【中國綠發會訊】編者按：人類社會經濟發展對化石能源的依賴是應對全球變暖的世界性難題。化石能源消耗意味著較高的碳排放，現代社會期待可持續、低碳、高效的能源體系。地球上的植物等通過光合作用合成有機物，為人類及多種動物提供了多樣的食物、薪材、以及建造房屋、制作工具、家具的材料等，人類對于生物質的利用歷史由來已久。根據GB/T 30366—2024，生物質（Biomass）是直接或間接利用綠色植物光合作用形成的，包括植物、動物和微生物以及由這些生命體排泄與代謝所產生的有機物質；將生物質中以化學能形式貯存的太陽能轉化為常規的固態、液態、氣態燃料或能源的可再生能源即是生物質能。生物質能直接或間接來源于綠色植物的光合作用，是國際公認的零碳可再生能源，具有綠色、低碳、清潔、儲量豐富等優勢。

植物不光創造美景，也是人類重要的能量來源（圖源：趙玉萍，封面圖）

開發利用生物質能是形成可持續、低碳、高效能源體系的重要組成部分，是實現社會經濟綠色轉型的重要途徑，也是落實綠色低碳循環發展的關鍵環節。那么生物質能就一定低碳嗎？制約生物質能開發利用的關鍵問題在哪里？在此摘編The Innovation期刊視頻號的一場學術報告，來展示基于生命周期評價（Life Cycle Assessment, LCA）分析生物質能源生態-技術-經濟特征的過程，及其在生物質資源轉化、生物質能開發利用的工藝方案選擇上的應用。本報告的題目為“生物質能源一定低碳么？”，報告人為太原理工大學趙志仝老師。（編者按：ZYP）

一、生物質能源的特點

由于光合作用是形成生物質的直接和間接因素，生物質能源在理論上能實現零碳排放，因此生物質能具有天然的零碳屬性。

生物質種類多樣，成分復雜，以生產乙醇為例，生物質原料包括：以淀粉為主要成分的糧食作物；以糖類為主要成分的經濟作物；以木質素、纖維素和半纖維素為主要成分的秸稈等農林廢棄物；以脂類、蛋白質、糖類和淀粉為主要成分的藻類。

然而，生物質能源密度低，運輸等體積物料時，獲得的能量少。主要糧食作物小麥、玉米和水稻的產量依次為6.3 t/hm2、6.5 t/hm2 和7.3 t/hm2，相應的秸稈產量范圍為6.3~7.6 t/hm2、6.5~9.4 t/hm2、6.5~8.7 t/hm2。柳枝稷、芒草生物量分別為13 t/hm2和40 t/hm2。因此生物質產量的天然限制，決定了其具有收集區域分散的特征，這會對運輸距離、農田覆蓋率、作物收集、存儲等帶來挑戰。

二、現代化工體系與生物質轉化工藝

現代化工體系是把原油、煤等經過一系列化學過程轉化成各種化工產品。現代石油化工體系，是原油經過裂解、重整、蒸餾等步驟，將長鏈烴斷裂為合適大小的烴類能源并分離的過程，通常以原油和煤等化石能源為原料，其化學成分主要是碳氫化合物。

生物質與石油的化學成分不同，不同來源的生物質其化學成分存在顯著差別，能否構建技術、經濟、環境可行的工藝技術是生物質能源利用的決定性因素。

三、生物質能源的全生命周期評價（LCA）

生物質能源一定低碳么？

生物質能源的經濟性怎么樣？

生物質能源的制約因素在哪兒？

用什么樣的評估方法合理？

對于以上問題，我們可以用生命周期評價（LCA）這一工具揭示生物質能源的生態-經濟-技術特征。LCA是一個產品系統的生命周期中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價。生命周期評價貫穿產品生命周期全過程——從獲取原材料、生產、使用直至最終處置，考察所有環節的環境因素及其潛在影響，因此也被稱為從搖籃到墳墓全生命周期的評價分析方法。

生物質全生命周期模型由生物質供應及運輸系統和生物質轉化系統組成。生物質轉化包括原料預處理、反應、產物分離與提純、公用工程、廢水處理等模塊。

以傳統車用燃料的替代為例，可以梳理出石油、煤制油、煤發電、生物質路線，其系統邊界如下圖。LCA評價時，每個過程都需要追溯能源消耗與碳排放，但要扣除生物質光合作用固定的CO2。電動車和內燃機車不一樣，還需要考慮車輛生產過程。數據收集是LCA非常重要的環節，通過統計年鑒、企業調研、OpenLCA等專用數據庫軟件、文獻參考等構建LCA評價的數據庫，通過MATLAB等專業軟件構建LCA評價模型及工藝模擬。

四、生物質能源LCA案例——以芒草制乙二醇為例

在我國，乙二醇產量長期低于市場表觀消費量，長期依賴進口補足消費缺口。為了提升我國乙二醇生產量，增強乙二醇的供應，2015年中國科學院大連化學與物理研究所的張濤團隊研究出通過芒草制乙二醇的混合物（乙二醇含量為44.12%）。在此用LCA方法評價其工藝可行性、技術經濟性和環境友好性。

芒草制乙二醇的工藝包括原料供應系統、預處理單元、反應單元、公用工程單元、產物分離單元和廢水處理單元。其中，對于原料供應系統，芒草種植面積及分布會影響運輸距離、打捆能耗、存儲成本，也影響產品整體的生產規模。同時，芒草運輸距離對生產成本有影響，當運輸距離為60 km時芒草生產成本最低，因此推薦芒草運輸半徑范圍為20~135 km，理論規模為2~28萬噸。

芒草制乙二醇的工藝流程主要包括原料預處理、反應、廢水處理和產物分離四個部分。生產每噸生物質乙二醇，需要消耗7.2噸芒草，工藝水單耗為104.6噸。而煤化工路線生產每噸乙二醇，需要消耗3.2噸煤，石油化工路線生產每噸乙二醇需要消耗0.8噸乙烯。從生產成本上來看，生物質基＞石油基＞煤基；但從化石能源消耗方面，生物質基＜石油基＜煤基；溫室氣體排放方面，生物基遠低于煤基。因此，生物質乙二醇具有節能減排潛力，但生產成本相對較高，經濟效益不如石油基和煤基等化石路線。

另外，通過生物質乙二醇路線的靈敏度分析，可知：乙二醇收率（乙二醇實際生產量占理論生成量的比例）對總生產成本和化石能源消耗最敏感，氫氣消耗量對碳排放影響最敏感；工藝水消耗和芒草收集率引起超過2.2%的變化。與石油基和煤基乙二醇相比，當乙二醇收率高于55%時，生物質乙二醇的生產成本低于石油基乙二醇生產總成本，當乙二醇收率高于70%時，生物質乙二醇的生產成本低于煤基乙二醇生產總成本，生物質基乙二醇的經濟性凸顯，可實現盈利。

同時，氫氣消耗量是影響生物質基乙二醇全生命周期碳排放和化石能源消耗的關鍵因素。非化石資源制氫路線的生物質乙二醇經濟性較弱，單純改變氫源難以實現盈利；但是，非化石資源制氫路線將節約26%~54%的化石能源，實現生物質基乙二醇路線的碳排放達到負值。

芒草產量和種植率對生物質乙二醇的經濟性存在一定影響。提高芒草產量和種植率可提高生物質乙二醇的經濟性，但這種影響趨勢會逐漸縮小。

在生物質制乙二醇的工藝過程中，脫水方式（直接精餾、熱泵精餾）選擇可影響總固定投資、總公用工程和總生產成本，熱泵精餾系統總固定投資可能會略高，但相對于直接精餾，總公用工程的投資可降低52.0%，可實現總成本節約8.6%。

最后，預處理產物濃度高于24%和54%時，總生產成本與石油基和煤基乙二醇持平。基于總生產成本、生命周期化石能源消耗、生命周期碳排放的綜合考慮，當預處理產物濃度高于50%時直接精餾脫水有利，反之集成熱泵精餾脫水有利。

小結

生物質能源一定低碳么？是否低碳與轉化技術相關，還與原料種類、規模大小、能源生態圈等相關。改進技術，優化模型，促進可再生能源體系生態圈，能大幅度提升生物質能源節能降碳潛力。

生物質能源理論上是零碳排放。在可再生能源體系下，生物質能源能夠做到零碳排放。不能輕易地對生物質能源及化學品是否低碳下結論，需結合轉化技術、原料種類、供應體系等全生命周期要素綜合評估。技術升級和系統優化是促進生物質能源碳減排的兩個策略。

參考資料：

GB/T 30366—2024 生物質術語

Innovation Webinar | 趙志仝：生物質能源一定低碳么？

報告文字整理/ZYP

審/Syu

排版/angel

本文來自“中國綠發會”微信公眾號