生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析

第31卷第10期太阳能学报Vol 31. No 10010年10月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA0et,,210文章编号:054009%6(2010)10124605生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析欧训民12,张希良2,常世彦2,郭庆方(1.清华大学核能与新能源技术研究院,北京10004;2.清华大学中国车用能源研究中心,北京10004)摘要:使用清华大学 Tsinghua-CA3EM模型中的We-o-Whes模块对玉米、木薯、甜高粱制取燃料乙醇和大豆麻风果、地沟油制取生物柴油共6条技术路线进行了基于案例的全生命周期计算。结果表明:除木薯制乙醇路线外,其它各路线的化石能源投入都大于所产燃料所含的能量;与汽油、柴油路线相比,各生物燃料路线所需的化石能源减少温室气体排放增加;导致此状况的原因主要为燃料生产能耗高原料种植过程中肥料消耗多等。综合考虑,对于窩煤贫油国情而言,现有生物燃料路线具有可行性。关键词:中国;全生命周期分析;能耗;温室气体;生物燃料中图分类号:X382.1文献标识码:A0引言气体排放增加;导致该状况的原因主要为燃料生产能耗高、原料种植过程中肥料消耗多。对于我国相近10年来在促进农业发展、保障能源安全、应对“富煤贫油”的国情而言现有各路线的发展仍具对气候变化和保护生态环境等目标驱动下,众多国有可行性。研究结论为我国促进生物液体燃料产业家制定积极战略和政策,推动生物液体燃料产业的规模化发展进行战略规划和政策制定提供了决策基快速发展以大规模替代传统石油基燃料12,但是各础。种生物液体燃料路线是否能够起到能源替代和温室气体 greenhous∞ege,cHG)减排的效果,成为学术界1研究方法讨论焦点4。从20世纪90年代开始文献[5,6]开本研究运用清华大学 Tsinghua-CA3EM模型中整发了车用燃料全生命周期( life-cycle-analysis,CA)合了国际上广泛应用的车用燃料的能源使用和污染评价模型LEM、CRET,为各国研究机构和学者物排放的微观分析模型 Greet的能耗及污染物所利用,进行了包括生物液体燃料在内的多链条对WTw( Well-to-Wheels,从矿井到车轮)分析模块进行比分析,得出了众多基于地域特点的结论。国内生分析。GREE已分别应用到北美、欧洲等地区的车物液体燃料路线的LCA工作主要由清华大学、同济用传统及替代燃料的多条路线LCA分析,其有效性大学和上海交通大学的研究人员开展,主要还是进已被验证1,在本研究中进行了模型结构和数据的行个别链条的对比研究…9-。本地化调整。WW模块包括WP( Well-to-本文在上述研究的基础上基于我国国情,进一Pm甲p,从矿井到加油机)和Fw( Pump-to-Wheels步采集数据,构建系统模型,通过循环迭代计算,开从加油机到车轮)两个主要阶段前者的研究对象是展基于案例的多路线能源平衡和CHG排放LCA综上游生产阶段(包括资源开采/原料种植资源原料合评价,对各种影响因素进行定量分析,提出今后的运输燃料生产、燃料运输、分配和储存以及燃料加努力方向。研究表明:目前我国各条生物液体燃料注过程),后者的研究对象是下游使用阶段(即汽车路线的化石能源投入都大于所产燃料所含的能量;行驶的燃料燃烧和污染物排放过程)但与传统石油基燃料相比,所需化石能源减少,温室H中国煤化工收稿日期:200901-20基金项目:国家自然科学基金委重点基金(9040016);国家能源局资助项CNMHG土论文资助基金项目(20093)通讯作者:欧训民(1978-),男,博士、助理研究员,主要从事车用燃料全生命周期方面的研究。mm@ tsinghua.edu.an10期欧训民等:生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析12472基本数据耗分别为0.16、1.13M;柴油路线化石能耗为1.30MJ,其中煤、石油能耗分别为016、1.12M),替本研究将玉米、木薯和甜高粱制取乙醇和大豆、代燃料路线的化石能耗有所减少,其中煤炭消耗增麻风果和地沟油制取生物柴油( bio-diesel,BD)共6加、石油消耗减少。条路线分别命名路线1~6,与汽油、柴油路线进行对3.2 WTW GHG排放情况比研究基于案例的基本参数如表1所示;相关各种得到并利用1M燃料所带来的GHCG排放量情常规能源及GHG排放数据参考文献[2]。况如表3所示,对比传统石油基燃料(汽油、柴油路表1基本参数线排放量分别为10392、10259g),除地沟油制取BDTable 1 Basic parameters的路线6仅微增0.38%外,其它都导致1820%~路线序号40.18%的大幅增排。原料玉米木薯甜高粱大豆麻风果地沟油表3 WTW GHG排放情况燃料乙醇乙醇乙醇 BD BDBDTable 3 WTW GHG emission原料产量/tk65025008000180500路线种植能耗CJkm240050053049.480N肥投入1如m216.235.053.0509.7排放量/g143.012.81145.6812.43123.46102.98P肥投入/tkm213.312.01403.327增排量/g39.1018941.7619.8420.870.39K肥投入/km213.113.002.71.8增排率/%37.6318.2040.1819.3420.340.38收集半径km120201001502050注:1.CHG排放量为得到并利用1M燃料导致的排放量(即转化率/原料包括车辆运行阶段排放量);2.因路线1~5的原料为种植类燃料-127016.06.03.320.0生物质,考虑到植物生长过程吸收CO2,故车辆运行阶段的提炼能耗/GJt1251420353CO2量不计入。输配距离/km500400300200300100副产品分摊比例%3020203040033化石能耗因素分解替代燃油类型汽油汽油汽油柴油柴油柴油表4所示为各路线能源消耗因素分解情况。为注:1.根据文献[4,9~14]、专家访谈及实地调研(文献[2]);得到1MJ燃料,各路线燃料阶段消耗量占比为45%2.地沟油收集能耗:从散户到收集点30MJt;从收集点到加77%,是最后能源净值为负数的主因;利用生物质工厂135Mt种植获取原料的路线1~5中,化肥投入耗能是原料3结果分析阶段乃至全过程能耗较高的重要原因,其占总能耗比例为12%~33%(与文献[3]测算的美国玉米乙醇3.1WTP阶段能耗情况路线中肥料(包括农药)能耗占总能耗的比例28%WTP阶段为得到1M燃料所需的各类一次能源饔4能源消耗因素分解(%消耗量(包含燃料本身热值)情况如表2。目前除路Tahe4 Fossil energy consumption factor decomposition(%)线2外的其它路线能源净值(能源净值=燃料热值所需化石能源投入)均为负值。但对比传统石油基合计100100100100100100燃料(汽油路线化石能耗为1.34M,其中煤、石油能1原料阶段4647395523衰2wTP能耗情况1.1种植能耗62202Table 2 WTP12化肥投人22293315121.2.1氮投人1926311212路线23561.2.2磷投入12化石能耗M1.280.961.211.201.231.151.23钾投人210减少比例/%50628.219.4579055312.101.3农药投人0070煤能耗M0.930.621.02071078064中国煤化工935增加比例/%464.0378.15189349.73975305.145765石油消耗M0.290.130100360320402.CNMHG 44 74 59减少比例/%74.5488.979107679271.7663.902.2燃料输配1248太阳能学报31卷相比,目前我国该数值偏高),而肥料投入中,又以氮能达到平衡;对路线13,还可以分别通过减少肥料肥投入量大为特点;种植能耗农药投入和原料运输消耗9654%和5461%以达平衡;对路线4还可以也是导致原料阶段能耗较多的重要原因;燃料生产降低种植能耗8274%以达平衡。在燃料阶段能耗中比例较大而输配耗能比例较小。相对传统汽柴油路线,各路线不增排GHG时各34GHG排放因素分解种因素的变动情况如表7所示,其中提高单位产量表5所示为各路线GHG排放因素分解情况。方面(3075%~6459%)和减少提炼能耗方面得到并利用1M燃料,各路线原料阶段排放量占比(37.04%~79.30%)都能有效影响各路线GHG排为33%-58%,是最后相对传统汽油、柴油路线放;减少氮肥方面,分别减少9165%、36.09%GHG增排的主因;路线1~5的肥料投入是GHG排63.73%、61.54%和71.63%,可以达到不增排;对路放的重要因素,占比达到24%~46%,其中氮肥投入线4还可以降低91.58%的种植能耗以达到不增排占比24%~45%;由于氮肥施用导致NO排放带来对路线5还可以通过减少运输能耗60.18%以达到的CHG排放效果,占比约为氮肥使用对GHG总效不增排。果的一半,占比为12%-21%;种植过程、农药投入表6净能源平衡点各因素需要变动情况(%和原料运输也是导致原料阶段cHG排放较多的重d6 The factors changing rates for energy balance(%)要原因;燃料阶段的GHG排放主要在燃料生产过程路线序号中产生,输配过程中GHG排放占比例较小。提高单位产量54.6948.8347.889.30表5GHG排放因素分解(%)减少种植能耗82.74Table 5 CHG factor decomposition(%减少肥料能耗96.545461减少提炼能耗410030.1338.1825.19路线123456减少运输能耗合计100100100100100100注:-代表“无法达到”。1原料阶段5158496233337GHG不增排下各因素需要变动情况(%1.1种植过程1.2化肥投人34Table 7 The factors'changing rates for GHG reduction(%)1.2.1氮投入3043452624路线序号121.1N2O效应1821181412提高单位产量59.0330.7560.28364954.631.2.2磷投入减少种植能耗1.23钾投入减少肥料9734.286245566169.483农药投入0060氮9165360963.7361.5471.6314原料运输2燃料阶段4942513867672.1燃料生产41493846减少提炼能耗56.7937.765899428737.042燃料输配1120216减少运输能耗60.1835各种因素变化对能源平衡、GHG排放影响注:-代表“无法达到”。如果增产不增肥将减少单位能源产出的肥料投入、运输能耗因而减少化石能耗总投入;或者减少4结论种植能耗、肥料消耗、提炼能耗和运输能耗均叮使得1)目前,基于案例所研究的6条生物燃料路线各路线的化石能耗和GHG排放量减少。对各路线与传统石油基燃料相比均增排GHG;除木薯制乙醇达到能源投入产出平衡(即制得燃料所含热值等于路线外的其它路线的能源投入都大于所产燃料所含制取过程的化石能耗)时各种因素的变动情况如表的能量,但与传统石油基燃料相比各路线所需化石6所示,其中提高单位产量方面和减少提炼能耗方能源中国煤化工少石油消耗;对于面都能有效影响各路线的能源平衡点:路线1~4提中国CNMH现有生物路线高约0.5倍单位产量,路线5提高约1倍单位产量,仍具有可行性;就达到平衡;各路线降低30%~40%的提炼能耗,就2)种植类路线能耗高GHG排放大的两大主因期欧训民等:生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析是肥料消耗和燃料生产。对种植类路线,农业生产and powertrains[R]. London: EUCAR, CONCAVE, JRC中习惯使用较多肥料,尤其是氮肥,加之中国超过IEC,2006半的氮肥以煤炭为原料制得,导致LCA能耗较高;〖8】 Brinkman N,Mhew. Well-to-Wheel analysis of advanced再加上氮肥N2O排放效应,使得 LCA GHG排放量剧fuel/vehicle systems: A north american study of energy use增;燃料生产与提炼过程能耗较高,且主要以煤炭为[A]. GM Research and Development Center[c],Warren动力燃料,导致了LCA的能耗高、GHG排放量大;3)通过提高单位产量、降低物耗可以改善现有9]柴沁虎生物质车用替代能源产业发展研究[D].北生物燃料路线的LCA表现。京:清华大学,2008,5-95[参考文献][10]胡志远,谭不强,楼狄明,等.不同原料制备生物柴油生命周期能耗和排放评价[门].农业工程学报,200[1] Zhang Xiliang, Lx Wen, et al. Chinese forestry energy[M]2(11):141-146Beijing: China Agriculture Press, 2008[1]张成.木薯燃料乙醇的生命周期3E评价[D].上海:[2]Ou Xunmin, Zhang Xiliang, Chang Shiyan. Life-cycle analy上海交通大学,2003sis of biofuel pathways in China[ A]. Beijing: Center of Auto- [12] Ou Xunmin, Zhang Xiliang, Chang Shiyan. Altemative fuelmotive Energy Center[ C], Tsinghua University, 2008buses cumently in use in China; Life-cycle fossil energy use3] Farrell Alexander E, Plevin Richard J, Tumer Brian T, etGHG emissions and policy recommendations[ J ]. Energy Poli-al. Ethanol can contribute to energy and environmental goalsy,2010,38(1):4064183ll:50508[13] Dong Dandan, Zhao Daiqing, Liao Cuiping, et al. Energy[4]Zhang Aling, Shen Wei, Han Weijian, et al. Life cycle analconsumption analysis in life cycle of cassava fuel ethanol pro-duction and the advantages of the new technology in energyUniversity Press, 2008onsumption[ J]. Joumal of Agricultural Engineering,2008[5] Delucchi M A. A lifecycle emissions model(LEM): Lifecycle24(07):160-164emissions from transportation fuels[R]. Davis: University of [14] Dong Jinning, Ma Xiaoqie. Bio-diesel project life cycle as-Califomia, 200sessment[ J]. Modem Chemical2007,27(09):5[6] Wang MQ Operating manual for GREET: Version 1.7 [EB/oL.hp:/roet,al.gow/ publications. html [accessed7.[5]江泽民对中国能源问题的思考[门.上海交通大学学07.2007报,200,42(03):345-359[7 Edwards R. Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels中国煤化工CNMHG1250太阳能学报31卷LCA OF BIO-ETHANOL AND BIO-DIESEL PATHWAYS IN CHINAOu Xunmin", Zhang(1. Instit d Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua Uniersity, Beijing 100084, China;2. China AutEnergy Research Canter, Tsinghua University, Beijing 100084, ChinaAbstract: For the comprehensive analysis of energy consumption (EC)and greenhouse gas( GHG)emissions of Chinasbio-liquid fuel pathways, the life-cycle- analysis(LCA)of 6 pathways, which are com-, cassava-, and sweet sorghum-de-rived ethanol(EtOH) and soybean -, jatropha fruit-, and waste cooking oil( WCO)-derived bio-diesel( BD) is analyzedThe tool utilized is the WTw( Well-to-Wheels )module of Tsinghua-CA3EM model covering all stages including raw mate-rials cultivation (or feedstock collection), fuel production, transportation and distribution, and application inautomotiveengines, accompanied with comparison with Conventional Petroleum-based gasoline and diesel Pathways( CPP). The re-sults based on case-study show: 1)the fossil energy inputs are larger than the energy contained in the fuel obtained inthese pathways except making ethanol from cassava pathway: 2)compared with CPP, the fossil energy correduced, but the GHc emissions can be increased to some extent; 3)the main factors induced high EC and GHG emis-sion include high EC level during the fuel production stage and high fertilizer application rate during the raw feedstockplantation. The results show that these bio-fuel path ways is fuitable to the country with rich coal and poor oilKeywords: China; LCA; energy consumption; greenhouse gas; biofuel中国煤化工CNMHG