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            江億:生物質是未來零碳能源系統中最重要的燃料

            12月6日,“發展零碳能源,共建生態家園”——2021(第三屆)全球生物質能創新發展高峰論壇(下稱“高峰論壇”)順利開幕。本論壇由中國產業發展促進會生物質能產業分會、中國農業大學、國際能源署生物質能中國組聯合主辦,作為國內目前層次最高、規模最大的生物質能論壇,高峰論壇吸引了多位政府領導、國內外業界專家出席。
             

            與會期間,中國工程院院士、清華大學江億教授受邀出席,并以《生物質能源:零碳能源系統中最重要的燃料》為題做出精彩演講,相關內容特別整理如下:

            第三屆全球生物質能創新發展高峰論壇是一次非常重要的會議,無論從學術上還是從推動“雙碳”工作的角度上,都有重要意義。對于本次會議的成功召開,我表示熱烈祝賀。
            在這次與大家交流的機會中,我想要分享一個觀點:即未來零碳能源系統中,生物質能源是最重要的燃料。
            當下,人類正面臨著一個共同的任務,就是能源結構調整,以解決全球氣候變化的問題。這個任務的中心是“由以燃煤燃油燃氣為基礎的化石能源結構轉為以風電、光電、水電、核電為主的零碳能源結構”。
            而在未來新的能源結構里,可以找到的唯一的零碳燃料,就是生物質燃料。以這個角度來看待生物質能,生物質的意義就非同小可了。
            因為未來其他能源都是電,沒有燃料,但維持社會經濟運行,必須需要燃料。即便是電力系統,也不能完全依靠風、光、水、核電,必須有一部分調峰的熱電,這就要靠燃料來支撐。
            與此同時,有些工業生產過程也需要燃料,如工業窯爐等等,就需要固體或氣體燃料。這些燃料,是未來零碳社會必須的,它們從哪來?很重要的解決方案就是依賴顆?;纳镔|燃料和生物質燃氣。
            那么我們有多少生物質燃料呢?
            比較激進的分析數據是,將我國農作物的秸稈、稻殼、玉米芯、花生殼等農產品初加工剩余物,林業枝條和木材等加工廢棄物,每年禽畜糞便,以及城市綠化垃圾、廚余垃圾等生物質來源加在一起,會生產出總量約10億噸標煤/年的生物質燃料。
            當然,也有些保守的分析認為未來會產生總量約5億噸標煤/年的生物質燃料。所以我認為5至10億噸標煤/年的生物質燃料是一個科學的范圍,這對能源系統來說,已經是一個很大的量了。
            接下來我們談一下消納問題。為什么說消納呢?因為無論是秸稈還是糞便、餐廚垃圾,這些都不是傳統意義上的能源,即便你不想要開發利用,它們都會因為別的社會活動而產生,所以就必須把它們消納掉,也就是處理掉。
            這就產生了問題,到底采用什么方式消納更好?不同消納方式對環境、氣候、碳排放都有不同的影響,而且較為復雜。我們需要找到對環境影響最小、對實現“雙碳”目標貢獻最大的消納形式。
            對于生物質,我們普遍認為是零碳的,但是不同的消納方式都會產生氧化亞氮還有甲烷,這兩種氣體屬于非二氧化碳溫室氣體,而且比二氧化碳產生的溫室效應更厲害。人類社會要緩解氣候變化,中國要實現碳中和,這就不止是整治二氧化碳了,也要解決其他溫室氣體的排放問題,我國提出的碳中和目標,包括對非二溫室氣體的中和。
            在中國生物質消納方式中,水稻秸稈還田產生的非二氧化碳溫室氣體占我國的非二溫室氣體排放中的很大比例。因此,怎樣處理消納秸稈,使其排放最少,是實現碳中和這一目標中必須面對和解決的重要任務。
            比如說,用堆肥方式來處理秸稈的話,其甲烷+氧化亞氮的排放,每公斤產生接近1200g 的等效二氧化碳,所以堆肥雖然能補充有機肥,但是對于氣候影響還是較為嚴重的。如果不堆肥,而是做成沼氣,然后用沼渣、沼液再來補充有機肥,就不會有這么多的非二氧化碳溫室氣體排放了。

            另一方面,用沼氣發酵做成的生物燃氣,還可以頂替作為化石能源的常規天然氣,所以秸稈制燃氣就比直接堆肥更具有減排效益。

            此外,將秸稈做成成型燃料,1噸就等于0.5噸標煤,此時再燃燒就不會產生非二氣體排放了。而這時產生的二氧化碳是莊稼生長過程中通過光合作用從大氣中固化而來,不需要計算在碳排放中,這樣就秸稈制成的成型燃料就成為零碳燃料。

            但是有人說,堆肥是有機肥,還可以替代天然氣制造的合成氨,合成氨也有溫室氣體排放因子。我們有分析,即使考慮到等效力合成氨的替代,即用堆肥去替代天然氣制造合成氨,最后的結果也是增加了排放,達不到減排的目的。而制備生物燃氣過程中產生的沼渣沼液進一步加工后又可成為優質有機肥,替代合成氨,產生減碳效果。

            所以,從碳中和角度看待生物質的合理化消納,最好的方式是——對于干生物質,就是先制成成型燃料,再燃燒,整個過程就不再有非二氣體排放;對于濕生物質來說,就是沼氣發酵,再分離出二氧化碳,利用或填埋這部分二氧化碳,剩下的甲烷是生物燃氣,沼渣、沼液是有機肥,可以頂替一部分化肥,這么綜合起來,可能就是最好的處理方式。

            在此背景下,歐洲這些年做的碳中和規劃,各國基本是要在2050年前實現碳中和,在他們的規劃里,生物質能有非常大的作用。如丹麥、瑞典,這些國家生物質資源豐富,生物質能在規劃的未來總能源中承擔30%到40%,這樣,就解決了零碳燃料從哪來的問題。

            在歐洲,生物質顆粒燃料為他們的采暖做出特別大的貢獻,相對中國來說,咱們不管是城市還是農村,近些大量依靠煤改氣、煤改電解決采暖問題,煤改生物質比例比歐洲都要小得多。

            除了顆粒燃料之外,歐洲還制取沼氣,從沼氣處理中得到生物質燃氣和生物質柴油,這些他們都做了很好的探索,而且在他們未來的燃料構成中真正占有很大比例。

            我們再看看中國怎么做。

            這些年,經過大規模農村資源普查,我們得到一個結論,即盡管農村建筑規模不大,但是屋頂面積特別大,包括住房、糧房、倉庫、豬圈等,把這些屋頂裝上光伏,充分開發利用起來,裝機容量幾乎可以達到20億千瓦,全年發電量可達到3萬億kWh, 這遠大于目前我國農村的全年用電量。于是,可以考慮:是否應該發展以屋頂光伏為基礎的全部電氣化的農村新能源系統,靠光伏電力解決農村的全部用能?在山西芮城,就有一個代表性模式。

            通過這一方式,農村靠光伏就可以滿足農民的生活、生產和交通用能,替代了煤、油、氣和柴禾。如此一來,面對自然生產出的生物質資源,就可以好好把它們加工成商品化生物質燃料,進入市場。也就是說,農村應該以能源商品為目的,面向能源市場,全面開發各類生物質燃料,把光留給自己,滿足自己的能源需求,把生物質變成燃料,推向市場,形成新的經濟增長點。為什么要留下光電,發展商品化生物質燃料?因為把這些可能的能源都算上,農村可產出的能源遠高于其需要的能源,農村就從以前的能源消費者轉為新的零碳能源的提供者。而作為輸出的能源,其可儲存性、可運輸性、可靈活使用性都非常重要。與生物質燃料比,光伏電力的可儲存性、可運輸性和可靈活使用性都差。也就是說,加工好的生物質燃料更有利于儲存、運輸、和靈活應用,因此應優先作為輸出的商品化燃料,而電力在這些方面相對不足,應優先自用。

            現有數據是:顆粒型,如玉米秸稈、果樹枝條,加工后市價在1000元/噸;大塊型,如麥秸、稻草,加工后市價約500~700元/噸;規?;谱髡託?,再分離出CO2,成為優質生物燃氣。沼渣沼液是優質有機肥,加工后全過程的綜合能源效率從目前的10~15%提高到40%以上。

            所以我們要強調生物質能源的商品化,通過商品化和金融支持,促進生物質能的充分利用。以前生物質為什么總發展不好,就是因為我們太強調生物質優先自用了。那些秸稈還要制成顆粒,然后再燒,有這些功夫,還不如直接燒了,這就是為什么這些年生物質能源總不能全面充分地應用和推廣。一斤小麥目前大約是1元錢,其秸稈收集起來,加工后,弄好了也可以賣0.5元。農民非常辛苦地把每一粒麥子都采集回來,拿到市場上去賣,為了這1塊錢,為什么就看不上可以賣0,5元的秸稈?所以關鍵是沒形成市場,不知道它可以賣。秸稈就應該和長在上面的麥粒一樣,被珍惜,成為農業產出的重要部分。

            另外,生物質材料加工為商品能源的主要成本是加工耗電,這可能也是以前發展商品化生物質燃料的障礙。而現在屋頂光伏又可以提供充足廉價的電力,光伏和生物質結合,對生物質的利用大有好處。

            由此來說,我們就要建立以屋頂光伏為基礎的農村新型能源系統,實現全面電氣化,替代所有的化石能源。全面解決環境、固廢、健康問題,置換出生物質能源,與光伏電力合作制成零碳燃料,供應能源市場,給農區、林區農民增加新的收入來源,實現農村土地糧食和能源的“雙生產雙輸出”,成為我國解決三農問題的重要措施。

            下沉到生物質發展方向來說,就是發展商品化生物質燃料,用來替代化石燃料,減少化石能源燃燒產生的直接碳排放。推廣沼氣集中供氣工程,實現各類可發酵有機廢棄物的消納,尤其應在水稻秸稈資源豐富的地區,通過將稻草進行有組織的集中式發酵生產生物天然氣,解決直接還田所帶來的溫室氣體無組織排放問題,但應加大CH4的回收率,減少使用過程中的泄漏。

            再一次對大會的成功召開表示祝賀,謝謝大家!

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