论中国生物能源发展的根本出路

, (() 华中农业大学学报(社会科学版) 总92期) 20112

() J o u r n a l o fH u a z h o n r i c u l t u r a lU n i v e r s i t S o c i a l S c i e n c e sE d i t i o n g A g y

论中国生物能源发展的根本出路

彭良才

(华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室/生物质与生物能源研究中心/

) 植物科学技术学院/生命科学技术学院, 湖北武汉430070

摘 要 资源短缺㊁ 能源危机和生态环境恶化已成为全球所面临的严重经济和社会问题, 寻求可部分替代

化石能源且污染较少的生物能源, 已成为世界许多国家未来经济发展的主要动力之一㊂ 迄今为止, 以粮食为原料的第一代生物能源已在许多国家产业化生产㊂ 然而基于粮食安全, 开发木质纤维素是当前国内外最需发展的第二代生物能源, 而在我国利用作物秸秆等废弃物制取生物燃料更有其必要性㊂ 虽然过去几十年国内外已经大力开展了相关新技术的研发, 但至今未能成功进行大规模产业化生产㊂ 通过分析目前中国生物能源发展的困境与缘由, 提出了从源头或从根本上解决问题的方法与途径, 即大力发展能源作物㊁ 能源农业和能源经济, 并探讨了我国生物能源与 三农 齐头发展的重要性以及相关政策与策略㊂

关键词 生物能源; 木质纤维素; 能源作物; 能源农业; 能源经济

() 中图分类号:F 062. 9 文献标识码:A 文章编号:1008-3456201102-0001-06

西方国家开始 随着18世纪中叶蒸汽机的发明,

了以煤炭㊁ 钢铁㊁ 石油㊁ 化工㊁ 电力等工业技术为标志的产业革命㊂ 产业革命迅速提高了人类利用和改造自然的能力, 将人类社会的文明推进到一个前所未如资源减少㊁ 温室效应㊁ 环境污染等㊂ 20世纪60年代已将其归纳为五大全球性问题:人口㊁ 粮食㊁ 自然

1]

㊂ 资源和能源㊁ 生态环境和核战争的威胁[

叶, 世界范围内的能源危机日益严重, 为维持人类文明高水平持续发展, 势必需要寻求一种新的能源利用方式㊂ 这种新的能源及其利用方式, 在提供可再生清洁能源和资源的同时, 可减少环境污染且不影能源之一, 其清洁转化利用技术开发是未来经济发展的希望与方向㊂

有的高度, 但同时亦带来了一系列棘手的社会问题, 响粮食安全㊂ 其中, 生物质能源是最理想的可再生

伴随着工业革命, 农业领域开展了第一次绿色

生物质能的定义和特点 一㊁

生物质能是绿色生物将太阳能转化为化学能而贮存于生物体内的能量㊂ 据估算, 地球每年可产生的生物质是人类能源消耗总量的5~10倍㊂ 生物能源是指从生物质中所获得的可再生能源, 它包括热

]3

㊂ 生物燃料按产能㊁ 电能和燃料以及各种副产品[

革命㊂ 例如以采用矮秆㊁ 耐肥㊁ 抗逆的高产水稻㊁ 小麦㊁ 玉米等新品种为主要内容的生产技术活动, 极大地解决了许多国家粮食安全问题㊂ 然而, 在全球范围内, 化肥㊁ 农药以及水的大量使用, 造成严重环境污染和资源消耗㊂ 为此, 近些年来一些发达国家已我国科学家也提出:通过对具有新的优良性状的品种培育和技术推广, 达到资源节约, 环境友好, 实现农业生产方式的根本转变㊂ 如提出了 绿色农业 的

]2

㊂ 战略构想, 即少投入㊁ 多产出㊁ 环境友好等[

开始在农业领域应用现代生物技术和微电子技术㊂ 品可分为生物柴油㊁ 生物乙醇㊁ 生物气体㊁ 生物制氢

等㊂ 此外, 通过微生物转化和微生物采油等手段获得的能源也归属于生物能源的范畴㊂ 除生物能源外, 可再生能源还包括太阳能㊁ 风能㊁ 水能㊁ 地热能和海洋能等㊂ 可再生能源是自然界中取之不尽㊁ 用之不竭的资源, 具有对环境影响较小, 而且资源分布广泛, 适宜就地开发利用等优点㊂ 太阳能㊁ 水能和风能主要用于发电, 但难于贮存, 且明显受区域和气候限

化石资源是现代工业和人类生活文明的物质基

础, 石油㊁ 煤炭㊁ 天然气不仅提供了基本能源, 而且还提供了99%的有机工业原料㊂ 进入到20世纪末

收稿日期:2011-03-02

) , 作者简介:彭良才(男, 教授, 博士, 博士生导师, 教育部 长江学者 特聘教授, 华中农业大学生物质与生物能源研究中心主任, 在S 1963-c i -㊁ :研究方向:植物纤维素生物合成与生物质能应用㊂ E e n c e P l a n tP h s i o l 上发表论文多篇; -m a i l l e n @ma i l . h z a u . e d u . c n y p g

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制, 而生物能源则具备其它可再生能源不可替代之特点:可储藏㊁ 可运输㊁ 资源丰富和少二次污染㊂ 此二者皆可转化为三种形态(固㊁ 液㊁ 气) 能源, 还可生产一系列生物基化工产品㊂ 在此意义上, 正如尹伟

投资是260亿美元㊂ 目前世界生物能源可分为3个板块, 一是以生物乙醇为代表的美巴板块, 领跑在上; 三是起步较晚的跟进板块, 有中国㊁ 日本㊁ 印度等国㊂ 在产品上, 领跑的是生物乙醇, 随后是固体燃

美国已拟定长远规划, 将于2030年将30%的

外, 由于生物能源与化石能源本质上来源于生物质, 前; 二是突出环保和产品多元化的欧洲板块, 紧紧跟

]10

㊂ 伦院士所说的, 生物质能是唯一一种可再生的碳源, 料㊁ 沼气和生物柴油等[

生物能源是真正可替代石油的可再生能源㊂ 另外, 生物能源来源广泛, 原料多样化, 几乎所有有机物均

可用作原料㊂ 其中包括糖质原料(菊芋㊁ 甘蔗㊁ 甜菜㊁ 2全美范围内已建设9个小规模009年的资料表明,

液体燃料由生物酒精替代㊂ 美国能源部(D O E ) 甜高粱等) , 淀粉原料(玉米㊁ 甘薯㊁ 木薯) , 木质纤维素原料(柳枝稷㊁ 芒草㊁ 木本植物㊁ 农作物秸秆㊁ 林木废弃物) , 非食用油脂原料(油菜㊁ 向日葵㊁ 棕榈㊁ 花生㊁ 麻疯树㊁ 油楠㊁ 续随子㊁ 绿玉树㊁ 古巴香胶) 和其他

有机废弃物(动物废弃物㊁ 城市垃圾等)

[4-8

]基于糖质和淀粉原料被称为传统生物能源㊂ , 即

第一代生物能源㊂ 正在研发的木质纤维素被称为第二代生物能源, 其生产主要分为前处理㊁ 糖化(水解) 和发酵3个过程[9]

物燃料电池㊁ 化石能源生化转化㊂ 而有望开发的微藻产油(微生物强化采油和㊁ 微生煤炭微生物转化) , 太阳能生化转化等被认为是第三㊁ 四代生物能源㊂ 第一代生物能源已在全球规模化生产, 主要通过液体或固体发酵㊂ 第二代生物能

源至今未能产业化生产, 主要原因是其负利润所致㊂ 然而, 由于与粮食安全和生态环境(净能源较低, O 2平衡)

的矛盾, 第一代生物能源在中国不可能大规模或持续发展㊂ 第二代生物能源不与民争地和

争粮, 同时还可缓解自然资源短缺和生态环境变化等问题, 因此备受期待㊂ 生物质能作为学科的范畴主要涉及绿色植物生物质产量以及能源转化效率的知识体系, 是一门新型综合交叉学科, 是生命科学理论与工程技术相结合的学科, 是集现代生命科学与传统农林科学于一体的学科, 它亦是面向未来, 对人类环境保护和子孙万代繁衍生息所迫切需要发展的一门学科㊂

二、

全球生物能源发展趋势现代生物能源产业, 始于20世纪70年代初㊂ 973年世界石油危机后, 石油进口国开始寻找石油替代品, 生物能源产业开始在全球范围蓬勃兴起㊂ 999年, 美国颁布了 发展生物基产品和生物能源 总统令㊂ 据联合国环境项目(r o r a mm e ) 统计, 2006年全球在U 可N 再E 生n v i 能r o 源n m 方e n 面t 的投资是g 1000亿美元,

其中在生物运输燃料方面的生物炼制项目, 4个商业化生物炼制项目, 4个酶改良项目, 微生物等) 研究项目热化学生物炼制项目5个先进生物体(, , 生物质3个生物能源研究中心以及5个

个能源部联合促进项目㊂ 美国还计划6年生物能源和生物质化工产品较2020达到能源总消费量的006年美国总统布什在‘

国情咨文25%, 2052000年增加倍, 20“ 0年达到中提出, 美国要50%㊂

用6年的时间攻克技术难关, 实现商业化, 计划在

022年生产的1亿t 乙醇中纤维素乙醇占, 到九成以上是非粮原料2030年用生物燃料代替60%以

上其中㊂ 事实上3, 0美国已把燃料乙醇%化石燃料,

工业视作解决经济发展的催化剂㊂

巴西是世界上最早和最大的甘蔗乙醇生产和使

用国, 2006年乙醇产量1250万计划于2025年产量达72, 巴西进一步发展以蓖麻籽00万, 仅次于美国, 并民受惠于生物燃料产业t

㊂ t

为了使更多的农㊁ 大豆为原料的生物柴油产业, 计划到%的化石柴油[

10]

2013年替代生物柴油是欧盟国家发展重点㊂ , 主要利用油菜

籽生产生物柴油, 欧盟的生物质燃烧发电已达到2004年的产量已超过另外, 200万其中, 瑞典已建成相当成熟的热电联产技术和商业550亿k w /h t ㊂ ㊂ 化运行系统, 热效率可达90%以上[1

0]

一个突出成就是车用沼气的产业化生产和应用㊂ 瑞典的另外㊂ 德国生物能源的发展处于世界前列, 生物能源占一次性能源消费2006年全国强制性使用2. 030%3, 年占可再生能源市场开始进行燃料乙60醇%以上㊂

印度从试用,

到E 5汽油, 计划在到源有限20%2020年达

, ㊂ 拟大力发展甜高粱乙醇目前,

印度用废糖蜜生㊂ 产另外乙醇, 印度计划到

, 但由于资020年生产麻疯树生物柴油公司已在印度投资树, 7009040万美元种植5000万t ㊂ 英国B P t 生物柴油18000h m 2麻疯

计划年生产[0]

显然, 生物能源在全球的广泛兴起与发展㊂ , 已成

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为当今人类文明前进不可抗拒的潮流㊂ 纤维素降解转化成本㊁ 减少二次污染和增加副产品等方面能有所突破㊂ 然而, 目前能够产业化生产的生物能源企业在我国寥寥无几, 主要使用陈化粮食㊂ 而使用木质纤生产原料乙醇, 年产量仅为130万t

中国生物能源发展的现状与 三㊁ 困境

维素作为原料的企业, 至今未能大规模化生产并产

我国经济快速发展主要依赖于煤和 过去30年,

生经济效益㊂ 故国际上业已达成共识:没有足够数石油等化石能源㊂ 例如, 2009年我国共使用27. 4

,

亿t 煤㊁ 超过量和优良品质生物质原材料作保证木质纤维素燃4亿t 石油和887亿m 3天然气㊂ 其中,

料产业将难于赢利和大规模化生产㊂

51%的石油依赖于进口㊂ 中国已成为世界第二大能

就此, 困惑中国生物能源发展的主要原因包括源消耗国㊂ 据估算, 我国尚未开采煤大约在2000

3个方面:亿t 左右, 石油200亿t 以内㊂ 而在我国了‘ 可再生能源中长期发展规划5亿t 左右㊂ 20为此我国拟定

20之前,

每年石油需求量将达到“ , 力争到可再生能源消费量占到能源消费总量的首先, 要实现生物能源目标, 产业化生产所需的1250%20㊂

年使

原材料, 即生物质数量成为基本前提条件㊂ 然而我国是一个农业大国, 人口占世界用土地面积目前仅有1. 2亿22%, 但农占业世可耕界只能用于粮食作物种植%)

㊂ 因此所有可耕用的土地会在相当长的时期内h m 2左右(

㊂ 原料制约生物质能源发展的一个典型例子就是我国的生物柴油㊂ 目前, 发展生物柴油产业的主要障碍是生产成本高, 大约为石化柴油的1. 5倍㊂ 以油菜籽为原料的生物柴油, 其成本70%~95%是原料费用[1

1]

足㊁ 低值和高品质的原料来源是发展生物燃料产业㊂ 因此, 是否拥有充的前提㊂

其次, 生物能源所需的原材料质量成为产业化盈利的关键因子㊂ 原材料质量主要反映了生物质中纤维素的晶体特性和木质素固定连结特征, 它决定了木质纤维素降解转化为生物燃料的成本㊁ 转化效

率和第二次污染[12]

关研发工作㊂ 例如, ㊂ 对木质纤维素利用方面为此, 国内外已展开了大量相, 中科院过程工程研究所强调对作物秸秆综合利用㊁ 无污染汽爆技术和节水节能固态纯种发酵技术, 提出分层

多级循环利用木质纤维素原料的思路[13

]州能源研究所生物质能研究中心则主要采用木质纤

; 中科院广

维素超低酸/酶联合水解㊁ 合成气发酵[

14

]程方面, 山东大学微生物技术国家重点实验室开展㊂ 在酶工了纤维素酶高效菌株选育及生产㊁ 资源开发及转化的微生物技术等; 首都师范大学主要开发戊糖代谢基因工程菌㊂ 此外, 清华大学力图利用甜高粱为原料来实现生物燃料商业化生产㊂ 据不完全统计:我国已有上百家科研院所(团队) 从事生物能源下游的研发工作, 取得了一定进展, 并期待未来在降低木质

一是粮食安全论:基于只有以粮食为原料的生物燃料产业, 其工艺技术业已成熟, 并能大规模工业化生产㊂ 如此造成一些忧虑, 即生物能源是在消耗粮食㊂ 加之我国是人口大国,

可耕用土地极其有限, 粮食安全保障已成为基本国策和首要条件㊂ 因此, 在发展生物能源的战略方针上, 时而出现犹豫不决的思路或徘徊不前的政策㊂

二是产业成本论:开发木质纤维素生物燃料已成为当今生物能源发展的主攻方向之一㊂ 然而, 如上所述, 木质纤维素热值偏低, 资源分散和运输贮藏成本偏高㊂ 过去几十年国内外已大力开展了相关的研发, 但随着木质纤维素降解转化技术不断创新, 大多技术所需的成本似乎未能降低, 有些技术甚至造成更多的第二次污染, 导致对未来木质纤维素大规模产业化生产缺乏信心和耐心㊂

三是环境影响论:除考虑木质纤维素燃料技术有可能造成更严重的第二次污染外, 农林纤维素残留物还田需求㊁ 能源植物大量种植对土壤地力㊁ 肥力和水资源的影响等因素, 引发一系列有关生物能源对生态环境影响的疑问㊂

四㊁

中国生物能源的出路和方向综上所述, 以粮食为原料的第一代生物能源(如淀粉酒精㊁ 生物柴油) 在相当长时间内不可能在我国大规模化生产, 开发木质纤维素为原料的第二代生物能源是我国目前急待研发的产业, 亦成为全球生物能源发展的共识㊂ 生物质数量和质量决定了第二代生物能源能否产业化以及产业规模, 前者决定了原材料的充足供应和生产规模, 后者则直接影响生物质预处理成本和生物燃料转化所造成的第二次污染㊂

因此, 在我国要满足生物质产量的需求, 目前只有2条途径可走:一是充分利用农林木质纤维素残

7

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留物; 二是有效开发边际土地种植高产能源植物㊂ 国主要因为原料或资源的不同而采用不同的生物能事实上, 我国农业木质纤维素废弃物每年可达7~9源发展策略, 其次也有战略上的考虑㊂ 如美国虽然, ; ; 亿t 其中玉米秸秆2. 稻秆1. 小麦24亿t 85亿t , 秆1. 而直接燃烧方式利用废弃在田间地头03亿t , /烧掉的秸秆资源量有3. 若将秸秆的122亿t 2以

目前以粮食作物玉米为主要原料, 但已拟定计划, 将逐渐发展高产木质纤维素为主的C 如柳4草本植物(㊂ 近些年来, 枝稷) 我国已大力资助生物质降解转化

年产量可达26如科技部多个 16%的转化率生产燃料乙醇, 00技术方面的研发工作(863 和 973

㊂ 万t 我国森林面积1. 年可利用的木材项目) , 取得了一定进展㊂ 但有关能源植物培育的项286亿h m 2,

, 及林业废弃物近2亿t 以1少之甚少㊂ 然而, 6%的转化率生产燃料目, 2010年10月16日在华中农

[4]

㊂ 另外, 乙醇, 年产量可达32据初步估00万t 1

业大学召开的 第二届国际生物能源与生物技术学

算, 我国潜在资源㊁ 全国宜林地和荒沙㊁ 荒地万h m 2, 不适宜发展农业的边际的土可地再近生1亿57能源h 利m 020杜祥琬院士等[15]认为目前中国用

㊂ 的生物质资源约2. 8亿t 标准煤, 随着社会经济发展, 废弃生物质资源将不断增加, 加上开发利用各类边际土地㊁ 规模化种植能源作物和能源林木, 到

亿03t 0年可再生能源利用的生物质资源有望达到标准煤㊂ 8. 9在我国要提高生物质的质量, 亦只有; 2条途径:一是能源作物与能源植物的培育与种植二是能源作物生物质相关降解转化技术的创新与优化㊂ 选育能源作物和能源植物可以从源头或本质上解决生物 能源原料质和量的问题㊂ 而在我国基于粮食安全和

性三农㊂ 所谓能源作物 问题, 能源作物的选育更有其重要性和特殊, 是指在保证农作物(如水稻㊁ 小麦和玉米) 高产稳产的前提下, 通过现代生物技术系统改良作物细胞壁结构与组成使其秸秆能够有效降解并高效转化为生物燃料的作物㊂ 能源植物是在贫瘠的土地㊁ 荒山野岭㊁ 污染严重而不能种植粮油作物的地方, 种植环境适应能力强㊁ 生物质产量丰富的植物(如甜高粱和芒草) ㊂ 严格意义上讲, 只有为达到能源利用目的而种植的作物/植物, 才能称作能源作物/植物㊂ 这里提出能源作物的概念主要是为了与能源植物加以区分, 而当能源植物为了一定的经济目的(能源利用) , 被人类改良㊁ 长期种植后才是真正意义上的能源作物㊂ 另外, 关于能源作物生物质相关降解转化技术的改进, 主要是针对不同能源作物木质纤维素结构与组成的特点, 设计出低成本㊁ 高效率和少二次污染的方法与途径, 并对残余生物质再利用, 以提高其综合利用价值㊂

五㊁

发展能源作物㊁ 能源农业和能源经济是中国生物能源产业化的必经之路

能源作物培育首先要选择合适的对象㊂ 世界各

术会议暨芒草专题研讨会 的会议上, 来自美国㊁ 欧

盟和澳大利亚等多个国家的生物质能专家与企业

家, 一致认为能源作物选育是开展大规模生物燃料生产的前提条件, 生物质资源的多样性和木质纤维素高效降解的(品质) 核心技术是关键要素㊂ 会议深入讨论了我国主要粮食作物(水稻㊁ 小麦㊁ 玉米) 秸秆

和高产草本植物(甜高粱㊁ 芒草) ㊁ 油料植物(麻疯树) 和淀粉植物(木薯) 等作为能源作物利用的潜能和途

径[16]基㊂ 于植物细胞壁结构的复杂性和功能的多样性, 能源作物选育涉及的细胞壁基础理论问题首先有待解决, 它将直接决定能源作物选育的方向和途径㊂ 美国等发达国家很重视此方面的基础研究, 联邦能源部即在此领域重点资助㊂ 如2008年, 美国能源部投入成立了物能源科学研究中心3个生物能源研究中心:能源部生, 重点研究能源植物杨树和柳枝稷, 植物纤维素生物质转化㊂ 能源部联合生物能源研究所重点针对模式植物的基础研究(水稻㊁ 拟南芥) ; 以微生物为基础的生物燃料合成研究㊂ 能源部大湖生物能源研究中心重点研究能源植物的生物产量; 高效转化为燃料的能源植物培育; 生物燃料的经济㊁ 生态和社会影响㊂ 这些中心的资金占到4. 05亿美元, 主要用于植物木质纤维素合成和降解相关的基础研究, 而6个商业化生物炼制项目和布只有3. 85亿美元和4个中试生物炼制项目分 新阳光工程1. 14亿美元㊂ 日本通产省已启动一项名为 的新能源研究计划, 也主要用于研究植物生物量的高效转化利用㊂

我国相关部门正在抓紧制定和完善可再生能源发展的相关配套政策, 还将采取有效措施, 培育持续稳定的可再生能源市场㊂ 同时, 加大财政投入, 实施税收优惠政策, 重点支持可再生能源科学技术研究㊁ 应用示范和产业化发展㊂ 但是目前在基础研究领域仍投入很少㊂ 此外, 生物质能源推广利用还存在着

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社会㊁ 资源㊁ 技术装备三方面的障碍, 当生物质能源真正成为主要能源产业后, 对原料质和量的要求势能源植物的定向改良㊁ 优质能源性状的分子解析㊁ 高效纤维生物质的分子设计㊁ 耐瘠薄干旱盐碱能源植物的培育等㊂

能源作物和能源植物的研究和选育目前尚未被重视, 其主要原因是传统育种周期较长, 作物细胞壁改良可能影响粮食产量, 以及生物能源的经济产业㊂ 村工业化和城镇化, 扩展农民增收渠道

综上所述:生物能源产业化生产必需建立一套源产业, 发展生物能源产业, 应在政府引导和财政税收政策支持下建立中介组织, 加强资源开发和技术开发, 探索建立 适度规模㊁ 就近转化㊁ 统筹规划㊁ 模除了能源作物种植和能源农业体系配套外, 我国的基本国策和国情决定了能源经济的宏观调控亦是重18]

㊂ 块建设㊁ 分散生产㊁ 集中营销 的产业发展模式[

必突出㊂ 因此迫切需要在以下方面开展深入研究:完整的产业链㊂ 通用的经济规模概念不适合生物能

链尚未形成等㊂ 然而, 华中农业大学生物质与生物能源中心, 提出能源作物的培育可以通过途径循序渐进展开:3个主要(料的收集与鉴定; (变体的创建与筛选2; () 1) 优良粮野生植物资源和作物育种材食作通过与国内多家科研机构合作3) 转基因材料的选育与推广物秸秆细胞壁突

, 该中心已经初步筛㊂ 选出一批可以直接利用的高产高效能源作物和能源植物的材料, 同时亦鉴定出一批能源作物遗传改良

的重要基因[17

]转基因工程全面深入的开展㊂ 随着我国 十, 无疑为能源作物培育二五 期间粮食作物

提供了机遇㊂

毫无疑问, 能源作物的培育㊁ 推广和初加工, 将牵涉到广大农村和千家万户, 因此有必要建立起相应能源农业体系㊂ 其理由主要有:据推算, 木质纤维素原材料的收集3点:一是生物质

技术体系㊁ 运输㊁ 贮藏与预处理必须在基层县市(进行, 以最低限度减少成本, 否则产业盈利的可能性50~60k m ) 范围内很低㊂ 因此迫切需要广大农民的直接参与㊂ 如农民

收获粮食后, 可以直接对作物秸秆进行初步预处理, 以便于运输㊁ 贮藏和深加工㊂ 二是农业种植体系:传统农业主要利用可耕用土地去种植粮食作物, 而现代能源农业除了保证粮食作物种植外, 还需充分利用边际土地去种植高产能源植物㊂ 三是农村经济结构体系:从经济效率的角度考虑, 生物质原材料的综合利用和副产品深加工利用(如秸秆饲料㊁ 造纸和化工产品) 是保证生物能源赢利的重要一环㊂ 因此, 有必要建立起合理的农村经济结构, 使之成为我国 三农 事业发展的重要组成部分㊂ 显然, 发展能源农业不仅可以保证生物能源大规模产业化生产的原料供应, 而且将大大促进我国 三农 的发展, 即大幅度提高农民的经济收入, 改善农村的生产条件和调整农

业的结构模式㊂ 石元春院士[10]也指出 开发我国生

物质资源, 不仅可持续提供清洁能源和改善环境, 还可以通过发展能源农业转变农业产业结构, 推进农

要的和不可忽略的一环, 它包括从国家和地方多个层面对生物能源产业链全方位的技术指导和政策调控, 以保证农业㊁ 生物能源产业以及相关产业良性可持续性发展㊂ 事实上, 发展生物能源将涉及多个部

门(如经济㊁ 农业㊁ 能源㊁ 财政㊁ 环保等) , 因此, 有必

要在相关行政部门设立专门机构来促进㊁ 指导和调控我国生物能源产业的发展㊂ 另外, 国家多个部门也应加大专项经费, 大力资助生物能源整个产业链的研发和配套工程㊂

总之, 中国生物能源产业化生产必须要同时大力发展能源作物㊁ 能源农业和能源经济㊂

六㊁

结 语发展生物质能源是人类文明进程的一场重要变

革, 是人类的第二次绿色革命的重要组成, 亦是一次

再现人类智慧和勇气的机会㊂ 随着中华民族的崛起, 历史已赋予我们神圣使命 为了保护环境和关爱子孙万代的繁衍, 我们必须去开发利用更多的

生物能源㊂ 而摆在我们面前的道路充满着挑战和困境, 必须首先要通过培育优质能源作物和科学利用土地资源来满足生物能源产业所必需的生物质原材料; 其次建立一套完善能源农业系统来保证生物能源产业链的运行; 最后还需建立起能源经济杠杆来调控农业㊁ 生物能源产业以及相关产业良性可持续性发展㊂

文撰写的关心(致谢:首先感谢张启发院士和傅廷栋院士对此

㊁ 支持和指导; 感谢王令强博士为此文搜集㊁ 分析和整理部分第一手资料与文献; 感谢生物质与生物能源研究中心同事提出的宝贵意见㊂

) 参 考 文 献

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[]s t r a t e o r b i o f u e l r o d u c t i o n i nC h i n a J . J o u r n a l o f I n t e r a g y f p g -

], []曹湘洪. ]我国生物能源产业健康发展的对策思考[化工进T h e p a t hf o r w a r df o rb i o f u e l sa n db i o m a t e r i a l s [J . S c i e n c e 18J .

F u n d a m e n t a l S o l u t i o n f o rB i o f u e l P r o d u c t i o n i nC h i n a

P E N GL i a n c a i g -(N a t i o n a lK e a b o r a t o r r o e n e t i c I m p r o v e m e n t , B i o m a s s a n dB i o e n e r e s e a r c hC e n t r e , y L y o f C p G g y R

C o l l e e o l a n t S c i e n c e s a n dT e c h n o l o C o l l e e o i eS c i e n c e s a n dT e c h n o l o g f P g y , g f L f g y ,

, ) H u a z h o n r i c u l t u r a lU n i v e r s i t W u h a n , H u b e i 430070g A g y , , A b s t r a c t Co n c e r n sw i t hn a t u r a l r e s o u r c e e n e r r i s i s a n d g l o b ew a r m i n a v eb e e ns e r i o u s l s g y c g h y i -, s u e do v e r t h ew o r l d . A s a n i d e a lw a b i o f u e l e x l o i t a t i o n i sw o r l d w i d e c o n s i d e r e d f o r t h e p a r t i a l e n e r y p g y -, s u l n d l o n t e r me n v i r o n m e n t a l c a r e s . B e c a u s e o f e n o r m o u s d e m a n d f o r f o o d s i nC h i n a t h e f i r s t e n p p y a g g --f r o mf o o d a n dn o n f o o d c r o s i s r e a r d e d a s t h e s e c o n d g e n e r a t i o no f b i o f u l e s t h a t a r e d e f i n i t e l r o m i s p g yp --, i n i n t h e n e a r f u t u r e . D e s i t e t h a t e f f o r t s h a v e b e e nm a d e o v e r t h e p a s t e a r s c u r r e n t b i o m a s s p r o c e s s i s g p y , u n a c c e t a b l x e n s i v e d u e t o i t s r e c a l c i t r a n c e . I n t h i s r e v i e w , t h e a u t h o r i n d e t h a n a l z e d a n o s s i b i l i p y e p p y y p --, t i e s t h a t c o u l db e c o m e c r u c i a l f a c t o r s f o r b i o f u e l r o d u c t i o n i nC h i n a a n d p r o o s e dm a i n t e c h n i u e s t r a t p p q -, e i e s a n dt h er e l a t e da d m i n i s t r a t e p o l i c e st h a tc o u l db eaf u n d a m e n t a l s o l u t i o n i n c l u d i n n e r r o g g e g y c p

, b r e e d i n e n e r r i c u l t u r e s u o r t a n d e n e r c o n o m a n a e m e n t . g g y a g p p g y e y m g

; ; ; ; K e o r d s b i o e n e r l i n o c e l l u l o s e e n e r r o s e n e r r i c u l t u r e e n e r n c o n o m g y g g y c p g y a g g y e y y w , e r a t i o no f t h e g r a i n b a s e d b i o f u e l s a r e h a r s h l r e s t r i c t e d f o r l a r e s c a l e p r o d u c t i o n s u c h a s s t a r c h o r s u y g g --, a r c o n v e r t e db i o e t h a n o l a n de d i b l e o i l d e r i v e db i o d i e s e l . H o w e v e r c o n v e r s i o no f l i n o c e l l u l o s i c r e s i d u e s g ---

(责任编辑:刘少雷)

, (() 华中农业大学学报(社会科学版) 总92期) 20112

() J o u r n a l o fH u a z h o n r i c u l t u r a lU n i v e r s i t S o c i a l S c i e n c e sE d i t i o n g A g y

论中国生物能源发展的根本出路

彭良才

(华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室/生物质与生物能源研究中心/

) 植物科学技术学院/生命科学技术学院, 湖北武汉430070

摘 要 资源短缺㊁ 能源危机和生态环境恶化已成为全球所面临的严重经济和社会问题, 寻求可部分替代

化石能源且污染较少的生物能源, 已成为世界许多国家未来经济发展的主要动力之一㊂ 迄今为止, 以粮食为原料的第一代生物能源已在许多国家产业化生产㊂ 然而基于粮食安全, 开发木质纤维素是当前国内外最需发展的第二代生物能源, 而在我国利用作物秸秆等废弃物制取生物燃料更有其必要性㊂ 虽然过去几十年国内外已经大力开展了相关新技术的研发, 但至今未能成功进行大规模产业化生产㊂ 通过分析目前中国生物能源发展的困境与缘由, 提出了从源头或从根本上解决问题的方法与途径, 即大力发展能源作物㊁ 能源农业和能源经济, 并探讨了我国生物能源与 三农 齐头发展的重要性以及相关政策与策略㊂

关键词 生物能源; 木质纤维素; 能源作物; 能源农业; 能源经济

() 中图分类号:F 062. 9 文献标识码:A 文章编号:1008-3456201102-0001-06

西方国家开始 随着18世纪中叶蒸汽机的发明,

了以煤炭㊁ 钢铁㊁ 石油㊁ 化工㊁ 电力等工业技术为标志的产业革命㊂ 产业革命迅速提高了人类利用和改造自然的能力, 将人类社会的文明推进到一个前所未如资源减少㊁ 温室效应㊁ 环境污染等㊂ 20世纪60年代已将其归纳为五大全球性问题:人口㊁ 粮食㊁ 自然

1]

㊂ 资源和能源㊁ 生态环境和核战争的威胁[

叶, 世界范围内的能源危机日益严重, 为维持人类文明高水平持续发展, 势必需要寻求一种新的能源利用方式㊂ 这种新的能源及其利用方式, 在提供可再生清洁能源和资源的同时, 可减少环境污染且不影能源之一, 其清洁转化利用技术开发是未来经济发展的希望与方向㊂

有的高度, 但同时亦带来了一系列棘手的社会问题, 响粮食安全㊂ 其中, 生物质能源是最理想的可再生

伴随着工业革命, 农业领域开展了第一次绿色

生物质能的定义和特点 一㊁

生物质能是绿色生物将太阳能转化为化学能而贮存于生物体内的能量㊂ 据估算, 地球每年可产生的生物质是人类能源消耗总量的5~10倍㊂ 生物能源是指从生物质中所获得的可再生能源, 它包括热

]3

㊂ 生物燃料按产能㊁ 电能和燃料以及各种副产品[

革命㊂ 例如以采用矮秆㊁ 耐肥㊁ 抗逆的高产水稻㊁ 小麦㊁ 玉米等新品种为主要内容的生产技术活动, 极大地解决了许多国家粮食安全问题㊂ 然而, 在全球范围内, 化肥㊁ 农药以及水的大量使用, 造成严重环境污染和资源消耗㊂ 为此, 近些年来一些发达国家已我国科学家也提出:通过对具有新的优良性状的品种培育和技术推广, 达到资源节约, 环境友好, 实现农业生产方式的根本转变㊂ 如提出了 绿色农业 的

]2

㊂ 战略构想, 即少投入㊁ 多产出㊁ 环境友好等[

开始在农业领域应用现代生物技术和微电子技术㊂ 品可分为生物柴油㊁ 生物乙醇㊁ 生物气体㊁ 生物制氢

等㊂ 此外, 通过微生物转化和微生物采油等手段获得的能源也归属于生物能源的范畴㊂ 除生物能源外, 可再生能源还包括太阳能㊁ 风能㊁ 水能㊁ 地热能和海洋能等㊂ 可再生能源是自然界中取之不尽㊁ 用之不竭的资源, 具有对环境影响较小, 而且资源分布广泛, 适宜就地开发利用等优点㊂ 太阳能㊁ 水能和风能主要用于发电, 但难于贮存, 且明显受区域和气候限

化石资源是现代工业和人类生活文明的物质基

础, 石油㊁ 煤炭㊁ 天然气不仅提供了基本能源, 而且还提供了99%的有机工业原料㊂ 进入到20世纪末

收稿日期:2011-03-02

) , 作者简介:彭良才(男, 教授, 博士, 博士生导师, 教育部 长江学者 特聘教授, 华中农业大学生物质与生物能源研究中心主任, 在S 1963-c i -㊁ :研究方向:植物纤维素生物合成与生物质能应用㊂ E e n c e P l a n tP h s i o l 上发表论文多篇; -m a i l l e n @ma i l . h z a u . e d u . c n y p g

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华中农业大学学报

(总92期)

制, 而生物能源则具备其它可再生能源不可替代之特点:可储藏㊁ 可运输㊁ 资源丰富和少二次污染㊂ 此二者皆可转化为三种形态(固㊁ 液㊁ 气) 能源, 还可生产一系列生物基化工产品㊂ 在此意义上, 正如尹伟

投资是260亿美元㊂ 目前世界生物能源可分为3个板块, 一是以生物乙醇为代表的美巴板块, 领跑在上; 三是起步较晚的跟进板块, 有中国㊁ 日本㊁ 印度等国㊂ 在产品上, 领跑的是生物乙醇, 随后是固体燃

美国已拟定长远规划, 将于2030年将30%的

外, 由于生物能源与化石能源本质上来源于生物质, 前; 二是突出环保和产品多元化的欧洲板块, 紧紧跟

]10

㊂ 伦院士所说的, 生物质能是唯一一种可再生的碳源, 料㊁ 沼气和生物柴油等[

生物能源是真正可替代石油的可再生能源㊂ 另外, 生物能源来源广泛, 原料多样化, 几乎所有有机物均

可用作原料㊂ 其中包括糖质原料(菊芋㊁ 甘蔗㊁ 甜菜㊁ 2全美范围内已建设9个小规模009年的资料表明,

液体燃料由生物酒精替代㊂ 美国能源部(D O E ) 甜高粱等) , 淀粉原料(玉米㊁ 甘薯㊁ 木薯) , 木质纤维素原料(柳枝稷㊁ 芒草㊁ 木本植物㊁ 农作物秸秆㊁ 林木废弃物) , 非食用油脂原料(油菜㊁ 向日葵㊁ 棕榈㊁ 花生㊁ 麻疯树㊁ 油楠㊁ 续随子㊁ 绿玉树㊁ 古巴香胶) 和其他

有机废弃物(动物废弃物㊁ 城市垃圾等)

[4-8

]基于糖质和淀粉原料被称为传统生物能源㊂ , 即

第一代生物能源㊂ 正在研发的木质纤维素被称为第二代生物能源, 其生产主要分为前处理㊁ 糖化(水解) 和发酵3个过程[9]

物燃料电池㊁ 化石能源生化转化㊂ 而有望开发的微藻产油(微生物强化采油和㊁ 微生煤炭微生物转化) , 太阳能生化转化等被认为是第三㊁ 四代生物能源㊂ 第一代生物能源已在全球规模化生产, 主要通过液体或固体发酵㊂ 第二代生物能

源至今未能产业化生产, 主要原因是其负利润所致㊂ 然而, 由于与粮食安全和生态环境(净能源较低, O 2平衡)

的矛盾, 第一代生物能源在中国不可能大规模或持续发展㊂ 第二代生物能源不与民争地和

争粮, 同时还可缓解自然资源短缺和生态环境变化等问题, 因此备受期待㊂ 生物质能作为学科的范畴主要涉及绿色植物生物质产量以及能源转化效率的知识体系, 是一门新型综合交叉学科, 是生命科学理论与工程技术相结合的学科, 是集现代生命科学与传统农林科学于一体的学科, 它亦是面向未来, 对人类环境保护和子孙万代繁衍生息所迫切需要发展的一门学科㊂

二、

全球生物能源发展趋势现代生物能源产业, 始于20世纪70年代初㊂ 973年世界石油危机后, 石油进口国开始寻找石油替代品, 生物能源产业开始在全球范围蓬勃兴起㊂ 999年, 美国颁布了 发展生物基产品和生物能源 总统令㊂ 据联合国环境项目(r o r a mm e ) 统计, 2006年全球在U 可N 再E 生n v i 能r o 源n m 方e n 面t 的投资是g 1000亿美元,

其中在生物运输燃料方面的生物炼制项目, 4个商业化生物炼制项目, 4个酶改良项目, 微生物等) 研究项目热化学生物炼制项目5个先进生物体(, , 生物质3个生物能源研究中心以及5个

个能源部联合促进项目㊂ 美国还计划6年生物能源和生物质化工产品较2020达到能源总消费量的006年美国总统布什在‘

国情咨文25%, 2052000年增加倍, 20“ 0年达到中提出, 美国要50%㊂

用6年的时间攻克技术难关, 实现商业化, 计划在

022年生产的1亿t 乙醇中纤维素乙醇占, 到九成以上是非粮原料2030年用生物燃料代替60%以

上其中㊂ 事实上3, 0美国已把燃料乙醇%化石燃料,

工业视作解决经济发展的催化剂㊂

巴西是世界上最早和最大的甘蔗乙醇生产和使

用国, 2006年乙醇产量1250万计划于2025年产量达72, 巴西进一步发展以蓖麻籽00万, 仅次于美国, 并民受惠于生物燃料产业t

㊂ t

为了使更多的农㊁ 大豆为原料的生物柴油产业, 计划到%的化石柴油[

10]

2013年替代生物柴油是欧盟国家发展重点㊂ , 主要利用油菜

籽生产生物柴油, 欧盟的生物质燃烧发电已达到2004年的产量已超过另外, 200万其中, 瑞典已建成相当成熟的热电联产技术和商业550亿k w /h t ㊂ ㊂ 化运行系统, 热效率可达90%以上[1

0]

一个突出成就是车用沼气的产业化生产和应用㊂ 瑞典的另外㊂ 德国生物能源的发展处于世界前列, 生物能源占一次性能源消费2006年全国强制性使用2. 030%3, 年占可再生能源市场开始进行燃料乙60醇%以上㊂

印度从试用,

到E 5汽油, 计划在到源有限20%2020年达

, ㊂ 拟大力发展甜高粱乙醇目前,

印度用废糖蜜生㊂ 产另外乙醇, 印度计划到

, 但由于资020年生产麻疯树生物柴油公司已在印度投资树, 7009040万美元种植5000万t ㊂ 英国B P t 生物柴油18000h m 2麻疯

计划年生产[0]

显然, 生物能源在全球的广泛兴起与发展㊂ , 已成

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彭良才:论中国生物能源发展的根本出路

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为当今人类文明前进不可抗拒的潮流㊂ 纤维素降解转化成本㊁ 减少二次污染和增加副产品等方面能有所突破㊂ 然而, 目前能够产业化生产的生物能源企业在我国寥寥无几, 主要使用陈化粮食㊂ 而使用木质纤生产原料乙醇, 年产量仅为130万t

中国生物能源发展的现状与 三㊁ 困境

维素作为原料的企业, 至今未能大规模化生产并产

我国经济快速发展主要依赖于煤和 过去30年,

生经济效益㊂ 故国际上业已达成共识:没有足够数石油等化石能源㊂ 例如, 2009年我国共使用27. 4

,

亿t 煤㊁ 超过量和优良品质生物质原材料作保证木质纤维素燃4亿t 石油和887亿m 3天然气㊂ 其中,

料产业将难于赢利和大规模化生产㊂

51%的石油依赖于进口㊂ 中国已成为世界第二大能

就此, 困惑中国生物能源发展的主要原因包括源消耗国㊂ 据估算, 我国尚未开采煤大约在2000

3个方面:亿t 左右, 石油200亿t 以内㊂ 而在我国了‘ 可再生能源中长期发展规划5亿t 左右㊂ 20为此我国拟定

20之前,

每年石油需求量将达到“ , 力争到可再生能源消费量占到能源消费总量的首先, 要实现生物能源目标, 产业化生产所需的1250%20㊂

年使

原材料, 即生物质数量成为基本前提条件㊂ 然而我国是一个农业大国, 人口占世界用土地面积目前仅有1. 2亿22%, 但农占业世可耕界只能用于粮食作物种植%)

㊂ 因此所有可耕用的土地会在相当长的时期内h m 2左右(

㊂ 原料制约生物质能源发展的一个典型例子就是我国的生物柴油㊂ 目前, 发展生物柴油产业的主要障碍是生产成本高, 大约为石化柴油的1. 5倍㊂ 以油菜籽为原料的生物柴油, 其成本70%~95%是原料费用[1

1]

足㊁ 低值和高品质的原料来源是发展生物燃料产业㊂ 因此, 是否拥有充的前提㊂

其次, 生物能源所需的原材料质量成为产业化盈利的关键因子㊂ 原材料质量主要反映了生物质中纤维素的晶体特性和木质素固定连结特征, 它决定了木质纤维素降解转化为生物燃料的成本㊁ 转化效

率和第二次污染[12]

关研发工作㊂ 例如, ㊂ 对木质纤维素利用方面为此, 国内外已展开了大量相, 中科院过程工程研究所强调对作物秸秆综合利用㊁ 无污染汽爆技术和节水节能固态纯种发酵技术, 提出分层

多级循环利用木质纤维素原料的思路[13

]州能源研究所生物质能研究中心则主要采用木质纤

; 中科院广

维素超低酸/酶联合水解㊁ 合成气发酵[

14

]程方面, 山东大学微生物技术国家重点实验室开展㊂ 在酶工了纤维素酶高效菌株选育及生产㊁ 资源开发及转化的微生物技术等; 首都师范大学主要开发戊糖代谢基因工程菌㊂ 此外, 清华大学力图利用甜高粱为原料来实现生物燃料商业化生产㊂ 据不完全统计:我国已有上百家科研院所(团队) 从事生物能源下游的研发工作, 取得了一定进展, 并期待未来在降低木质

一是粮食安全论:基于只有以粮食为原料的生物燃料产业, 其工艺技术业已成熟, 并能大规模工业化生产㊂ 如此造成一些忧虑, 即生物能源是在消耗粮食㊂ 加之我国是人口大国,

可耕用土地极其有限, 粮食安全保障已成为基本国策和首要条件㊂ 因此, 在发展生物能源的战略方针上, 时而出现犹豫不决的思路或徘徊不前的政策㊂

二是产业成本论:开发木质纤维素生物燃料已成为当今生物能源发展的主攻方向之一㊂ 然而, 如上所述, 木质纤维素热值偏低, 资源分散和运输贮藏成本偏高㊂ 过去几十年国内外已大力开展了相关的研发, 但随着木质纤维素降解转化技术不断创新, 大多技术所需的成本似乎未能降低, 有些技术甚至造成更多的第二次污染, 导致对未来木质纤维素大规模产业化生产缺乏信心和耐心㊂

三是环境影响论:除考虑木质纤维素燃料技术有可能造成更严重的第二次污染外, 农林纤维素残留物还田需求㊁ 能源植物大量种植对土壤地力㊁ 肥力和水资源的影响等因素, 引发一系列有关生物能源对生态环境影响的疑问㊂

四㊁

中国生物能源的出路和方向综上所述, 以粮食为原料的第一代生物能源(如淀粉酒精㊁ 生物柴油) 在相当长时间内不可能在我国大规模化生产, 开发木质纤维素为原料的第二代生物能源是我国目前急待研发的产业, 亦成为全球生物能源发展的共识㊂ 生物质数量和质量决定了第二代生物能源能否产业化以及产业规模, 前者决定了原材料的充足供应和生产规模, 后者则直接影响生物质预处理成本和生物燃料转化所造成的第二次污染㊂

因此, 在我国要满足生物质产量的需求, 目前只有2条途径可走:一是充分利用农林木质纤维素残

7

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华中农业大学学报

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留物; 二是有效开发边际土地种植高产能源植物㊂ 国主要因为原料或资源的不同而采用不同的生物能事实上, 我国农业木质纤维素废弃物每年可达7~9源发展策略, 其次也有战略上的考虑㊂ 如美国虽然, ; ; 亿t 其中玉米秸秆2. 稻秆1. 小麦24亿t 85亿t , 秆1. 而直接燃烧方式利用废弃在田间地头03亿t , /烧掉的秸秆资源量有3. 若将秸秆的122亿t 2以

目前以粮食作物玉米为主要原料, 但已拟定计划, 将逐渐发展高产木质纤维素为主的C 如柳4草本植物(㊂ 近些年来, 枝稷) 我国已大力资助生物质降解转化

年产量可达26如科技部多个 16%的转化率生产燃料乙醇, 00技术方面的研发工作(863 和 973

㊂ 万t 我国森林面积1. 年可利用的木材项目) , 取得了一定进展㊂ 但有关能源植物培育的项286亿h m 2,

, 及林业废弃物近2亿t 以1少之甚少㊂ 然而, 6%的转化率生产燃料目, 2010年10月16日在华中农

[4]

㊂ 另外, 乙醇, 年产量可达32据初步估00万t 1

业大学召开的 第二届国际生物能源与生物技术学

算, 我国潜在资源㊁ 全国宜林地和荒沙㊁ 荒地万h m 2, 不适宜发展农业的边际的土可地再近生1亿57能源h 利m 020杜祥琬院士等[15]认为目前中国用

㊂ 的生物质资源约2. 8亿t 标准煤, 随着社会经济发展, 废弃生物质资源将不断增加, 加上开发利用各类边际土地㊁ 规模化种植能源作物和能源林木, 到

亿03t 0年可再生能源利用的生物质资源有望达到标准煤㊂ 8. 9在我国要提高生物质的质量, 亦只有; 2条途径:一是能源作物与能源植物的培育与种植二是能源作物生物质相关降解转化技术的创新与优化㊂ 选育能源作物和能源植物可以从源头或本质上解决生物 能源原料质和量的问题㊂ 而在我国基于粮食安全和

性三农㊂ 所谓能源作物 问题, 能源作物的选育更有其重要性和特殊, 是指在保证农作物(如水稻㊁ 小麦和玉米) 高产稳产的前提下, 通过现代生物技术系统改良作物细胞壁结构与组成使其秸秆能够有效降解并高效转化为生物燃料的作物㊂ 能源植物是在贫瘠的土地㊁ 荒山野岭㊁ 污染严重而不能种植粮油作物的地方, 种植环境适应能力强㊁ 生物质产量丰富的植物(如甜高粱和芒草) ㊂ 严格意义上讲, 只有为达到能源利用目的而种植的作物/植物, 才能称作能源作物/植物㊂ 这里提出能源作物的概念主要是为了与能源植物加以区分, 而当能源植物为了一定的经济目的(能源利用) , 被人类改良㊁ 长期种植后才是真正意义上的能源作物㊂ 另外, 关于能源作物生物质相关降解转化技术的改进, 主要是针对不同能源作物木质纤维素结构与组成的特点, 设计出低成本㊁ 高效率和少二次污染的方法与途径, 并对残余生物质再利用, 以提高其综合利用价值㊂

五㊁

发展能源作物㊁ 能源农业和能源经济是中国生物能源产业化的必经之路

能源作物培育首先要选择合适的对象㊂ 世界各

术会议暨芒草专题研讨会 的会议上, 来自美国㊁ 欧

盟和澳大利亚等多个国家的生物质能专家与企业

家, 一致认为能源作物选育是开展大规模生物燃料生产的前提条件, 生物质资源的多样性和木质纤维素高效降解的(品质) 核心技术是关键要素㊂ 会议深入讨论了我国主要粮食作物(水稻㊁ 小麦㊁ 玉米) 秸秆

和高产草本植物(甜高粱㊁ 芒草) ㊁ 油料植物(麻疯树) 和淀粉植物(木薯) 等作为能源作物利用的潜能和途

径[16]基㊂ 于植物细胞壁结构的复杂性和功能的多样性, 能源作物选育涉及的细胞壁基础理论问题首先有待解决, 它将直接决定能源作物选育的方向和途径㊂ 美国等发达国家很重视此方面的基础研究, 联邦能源部即在此领域重点资助㊂ 如2008年, 美国能源部投入成立了物能源科学研究中心3个生物能源研究中心:能源部生, 重点研究能源植物杨树和柳枝稷, 植物纤维素生物质转化㊂ 能源部联合生物能源研究所重点针对模式植物的基础研究(水稻㊁ 拟南芥) ; 以微生物为基础的生物燃料合成研究㊂ 能源部大湖生物能源研究中心重点研究能源植物的生物产量; 高效转化为燃料的能源植物培育; 生物燃料的经济㊁ 生态和社会影响㊂ 这些中心的资金占到4. 05亿美元, 主要用于植物木质纤维素合成和降解相关的基础研究, 而6个商业化生物炼制项目和布只有3. 85亿美元和4个中试生物炼制项目分 新阳光工程1. 14亿美元㊂ 日本通产省已启动一项名为 的新能源研究计划, 也主要用于研究植物生物量的高效转化利用㊂

我国相关部门正在抓紧制定和完善可再生能源发展的相关配套政策, 还将采取有效措施, 培育持续稳定的可再生能源市场㊂ 同时, 加大财政投入, 实施税收优惠政策, 重点支持可再生能源科学技术研究㊁ 应用示范和产业化发展㊂ 但是目前在基础研究领域仍投入很少㊂ 此外, 生物质能源推广利用还存在着

2

第2期

彭良才:论中国生物能源发展的根本出路

5

社会㊁ 资源㊁ 技术装备三方面的障碍, 当生物质能源真正成为主要能源产业后, 对原料质和量的要求势能源植物的定向改良㊁ 优质能源性状的分子解析㊁ 高效纤维生物质的分子设计㊁ 耐瘠薄干旱盐碱能源植物的培育等㊂

能源作物和能源植物的研究和选育目前尚未被重视, 其主要原因是传统育种周期较长, 作物细胞壁改良可能影响粮食产量, 以及生物能源的经济产业㊂ 村工业化和城镇化, 扩展农民增收渠道

综上所述:生物能源产业化生产必需建立一套源产业, 发展生物能源产业, 应在政府引导和财政税收政策支持下建立中介组织, 加强资源开发和技术开发, 探索建立 适度规模㊁ 就近转化㊁ 统筹规划㊁ 模除了能源作物种植和能源农业体系配套外, 我国的基本国策和国情决定了能源经济的宏观调控亦是重18]

㊂ 块建设㊁ 分散生产㊁ 集中营销 的产业发展模式[

必突出㊂ 因此迫切需要在以下方面开展深入研究:完整的产业链㊂ 通用的经济规模概念不适合生物能

链尚未形成等㊂ 然而, 华中农业大学生物质与生物能源中心, 提出能源作物的培育可以通过途径循序渐进展开:3个主要(料的收集与鉴定; (变体的创建与筛选2; () 1) 优良粮野生植物资源和作物育种材食作通过与国内多家科研机构合作3) 转基因材料的选育与推广物秸秆细胞壁突

, 该中心已经初步筛㊂ 选出一批可以直接利用的高产高效能源作物和能源植物的材料, 同时亦鉴定出一批能源作物遗传改良

的重要基因[17

]转基因工程全面深入的开展㊂ 随着我国 十, 无疑为能源作物培育二五 期间粮食作物

提供了机遇㊂

毫无疑问, 能源作物的培育㊁ 推广和初加工, 将牵涉到广大农村和千家万户, 因此有必要建立起相应能源农业体系㊂ 其理由主要有:据推算, 木质纤维素原材料的收集3点:一是生物质

技术体系㊁ 运输㊁ 贮藏与预处理必须在基层县市(进行, 以最低限度减少成本, 否则产业盈利的可能性50~60k m ) 范围内很低㊂ 因此迫切需要广大农民的直接参与㊂ 如农民

收获粮食后, 可以直接对作物秸秆进行初步预处理, 以便于运输㊁ 贮藏和深加工㊂ 二是农业种植体系:传统农业主要利用可耕用土地去种植粮食作物, 而现代能源农业除了保证粮食作物种植外, 还需充分利用边际土地去种植高产能源植物㊂ 三是农村经济结构体系:从经济效率的角度考虑, 生物质原材料的综合利用和副产品深加工利用(如秸秆饲料㊁ 造纸和化工产品) 是保证生物能源赢利的重要一环㊂ 因此, 有必要建立起合理的农村经济结构, 使之成为我国 三农 事业发展的重要组成部分㊂ 显然, 发展能源农业不仅可以保证生物能源大规模产业化生产的原料供应, 而且将大大促进我国 三农 的发展, 即大幅度提高农民的经济收入, 改善农村的生产条件和调整农

业的结构模式㊂ 石元春院士[10]也指出 开发我国生

物质资源, 不仅可持续提供清洁能源和改善环境, 还可以通过发展能源农业转变农业产业结构, 推进农

要的和不可忽略的一环, 它包括从国家和地方多个层面对生物能源产业链全方位的技术指导和政策调控, 以保证农业㊁ 生物能源产业以及相关产业良性可持续性发展㊂ 事实上, 发展生物能源将涉及多个部

门(如经济㊁ 农业㊁ 能源㊁ 财政㊁ 环保等) , 因此, 有必

要在相关行政部门设立专门机构来促进㊁ 指导和调控我国生物能源产业的发展㊂ 另外, 国家多个部门也应加大专项经费, 大力资助生物能源整个产业链的研发和配套工程㊂

总之, 中国生物能源产业化生产必须要同时大力发展能源作物㊁ 能源农业和能源经济㊂

六㊁

结 语发展生物质能源是人类文明进程的一场重要变

革, 是人类的第二次绿色革命的重要组成, 亦是一次

再现人类智慧和勇气的机会㊂ 随着中华民族的崛起, 历史已赋予我们神圣使命 为了保护环境和关爱子孙万代的繁衍, 我们必须去开发利用更多的

生物能源㊂ 而摆在我们面前的道路充满着挑战和困境, 必须首先要通过培育优质能源作物和科学利用土地资源来满足生物能源产业所必需的生物质原材料; 其次建立一套完善能源农业系统来保证生物能源产业链的运行; 最后还需建立起能源经济杠杆来调控农业㊁ 生物能源产业以及相关产业良性可持续性发展㊂

文撰写的关心(致谢:首先感谢张启发院士和傅廷栋院士对此

㊁ 支持和指导; 感谢王令强博士为此文搜集㊁ 分析和整理部分第一手资料与文献; 感谢生物质与生物能源研究中心同事提出的宝贵意见㊂

) 参 考 文 献

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F u n d a m e n t a l S o l u t i o n f o rB i o f u e l P r o d u c t i o n i nC h i n a

P E N GL i a n c a i g -(N a t i o n a lK e a b o r a t o r r o e n e t i c I m p r o v e m e n t , B i o m a s s a n dB i o e n e r e s e a r c hC e n t r e , y L y o f C p G g y R

C o l l e e o l a n t S c i e n c e s a n dT e c h n o l o C o l l e e o i eS c i e n c e s a n dT e c h n o l o g f P g y , g f L f g y ,

, ) H u a z h o n r i c u l t u r a lU n i v e r s i t W u h a n , H u b e i 430070g A g y , , A b s t r a c t Co n c e r n sw i t hn a t u r a l r e s o u r c e e n e r r i s i s a n d g l o b ew a r m i n a v eb e e ns e r i o u s l s g y c g h y i -, s u e do v e r t h ew o r l d . A s a n i d e a lw a b i o f u e l e x l o i t a t i o n i sw o r l d w i d e c o n s i d e r e d f o r t h e p a r t i a l e n e r y p g y -, s u l n d l o n t e r me n v i r o n m e n t a l c a r e s . B e c a u s e o f e n o r m o u s d e m a n d f o r f o o d s i nC h i n a t h e f i r s t e n p p y a g g --f r o mf o o d a n dn o n f o o d c r o s i s r e a r d e d a s t h e s e c o n d g e n e r a t i o no f b i o f u l e s t h a t a r e d e f i n i t e l r o m i s p g yp --, i n i n t h e n e a r f u t u r e . D e s i t e t h a t e f f o r t s h a v e b e e nm a d e o v e r t h e p a s t e a r s c u r r e n t b i o m a s s p r o c e s s i s g p y , u n a c c e t a b l x e n s i v e d u e t o i t s r e c a l c i t r a n c e . I n t h i s r e v i e w , t h e a u t h o r i n d e t h a n a l z e d a n o s s i b i l i p y e p p y y p --, t i e s t h a t c o u l db e c o m e c r u c i a l f a c t o r s f o r b i o f u e l r o d u c t i o n i nC h i n a a n d p r o o s e dm a i n t e c h n i u e s t r a t p p q -, e i e s a n dt h er e l a t e da d m i n i s t r a t e p o l i c e st h a tc o u l db eaf u n d a m e n t a l s o l u t i o n i n c l u d i n n e r r o g g e g y c p

, b r e e d i n e n e r r i c u l t u r e s u o r t a n d e n e r c o n o m a n a e m e n t . g g y a g p p g y e y m g

; ; ; ; K e o r d s b i o e n e r l i n o c e l l u l o s e e n e r r o s e n e r r i c u l t u r e e n e r n c o n o m g y g g y c p g y a g g y e y y w , e r a t i o no f t h e g r a i n b a s e d b i o f u e l s a r e h a r s h l r e s t r i c t e d f o r l a r e s c a l e p r o d u c t i o n s u c h a s s t a r c h o r s u y g g --, a r c o n v e r t e db i o e t h a n o l a n de d i b l e o i l d e r i v e db i o d i e s e l . H o w e v e r c o n v e r s i o no f l i n o c e l l u l o s i c r e s i d u e s g ---

(责任编辑:刘少雷)