木薯燃料乙醇生命周期能源效率评价

第38卷第10期上海交通大学学报2004年10月Vol 38 No, 10JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITYOct.2004文章编号:1006-2467(2004)10-175-04木薯燃料乙醇生命周期能源效率评价胡志远,戴杜,浦耿强,王成焘(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030)摘要:利用生命周期评价理论,建立了木薯燃料乙醇生命周期能源效率评价模型.以总体能源消耗、化石燃料消耗、石油消耗、净能源产出和能源综合利用率为评价指标,对木薯燃料乙醇进行了命周期能源效率评价,结果表明:与汽油相比,木薯燃料乙醇生命周期整体能源消耗增加2%,化石燃料消耗降低54%,石油消耗降低96%净能源产出偏低45%,能源综合利用奉偏低8%.木薯燃料乙醇是潜力巨大的绿色燃料关键词:木薯;燃料乙醇;能源效率;生命周期中图分类号:TE09文献标识码:ALife Cycle Energy Efficiency Assessment ofCassava-Based Fuel EthanolHU Zhi-yuan, DAI Du, PU Geng-qiang, WANG Cheng-tao(School of Mechanical Eng, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200030, China)Abstract: A life cycle energy assessment model of cassava-based fuel ethanol was established based on lifecycle theory. The life cycle total energy, fossil fuels, and petroleum consumption, net energy yield, andoverall energy utilization degree of cassava-based fuel ethanol were assessed. Compared with conventionalgasoline, the life cycle total energy consumption of cassava-based fuel ethanol is higher about 22%, whilethe fossil fuels consumption, petroleum consumption, net energy yield, and overall energy utilization de-gree are lower about 54%,96%,45% and 8% respectively. The cassava-based fuel ethanol is a potential-ly significant green fuel for automobile.Key words: cassava; fuel ethanol; energy efficiency life cycle预计到2020年,我国的原油需求量约为3.66开始乙醇汽油应用试点.广西石油供需缺口到2005亿t,供求缺口约为1.8亿t,石油自给率仅为2020年将达到191~303万t,急需接替资源60%左右.1999年,我国汽油终端消耗总量为因此,结合我国的燃料乙醇政策和西部大开发战略3379.63万t,其中交通运输行业消耗1265.52广西壮族自治区政府正在进行利用当地丰富的木薯万t(21,占总消耗量的37.4%随着汽车保有量的持资源生产燃料乙醇可行性研究.本文的研究目标是续增加,由交通运输导致的石油消费增加将不容忽从生命周期角度出发,对木薯燃料乙醇进行能源效视我国于2001年颁布了“变性燃料乙醇”和“车用率评价,为广西壮族自治区政府提供决策依据乙醇汽油”两个国家标准,在河南、吉林、黑龙江等省收稿日期:200309-04基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175070)作者简介:胡志远(1970-),男,河北安国人,博士生,主要研究方向为绿色设计、生命周期评价等,王成焘(联系人),男,教授,博士生导师BiE(Tel):021-629329051E-mailtrib@sjtu.edu.cn.1716上海交通大学学报第38卷1研究方法ET、化石燃料消耗(EF)、石油消耗(EF)、EN和生命周期能源综合利用率(R),它们组成评价指标矩阵:1.1生命周期框架木薯燃料乙醇的生命周期是从“木薯种植”到其中“燃烧/车辆使用”的系统过程由“原料生产”“燃料E=∑∑En,E1=∑∑E,E=∑En生产”和“燃烧/车辆使用”三个子过程组成.具体包括木薯种植、木薯干片加工及运输、木薯乙醇生产EEN燃料输配、燃烧/车辆使用等阶段,如图1所示Eτ,为生命周期i阶段j类能源消耗量(电、煤、汽太阳艷」电燦汽油柴油一化学品其他油、柴油等);EF包括煤(固态化石燃料)汽油、柴油原料生产(液态化石燃料)及发电和化学品生产消耗的固态木薯种植液态化石燃料;E,为生命周期i阶段j类化石燃料木薯乙醇生消耗量;E为生命周期i阶段石油消耗量以汽油或木薯燃料乙醇在发动机气缸中燃烧释加工及运输L放1MJ内能为研究对象,以汽油生命周期相应能源效率指标为基准,对木薯燃料乙醇生命周期能源效率进行评价↓能源输出1.3数据收集图1木薯燃料乙醇生命周期框架(1)数据来源生命周期评价数据一般包括测Fig. 1 Life cycle framework of cassava-based fuel ethanol算数据(统计和未统计)、模拟数据、非测算数据(如估计的)等,木薯燃料乙醇生命周期数据包括:化在木薯燃料乙醇生命周期过程中,“原料生产”学品(化肥农药)生产能源消耗数据;木薯种植、管子过程中木薯种植阶段吸收太阳能(E,),通过光合理及收获阶段化学品、能源需要量数据;某种特定乙作用转化成木薯中的淀粉,同时消耗化学品、汽油、醇生产工艺能源消耗数据;柴油、煤、天然气等燃料柴油等能源和材料(E1)鲜木薯被加工成木薯干片生命周期能源消耗数据;燃料乙醇生命周期系统中后运输到乙醇生产厂在“燃料生产”子过程中,消耗“运输”过程能源消耗数据所涉及的数据类型和来电、煤、或天然气重油等能源(Er2),把木薯转化成源如表1所示乙醇,即把“原料生产”子过程中吸收的太阳能转化表1燃料乙醇生命周期数据类型及来源成木薯燃料乙醇的内能E。,并输配到加油站.在“燃Tab. I Data type and source of cassava- based fuel ethanol烧/车辆使用”子过程,木薯燃料乙醇在发动机气缸during its life cycle中燃烧,释放内能,转换为工质的热能,再通过工质项目数据类型数据来源的膨胀转换为驱动汽车行驶的机械能,与生命周期化学品生产测算数据企业数据、报告、顾问总能源消耗(Er)比较,产出净能源(EN)如图2相关的LCI平均数据所示(如 GREET)调整数据杂志、论文、书木蕃种植、管理及收获测算数据报告、顾问料生产燃料生产十燃烧/车辆使用调整数据杂志、论文、书乙醇生产工艺(能源消耗)测算数据企业数据、报告、顾问调整数据杂志、论文、书能源消耗集合数据参考书图2木薯燃料乙醇生命周期能源转化电、煤、荣油等能源生产调研数据行业联合会Fig 2 Lifecycle energy conversion of cassava-based数据平均数据相关的LcIfuel ethanol车辆使用数据模拟数据实验1.2评价方法调研数据行业联合会木薯燃料乙醇生命周期能源效率评价指标包括运输方式及距离调研数据顾问第10期胡志远,等:木薯燃料乙醇生命周期能源效率评价1712)数据质量评价按一定的规则把数据的质根据质量得分对所收集的数据进行可靠性、完备性、量等级分为1~5级,如表2所示根据质量等级对精确度、代表性等指标进行定性和定量评价,确定其所收集的数据进行打分,每一个数据质量评价指标是否满足要求.设定数据的每项质量得分≥3为可将对应一个质量评价分,分数越高表明数据的质量接受的合格数据,当数据的某项质量得分<3时,则越好,不同的质量评价得分组成数据质量评价矩阵.认定数据为不合格,进行及时替换表2数据质量评价Tab. 2 Data quality evaluation质量得分评价指标可靠性已验证测量数据已验证假设数据未验证假设数据经专家评估数据未经专家评估数据未验证测量数据完整性合适期限较短期限合适期限较短期限充足样本点少量样本点合适样本点较少样本点少量样本点时间相关性<2 a<8a地理相关性研究地域包含研究地域相似地域部分相似地域未知地域技术相关性研究工艺和原材料研究工艺和原材料研究工艺和原材料不同工艺和原材料不同工艺和原材料研究企业不同企业不同技术相同技术不同技术(3)数据收集及确认.木薯种植及木薯乙醇生出的关键因素是开发新的木薯燃料乙醇生产工艺,产相关数据通过在广西实地调研、咨询相关专家等提高木薯乙醇生产过程中能源转化效率方式获得;化肥、汽油、柴油、煤等材料或能源输入数2.2化石燃料消耗据美国能源部阿冈国家实验室发表的 GREET汽油和木汽油和木薯燃料乙醇生命周期化石燃料消耗如模型代入中国化边界条件计算得到;部分数据来图4所示由于木薯燃料乙醇是由太阳能转化而成自公开岀版的文献资料冫-,经检验,这些数据满足的绿色能源,在“燃烧/车辆使用”子过程中释放1每项质量得分≥3的数据质量要求MJ内能中包含的化石燃料能源为零.因此,虽然木薯燃料乙醇生命周期“燃料生产”子过程的化石燃料2评价结果消耗比汽油高108%其生命周期化石燃料消耗仍2.1整体能源消耗比汽油低54%可见,在广西推广木薯燃料乙醇,可汽油和木薯燃料乙醇生命周期整体能源消耗如以降低对化石燃料的消耗图3所示.可见,生产1MJ木薯燃料乙醇生命周期汽油整体能源消耗比生产相同能量的汽油高22%.显然,导致木薯燃料乙醇生命周期整体能源消耗高的主要原因为木薯燃料乙醇“燃料生产”子过程的高能源消耗(比汽油高107%).所以,降低木薯燃料乙醇生命周期整体能源消耗、提高其生命周期净能源产原料生产燃料制造燃烧/车生命周期4生命周期化石燃料消耗Fig 4 Life cycle fossil fuels consumption2.3石油消耗oLaf原料生产燃料制造燃烧/车生命周期汽油和木薯燃料乙醇生命周期石油消耗如图5辆使用所示.由于木薯燃料乙醇生命周期“燃料生产”和“燃图3生命周期整体能源消耗烧/车辆使用”子过程中的石油消耗比汽油低,其生Fig 3 Life cycle total energy consumption命周期石油消耗比汽油低96%.因此,在广西推行1718上海交通大学学报第38卷木薯燃料乙醇可以替代部分石油资源,降低石油消生命周期整体能源消耗升髙、净能源产出和能源综耗由于木薯燃料乙醇“原料生产”子过程需要比“原合利用率较低的主要原因油生产”更多的运输过程(例如种茎、鲜木薯、木薯干(3)虽然木薯燃料乙醇的生命周期能源综合利片等),其“原料生产”子过程的石油消耗比汽油高用率比汽油低,但随着能源转化效率高的乙醇生产技术的开发,木薯燃料乙醇的生命周期能源综合利用率将随之升高,同时考虑到其净能源产出的可再汽油生性,木薯燃料乙醇更充分地利用太阳能资源,是潜日乙醇力巨大的绿色燃料.(4)对木薯燃料乙醇进行系统的生命周期能源效率评价,可为广西自治区政府充分利用当地丰富木薯资源,进行木薯燃料乙醇燃料决策提供依据原料生产燃烧制造燃烧/车生命周期辆使用参考文献:图5生命周期石油能源消耗[1]周总瑛张抗,王骏.21世纪初中国石油需求分Fig 5 Life cycle petroleum consumption析[门].中国地质,2000,27(8):38-40OU Zong-ying, ZHANG Hang, WANG Jun Chi-24净能源产出及能源综合利用率na petroleum demand analysis at beginning of 21 ce从生命周期角度出发,木薯燃料乙醇的净能源tury[J]. Geology in China, 2000,27(8):38-40.产出为0.37MJ/MJ,比汽油的净能源产出(0.67[2]林贤郁中国能源统计年鉴(2001)[M].北京:中国统J/MJ)低45%同样,木薯燃料乙醇“燃料生产”阶出版社,2001.82-395.段的高能源消耗是导致其生命周期净能源产出低的[3]黄朝关,李志红,广西石油资源可供性预分析[广主要原因.综合评价木薯燃料乙醇和汽油的生命周西地质,2001,14(3):30-3期能源消耗及产出,木薯燃料乙醇的生命周期能源HUANG Chao-guan, LI Zhi-hong, Analysis in ad综合利用率为0.16,比汽油(0.17)低约8%但是,vance on supply condition of petroleum resources of值得注意的是木薯燃料乙醇的净能源产出是可再生guangxi[]. Guangxi Geology, 2001,14(3),30-32[4]邓南圣,王小兵.生命周期评价[M]北京:化学工业能源,这一点是汽油无法比拟的.因此,虽然木薯燃出版社,2003.2-73料乙醇的生命周期能源综合利用率比汽油低,随着[5] Wang M Q.GREr1.5- transportation fuel-cycle乙醇生产技术的发展,木薯燃料乙醇的净能源产出model volume 1: methodology, development, use,和能源综合利用率将随之升高.因此,木薯燃料乙醇andresults[eb/ol].http://greet.anl.gov/publica-的生命周期能源综合利用率有提高的空间,同时考tion html, 1999-08虑到汽油的不可再生性,木薯燃料乙醇是潜力巨大[6] Wang M Q. GREET1.5 transportation fuel-cycle的绿色燃料之model volume 2: appendices of data and resultsLEB/Olj.http://greet.anl.gov/publication.html,19993结论(1)与汽油比较,木薯燃料乙醇生命周期整体[7]黄洁林雄,李开绵,等.木薯施肥效应研究[J广西热作科技,2000,23(3):1-3.能源消耗增加22%,化石燃料和石油消耗分别降低HUANG Jie, LIN Xiong, LI Kai-mian, et al. Study54%和96%.在广西推广木薯乙醇燃料可以在生命of fertilizers'effect on cassava growth [J]. Guangxi周期整体能源消耗一定程度提髙的条件下显著降低Science Technology of Tropical Crops, 2000,23化石燃料和石油消耗,增强当地燃料系统的独立性(3):1-3.及能源安全性[8]中国电力年鉴编委会.中国电力年鉴(2001)[M].北(2)与汽油比较,木薯燃料乙醇生命周期净能京:中国电力出版社,2001.12-14源产出和能源综合利用度分别偏低45%和8%木[9]国家统计局,中国统计年鉴(200)0M北京:中国统薯燃料乙醇“燃料生产”阶段的高能源消耗是导致其计出版社,2001.140-150.