美国生物质能源资源分布及利用

美国生物质能源资源分布及利用孙勇1,4姜永成2,4王应宽3郭君3RichardGriffith4MinMin4摘要：生物质能源已成为当今及今后一段时期世界各国能源战略的重要组成部分。生物质能作为太阳能的一种特殊形式，众多专家学者专注于其开发和利用。美国作为全球能源消耗大国，势必将生物质能利用作为历届政府首要任务。基于为期一年的访学和调研，笔者分析了美国目前生物质能源资源分布状况，详细阐述了美国生物质能开发利用的政策框架、激励机制和资金投入。最后，对美国现有生物质能源资源及利用状况作了详细介绍，以期对全球生物质能高效开发和优化利用提供指导和借鉴。关键词：美国；生物质；资源；能源；分布；利用到2050年，可再生能源将占据全球能源消耗的30%~45%，截至2012年年底，至少有30个国家可再生能源利用比例占总能源消耗20%以上，约120个国家制定了各种形式的可再生能源中长期规划（2030年或2050年），而欧盟成员国将于2020年实现20%的利用目标，如丹麦将实现100%的利用目标，德国将实现60%的利用目标，中国、阿尔及利亚、印度、牙买加、约旦等至少20个国家也分别制定了2020—2030生物质能利用达到10%~50%的时间框架。美国作为能源消耗大国，可再生能源资源比较丰富，在2012年11月，美国农业部和能源部关于生物质能多年计划力争在2022年实现每年供应360亿加仑（1一、引言目前，生物质能（Bioenergy）仅次于煤（Coa）l和石油（Petroleum），成为世界第三大能源资源（Energysource）[1]。生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能（Solarenergy）转化为化学能（Chemicalenergy）而储存在生物质内部的能量[2]。世界各国和国际组织都在陆续制定和调整能源战略，通过政策、法律、科技等措施来发展和建设生物可再生能源（Renewablebioenergy），以国家干预和政府指导为主，扶植生物质能发展的新模式，即政府保障、政策倾斜、企业投资、部门协作。因此，生物质能作为一种可再生能源取之不尽、用之不竭，在当今国际能源竞争日益激烈和传统能源面临枯竭的情况下，对于其有效开发利用，寻找一条见效快、方便可行、易于被接受的利用途径是当今从事可再能源开发与利用方面专家学者亟待解决的科学难题[3-4]。据2013RenewablesGlobalFuturesReport报道，基金项目：教育部博士点基金项目（编号：20122325120024），国家留学基金委青年骨干教师培训计划项目（证书编号：201206615002），黑龙江省科技攻关项目（项目编号：GZ11B503），黑龙江省教育厅自然科学研究项目（项目编号：12521029）作者简介：孙勇（1974—），男，副教授，博士，主要研究方向：生物质转化与利用，E-mail:yongx025@umn.edu。通讯作者：MinMin（1976—），女，博士，美国明尼苏达大学，生物产品及生物系统工程中心，E-mail:minxx039@umn.edu。 2013.10（总414）WorldAgriculture美加仑≈3.785L）的可再生能源燃料用于交通，因为每天大约需要900万桶油以满足2.47亿车辆正常运行，2010—2035年能源消耗在以8%的速度增长，而家庭用能消耗在以25%速度增长。美国可再生资源分布如图1所示，美国能源部于2013年5月公布的可再生能源供应状况如图2所示[5-6]。生物质能是可再生能源之一。生物质能是太阳能的一种特殊形式，利用植物光合作用将太阳能转化为生物质能，通常储存在木材及森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便之中。太阳能平均发生率为4kW/(m2·d)，但转化为生物质能的效率仅为1%。世生物质能太阳能MJ/m2＜1010-1212-1414-1616-1818-2020-2222-2424-2626-28＞28农业资源及废弃物木业及加工废弃物农业及木材废弃物低储备资源风能地热能6.0-6.5m/s13.4-14.6mph6.5-70m/s14.6-15.7mph＞7.0m/s15.7+mph温度＜90℃温度＞90℃高压地质资源图1美国可再生能源分布109876543210预测值太阳能地热能非木材其他生物质能风能生物液体燃料木材生物质能水电200520062007200820092010年份2011201220132014图22013年5月美国可再生能源供应状况注：Btu为英热单位，1Btu≈1.055J。-40-单位：×1012Btu WorldAgriculture2013.10（总414）界各国十分重视生物质能利用，都在积极探索生物质能的开发方法与产品形式，主要有致密成型法（Densification）、热化学转换法（Thermochemistry）、生物化学转换法（Biochemistry）等。美国是世界上开发利用生物质能最早的国家之一，早在1983年由美国政府资助并由能源部管理的地区性生物质能计划（RegionalBioenergyPlan，RBEP）。同时，为了加强生物质能的研发工作，美国能源部（DOE）于2000年成立国家生物质能研发中心专门机构及生物质计划和生物质研发技术顾问委员会，并设立国家可再生能源实验室。其中生物质能开发和利用主要集中在生物质固体燃料、生物液体燃料和生物燃气3大方面，生物质能已成为美国最大的可再生能源供应来源[7-8]。0.4046hm）2，其中35万英亩可用于种植能源类植物，按照现有燃料乙醇、发酵等成熟技术，每英亩土地将产出275加仑燃料乙醇。同时，美国农业部和能源部于2012年11月，详细制定了生物质能源资源供应链和2013—2022年生物质能发展规划，以解决生物质能开发瓶颈问题。预计到2017年，将有1.55亿t（干物质）生物质原料可用于制备生物质能源，2030年，将有6.8亿t（干物质）生物质原料可用于制备生物质能源[5-6,8]。现有的生物质能资源也较为丰富，分布如图3所示，主要集中在以下4个面。（一）林业生物质资源世界森林面积约为38.70亿hm2，约占地球陆地面积的30%。而美国森林面积为5.49亿hm2，约占地球陆地面积的25.7%，人均林地面积1.1hm2。木屑、板皮、树枝、树叶、树桩、树根、果壳、果核、低劣木材等可利用的生物质资源十分丰富。据不完全统计，除用于建筑等其他行业外，2012年可用于生物质能源开发和利用的木材资源为520亿t，目前美国生物质能源资源的65%取自于木材[5-6,9]。二、生物质能源分布状况美国土地资源丰富，农业部（USDA）2012年年底最新统计，闲置土地约60万英亩（1英亩≈kt/年＞500250-500150-250100-15050-100＜50图3美国生物质资源分布-41- 2013.10（总414）WorldAgriculture（二）农业生物质资源在美国，农业生物质能源资源总体分为残留物和能源作物两大类。农业残留物主要包括作物收获后的秸秆和农产品加工过程中产生的废弃物；能源作物主要包括水生植物（如藻类等）和油料作物（如高油玉米等），用以制备碳氢化合物。农业生物质能源资源已成为美国今后一段时期可再生能源开发和利用的重要组成部分。截至2012年年底，美国生物质能源资源的23%取自于农业生物质资源，每年可利用农作物秸秆达1.1亿t（干重），其中3/4为玉米秸秆，小麦秸秆约占1/5，其他则为大麦、燕麦和高粱秸秆，而农产品加工过程中产生的废弃物约0.26亿t。估计到2030年，由于种植业结构的调整，将有4亿t（干物质）农作物秸秆，其中85%为玉米秸秆，将有1.55亿t农产品加工产生的废弃物[5,9-10]。按照美国农业部规划，2012—2017年将充分开发和利用废弃土地资源，进行草本能源作物和油料作物种植，逐步形成农业废弃物资源高效利用崭新格局。另外，美国连续4年逐步控制玉米出口，大力发展玉米乙醇等生物质能源，建设燃料乙醇加工厂的项目投资也在飞速增长，以保障其能源安全。2012年美国玉米产量为1.44亿t，全部用来加工燃料乙醇相当于100亿~140亿加仑，仅为美国现有能源消耗的10%，而目前的燃料乙醇生产量为20亿加仑。预计到2030年，玉米产量每年以1%的速率增长，燃料乙醇产量将达到150亿加仑[8-9]。美国农业部部长TomVilsack表示要加速发展本国的玉米乙醇产业，他说：“我们没有任何理由放缓玉米乙醇发展速度，美国可以做到这一切。”（三）畜禽粪便美国畜禽养殖业发展迅速，同时必将产生大量畜禽粪便，到2030年，畜禽粪便将由目前的0.12亿t干物质增加到0.6亿t干物质。这些粪便是粮食、农作物秸秆等生物质的转化结果，因此畜禽粪便则是优异的环境友好型生物质资源，同时又是土壤改良的良好基质。（四）污水及固体废弃物美国城市污水处理厂和城市垃圾处理厂比较完备，无论是工业有机废水还是生活污水，都富含有机质，同时城市固体废弃物收集程度高，垃圾分类处理效果明显，为厌氧发酵提供了必要的前提条件。2012年美国屠宰场排除有机废水3800万t，造纸厂排除有机废水高达1.443.67亿t，水果、蔬菜等农产品加工后污水废弃物3790万t。预计到2030年，将有0.35亿t的污水及固体废弃物有机质可以利用。因此，污水及固体废弃物将成为美国可再生能源开发的重要组成部分[5,9]。三、生物质能开发计划美国对占据全国能源供给量的3%生物质能较为重视。截至2012年年底，生物质能已经成为美国可再生能源的主要来源，美国国家能源战略将生物质能作为主体，以确保合理能源结构和能源安全供给，减少对石油进口依赖，逐步形成多样化的能源产品供给方式。为此，各州政府相继制定了各种建设目标和政策措施，加速生物质能产业的开发和利用[10-12]。（一）政策框架美国是农业生产大国，在生物质资源开发和利用方面，美国政府十分重视，在2000年6月，美国政府通过了《生物质研究法》，并于2002年11月提出生物质能源长远规划，计划到2030年，生物质能不仅能够为国家能源安全提供保证，同时生物质能产业将成为农业经济新的增长点，并壮大为农业可持续发展的支柱产业。为此，各州分别制定相关法律法规，明确提出支持生物质能发展，并在有关产业发展规划中提出了具体目标，制定了一系列有利于生物质能发展的政策，而且编制了一系列生物质能技术标准。2003年美国能源部组织成立生物质能计划管理办公室，并与农业部共同拟定了未来5年生物质能发展路线和指导方针；2004年国会通过《美国就业机会创造法》提出对生物燃料的使用税费减免的优惠政策；2005年国会通过《能源法》，重点鼓励生物质能商业应用计划；2006年国会提出先进能源计划（AdvancedEnergyInitiative），重点加速纤维素乙醇的商业化开发；2007年月国会通过《能源独立与安全法》，旨在完备可再生燃料国家标准；-42- WorldAgriculture2013.10（总414）2008年能源部与农业部共同发布《国家生物燃料行动计划》，重点解决生物质能源开发成本和原材料供应问题；2009年发布《生物质多年项目计划》，以加速藻类生物燃料商业化进程；2010年农业部发布《生物质作物援助计划》，并与联邦航空管理局签署5年合作协议，共同开发运用农业、林业生物质原料生产航空油料相关技术；2011年能源部公布了未来5年《部门战略规划》，利用变革性科学技术应对美国所面临的能源、环境和核电挑战，明确提出美国能源部未来5年发展战略目标；2012年总统奥巴马在俄亥俄州立大学宣布新的投资计划，优先发展生物燃料工业以加强美国能源战略。2013年4月能源部宣布《生物质创新计划项目》，开发生物燃料用于军用飞机和船只。（二）激励机制美国生物质资源的开发，一方面加强有限的土地资源和水资源的高效利用，另一方面采用新技术手段筛选高效微生物，最大限度地对可再生非实用性生物质资源加以利用，提高可利用生物质总量的利用率，持续生产高效、高附加值产品，创建气候、环境和生态友好的节约型社会。为此，美国政府及各个州政府通过税收优惠或减免政策、提供补贴给生产者和消费者、政府采购生物质能产品和加速折旧方案等手段，制定不同的激励机制以促进生物质能产业健康、有序发展。（三）资金投入20世纪以来，经济危机席卷全球，致使美国经济空前萧条。但在生物质能开发和利用方面，政府不仅没有削减财政支出，反而加大此方面的经济投入，与此同时引导相关企业注入资金，展开创造性的绿色能源开发战略。但是运作方式方面，美国能源部则不直接管理实验室，而是通过公开招标管理公司进行管理，实行私有化管理模式，管理公司负责项目经费的管理和控制，并吸引社会资金加入，加快研究开发周期。2002年，美国能源部正式推出为期5年、资助额度为1亿美元的后基因组GTL计划，解决能源应用的生命科学问题；2003年，美国农业部拨款77万美元委托美国生物柴油部（NBB）启动了生物柴油教育计划（BiodieselEducationProgram），又拨出19万美元用于奖励在生物柴油研发中作出了突出贡献的爱达荷大学的科研人员；2004年，国会定向拨款近4100万美元用于能源和水开发生物质能；2005年，美国农业部和能源部联合宣布11个生物质能研发、示范项目获得政府生物质能研发计划1260万美元的资助，加上来自私营伙伴的投入，总经费为1900万美元；2006年，联邦政府出资12亿美元用于可再生能源开发项目，其中9100万美元用于生物质能开发；2007年，作为总统能源计划的一部分，能源部投资超过10亿美元（由国会拨款），用于长期的燃料研究与开发，并单独拨款3000万美元以加速启动3个生物能源研究中心；2008年，能源部投资2亿美元支持利用生物质原料生产先进生物燃料的商业化研究与实践；2009年，能源部宣布复兴计划中，有7.865亿美元用于加快先进生物燃料的研究和开发，以及商业规模的生物精炼示范项目等；2010年，生物质能研发的拨款为太阳能和风能的5.8倍(生物质能、太阳能和风能分别为10.04亿、1.75亿和1.73亿美元)；2011年，美国政府宣布了一项高达5.1亿美元的投资计划，用于加速生物燃料在军事和其他领域的利用。农业部和能源部向8个研发项目提供4700万美元资金来促生物质能的研究和发展，投资3600万美元用于资助生物燃料以及生物产品的研发项目；2012年，农业部资助1570万美元用于先进生物燃料生产，能源部资助生物油热解研发1200万美元；2013年，农业部设立2500万美元基金项目，用于研究从生物质资源开发新一代可再生能源和高价值生物基产品。由此可见，金融危机没有阻拦美国生物质能源开发的进程，生物质资源能源化仍是美国经济复兴和再投资计划的重要组成部分。-43- 2013.10（总414）WorldAgriculture型而实现的，通过直接燃烧生物质原料（如打捆秸秆）作为替代燃料进行发电的一种新技术。在美国，1/3生物质打捆原料用于反刍动物的饲料。国家提倡生物质固体成型燃料技术，即一定温度与压力作用下，将各类原来分散的、没有一定形状的秸秆、树枝等生物质，经干燥和粉碎后，压制成具有一定形状的、密度较大的各种成型燃料的新技术。其产品为棒状、块状和颗粒状等各种成型燃料，密度可达0.8～1.4g/cm3，热值为16.720kJ/kg左右。性能优于木材，相当于中质烟煤，可直接燃烧，燃烧特性明显改善。同时具有黑烟少、火力旺、燃烧充分、不飞灰、干净卫生等优点，NOX、SOX极微量排放，而且便于运输和储存，成为商品。美国生物质直燃发电发展迅速，85%的木材加工废弃物和林业废弃物用于生物质直燃发电，1979年装机容量为仅为200MW，而1990年装机容量则达到6000MW，2004年装机容量为9799MW。2010年升至10400MW。截至2012年年底，美国生物质直接燃烧发电约占可再生能源发电量的75％，有300多家发电厂采用生物质能与煤炭混合燃烧技术，装机容量达22000MW[14-15]。（三）气体燃料利用生物燃气是发展比较成熟的生物质能源技术之一，包括厌氧发酵生产沼气和热解气化，原料有工业有机废水、垃圾填埋场、畜禽粪便、城市生活废水和农林废弃物。世界各国都十分重视生物燃气技术的发展，减少20%温室气体排放，除充分利用垃圾填埋场的沼气发电外，还可大力推广食品废弃物发酵堆肥产品。近年来，以厌氧消化为核心技术、以废弃物资源化利用为目的的大中型沼气工程已成为处理禽畜粪便和工业有机废水最为有效的手段之一。截至2012年4月，美国近8200个农场已建成各种类型沼气工程用于发电，其中192个规模较大型沼气工程主要分布在奶牛场和养猪场，装机总容量达到5860亿W；另外，截至2012年年底，全国有1238个沼气工程运行于城市污水处理厂，平均每个沼气工程项目日处理有机废水450万加仑，日产电能100kW。其中有837个污水处理厂用沼气作为工厂自身能源使用，292个污水处理厂用沼气发电，74个污水处理厂用沼气发电后并入电网，25个四、利用现状（一）液体燃料利用生物液体燃料是以生物质为原料生产液体燃料技术，包括原油、成品油及生物燃料。如生物柴油、乙醇以及二甲醚等，可以用来替代或补充传统的化石能源。美国能源情报署（EIA）2012年年底的数据称，美国已跃升为全球最大的液体燃料生产国，其中2012年11月，液体燃料日产量达到1165.4万桶，全年的日产量为1107万桶。目前，美国主要以玉米为原料生产燃料乙醇，然后掺混在汽油中。生物液体燃料的技术研发，在很大程度上取决于如何解决生物燃料生产的原料供应问题。目前生产液体燃料大多使用的是粮食类作物，如玉米、大豆、油菜籽和甘蔗等，但利用粮食类作物生产液体燃料不具有可持续性，更不符合人类能源文明进步的大方向。因此，美国能源部目前正在支持一个投资巨大的纤维素乙醇中试及产业化攻关项目，旨在利用木材、稻草、玉米秸秆等纤维素废料生产燃料乙醇，以探索利用木质纤维素制取燃料乙醇，将是解决生物液体燃料的原料来源和降低成本的主要途径。2005年，美国替代巴西跃升为世界头号燃料乙醇生产国，为美国经济带来了丰厚利益。2001—2006年，美国燃料乙醇产业为联邦政府和地方州政府分别增加税收19亿美元和16亿美元；同时，美国相应减少石油进口1.7亿桶，减少支出外汇87亿美元。2008年，美国燃料乙醇的生产能力增加了27亿加仑，比2007年增加34%；燃料乙醇加工厂增加了31家，总数达到170家，总产能为105.69亿加仑。预计到2017年，生产能力将达到270亿加仑乙醇燃料；到2018年，化石燃油消费量将减少20%，代之以生物燃油；到2035年，将用生物燃料满足液体燃料总体需求量增长，乙醇占石油消费量的17%，使美国对进口原油的依赖在未来25年内下降至45%[7,9,10,13]。（二）固体燃料一般来说，固体生物质燃料主要以直燃方式利用，美国农户很少采用固体生物质燃料取暖和炊事，主要以生物质直燃发电方式加以利用。生物质直燃发电技术是在传统的内燃机发电技术上进行设备改-44- 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