江亿:生物质是未来零碳能源系统中最重要的燃料

12月6日,“发展零碳能源,共建生态家园”——2021(第三届)全球生物质能创新发展高峰论坛(下称“高峰论坛”)顺利开幕。本论坛由中国产业发展促进会生物质能产业分会、中国农业大学、国际能源署生物质能中国组联合主办,作为国内目前层次最高、规模最大的生物质能论坛,高峰论坛吸引了多位政府领导、国内外业界专家出席。
 

与会期间,中国工程院院士、清华大学江亿教授受邀出席,并以《生物质能源:零碳能源系统中最重要的燃料》为题做出精彩演讲,相关内容特别整理如下:

第三届全球生物质能创新发展高峰论坛是一次非常重要的会议,无论从学术上还是从推动“双碳”工作的角度上,都有重要意义。对于本次会议的成功召开,我表示热烈祝贺。
在这次与大家交流的机会中,我想要分享一个观点:即未来零碳能源系统中,生物质能源是最重要的燃料。
当下,人类正面临着一个共同的任务,就是能源结构调整,以解决全球气候变化的问题。这个任务的中心是“由以燃煤燃油燃气为基础的化石能源结构转为以风电、光电、水电、核电为主的零碳能源结构”。
而在未来新的能源结构里,可以找到的唯一的零碳燃料,就是生物质燃料。以这个角度来看待生物质能,生物质的意义就非同小可了。
因为未来其他能源都是电,没有燃料,但维持社会经济运行,必须需要燃料。即便是电力系统,也不能完全依靠风、光、水、核电,必须有一部分调峰的热电,这就要靠燃料来支撑。
与此同时,有些工业生产过程也需要燃料,如工业窑炉等等,就需要固体或气体燃料。这些燃料,是未来零碳社会必须的,它们从哪来?很重要的解决方案就是依赖颗粒化的生物质燃料和生物质燃气。
那么我们有多少生物质燃料呢?
比较激进的分析数据是,将我国农作物的秸秆、稻壳、玉米芯、花生壳等农产品初加工剩余物,林业枝条和木材等加工废弃物,每年禽畜粪便,以及城市绿化垃圾、厨余垃圾等生物质来源加在一起,会生产出总量约10亿吨标煤/年的生物质燃料。
当然,也有些保守的分析认为未来会产生总量约5亿吨标煤/年的生物质燃料。所以我认为5至10亿吨标煤/年的生物质燃料是一个科学的范围,这对能源系统来说,已经是一个很大的量了。
接下来我们谈一下消纳问题。为什么说消纳呢?因为无论是秸秆还是粪便、餐厨垃圾,这些都不是传统意义上的能源,即便你不想要开发利用,它们都会因为别的社会活动而产生,所以就必须把它们消纳掉,也就是处理掉。
这就产生了问题,到底采用什么方式消纳更好?不同消纳方式对环境、气候、碳排放都有不同的影响,而且较为复杂。我们需要找到对环境影响最小、对实现“双碳”目标贡献最大的消纳形式。
对于生物质,我们普遍认为是零碳的,但是不同的消纳方式都会产生氧化亚氮还有甲烷,这两种气体属于非二氧化碳温室气体,而且比二氧化碳产生的温室效应更厉害。人类社会要缓解气候变化,中国要实现碳中和,这就不止是整治二氧化碳了,也要解决其他温室气体的排放问题,我国提出的碳中和目标,包括对非二温室气体的中和。
在中国生物质消纳方式中,水稻秸秆还田产生的非二氧化碳温室气体占我国的非二温室气体排放中的很大比例。因此,怎样处理消纳秸秆,使其排放最少,是实现碳中和这一目标中必须面对和解决的重要任务。
比如说,用堆肥方式来处理秸秆的话,其甲烷+氧化亚氮的排放,每公斤产生接近1200g 的等效二氧化碳,所以堆肥虽然能补充有机肥,但是对于气候影响还是较为严重的。如果不堆肥,而是做成沼气,然后用沼渣、沼液再来补充有机肥,就不会有这么多的非二氧化碳温室气体排放了。

另一方面,用沼气发酵做成的生物燃气,还可以顶替作为化石能源的常规天然气,所以秸秆制燃气就比直接堆肥更具有减排效益。

此外,将秸秆做成成型燃料,1吨就等于0.5吨标煤,此时再燃烧就不会产生非二气体排放了。而这时产生的二氧化碳是庄稼生长过程中通过光合作用从大气中固化而来,不需要计算在碳排放中,这样就秸秆制成的成型燃料就成为零碳燃料。

但是有人说,堆肥是有机肥,还可以替代天然气制造的合成氨,合成氨也有温室气体排放因子。我们有分析,即使考虑到等效力合成氨的替代,即用堆肥去替代天然气制造合成氨,最后的结果也是增加了排放,达不到减排的目的。而制备生物燃气过程中产生的沼渣沼液进一步加工后又可成为优质有机肥,替代合成氨,产生减碳效果。

所以,从碳中和角度看待生物质的合理化消纳,最好的方式是——对于干生物质,就是先制成成型燃料,再燃烧,整个过程就不再有非二气体排放;对于湿生物质来说,就是沼气发酵,再分离出二氧化碳,利用或填埋这部分二氧化碳,剩下的甲烷是生物燃气,沼渣、沼液是有机肥,可以顶替一部分化肥,这么综合起来,可能就是最好的处理方式。

在此背景下,欧洲这些年做的碳中和规划,各国基本是要在2050年前实现碳中和,在他们的规划里,生物质能有非常大的作用。如丹麦、瑞典,这些国家生物质资源丰富,生物质能在规划的未来总能源中承担30%到40%,这样,就解决了零碳燃料从哪来的问题。

在欧洲,生物质颗粒燃料为他们的采暖做出特别大的贡献,相对中国来说,咱们不管是城市还是农村,近些大量依靠煤改气、煤改电解决采暖问题,煤改生物质比例比欧洲都要小得多。

除了颗粒燃料之外,欧洲还制取沼气,从沼气处理中得到生物质燃气和生物质柴油,这些他们都做了很好的探索,而且在他们未来的燃料构成中真正占有很大比例。

我们再看看中国怎么做。

这些年,经过大规模农村资源普查,我们得到一个结论,即尽管农村建筑规模不大,但是屋顶面积特别大,包括住房、粮房、仓库、猪圈等,把这些屋顶装上光伏,充分开发利用起来,装机容量几乎可以达到20亿千瓦,全年发电量可达到3万亿kWh, 这远大于目前我国农村的全年用电量。于是,可以考虑:是否应该发展以屋顶光伏为基础的全部电气化的农村新能源系统,靠光伏电力解决农村的全部用能?在山西芮城,就有一个代表性模式。

通过这一方式,农村靠光伏就可以满足农民的生活、生产和交通用能,替代了煤、油、气和柴禾。如此一来,面对自然生产出的生物质资源,就可以好好把它们加工成商品化生物质燃料,进入市场。也就是说,农村应该以能源商品为目的,面向能源市场,全面开发各类生物质燃料,把光留给自己,满足自己的能源需求,把生物质变成燃料,推向市场,形成新的经济增长点。为什么要留下光电,发展商品化生物质燃料?因为把这些可能的能源都算上,农村可产出的能源远高于其需要的能源,农村就从以前的能源消费者转为新的零碳能源的提供者。而作为输出的能源,其可储存性、可运输性、可灵活使用性都非常重要。与生物质燃料比,光伏电力的可储存性、可运输性和可灵活使用性都差。也就是说,加工好的生物质燃料更有利于储存、运输、和灵活应用,因此应优先作为输出的商品化燃料,而电力在这些方面相对不足,应优先自用。

现有数据是:颗粒型,如玉米秸秆、果树枝条,加工后市价在1000元/吨;大块型,如麦秸、稻草,加工后市价约500~700元/吨;规模化制作沼气,再分离出CO2,成为优质生物燃气。沼渣沼液是优质有机肥,加工后全过程的综合能源效率从目前的10~15%提高到40%以上。

所以我们要强调生物质能源的商品化,通过商品化和金融支持,促进生物质能的充分利用。以前生物质为什么总发展不好,就是因为我们太强调生物质优先自用了。那些秸秆还要制成颗粒,然后再烧,有这些功夫,还不如直接烧了,这就是为什么这些年生物质能源总不能全面充分地应用和推广。一斤小麦目前大约是1元钱,其秸秆收集起来,加工后,弄好了也可以卖0.5元。农民非常辛苦地把每一粒麦子都采集回来,拿到市场上去卖,为了这1块钱,为什么就看不上可以卖0,5元的秸秆?所以关键是没形成市场,不知道它可以卖。秸秆就应该和长在上面的麦粒一样,被珍惜,成为农业产出的重要部分。

另外,生物质材料加工为商品能源的主要成本是加工耗电,这可能也是以前发展商品化生物质燃料的障碍。而现在屋顶光伏又可以提供充足廉价的电力,光伏和生物质结合,对生物质的利用大有好处。

由此来说,我们就要建立以屋顶光伏为基础的农村新型能源系统,实现全面电气化,替代所有的化石能源。全面解决环境、固废、健康问题,置换出生物质能源,与光伏电力合作制成零碳燃料,供应能源市场,给农区、林区农民增加新的收入来源,实现农村土地粮食和能源的“双生产双输出”,成为我国解决三农问题的重要措施。

下沉到生物质发展方向来说,就是发展商品化生物质燃料,用来替代化石燃料,减少化石能源燃烧产生的直接碳排放。推广沼气集中供气工程,实现各类可发酵有机废弃物的消纳,尤其应在水稻秸秆资源丰富的地区,通过将稻草进行有组织的集中式发酵生产生物天然气,解决直接还田所带来的温室气体无组织排放问题,但应加大CH4的回收率,减少使用过程中的泄漏。

再一次对大会的成功召开表示祝贺,谢谢大家!

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创建时间:2021-12-14 18:05
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