生物質(zhì)能源一定低碳嗎？——基于生命周期評價分析生物質(zhì)能源的生態(tài)-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)特征

**編者按：**人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對化石能源的依賴是應(yīng)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(xiàn)代社會期待可持續(xù)、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(jī)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(zhì)的利用歷史由來已久。根據(jù)GB/T 30366—2024，生物質(zhì)（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(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)；將生物質(zhì)中以化學(xué)能形式貯存的太陽能轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)燃料或能源的可再生能源即是生物質(zhì)能。生物質(zhì)能直接或間接來源于綠色植物的光合作用，是國際公認(rèn)的零碳可再生能源，具有綠色、低碳、清潔、儲量豐富等優(yōu)勢。

植物不光創(chuàng)造美景，也是人類重要的能量來源（圖源：趙玉萍，封面圖）
開發(fā)利用生物質(zhì)能是形成可持續(xù)、低碳、高效能源體系的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)綠色轉(zhuǎn)型的重要途徑，也是落實(shí)綠色低碳循環(huán)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。那么生物質(zhì)能就一定低碳嗎？制約生物質(zhì)能開發(fā)利用的關(guān)鍵問題在哪里？在此摘編The Innovation期刊視頻號的一場學(xué)術(shù)報告，來展示基于生命周期評價（Life Cycle Assessment, LCA）分析生物質(zhì)能源生態(tài)-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)特征的過程，及其在生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化、生物質(zhì)能開發(fā)利用的工藝方案選擇上的應(yīng)用。本報告的題目為**“生物質(zhì)能源一定低碳么？”**，報告人為太原理工大學(xué)趙志仝老師。

一、生物質(zhì)能源的特點(diǎn)
由于光合作用是形成生物質(zhì)的直接和間接因素，生物質(zhì)能源在理論上能實(shí)現(xiàn)零碳排放，因此生物質(zhì)能具有天然的零碳屬性。
生物質(zhì)種類多樣，成分復(fù)雜，以生產(chǎn)乙醇為例，生物質(zhì)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(jīng)濟(jì)作物；以木質(zhì)素、纖維素和半纖維素為主要成分的秸稈等農(nóng)林廢棄物；以脂類、蛋白質(zhì)、糖類和淀粉為主要成分的藻類。
然而，生物質(zhì)能源密度低，運(yùn)輸?shù)润w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(chǎn)量依次為6.3 t/hm2、6.5 t/hm2 和7.3 t/hm2，相應(yīng)的秸稈產(chǎn)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(zhì)產(chǎn)量的天然限制，決定了其具有收集區(qū)域分散的特征，這會對運(yùn)輸距離、農(nóng)田覆蓋率、作物收集、存儲等帶來挑戰(zhàn)。

三、生物質(zhì)能源的全生命周期評價（LCA）
生物質(zhì)能源一定低碳么？生物質(zhì)能源的經(jīng)濟(jì)性怎么樣？生物質(zhì)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(zhì)能源的生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-技術(shù)特征。LCA是一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價。生命周期評價貫穿產(chǎn)品生命周期全過程——從獲取原材料、生產(chǎn)、使用直至最終處置，考察所有環(huán)節(jié)的環(huán)境因素及其潛在影響，因此也被稱為從搖籃到墳?zāi)谷芷诘脑u價分析方法。
生物質(zhì)全生命周期模型由生物質(zhì)供應(yīng)及運(yùn)輸系統(tǒng)和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)組成。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化包括原料預(yù)處理、反應(yīng)、產(chǎn)物分離與提純、公用工程、廢水處理等模塊。

以傳統(tǒng)車用燃料的替代為例，可以梳理出石油、煤制油、煤發(fā)電、生物質(zhì)路線，其系統(tǒng)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(zhì)光合作用固定的CO2。電動車和內(nèi)燃機(jī)車不一樣，還需要考慮車輛生產(chǎn)過程。數(shù)據(jù)收集是LCA非常重要的環(huán)節(jié)，通過統(tǒng)計年鑒、企業(yè)調(diào)研、OpenLCA等專用數(shù)據(jù)庫軟件、文獻(xiàn)參考等構(gòu)建LCA評價的數(shù)據(jù)庫，通過MATLAB等專業(yè)軟件構(gòu)建LCA評價模型及工藝模擬。

四、生物質(zhì)能源LCA案例——以芒草制乙二醇為例
在我國，乙二醇產(chǎn)量長期低于市場表觀消費(fèi)量，長期依賴進(jìn)口補(bǔ)足消費(fèi)缺口。為了提升我國乙二醇生產(chǎn)量，增強(qiáng)乙二醇的供應(yīng)，2015年中國科學(xué)院大連化學(xué)與物理研究所的張濤團(tuán)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(shù)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

芒草制乙二醇的工藝包括原料供應(yīng)系統(tǒng)、預(yù)處理單元、反應(yīng)單元、公用工程單元、產(chǎn)物分離單元和廢水處理單元。其中，對于原料供應(yīng)系統(tǒng)，芒草種植面積及分布會影響運(yùn)輸距離、打捆能耗、存儲成本，也影響產(chǎn)品整體的生產(chǎn)規(guī)模。同時，芒草運(yùn)輸距離對生產(chǎn)成本有影響，當(dāng)運(yùn)輸距離為60 km時芒草生產(chǎn)成本最低，因此推薦芒草運(yùn)輸半徑范圍為20~135 km，理論規(guī)模為2~28萬噸。

芒草制乙二醇的工藝流程主要包括原料預(yù)處理、反應(yīng)、廢水處理和產(chǎn)物分離四個部分。生產(chǎn)每噸生物質(zhì)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(chǎn)每噸乙二醇，需要消耗3.2噸煤，石油化工路線生產(chǎn)每噸乙二醇需要消耗0.8噸乙烯。從生產(chǎn)成本上來看，生物質(zhì)基＞石油基＞煤基；但從化石能源消耗方面，生物質(zhì)基＜石油基＜煤基；溫室氣體排放方面，生物基遠(yuǎn)低于煤基。因此，生物質(zhì)乙二醇具有節(jié)能減排潛力，但生產(chǎn)成本相對較高，經(jīng)濟(jì)效益不如石油基和煤基等化石路線。

另外，通過生物質(zhì)乙二醇路線的靈敏度分析，可知：乙二醇收率（乙二醇實(shí)際生產(chǎn)量占理論生成量的比例）對總生產(chǎn)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(dāng)乙二醇收率高于55%時，生物質(zhì)乙二醇的生產(chǎn)成本低于石油基乙二醇生產(chǎn)總成本，當(dāng)乙二醇收率高于70%時，生物質(zhì)乙二醇的生產(chǎn)成本低于煤基乙二醇生產(chǎn)總成本，生物質(zhì)基乙二醇的經(jīng)濟(jì)性凸顯，可實(shí)現(xiàn)盈利。

同時，氫氣消耗量是影響生物質(zhì)基乙二醇全生命周期碳排放和化石能源消耗的關(guān)鍵因素。非化石資源制氫路線的生物質(zhì)乙二醇經(jīng)濟(jì)性較弱，單純改變氫源難以實(shí)現(xiàn)盈利；但是，非化石資源制氫路線將節(jié)約26%~54%的化石能源，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)基乙二醇路線的碳排放達(dá)到負(fù)值。

芒草產(chǎn)量和種植率對生物質(zhì)乙二醇的經(jīng)濟(jì)性存在一定影響。提高芒草產(chǎn)量和種植率可提高生物質(zhì)乙二醇的經(jīng)濟(jì)性，但這種影響趨勢會逐漸縮小。

在生物質(zhì)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(chǎn)成本，熱泵精餾系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)總成本節(jié)約8.6%。

最后，預(yù)處理產(chǎn)物濃度高于24%和54%時，總生產(chǎn)成本與石油基和煤基乙二醇持平?；诳偵a(chǎn)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(dāng)預(yù)處理產(chǎn)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(jié)
生物質(zhì)能源一定低碳么？是否低碳與轉(zhuǎn)化技術(shù)相關(guān)，還與原料種類、規(guī)模大小、能源生態(tài)圈等相關(guān)。改進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化模型，促進(jìn)可再生能源體系生態(tài)圈，能大幅度提升生物質(zhì)能源節(jié)能降碳潛力。
生物質(zhì)能源理論上是零碳排放。在可再生能源體系下，生物質(zhì)能源能夠做到零碳排放。不能輕易地對生物質(zhì)能源及化學(xué)品是否低碳下結(jié)論，需結(jié)合轉(zhuǎn)化技術(shù)、原料種類、供應(yīng)體系等全生命周期要素綜合評估。技術(shù)升級和系統(tǒng)優(yōu)化是促進(jìn)生物質(zhì)能源碳減排的兩個策略。

參考資料：GB/T 30366—2024 生物質(zhì)術(shù)語Innovation Webinar | 趙志仝：生物質(zhì)能源一定低碳么？
報告文字整理/ZYP審/Syu排版/angel