燃料乙醇温室气体排放与能量投入/产出的探讨

化进展2013年第32卷第11期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●2599●进展与述评。05000500052燃料乙醇温室气体排放与能量投入/产出的探讨岳国君，王满意，林鑫(国家能源生物液体燃料研发(试验)中心，北京100020)摘要:介绍了基于全生命周期评价和生物燃料系统分析模型的燃料乙醇温室气体排放及能量投入/产出研究结果，总结相关研究工作进展。从降低温室气体排放和能量投入/产出比的角度，对燃料乙醇原料的选择、生产工艺优化的指导原则、能源产品多元化以及工厂布局与物流等问题提出相应建议。关键词:生物燃料;温室气体;燃料乙醇;能量投入/产出; 全生命周期评价中图分类号: TQ 519文献标志码: A文章编号: 1000- 6613 (2013) 11 - 2599 - 05.DOI: 10.39/jissn. 0006613.2013.11.012Study on the green house gas(GHG)emission and energy input/outputassessment for fuel ethanolYUE Guojun, WANG Manyi, LIN Xin(National Energy Research Center of Liquid Biofuels, Beijing 100020)Abstract: Green house gas (GHG) emission and energy input/output analysis for fuel ethanol, based onlife cycle assessment (LCA) as well as biofuel model-based system analysis, is introduced, and relatedresearch progress is summarized in the paper. In order to reduce GHG emission and consider energyinput/output, feedstock selection, manufacturing process optimization, energy output maximization bydiversified energy products and layout of fuel ethanol plant are recommended.Key words: bio-fuel; green house gas; fuel ethanol; energy input/output; life cycle assessment我国作为世界能源消费大国，1993 年开始已成可利用程度的一种度量。降低能量投入产出比是当为原油净进口国，对外原油依存度从1993年的6%今生物质能研究的核心课题之一，而温室气体分析逐年递增，2009 年首次突破50%，2012 年达到是另- -热点。发展生物质液体燃料与上述两大问题56.4%。同样，煤炭也经历了类似的过程。2009年直接相关。因此，可以把能量投入/产出比和温室气起，从煤炭净出口国变为净进口国，2012年进口煤.体排;放看作是评价生物质能转化为生物液体燃料是炭2.9亿吨，居世界第一，超出第二名的日本近亿否可行的两个关键因素。吨。化石能源短缺将是我国发展长期面临的重大全生命周期评价以及基于全生命周期的生物燃课题。料系统分析模型在国内外得到广泛研究[-4),如美国从能源的形式看，高品质液体燃料最为紧缺，的GREET ( greenhouse gases, regulated emissions,而生物质液体燃料代替化石燃料已经成为发展替代and energy use in transportation) 模型、加拿大的能源的一个重要趋势。在替代高品质液体燃料方面，.LEM (life cycle emissions model) 模型和英国的不妨分两个层次考虑:一是将 固体化石能源转化成E4tech模型5-]、国内清华大学的TLCAM液体燃料，如煤制油;二是将可再生资源转化成液体燃料。在将可再生资源转化为液体燃料的过程中，收稿日期: 2013-08-27 :修改稿日期: 2013-09-17.还是要消耗一定数量的化石资源。而化石能源消耗第一作者:岳国君(1963- -)， 男，教授级高级工程师，博士，主要从事生物燃料方面研究工作。联系人:王满意，主要从事生物化工方面量的多少也即常说的能量投入/产出比则可视为其研究。E-mail wangm中国煤化工YHCNMH G化I进展2013年第32卷(Tsinghua China automotive energy LCA model)模reduction value, NGRV)的概念，即1 MJ生物燃料型8]、农业部规划设计院与意大利都灵理工大学合相对于基准燃料的全生命周期GHG排放减少量,作建立的ECEBM评价模型41。能量投入/产出以及而GHG净减少比例(net GHG reduction ratio,温室气体排放作为两大核心主题贯穿其中，具体的NGRR)是指1 MJ生物燃料的净减排量相对于基准模型可参考相关的综述)和专著I0。本文仅对能量燃料的全生命周期GHG排放量的比例。表2列出投入产出以及温室气体排放的研究进展进行分析，了生物燃料与汽油全生命周期GHG排放结果的并根据这些结果得到关于生物燃料乙醇发展的启示对比。和相关建议。由于模型、边界条件以及基础数据的不同，对1全生命周期评价(LCA)温室气体于同种乙醇产品，表2所列数据结果也不尽相同。除玉米(中国)和甜高粱燃料乙醇外的NGRV出现排放正值外，其它均为负值，说明所列生物质乙醇的全燃料乙醇在其生命周期内产生许多环境排放,.生命周期碳排放量明显减少;此外,木质纤维素(玉环境排放又可分为直接排放和间接排放，两者之和米秸秆、柳枝稷、芒草)类燃料乙醇的NGRV相对称为完全排放。直接排放是产品生产过程中直接产更低，说明二代燃料乙醇的减排效果更明显。生的排放;燃料乙醇生产中需要投入原料和能源，从生命周期各阶段考虑，原料生产阶段的排放为取得这些原料和能源而产生的排放为燃料乙醇生对整个生命周期排放有重要影响，玉米乙醇种植阶产中的间接排放。分析燃料乙醇的环境效益，必须段排放占到总量的47%，这其中氮肥的投入是导致考虑其生命周期内的完全排放。文献[2，11-12]报道排放增加的主要因素1!3]。考虑生产过程中吸收CO2，了单位质量玉米燃料乙醇配比成的E10 燃料和普木质纤维素类乙醇原料在原料生产中排放值为负，通汽油生命周期内的排放值。由于乙醇的热值小于这使得木质纤维素乙醇相对玉米燃料乙醇具有更好汽油，因而以汽油能量为基准折算后的排放量将进的减排效果7。一步减小，其具体结果见表1。燃料生产过程中的副产品分摊能较好地降低其由表1可见，在整个生命周期内，E10燃料的总排放量和汽油的总排放量相当。其中, VOC、NO、表2生物燃料与汽油 GHG排放结果对比CH4和N2O稍大于汽油的排放，而CO、PM10、燃料种类GHGNGRV NGRR数据来源SO,和CO2明显小于汽油的排放，因此玉米燃料乙/gCO2, eM.J'醇部分替代汽油可较大幅度地减小空气酸化及气候1013]中国变暖趋势。[14]近期研究[10提出了GHG减少净值(net GHG[s， 15] 美国，中国玉米乙醇13137 39%表1 E10 燃料和汽油的全生命周期排放"765]美国排放项目汽油E10折算比率“木薯乙醇25 - 27% [I3]/mgkg'/mgkg1%小麦乙醇3914]欧洲VOC21.1618.8320.689.82甜高粱乙醇1451 54%321.46.501.69 .314.12-37.392%16]内蒙NO,26.1425.2125.541.32甘蔗乙醇PM103.083.0-0.1582. - 87%5.618.095.48-32.24甜菜乙醇I4]CH47.4.32玉米秸秆乙醇23N2O2.742..684.3746- 49% [17]CO231 206.58 35 515.0330 493.34-14.1418]加拿大①折算为与汽油能:量相等的EI0燃料燃烧后的排放。②比率计算方柳枝稷乙醇65- 69%法: (折算后排放 汽油排放) /汽油排放，例(20.68- 18.83) /18.83=芒草乙醇22- -72- -779.82%。⑧voC为挥发性有机化合物。注:NGRV及N中国煤化工CO2, eMJ计算。TYHCNMH G第11期岳国君等:燃料乙醇温室气体排放与能量投入产出的探讨●2601●排放水平，根据文献[13]报道，玉米、木薯和甜高用能量替代法，即在图1中用生产主产品与副产品粱燃料乙醇副产品在温室气体排放方面的分摊比率功能相当的替代产品所需能量FE5加以表示。例分别为30.%、18.06%和 20%，因此单从燃料乙醇如，有关饲料生产所需能量可以用生产具有相同营的角度考虑，增加副产品的产量和价值能有效降低养量的大豆粉或玉米粉所需的能量表示。同理，玉温室气体排放。米油可以用大豆油替代。这种方法通过扩展系统边界，将与副产品功能相当的替代产品生产过程包括2能量投入/产出评价进来，避免了对副产品生产所需能量的直接计算。2.1能量投 入/产出评价方法能量输出包括乙醇的燃烧热能( biomass energy ,20世纪70年代中期，美国就开始关注玉米燃BE)和副产品的替代能量FE5。料乙醇的能量平衡问题的研究19-20]。当时乙醇替代除典型的玉米燃料乙醇外，我国农业部的研汽油的能量效益的有关研究指出，玉米燃料乙醇的究4已扩展至对包括中粮广西北海木薯燃料乙醇在能量投入/产出略显负值。内的甜高粱、木薯等非粮燃料乙醇，并得出初步结至20世纪80年代末期，为了减少空气污染，论，认为非粮与玉米乙醇相比具有较强的优势，但玉米燃料乙醇再次引起人们的关注，其能量平衡问在生产过程中需要积极开发副产品，加强对废液和题的研究不断出现13.16)， 但由于划定的系统边界、废渣的回收利用，实现经济、能量和环境的“三赢”。考虑的影响因素等多种条件的不同，其研究结果存2.2几种常见原料的生物燃料能量投入/产出评价在很大差异，这也影响到其在评价可持续性工作中表征燃料乙醇能耗的参数是能量净值(NEV)、的应用。能量产率(NER)以及化石能源强度( 1/NER) [10]在典型的研究中，生物燃料全生命周期的能耗所谓能量净值是指取得的生物燃料能量与所用化石过程概括为化石能和太阳能共同驱动的两个系统，能耗的差值。能量产率为1MJ化石能耗所取得的生其能量的输入、输出及内部流动如图1所示B。物燃料能量，即能量的产出/投入比，化石能源强度在图1中，能量输入包括太阳能( solar energy,则为投入/产出比。NEV大于0或NER大于1表明SE)和从玉米种植到乙醇燃烧整个生命周期直接或生产系统的能量输出与化石能输入相比具有能量盈间接消耗的化石能( fossil energy，FE)。 其中，FE余[13. 2212包括玉米生产过程的能耗FE1 (由种子、化肥、农综合以玉米、木薯、甜高粱等粮食或非粮作物药、电力和燃料等间接载入的化石能)、乙醇转化过为原料，以及玉米秸秆、柳枝稷等以木质纤维素为程消耗的能量FE3 (主要来自于玉米粉碎、蒸煮，原料的燃料乙醇评价结果见表3所示。如果以汽油酒糟的干燥，乙醇的蒸馏及脱水，以及副产品生产为基准，除某些以玉米和甜高粱为原料的研究外,等操作)以及运输玉米以及燃料乙醇消耗的能量几乎所有考核的生物质原料制取燃料乙醇的能量净FE2和FE4 (与运输方式和运输半径有关)。乙醇值都是正值，能量产出均有盈余。转化过程生产的副产品包括干法工艺的全干精糟饲全生命周期中化石能量的投入主要来自原料生料(ditiller's dried grains with solubles, DDGS) 和产和燃料生产两个阶段，清华大学在车用能源技术湿法工艺的玉米面筋粉(corm gluten meal, CGM)、路线全生命周期分析中作了详细分析[10]。针对近期玉米面筋饲料(corm gluten feed, CGF)以及玉米油。的文献报道，忽略原料混配和运输过程的化石能源为了考虑FE3中生产副产品所占份额，文献[21]采消耗，把能量投入分解成原料生产和燃料生产两个阶段，结果见表4。原料种植阶段的化石能量投入系统边界FE 化石能基本占到30%~50%，因此，降低这两个阶段的能耗对于提升能量产出比例均有显著意义。sEFEI，FE2+ FE3, FE4_JSE与温室气体排放相似，可采用不同的计算方法玉米生产巡想乙醇转化乙醇燃烧太阳能抵扣燃料乙醇全生命周期中的化石能量投入。例如，生物能采用市场价值量法，玉米燃料乙醇的副产物可以分副产品副产品替代毕5摊36.71%的总化石能耗，其净能量值也由分摊前的负值(-9.961 MJ/L)变成正值(1.472 MJL),说明图1玉米燃料乙醇生命周期系统的能量流动副产物的开发中国煤化工响川。.MHCNMH G●2602●化I进展2013年第32卷表3生物燃料全生命周期净能量分析结果表4生物燃料全生 命周期中化石能源投入分析化石能燃料种类原料种植%燃料生产%文i源强度NER NEV文献数据来源玉米乙醇30.7569.25[1汽油1.34 0.74 -0.34 [5, 13, 17]美国38.0062.00[10]0.80-0.25[23]中国木薯乙醇24.5375.47[l1.13 0.88 -0.1313]30.00 .70.000.62 1.61 0.385]美国甜高粱乙醇49.0051.000.0.C4]中国吉林小麦乙酉51.2348.77[2(0.75 1.30.22]纤维素乙醇40.8059.20[17]0.77 1.30 0.23[11]0.80 1.23]中国(千法伴生产品的数量和价值是摊薄燃料乙醇这两项指标工艺) .的有效手段之一。不妨对原料作如下三方面梳理:0.96 1.04 0.04中国(湿法①提高原料作物在种植生产中的副产品数量和产工艺)量;②原料在乙醇生产中能形成高附加值副产品;0.70 1.42 0.30 .24]③开辟农林废弃物作为原料的途径。如何综合考虑以上三点因素，选择好原料，是当下生物燃料产业[25]应该仔细慎重思考的问题。0.65 1.50.33.2 关于燃料乙醇生产工艺中国广西燃料乙醇生产工艺影响生产环节的化石能源消0.35耗，进而影响温室气体排放。乙醇的生产基于发酵1.46 0.61 -0.46法酿酒的古老工艺，但乙醇又可作为可再生能源消0.75 1.34 0.2516]中国内蒙中国黑龙江费，因此促进了这一传统工艺向能源技术领域的跨越。0.40 2..0.6但与传统能源化工相比，发酵工艺离不开大量甘蔗乙醇0.23 4.32 0.77的水，而影响能耗的关键恰恰就是水。以玉米燃料0.10.8巴西甜菜乙醇0.50 2.00 0.5025]英国乙醇为例，其生产能耗约占全生命周期总化石能量投入的60%。其中液化至精馏脱水部分的能耗约玉米秸秆乙醇0.21 4.77 0.79占整个燃料乙醇生产工艺的40%~60%1.13],这说3.617]明因水的问题而消耗的化石能源占到燃料乙醇整个0.19 5.2 0.8生命周期内总量的24%~36%，并形成了相应的温0.81室气体排放。柳枝稷乙醇0.18 5.40.82因此，从燃料乙醇生产阶段来说，降低水的参芒草乙醇0.17 6.01 0.83与是减少能量投入和温室气体排放的重要措施，切改进燃料乙醇生产工艺的措施都应围绕降低水的耗量来进行。3若干启示与思考3.3关于能源产品多元化3.1关 于生物质原料的选择在玉米燃料乙醇生产实践中，饲料、杂醇等副原料的种植对温室气体排放和化石能源投入都产品抵扣了一部分能量投入。在以非粮为原料时，有显著的影响，因此，选择合适的生物质原料是决从能量投入产出角度考虑，更应关注以产出能源产定燃料乙醇生产的关键因素之-一。我国的燃料乙醇品最大化为目标，特别是对组成复杂的农林废弃物，工业经过多年发展,业界深刻认识到原料的重要性。应重点考虑建设乙醇_沼气-电力联产装置。初步可农业科研人员基于C3、C4光合作物的区分，对行性研究显示，建设同样规模的乙醇-沼气-电力联哪些植物适合做能源作物己有明确的结论[2728,，但产装置与单一生产燃料乙醇装置相比，投入/产出比从温室气体排放和净能的角度，提高生物质原料分别是0.77.中国煤化工YHCNMH G第11期岳国君等:燃料乙醇温室气体排放与能量投入产出的探讨●2603●3.4关于布 点和物流京:清华大学出版社，2011.非粮燃料乙醇原料分散，合理的收集半径限制1] 钮劲涛，陶梅，金宝丹.玉米基燃料乙醇的综合效益分析[].湖南农业科学，2010 (21); 105-107.了装置的规模，而非经济规模的生产装置更制约了I2] EPA. National Emission Inventory(NEI) Database[DB/OL].未来生产能耗的降低。如果延伸产业链，从收集足2004-01-20.http: /www.cpagov/air/data/neidb.html够的农林废弃物开始，包括非粮燃料乙醇生产、管[13] Ou X，Zhang X，Chang S, et al. Energy consumption and GHG道运输、乙醇汽油的调制、储存、乙醇汽油配送直emissions of six biofiel patways by LCA in (the) Peole's Republicof China[] Applied Energy, 2009， 86: S197-S208.至加油站，以一个地区的综合能量投入/产出最佳为14] Wiesenthal T, Schade B, Chritidis P, et al. Analysis of biofuel support目标，以此确定非粮燃料乙醇生产装置的规模可能polcies[C/Proceedings of the 15th Biomass Conference and会更加合理。Exhibition, 2007: 7-11.我国的燃料乙醇最初以陈粮为原料，经历了“十[15] Yan X, Inderwildi 0 R, King D A. Biofuels and synthetic fucels in theUS and China: A review of well-to-wheel energy use and greenhouse五”期间的发展之后，正处于向非粮原料转型过程gas emissions with the impact of land- use change[]. Energy &中。建议整合各方面的力量，在现有系统模型的基Environmental Science, 2010， 3 (2): 190-197.础.上开发标准化的净能量和温室气体排放评价模16]田宜水，李十中，赵立欣，等.甜高梁茎秆乙醇全生命周期分析[].型，简单实用，可作为业界，特别是企业选择各种农业机械学报，2011, 42 (6): 132-137.生物质原料转化为生物液体燃料的评价工具，以拓[17]田望，廖翠萍，李莉，等.玉米秸秆基纤维素乙醇生命周期能耗与温室气体排放分析[].生物工程学报，2011, 27 (3): 516-525.展非粮原料途径。[18] Spatari S，Zhang Y，Maclean H L. Life cycle asessment ofswitchgras-and corm stove-derived ethanol-fueled automobiles[].参考文献Environmental Science & Technology, 2005， 39 (24): 9750-9758.19] Chambers R S, Herendeen R A, JoyceJJ, et al. Giasohol: Does it or[1] 戴杜，刘荣厚，浦耿强，等.中国生物质燃料乙醇项目能量生产doesn't it produce positive net energy[J]. Science, 1979， 206:效率评估[].农业工程学报，2005， 21 (11); 121-123.90-795.2]戴杜，于随然，浦耿强，等.基于混合模型的EI0燃料生命周期Emphasis on Corn[ M]. Madison: University of Wisconsin，1979.评估[]..上海交通大学学报， 2006， 40 (2): 355-358.21] Kim s, Dale B E. Allocation procedure in ethanol production system3]张治山，袁希钢.玉米燃料乙醇生命周期净能量分析[]环境科frorm com grain[J]. 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