我国发展生物燃料乙醇的长久大计

vol.17,2010,No.3粮食与食品工业Cereal and Food Industry专题综述我国发展生物燃料乙醇的长久大计丁声俊国家粮食局科学研究院(北京100037)摘要:介绍了包括生物质能源在内的新能源开发和研究的迫切性和必要性,概述了第一代生物燃料乙醇遇到的危害粮食安全的问题,以及第二代生物燃料乙醇对于改变能源结构、保护生态环境、替代化石能源具有的前景和意义,并提出了我国发展第二代生物燃料乙醇的必要对策关键词:生物然料;乙醇;能源;对策中图分类号:S216.2文献标识码:A文章编号:1672-5026(2010)03-0001-05能源,是人类生产与生活动力的本源。自进入自然界的第四大能源—可再生能源。工业文明时代以来,能源日益成为人类经济社会存正是在这种背景下,正向人类走来的“低碳经济在和发展的必不可少的物质基础。没有能源世界时代”呼唤发展新能源,逐步摆脱已历经几百年的化将陷入黑暗;没有能源,一切经济活动将会陷人瘫石能源。为迎接绿色能源时代,开展包括生物质能痪。当今,能源更成为经济外交、军事乃至地缘政源在内的新能源研究,占领新能源科学技术的制高治谈判与斗争的“武器”。所以,国家必须把能源产点对转变全国能源消费结构、改善生态环境、增强业置于发展国民经济的战略地位。国家综合竞争力、提高民众生活质量等,都极具迫切性、必要性和深远战略意义1新的历史时代呼唤新能源2第一代生物燃料乙醇遇到的随着世界无节制地巨量消耗化石能源,导致产生了威胁人类生存的问题。如已经形成共识的是难以迈过去的“坎”大规模以传统方式开发利用化石能源导致一系列严进人新世纪以来,世界各国不约而同地把目光重的环境问题诸如气候变化、环境污染及生态破坏聚焦到生物燃料乙醇和生物柴油两种战略产品上等,直接威胁着人类社会经济的可持续发展。人们特别是美国西欧、巴西阿根廷等国家生物能源产在受到严酷惩罚之后逐步觉醒和清醒化石能源在业取得长足发展。然而在生物燃料发展的进程中,给人类带来无可比拟的物质财富和社会进步的同产生了危害粮食安全的问题。特别是生产生物燃料时,也给经济发展社会进步、生态环境带来严重的乙醇大国的美国以玉米产量的一半多生产燃料乙负面效应和沉重负担,给人类敲响了警钟。目前,全醇,遭到广大发展中国家和国际组织的反对。于是球每年的能源消耗总量超过150亿t,其中90%左许多国家和研究机构开始探索“非粮”燃料乙醇的生右为化石能源。然而,这种不可再生的能源储量有产途径。迄今,人们把以粮食(包括小麦、玉米、甘限无法可持续利用。按照目前的能源消耗水平,到薯、木薯等)为原料生产的生物燃料乙醇称为“第21世纪中叶,全球主要化石能源将消耗殆尽。据代生物燃料乙醇”由于粮食燃料乙醇在其发展中《世界能源统计》(2008年)的预测,按照已探明的储遭遇到难易迈过去的“坎”,许多国家把发展生物燃量,煤炭、石油和天然气等能源仅能分别满足全球料乙醇的希望转向纤维素燃料乙醇,即“第二代生物130年、40年和60年的消费需求。尤其是在20世燃料乙醇”人们普遍认为,第二代生物燃料乙醇对纪70年代世界爆发石油危机之后,人类开始反思和于改变能源结构保护生态环境、替代化石能源具有纠正自身不科学利用能源的行为并开始探索、开发广远的V中国煤化工收稿日期:2010-04-08CNMH快速发展,不仅作者简介:丁声俊,男,1940年出生,研究员,从事椎食科技危及广大发腰中国系的根食安全而且对相关的传与经济的研究工作。统产业提出了挑战。如果不加以宏观调控,必然侵专题综述丁声俊:我国发展生物燃料乙醇的长久大计占和剥夺传统产业的发展空间。为了确保粮食安全的甜高粱薯类等能源作物,恐怕也只是阶段性辅和避免大幅度剥夺传统产业的发展空间,发展生物助性选择,还必须探索和开拓其它更具有稳定性持燃料乙醇必须绕过“与人争粮、与粮争地”的“坎”。久性的发展途径。于是,大力开拓和发展以纤维素换言之,必须开辟新的原料领域或消化传统产业富为主要原料的“第二代生物燃料乙醇”提上日程。开余的原料资源。从2006年以后,我国不再增加以小发这类生物质材料生产生物燃料,是可能替代化石麦、玉米为主要原料生产燃料乙醇的项目而大力转能源的主要新能源。向开发木薯、甘薯和甜高粱等生物质材料。企业家3发展第二代生物燃料乙醇的和经济决策者们都认为,开发利用木薯、甘薯和甜高粱等生物质原料,既可以做到“不与人争粮、不与粮重大意义争地”,又可以持续发展生物燃料乙醇,可谓“两全其开拓和发展“第二代生物燃料乙醇”即纤维素燃美”。然而,从真正的意义上讲,利用木薯、甘薯和甜料乙醇是振兴生物燃料的最富有前景的广阔途径和高粱等生产生物燃料乙醇的途径难以完全做到“不长久根本大计。这是由以下客观依据决定的。与人争粮、不与粮争地”。对此,必须有符合客观实(1)开发用之不竭的纤维素原料效用巨大。开际的认识。拓和发展“第二代生物燃料乙醇”的主要原料是纤维(1)甘薯等“三薯”作物属于粮食的范畴。甘薯、素生物材料,包括能源灌木植物、农作物秸秆和林业马铃薯和木薯等作物在世界农作物分类中被划入废弃物等。在我国或世界上,纤维素生物质原料可块茎类粮食中在我国划入粗粮中。“三薯”淀粉含以说是到处可见的廉价材料量丰富、被誉为“淀粉之王”。迄今“三薯”资源虽然般而言,丰富的纤维素资源包括两大类:一类用途粗放但是却有多种重要用途:包括食料、饲料是农作物秸秆、农业加工副产品等纤维素生物原料;和工业原料等。以甘薯为例据有关部门统计,目前另一类是灌木能源林纤维素生物原料。首先谈第一中国甘薯的利用和耗费结构大体包括五部分:直接类纤维素资源。农作物秸秆和农业加工副产品是我用作饲料的部分占50%;工业加工量占15%;直接国乃至世界的重要纤维素原料。据计算我国的农食用量占14%;用作种子甘薯部分占6%;另其余的作物秸秆和农业加工副产品年总产量高达78亿多15%因保藏不当而腐烂。同样,马铃薯除大量直接吨其中玉米秸秆33182万t(424%)、小麦秸秆用于食物之外,也有相当大部分用作加工淀粉的原15362万t(19.7%)和稻谷秸秆11955.3万t料。至于木薯在贫困地区相当大数量直接用作食15.3%)等是“三大秸秆”,占全国农作物总秸秆量物和生产配合饲料的原料近年来越来越多地用为的7.4%以上。我国农作物秸秆的集中产区与农生产燃料乙醇的原料。业粮食主产区基本一致,前10位的省份依次是:山(2)种植甘薯等“三薯”作物大部分占用的是耕东、河南、吉林河北、江苏黑龙江、内蒙古、安徽、辽地。迄今,在甘薯、马铃薯、木薯和甜高粱种植面积宁和新疆等。这10个省(区)的农作物秸秆总产量中,已经有相当大部分利用的是耕地。像在东北、黄约占全国总量的70%。2008年,全国9大农作物秸淮海地区种植的甘薯、马铃薯等多数就是种植在现秆总产量高达78348.0万t(折合标准煤量有耕地上。四川、贵州、重庆、云南内蒙古、河南湖38825.3万t)。迄今,我国对于秸秆资源的使用结南和湖北等省(区)都是甘薯和马铃薯的主产区,“三构大体如下:用于造肥还田部分约占15%;用于饲薯”的种植面积在总面积中占有相当大比重。即使料部分占24%;用于薪柴燃料部分占43%;用于工是适于种植在丘陵和半山区的木薯也有相当大部业原料占3%;露天焚烧约占15%。按此比例计算,分种植在耕地上。据调查在中国最大的木薯产区2008年全国约有11752.2万t(折合标准煤量广西,农户1/3的耕地种植的是木薯。当然,“三薯”5823.8万t)秸秆被焚烧。这不仅浪费了巨量的生是理想的生物质原料,如果继续扩大甘薯、马铃薯和物质资源,而且还严重污染了环境。另外我国南方木薯的种植面积,难免不挤占谷物的种植面积和其蔗区V山中国煤化工万t蔗渣纤维的它作物的耕地面积CNMHG加工蔗糖副产品追溯我国不算长的生物燃料乙醇的发展历史,可再生纤繼素资源,質璽巳大,原料集中,储运方便,可以说,粮食燃料乙醇只是个开端;目前广受“追捧”可折合标准煤547.5万t,具有广阔的开发前景2粮食与食品工业 Cereal and Food Industrvol.17,2010,No.3再谈第二类纤维素资源。我国是一个灌木能源灌木林等能源植物。以上3类“边际性土地”的总面林资源极为丰富的国家。从树种看,全国大约有积超过13653万hm2。6000多个灌木林树种,其中,可作为加工生物能源(3)开发利用“边际性土地”,有利于振兴“三原料利用的超过1000种。从灌木林地面积看,全农”。经济社会意义深远而重大:一是可以充分开发国总面积高达4529.68万hm2,占全国林地总面积利用“边际性土地”种植灌木林等能源植物。一方面的16.02%以上。迄今,灌木林地面积超过为生产生物燃料乙醇开发用之不竭的再生纤维素生3.33万hm2的县就有163个。另外,我国近年来每物质原料,生产国民经济急需的新能源,另一方面又年营造灌木林面积在60万hm2以上。从发展空间可改善生态环境。许多灌木树种根系发达,具有很看,我国拥有4600万hm2的宜林地和1100万hm2强的抵御干旱、抗瘠薄、抗风沙、抗盐碱及抗高温等荒沙与荒地。这些条件差劣的土地不仅无法用于种逆境的能力。在干早、半干旱地区大规模发展灌木植业,而且也不适宜种植乔木树种,更适宜种植能源林,有利于绿化祖国、减少土地沙化,改善这些地区灌木林。若将这些土地资源的一半种植灌木林既的生态环境。二是推进边远地区特色经济的发展可使全国森林覆盖率提髙0.5个百分点,又可使全增加新经济增长点。“边际性土地”多分布在我国的国每年新增木质纤维素原料5亿t以上。此外,不边疆地区大规模加以开发,有利于解决“三农”问题可忽视的是,作为生物质原料重要资源的林业剩余和稳定增加农民收人,包括扩大就业机会,有利于富物的数量也十分巨大,包括采伐后留下的枝桠、梢裕劳力转向新的就业岗位。据粗算,为收集、运输和头、被砸伤树木及遗弃材等,估算总量有76亿多供应加工厂的生物质原料,必然促进运输业、服务吨。尤其是,许多灌木树种生物产量大,产生的热值业、储藏业、农产品加工业等行业的发展,全国至少高。例如,7年生沙棘林,每公顷干柴产量在13.00~可以增加1040多万个“绿色岗位”;为开发“边际性21.67t之间,可产生热值5693.9~41622.1kJ,相土地”,至少需要增加劳动力数百万之多。这表明,当于原煤2.13~15.54t。此外,中国木本油料地面开发利用“边际性土地”,不仅会为生物燃料乙醇产积总计达34300亿m2,其中成片分布的面积约有业的发展开拓一条新途径,而且也为振兴“三农”扩13500亿m2。其果实总产量达114万t是生物柴油展一片新天地的优质生物质原料。开发利用这些取之不尽、用之不如今,已经形成广泛共识:利用条件恶劣的“边竭的再生资源意义巨大而深远。际性土地”种植适应性好、抗逆性强、具有较高生物(2)开发利用广表的“边际性土地”资源前景广量的非粮食基生产生物燃料乙醇原料,是符合我国阔。采取“不与人争粮,不与粮争地”的发展“非粮”国情的发展生物质能源的道路。中国《可再生能源生物燃料乙醇的基本方针,关键在于找到生产生物发展十一五规划》明确鼓励以甜高粲茎秆、薯类作物质原料的替代土地资源即开发利用我国尚处在沉睡等生物质原料的燃料乙醇生产。按照2007年8月状态的、广袤的“边际性土地”。所谓“边际性土地”,31日国家发展改革委员会发布的《可再生能源中长是指条件较差、不适于种植粮食的土地。根据相关期发展规划》,到2010年,我国将增加以“三薯”原料土地资源调查文献资料我国的“边际性土地”可划生产的燃料乙醇的年利用量200万t生物燃料乙分为三类:第一类是可利用但尚未利用的宜林宜农醇年利用量将达到300万t,到2020年生物燃料乙荒地。中国拥有未被利用的土地245亿hm2,其中醇年利用量达到1000万t。这标志着我国整个生条件较好和可以利用的土地8874万hm2,宜林土物燃料生产由“以粮为主”向“非粮为主”的转变,正地5704万hm2,可开垦宜农土地734万hm2。第式从政策层面走向实际生产,并将成为我国生物燃二类是现有林地中的木本油料林、灌木林和薪炭林。料产业的战略走向。其总面积高达5176万hm,依次为343万hm、4我国发展第二代生物燃料乙醇的4530万hm2和303万hm2。第三类是在现有如1.3亿hm2耕地中,约有5027万hm2不适宜种植粮中国煤化工食作物的低产农田,其中有2000万hm2低产田可CNMHG再发出警讯之以通过调整结构发展成为能源作物生产基地。据后,许多国就廾如寻妇沺香代”能源了。迄今,估算我国已可以充分开发利用“边际性土地”种植人们已形成共识生物燃料乙醇是最重要的石油替专题综述丁声俊:我国发展生物燃料乙醇的长久大计代品。甚至有专家声称,这是唯一的选择。应该肯素酶的成本;戊糖和己糖共发酵生产乙醇。要解决定,发展生物燃料乙醇是我国能源发展战略和能源原料预处理糖化发酵和精馏各个过程中存在的制安全的战略重点之一。现在迫切的问题是,制定和约纤维素乙醇的瓶颈问题,实现大规模工业生产实施必要的对策举措。从前述的研究中可以确定:攻克这些世界性的科技难题需要各方协同攻关,尽我国生物燃料乙醇产业未来的进退、兴衰和成败,主快攻克以下四方面的主要问题:-是尽快解决酶解要取决于以下因素:一是广辟和发展生物燃料乙醇糖化经济成本较高的问题。目前因为缺乏高效生产资源夯实原料基础实现资源多元化;二是加强关纤维素酶菌株使得酶解糖化经济成本较高。当前键课题的科技攻关和研发,突破技术难题实现成本生产1t纤维乙醇需要酶制剂的成本在2200~低廉化;三是积极开展综合利用坚持协调发展实2600元。二是优化和提高木质纤维素预处理技术现可持续化;四是大兴现代服务业,降低经营成本,问题。研究天然纤维素结构中纤维素、半纤维素和实现服务社会化;五是创新体制和机制优化资源配木质素三者有效分离技术解决抑制酵母的生长和置实现产销市场化。从以上“五化”出发,我国当前代谢、影响燃料乙醇产率的问题。三是解决能够同急需做到“四抓”:一是大力抓好现有生物质资源的开时高效代谢戊糖和己糖的发酵菌株,戊糖的利用是发和合理利用;二是大力抓好新增生物质原料的开发影响纤维乙醇综合成本的关键因素。四是提高纤维利用;三是大力抓好包括液态气态、固态等生物质能素乙醇成熟醪酒度问题。目前,纤维素乙醇成熟醪源的生产和供应;四是大力抓好生物质能源的市场销酒度一般水平为3%~4%较高水平可达到6%,生售和消费。具体说,必须采取以下重大举措。产1t燃料乙醇将消耗30~60t水,同时产生几乎4.1大力开发利用“边际性土地"资源同样数量的废液,污水处理难度大、成本高。尽快攻在发展纤维素燃料乙醇产业的过程中,要始终破上述技术难关,占领这一领域的科技制高点,是当把为“三农”解困,使农民真正得到实惠作为基本原务之急。则。开发利用“边际性土地”,就是向农业农村经济4.3深化改革,建立健全市场运作体系的深度和广度进军。所谓“边际性土地”,是指条件振兴新兴的生物能源产业,从一开始就需要深较差、不适于种植粮食、而适于种植灌木林或能源植化改革和强化创新探索生物质资源优化配置的手物的土地。根据相关土地资源调查文献资料,我国段建立健全适应中国需要的生物能源产业运行的拥有三类“边际性土地”第一类是可利用、但尚未利新体制和新机制。的宜林宜农荒地。目前全国未被利用的土地4.3.1以市场为导向发展生物能源产业经济2.45亿hm2,其中条件较好和可以利用的土地遵循这一理念,生物能源产品的研发、生产和原8874万hm2,宜林土地5704万hm2,可开垦宜农料基地的建立,都要以市场实际需求为出发点;生产土地734万hm2。第二类是现有林地中的木本油料的各种生物能源产品都要以满足市场需求为归宿点;林灌木林和薪炭林。其总面积高达5176万hm2,各类企业都要把降低成本、提高效益、加强市场竞争依次为343万hm24530万hm2和303万hm2。第能力作为生命点;生物能源产业的各个产业链,包括三类是在现有1.3亿hm2耕地中,约有原料供应能耗物耗、产品运销等,都必须接受市场检5027万hm2低产农田,其中有2000万hm2低产田验和以按照市场经济规律进行运营为关键点。可以通过调整结构改成为能源作物生产基地。以上4.3.2建立健全生物能源市场体系3类“边际性土地”的总面积达到13653万hm2。充能源是关系国计民生的重要的大行业,需要具分开发利用“边际性土地”种植能源植物灌木林发备运行的载体一完备的市场体系。主要包括:生展第二代生物燃料乙醇是生物燃料的一次飞跃,等物能源原料市场,即各种原料的搜集、集中、预处理于建设起巨大的“绿色油田”。市场;生物能源产品市场,即各种生物能源产品,及4.2加强自主创新大力攻克科技“瓶颈”难题各种生物燃料的储存、供应、销售市场;生物能源技开发利用纤维素生物质原料生产燃料乙醇,必术市中国煤化工技术,新装备先须尽快攻克发展第二代生物燃料乙醇的科技“瓶颈”进科扌有偿使用、交易难题,即木质纤维素分解的课题。目前,特别需要克的市CNMHG以,与物能源相关的信服3大技术障碍:简捷高效的预处理技术;降低纤维息传递、原料搜集和供应、专业技术培训等服务市粮食与食品工业 Cereal and Food Industrvol.17,2010,No.3场。以上各类市场都必须不断提高统一规范、活跃作社方针。这种专业合作社实行自主、自治、自助等有序的水平。“三自”方针。所谓自主,就是合作社自我决策;所谓4.3.3建立健全生物能源的价格体系自治,就是合作社自我管理;所谓自助,就是合作社中国建立健全生物能源的价格体系必须采取如社员间相互自我互助。④专业合作社宗旨。生物能下举措:一是,健全以市场为主形成生物能源产品的源原料产销专业合作社的唯一宗旨在于为农民服价格机制;二是逐步建立价格体系;三是使国内和国务,包括信息传递、专业技术、原料搜集集中供应等外价格接轨;四是建立和实行保护价格。通过建立各种农民所需要的社会化服务。例如,在纤维素燃健全生物能源市场体系,特别是建立健全生物能源料乙醇原料收集、预处理糖化、发酵和精馏等各个的价格体系,开拓和扩展生物燃料乙醇产销的广阔环节中,都还存在着制约纤维素乙醇实现大规模工途径。特别是在开发利用边远地区“边际性土地的业生产的障碍。通过专业合作社加强社会化服务,过程中,要以市场为配置资源的基础手段积极探索可有效克服这些障碍,可促进中国纤维素燃料乙醇产业化经营之路使广大农民分享土地开发扩大就持续快速发展。⑤专业合作社原则。建立这种专业、工商利益、环境改善等方面的成果。发展产业化业合作社必须坚持:自愿原则,即农民入社自愿,退经营的基本做法是建立和壮大具有如下特点的生物社自由;民主原则,合作社领导机构由社员选举产能源的龙头企业:建立新体制和新机制,实行“产供生,各项重大决策都由社员代表大会决定;互助原销”一体化;具有强大实力,带动生物能源产业发展;则,合作社内部互相帮助和服务。实行新经营方式,与农民开展“订单生产发展农民生物能源专业合作社,健全现代社会4.4建立生物能源原料产销专业合作社化、专业化服务,探索产业化经营之路。其基本做法就实质而言生物能源产业就是“农业能源功能是建立和壮大具有如下特点的生物能源的龙头企属性”的发现和开发。生物燃料乙醇产业是与“三业:建立新体制和新机制,实行“产供销”一体化;具农”息息相关的现代生物质新兴产业,是传统农业的有强大实力带动生物能源产业发展;实行新经营方一种拓展和延伸各种生物质原料的产销都是农业式,与农民开展“订单生产和农村经济的一部分。鉴于生产生物燃料原料的分4.5加大国家财政扶持力度,加快生物燃料产业的布极为分散和收集难度极大,导致工业生产的集中发展性和连续性与原料生产的分散性与季节性之间存在一定意义而言,生物燃料产业就是“能源农业产严重矛盾。解决这一普遍存在的矛盾的根本途径在业”。鉴于此,国家加大财政对生物燃料产业的支于提高农民的组织化程度,其最佳形式就是建立生持,就是对“三农”的扶持,应该把发展生物燃料列入物能源原料产销专业合作社。换言之,通过建立健支农惠农的必要内容。从目前中国的实际情况和全新型农村合作制,探索解决生物能源生产集中性急迫需要出发,其扶持的重点包括“四加强”①加强与原料分散性矛盾的新途径。广大农民是生物质原基础。即开发和开拓农作物秸秆和能源灌木林生物料生产的主体,广大农村是生物质原料生产的广阔质原料,促使纤维素生物质原料成为我国生物燃料天地。为发挥农民的主体作用需要创新现代农业产业的主要原料来源,以加强生物燃料产业原料薄制度和提高农民组织化程度。其有效途径就是发展弱的环节。②加强关键。即加强关键性科技难题的农民专业合作社,像能源林木专业合作社、木薯专业攻关和生物燃料先进技术工艺的研发,尽快攻下制合作社、作物秸秆合作社等。各类农民专业合作社取纤维素燃料乙醇的高效酶制剂及关键技术装备的都采取新型合作制难关。③加强开发。即大力开拓和利用“边际性土这种新型农民专业合作社的要素包括:①专业地”建设产量高、质量高效益高的各类纤维素植物合作社组织。由农民自愿组织并选举出精干管理的生产基地。这实质上就是开发建设可持续发展的机构属生物能源产销专业合作社组织。政府要积“绿色油田”。④加强营销。即建立健全生物能源产极引导大力扶持支持其为农民开展各项服务活品的V山中国煤化工围。国家财政可动。②专业合作社性质。生物能源原料产销专业合以把CNMHG和消费纳入农业作社实行“民办、民有民享”。也就是说新型合作补贴的范围,并作为扶持里点,买现稳定化制度社由农民兴办为农民所有、归农民享用。③专业合化和法制化