,2010年美国全部新增风力发电装机容量为5115MW,相当于2009年的一半。

(3)政府重视。依靠政策推动发展。如果脱离政府的大力支持,仅靠民间机构是无法发展可再生能源的。世界上对生物质能源的发展无论出于什么目的,都需要政府高瞻远瞩,从政策、法律上给予支持,才是使可再生能源迅速发展的根本动力。进入20世纪90年代,各个国家先后对可再生能源采取了配额制、强制购买、有限竞标、绿色证书、特许经营等激励政策。尽管这些政策的效果因地而异,但是不论采用哪种政策,只要政府保证政策的持续性,其政策效果就十分明显。例如,德国、西班牙为了鼓励风力发电,颁布了《购电法》以吸引投资；英国早期实施《非化石燃料公约》制度,为可再生能源发展创造了条件；美国有些州及澳大利亚实施配额制,要求在电力供应中可再生电力的比例要达到一定的程度。这些措施针对可再生能源发展的障碍提出并实施,对可再生能源的起步是一个巨大的推动力。另外,以立法的形式强制社会接纳和开发可再生能源,也为可再生能源的前景提供保障。

(4)注重生物质能源的宣传及推广。发达国家通过对环境保护的长期宣传教育,使公众普遍都接受对环境有益的可再生能源技术、高电价政策、绿色能源政策等。使发展生物质能源能得到公众的认同,营造一个全民支持发展生物质能源的氛围。

4.1.3.2　国内生物质能的利用情况

目前中国能源的基本状况是：资源短缺,消费结构单一,石油的进口依存度高,形势十分严峻。2004年统计数据显示,中国一次能源消费结构中,煤炭占67.7%、石油占22.7%、天然气占2.6%、水电等占7%；一次能源生产总量中,煤炭占75.6%、石油占13.5%、天然气占3%、水电等占7.9%。这种能源结构导致对环境的严重污染和不可持续性。中国石油储量仅占世界总量的2%,消费量却是世界第二,且需求持续高速增长,中国进口石油的80%来自中东,且需经马六甲海峡,受国际形势影响很大。统计数据表明,2003年和2004年我国的能源消费增长分别为14.3%和15.2%。相对于需求的快速增长,我国国内的能源供给显现出了不足,石油和天然气储量和世界平均水平都有很大差距。

中国拥有丰富的生物质能资源,据测算,中国理论生物质能资源现有50亿t左右。目前可供利用开发的资源主要为生物质废弃物,包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物、城市固体有机垃圾等。然而,由于农业、林业、工业及生活方面的生物质资源状况非常复杂,缺乏相关的统计资料和数据,加上各类生物质能资源间以各种复杂的方式相互影响,因此,生物质的消耗量是最难确定和估计的。根据国家中长期发展规划目标,到2020年,可开发生物质资源量至少可达15亿t标准煤。因此,生物质能的发展潜力巨大。近年来,高产的能源作物如甜高粱、甘薯、木薯、芭蕉芋、绿玉树、巨藻等,作为现代生物质能资源已引起广泛关注,众多科研机构和科技企业的不断参与研究与应用,将会大幅度发展中国的生物质能资源,为生物质能源产业化提供可靠的资源保障。

中国目前的能源形势十分严峻,石油对外依存不断攀升,预计到2020年至少需要4.5亿t原油,而届时本土产能将最多不超过2亿t。我国有丰富的生物质资源,年产农作物秸秆约7亿t。2006年年底全国生物质能发电累计装机容量220万kW,完成生物质气化及垃圾发电3万kW,已建农村户用沼气池1870万口,为近8000万农村人口提供优质生活燃气。从2006年到2010年的4年间累计新增330万kW。

自2006年开始,中国政府陆续出台了相应的发展生物质能的配套措施。明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的地位,并在政策上给予了优惠支持。希望通过实行可持续发展的能源战略,保证我国到2020年实现经济发展目标,即一次能源需求少于25亿t标准煤,节能达到8亿t标准煤,煤炭消费比例控制在60%左右,可再生能源利用达到5.25亿t标准煤。其中可再生能源发电达1亿kW,石油进口依存度控制在60%左右,主要污染物的削减率为45%～60%。

国内对于生物质能源的发展尚未成熟,中国生物质能源的发展一直是在“改善农村能源”的观念和框架下运作。近两年,生物质能源在中国受到越来越多的关注。目前,中国的生物质能源生产已经形成一定规模,国家也通过制定行业标准规范生物质能源生产,出台法律法规为其提供保障,并运用财税政策推进生物质能源产业发展。

1.我国生物质资源分析

以下就我国的农作物秸秆、畜禽粪便、林业生物质、工业有机废弃物,以及城市有机垃圾五类生物质能资源分别加以资源分析和测算。

(1)农作物秸秆。在农业生产过程中,收获了小麦、玉米、稻谷等农作物以后,残留的不能食用的根、茎、叶等废弃物统称为秸秆。秸秆是我国农村传统的生活用能,大部分作为农民炊事和取暖的燃料。每年产生秸秆的数量取决于当地气候条件、土壤条件和采用的农业技术.地域差异非常大。

我国是一个农业大国,地域辽阔,土地面积居世界第三位。但人均土地面积仅有0.78hm2,相当于世界平均数的1/3；人均耕地0.11hm2,只相当于世界平均水平的44%。人口多、人均土地占有量和人均耕地占有量少、耕地后备资源不足,是我国土地资源的基本国情。我国土地基本国情见表4.5。

表4.5　　我国土地的基本国情

农作物秸秆的数量(干重,下同)是农作物产量乘以谷草系数推算出来的,然后按不同作物秸秆的热值分别折算为统一的单位——标准煤,准确性相当高。(www.xing528.com)

中国目前的农作物秸秆大致有5个去处：造肥还田、饲料、工业原料、薪柴及露地焚烧。

1)秸秆造肥还田。利用生物化学技术加速作物秸秆腐烂,提高堆肥的温度、速度、缩短堆肥的周期,一年四季均可生产,而且操作方便、省工、省时、堆肥养分含量高。

2)利用秸秆作动物饲料。作物秸秆可以直接用作食草动物的饲料,但适口性较差,采食量少。秸秆也可以粉碎成草糠,做动物辅助饲料用。

3)秸秆也可以用作工业原料。经过碾磨处理后的秸秆纤维与树脂混合物在金属模中加压成型处理,可制成各种各样的低密度纤维板材。再在其表面加压和化学处理,并用于制作装饰板材和一次成型家具,具有强度高、耐腐蚀、防火阻燃、美观大方及价格低廉等特点。

4)秸秆作为薪柴使用,是传统的农村生活用能。

5)秸秆露天焚烧直接导致大气污染,影响大气环境质量。在夏秋季节,尤其是在每年的6—7月份收割季节,为了尽早完成水稻的种植,农民将大量的废弃麦草直接在农田里焚烧,导致空气中总悬浮颗粒数量明显升高并产生大量的有害气体。对人体健康产生不良影响。

中国农业部与美国能源部项目专家组于20世纪90年代对中国生物质资源可获得性进行了评价。对2010年的分析是；中国粮食产量5.6亿t,秸秆总量7.2亿t,除2800万t用于造纸,1.13亿t用于饲料,还田1.089亿t外,可作能源利用的秸秆为4.701亿t(占秸秆总量65.3%)。在作物秸秆的用途和比例上,主要用途和比例大体是：造肥还田15%、饲料用24%、工业原料用3%、薪柴用43%、露天焚烧约15%。按此参数推算,2004年中国九大作物的6.49亿t(折标煤3.27亿t)秸秆中,造肥还田0.97亿t、饲料用1.56亿t、造纸用0.19亿t、薪柴用2.79亿t(折标准煤1.41亿万t)、露地焚烧9728万t(折准煤4906万t)。即在保证秸秆还田、饲料用和工业用途外,有60%约3.89亿t秸秆可用于生物质原料,相当于1.96亿t标准煤。

2000年国家发展改革委副主任刘江主编《21世纪初中国农业发展战略》的一书中《农产品供求总量平衡研究》一文对于2030年谷物需求和产量做出了相当详细的分析和预测。以2004年八类谷物及秸秆产出为基数,在与2030年预测数的对比中求得增量。因2030年只有稻麦、玉米和大豆三类作物的预测资料,故数值要比实际数低。2005年的谷秆产出是5.35亿t,2030年是7.99亿t,增长率是60%。折成标准煤,2005年与2030年分别是2.68亿t和4.27亿t。

(2)畜禽粪便。我国是畜禽养殖大国,畜禽粪便综合利用潜力巨大。畜禽粪便主要来自圈养的牛、猪和鸡三类畜禽。粪便产出的估算是按照不同月龄的牛、猪和鸡的日排粪量及存栏数得出实物量,再按照粪便收集系数(牛与鸡为0.6,猪为0.9)得到可开发量。依次算法,2003年的实物量为14.67亿t,可开发量为10.23亿t,其中牛、猪、鸡分别为5.9亿t、3.55亿t和0.77亿t。不同的畜禽粪便的产热量不同,牛、猪、鸡分别为4万kJ·K/kg、1.26万kJ·K/kg、1.88万kJ·K/kg,分别折算的年产能是4990万t标准煤、2752万t标准煤和2668万t标准煤,合计为1.04亿t标准煤。畜禽粪便量最丰富的8个省(自治区)排序是河南、四川、山东、湖南、河北、广西、云南、广东,合计折算标准煤4663.76万t,占全国畜禽粪便产出能源总量的43.5%。

畜禽粪便的可收集量直接决定了生物质原料的资源量。中国农业以家庭为基础,户用沼气是对散养畜禽粪便收集和利用的最好方式。2005年年底中国农村共建有沼气池1800万户,沼气利用量达到70亿m3。自2000年至2009年年底,全国农村户用沼气池由763万户增至3507万户,年均增长率36.0%,是户用沼气发展最快的历史时期。户用沼气每年可以为农户提供124亿m3的沼气,以及大量沼肥。目前,我国农村户用沼气池的建设规模和使用量居全球之首,是利用技术最成熟、涉及人口最多、效益最突出的可再生能源领域之一。

2007年,我国畜禽粪便的规模化开发主要集中在大中型养殖场,中国的规模化养殖场总数222万个,其中大型养殖场8242个,占总数的0.37%；中型规模养殖场44 952个,占2.02%；小型规模养殖场216.7万多个,占97.61%(刘英,2005年香山会议报告)。2003年我国大中型畜禽养殖场的猪、奶牛和鸡的饲养量分别占全国饲养量的11.9%、12.5%和12.0%。

(3)林业生物质。林业生物质能源不仅是广大农村的主要能源,而且是现代无污染清洁能源的载体,发展林业生物质能源不仅能减缓农村能源短缺、增加经济收入、提高生活水平,还能保护森林资源、改善生态状况。薪炭林是林业生物质能源的主体,是五大林种之一。在森林抚育、采伐和木材加工过程所产生的剩余物、小径木、废材等也是重要的林业生物质能源。这是一种高度清洁的能源,是减少温室气体排放,防止全球环境恶化的一种科学选择,其最显著特点在于资源和环境的双赢,以及生态、经济、社会效益的协调统一。大力发展林业生物质能源,可以带来巨大的效益,既可以提供丰富的清洁能源,又可以显著增加森林资源。

薪炭林在解决农村能源危机中起了至关重要的作用。所以,要解决农村能源短缺,降低低价值消耗,有效保护其他林种,就必须大力发展薪炭林。近几年来,世界营造薪炭林的规模在扩大,速度在加快,加大了对于薪炭林资源的利用。近10年来,美国、瑞典等发达国家在林业生物质能源转换技术方面都取得了新进展,无论是热化学转换技术,还是生物学转换技术和木质燃烧发电发展。而我国目前在薪炭林的使用上,只是停留在直接燃烧方式的改革方面。比如节能省柴灶的利用等。很少研究林业生物质能源转换,技术也比较滞后。如何使薪炭林得到深度开发及广泛利用,进而实现薪炭林生长以及经济效益、社会效益的有机统一,是今后薪炭林发展的主要任务。薪炭林在林业发展中有着举足轻重的作用,薪炭林分天然林、人工林。作为生物质能资源的主要是人工林。我国薪炭林的发展速度慢,年均新造薪炭林面积仅占人工造林面积的1.3%。因此,要加大薪炭林的比例,积极营造速生的、短轮伐期的薪炭林,使这一洁净能源成为农村经济的增长点,从而有效地保护其他林种。

林业剩余物作为生物质原料资源,其中一部分来源于伐区采伐剩余物和木材加工剩余物,另一部分来自各类经济林抚育管理期间育林剪枝所获得的薪材量。

由于天然用材林大部分集中在人口密度较小的山区,地处偏僻,交通闭塞,运输困难,所以这些地区所生产的林业剩余物,大多由于运输成本太高,导致商品林木质能源利润不高,从而难以合理利用。

伐区采伐剩余物包括经过采伐、集材后遗留在地上的枝杈、梢头、枯木、被砸伤的树木,以及不够木材标准的树木等。据统计,全国每年采伐剩余物量约5.54亿t,主要分布在西藏、黑龙江、内蒙古、吉林等省区。防护林和特种用途林需要采伐更新的面积545.2万hm2,木材蓄积量1668.5万m3,总生物量5.14亿t,采伐剩余物量为2.06亿t。

林业剩余物的第二部分来源是薪炭林、用材林、防护林、灌木林、疏林等不同林地育林剪枝及四旁树剪枝获得的薪材。根据不同地区和不同林地类型的取柴系数和出柴率等参数,从各省林地类型和面积中测算出全国薪柴资源量。据测算,全国薪柴年产出量为5239.3万t,扣除其中薪炭林的薪柴可采量为4812.62万t。不同地区和不同林地类型的取柴系数和出柴率见表4.6。排在前十位的省(自治区)依次为云南、四川、西藏、广西、江西、湖南、广东、内蒙古、福建和黑龙江。处在前四位的西南三省份(云南、四川、广西)和西藏,占全国薪柴总产出量的39%。

表4.6　不同地区和不同林地类型的取柴系数和出柴率

综上所述,如按国家采伐限额的木材采伐剩余物和加工剩余物的最小值,“十一五” 期间木材采伐剩余物和加工剩余物的实物量为8056万t,折算标准煤4592万t；加上各类经济林抚育管理期间育林剪枝所获得的薪材实物量4813万t,折2743万t标准煤,二者合计实物量为12869万t,折标准煤7335万t。此数值稍低于《新能源》杂志上《我国新能源产业初具规模》一文的数据——“薪材年合理采伐量约1.58亿t”(折9006万t标准煤)。国家林业局提出的2008年资料明显高于以上数据,即“采伐造林剩余物1.1亿t,木材加工剩余物3000万t,废旧木材6000万t”。

我国是一个多山的国家,全国山地面积约占国土总面积的70%,而且气候、土壤、地理条件都宜发展薪炭林,我国有丰富的森林植物资源,自古以来就有很高的森林覆盖率。

加快发展林木生物质能源是有效补充我国能源、改善和保护生态环境的战略举措,对维护我国能源安全、改善能源结构将产生重要的作用。

我国发展林业生物质能源的优势主要有以下几点：

1)树种丰富。我国适合规模化发展林木生物质能的树种资源比较丰富,仅乡土树种就多达几十种。这些树种有的适合作为燃料用于发电,如刺槐、黑荆树、柠条、沙棘、竹柳、沙柳、桉树等；有的适合开发生物柴油,如麻疯树、黄连木、乌桕、文冠果、油桐、石栗树、光皮附等。

2)资源丰富。根据目前的科学技术水平和经济条件,获得的林木业物质资源种类分为薪炭林、平茬灌木、经济林和城市绿化修枝、油料树种果实和林业“三剩”,即采伐剩余物、造材剩余物和加工剩余物等。按相关的技术标准测算,每年的生物质总量约8亿～10亿t,其中,可作为能源利用的生物质在3亿t以上。按照相应的标准煤产数加以换算,3亿t全部开发利用后可替代2亿t标准煤,能够减少目前1/10的化石能源的消耗。可以说,林木生物质能源是我国未来能源的一个重要补充。在油料资源利用方面,我国现有木本油料林总面积超过600多万hm2,主要油料树种果实年产量在200万t以上。

3)潜力巨大。与其他生物质能源相比,林木生物质能资源发展不占用耕地,发展空间广阔。目前,我国尚有5400多万公顷宜林荒山荒地可用于发展能源林。此外,还有大量的盐碱地、沙地以及矿山、油田等,适宜种植特定能源树种,如柠条、沙柳等灌木。这些边际性土地资源经过开发和改良,将会变成发展林木生物质能源的“绿色油田”“绿色煤矿”,用以补充我国未来经济发展对能源的需求。

(4)工业有机废弃物。我国目前经济迅速发展,工农业生产力大大提高,各种固体有机废物急剧增加,废弃物的处理增加了环保的压力。工业有机废弃物主要来自农林产品加工工业。2004年中国农副产品及食品加工业的产值为13454亿元(占全国工业总产值的35.9%),其中可产生大量有机废弃物的谷类磨制、屠宰等9大行业的产值占到63%。2011年,全国农产品加工业产值超过15万亿元,占工业总产值的17.6%。相关数据显示,改革开放以来,我国农产品加工业产值年均增长速度超过13%,明显高于同期(GDP)增长速度。“十一五”末期,我国规模以上农产品加工企业从业人员2500多万人,比“十五”末期增加400万人。全国已建立各类农业产业化经营组织22.4万个,上亿农户参与农业产业化经营,户均增收1900多元。

2.生物质能总量丰富但利用率低

生物质能是人类利用最早的能源之一,生物质能源分布极广,产量巨大,具有可再生、成本低等优点。据估计地球上每年通过植物光合作用固定的碳达1.8×1011 t,含能量达3×1021 J每年通过光合作用储存在植物的枝、茎、叶中的太阳能,相当于全世界每年总耗能量的10倍。生物质能遍布世界各地,其蕴藏量巨大,仅对地球上的植物而言,每年的生产量就相当于目前人类消耗矿物能的20倍,或相当于世界现有人口食物能量的160倍,而目前作为能源用途的生物质仅占总产量的1%左右,发展潜力巨大。

长期以来,生物质能多是通过直接燃烧或焚烧生物质的形式加以利用的,不仅热效率低下,而且伴随着大量的烟尘和灰分的排放,环境污染严重,已成为阻碍经济发展和社会进步的重要因素之一。然而,随着科学技术的进步与发展,生物质能可以通过各种转换技术高效地合理利用,如生产乙醇、沼气、生物柴油等各种清洁燃料或电力,或生成生物质固体成型燃料,用以替代煤炭、石油和天然气等矿物燃料。而目前人类正面临着因使用矿物燃料而引发的环境、经济竞争甚至国际争端等日趋严重的问题,各国已经开始关注和重视生物质能的开发及利用。开发与利用生物质能,对实现经济的可持续发展,保障国家能源安全、改善生存环境和减少二氧化碳排放都具有重要作用和战略意义。

我国是一个拥有13亿人口的农业大国,生物质是农村的主要生活燃料,开发利用生物质能对中国具有特殊意义。2000年,我国农村能源消费总量为6.3亿t标准煤,其中秸秆和薪柴分别占35%和23%。《中国农村地区能源形势分析》指出,随着农村经济发展,未来生物质能供应将转向高品位终端能源,传统的直接燃烧比例将逐渐降低。据专家预测,2020年和2050年,中国农村地区生物质能开发利用量占能源供应总量的比例将分别为17.4%和13.8%,虽然比例有所下降,但生物质能开发的总量却呈上升趋势,分别达到2.74亿和2.88亿t标准煤,其中运用现代技术开发的生物质能占总生物质能利用量的比例分别为72.4%和95.0%。

目前我国广大农村的生活用能还处在以生物质能为主的局面,在今后较长的一段时期内不会改变。农村生物质能的利用形式多以直接燃烧为主,资源浪费和环境污染非常严重。农民大多直接燃烧秸秆、薪柴、干粪、野草,不仅劳动强度大,而且不卫生,容易感染呼吸道疾病等多种疾病。因此,要重视改变能源的生产方式和消费方式,开发利用生物质能等可再生的清洁能源。对于建立可持续发展的能源系统,促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。

我国作为人口众多的农业大国,生物质能十分丰富。生物质能在我国的能源结构中占有相当重要的地位。我国每年的农村秸秆量约为7亿t,2010年约为7.26亿t,相当于5亿t标准煤；林业废弃物(不包括薪炭林)每年约达3700万m3,相当于2000万t标准煤。加之畜禽粪便、城市垃圾和工业废水等,我国每年的生物质资源量可达6亿t以上标准煤。

目前,我国农村能源利用水平很低。农村生物质一般直接被放入普通炉灶上用作燃料,效率很低,大约为10%～20%。同时,由于中国目前的小农经济、地块分散、人均占有的生物质少等多种原因,传统生物质利用的问题没有得到很好的解决。中国需要一个整体的生物能源发展战略,来规划用户适合的燃料,给合适的消费群体提供合适的能源服务,千万不能各种能源“各唱各的戏”。根据生物质能总体发展战略,针对可再生能源的特点,生物质能的利用在我国大有可为。我国生物质能的资源产生于广大农村和社区,要结合农村的特点,借鉴发达国家成熟的发展经验,走独特的本国发展道路,具体问题具体分析。简单照搬国外的做法在我国是行不通的。

循环经济在经济形态上的表现,本质上要求运用生态学的规律来指导人类社会和经济活动,按照自然生态系统物质循环和能量流动规律重构经济活动和能量利用系统,使人类的活动和谐地融入生态系统的物质循环过程中,建立起一种新形态的经济。能源的利用是一个庞大的系统,需要经过几个过程：资源—开发—收集—运输—转化—分散到终端用户。根据我国的国情,可再生能源的利用要注意以高度分散的广大农民和小城镇为主要用能对象,这是一个“顺其自然”的能源服务配置。

3.我国生物质能发展过程

生物质能在人类发展历史中曾起到巨大的作用,目前在世界能源结构中也占有一定的位置。据统计,在世界能源能耗中,生物质约占总消耗的14%,在亚洲、非洲等地的发展中国家,生物质能的利用占国家总能耗的40%。

我国每年农作物秸秆产量在7亿t以上,其中约有3亿t可以作为能源使用。折合1.5亿t标准煤；禽畜粪便总资源约30亿t,如果有效利用,可以生产出数量巨大的沼气；有不少荒山、荒坡和盐碱等边际性土地,可以种植甘蔗、甜高粱、木薯、甘薯等能源作物；另外,稻壳、玉米芯、甘蔗渣等农产品加工业副产品数量巨大,可大量转化为生物质能。目前,秸秆和粪便的过剩及污染问题已经成为全社会关注的问题。因此加大力度开发生物质能,尽快将其转化成优质能源的问题已经迫切地摆在人们面前。1996年由国家计划委员会、国家科学技术委员会、国家经济和贸易委员会共同制订了《1996—2010年新能源和可再生能源发展纲要》,生物质能技术的发展目标为：紧密联系市场,与工程项目相结合,迅速将科研成果转化成生产力,推动生物质能技术的商业化进程,为在能源领域实现可持续发展的战略目标服务。根据各方面的专家分析,结合生物质能技术现状和农村地区的需求特点,具体目标定位为：进一步提高禽畜粪便厌氧消化器的池容产气量率,争取在目前基础上提高30%以上,提高沼气发电转化效率,每千瓦时沼气消耗量降低10%以上；研究沼气池商品化的快速建造技术,推进市场化进程；研究秸秆干发酵沼气技术,提高稳定和产气率；研究秸秆中热值气化及相关技术,提高气化效率和应用范围；研究秸秆直接燃烧热利用技术及装置,拓展秸秆利用领域。

在农业生物质能开发日益受到全世界关注的背景下,农业部正式发布了《农业生物质能产业发展规划(2007—2015)》(以下简称《规划》),提出要立足我国国情,走中国特色农业生物质产业发展道路的总体目标。在2010年,全国已建成一批农业生物质能示范基地,部分领域关键技术要达到国家先进水平,产业化程度应明显提升,农业废弃物利用范围和利用规模要明显扩大,农村生活用能结构应明显优化,农民从农业生物质能产业中的收益不断提高,农业生物质能在国家能源消费中的比例不断提高,地位不断上升。2015年,全国已建成一批农业生物质能基地；技术创新和产业发展体系基本建成,开发利用成本大幅度降低,初步实现农业生物质能产业的市场化,生物质能产业成为农业发展的重要领域,对促进农民增收、改善农村生活条件,建设社会主义新农村作用日趋明显,并成为保障国家能源安全、保护生态环境的重要能源。

同时,《规划》提出的具体目标是：到2010年全国农村户用沼气总数要达到4000万户,占适宜农户的30%左右,年生产沼气155亿m3；新建规模化养殖场、养殖小区沼气工程4000处,年新增沼气3.36亿m3。到2015年,农村户用沼气总数达到6000万户左右,年生产沼气233亿m3左右,并逐步推进沼气产业化发展；建成规模化养殖场、养殖小区沼气工程8000处,年生产沼气5.7亿m3。同时,建设一批秸秆固化成型燃料应用示范点和秸秆气化集中供气站,利用边际性土地适度发展能源作物,满足国家对液体燃料的原料需要。

为了保证《规划》目标的按时实现,应重点推进农村沼气工程、生物质能科技支撑工程、农作物秸秆能源化利用示范基地建设工程、能源作物品种选育和种植示范基地建设工程等四大重点工程,着力建设我国农业生物质能产业发展平台。

虽然我国在生物质能源开发方面取得了一定的成绩,但其技术水平与发达国家仍有一定的差距,如新技术开发不力,利用技术单一、利用技术比较低下,生物质能利用工程规模小,设备利用率和转换效率比较低等。此外,在我国现实的社会经济环境中,也存在一些消极因素制约或阻碍着生物质能利用技术的优势。

目前,欧洲生物质能约占总能源消耗量的2%,预计15年后将达到15%,制订的计划要求到2020年生物质燃料将代替20%的石化燃料。美国在生物质发电方面发展较快,目前已装机9GW,到2020年将达到200 TW·h。今后10多年内,以生物质为原料制取运输燃料将从探索、研发阶段进入技术成熟阶段,预计在2030年前后进入商业化阶段。2050年生物质燃料与生物质气化发电将一起进入能源市场,其综合指标将优化于化石能源,在人类经济可持续发展中占有重要地位。