生物能源科技論文
在全球能源危機不斷加劇的情況下,生物能源作為一種理想的可 再生能源,越來越受到世界各國的關(guān)注。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理的生物能源科技論文，希望你能從中得到感悟!
生物能源科技論文篇一
生物能源開啟新能源時代之門
傳統(tǒng)的加工工業(yè)是以化石資源為原料和能源進(jìn)行的，面對化石資源日益枯竭的窘境，世界正孕育著一場用生物可再生資源代替化石資源的資源戰(zhàn)略大轉(zhuǎn)移。一個全球性的產(chǎn)業(yè)革命正在朝著以碳水化合物為基礎(chǔ)的經(jīng)濟發(fā)展，這是可持續(xù)發(fā)展的一個重要趨勢。目前正在開發(fā)的燃料乙醇、多聚乳酸、多聚氨基酸、多羥基烷酸以及各種功能寡糖等可視為這個碳水化合物經(jīng)濟時代來臨的前奏。生物工程被譽為本世紀(jì)最富價值的產(chǎn)業(yè)，國際公認(rèn)其市場規(guī)模是網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟的10倍。凝聚著人類高度智慧的生物技術(shù)將會給我們這個時代以怎樣的驚喜?當(dāng)時光走過2005年的時候，人們依稀看到了答案。
油價瘋漲的2005
回望剛剛過去的2005年，最受人關(guān)注、給人印象最深的當(dāng)屬油價的高漲。2005年8月31日這一天，紐約期貨交易所西得克薩斯輕質(zhì)原油期貨價格創(chuàng)出了每桶70.85美元的歷史紀(jì)錄，而且自10月份以來一直在57美元至63美元的區(qū)間波動。這次國際油價漲幅之高、高位震蕩的時間持續(xù)之長，為上個世紀(jì)70年代兩次石油危機以來所罕見。
我國面臨的形勢更為嚴(yán)峻。中國是石油資源相對貧乏的國家，專家測算，石油穩(wěn)定供給不會超過20年。我國自1993年起，即成為石油凈進(jìn)口國。過去的10年中，我國石油需求量幾乎翻了一倍。2004年進(jìn)口原油1.2億噸，比上年增長34.8%，占國家石油總供給量40%以上。有關(guān)專家預(yù)計，近期我國石油進(jìn)口依存度將會超過50%。到2010年，我國石油消費總量將達(dá)4億噸，而國內(nèi)生產(chǎn)能力僅為1.6億噸。另外，大量進(jìn)口的不僅是石油，由石油派生的石化產(chǎn)品不少也依賴進(jìn)口，如各種聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀的消費量每年約1700萬噸，其中約50%國內(nèi)生產(chǎn)，20%回收利用，30%依靠進(jìn)口。石油化纖聚酯年需求量1100萬噸，50%原料PTA、乙二醇依靠進(jìn)口。
據(jù)權(quán)威人士分析，2006年油價仍然難以回落。美國麥克唐納投資公司首席分析師克魯津斯基認(rèn)為，由于需求強勁，煉油能力有限，2006年國際油價仍將居高不下。路透社財經(jīng)新聞對美、日及歐洲的31家投資分析機構(gòu)進(jìn)行了一項調(diào)查，幾乎所有能源分析機構(gòu)都預(yù)測2006年原油價格仍會在高位運行。
蓋茨投資生物能源
集中國科學(xué)院院士、中國工程院院士、第三世界科學(xué)院院士于一身的石元春，親自撰寫文章，普及生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的科學(xué)知識，呼吁：“三農(nóng)”問題是全黨工作的重中之重，石油短缺已威脅到國家經(jīng)濟與國防安全，環(huán)境的壓力越來越大，是該采取重大戰(zhàn)略行動和創(chuàng)造奇跡的時候了。他說，新中國成立之初，為了打破橡膠封鎖，國家組織農(nóng)林科技工作者沖破了北緯10度的地理極限，將橡膠樹種到了北緯18度至24度;為了打破核訛詐，在經(jīng)濟和技術(shù)條件還極其薄弱的情況下，創(chuàng)造了“兩彈一星”的奇跡。當(dāng)前，在石油價格猛漲、能源頻頻告急的時候，發(fā)展生物能源替代傳統(tǒng)能源，不僅完全可能，而且也是現(xiàn)實的迫切需求。
而在大洋彼岸的美國，比爾·蓋茨也以他的實際行動，投了生物能源一張信任票。據(jù)《每日經(jīng)濟新聞》報道，比爾·蓋茨通過他旗下的投資公司向以玉米生產(chǎn)乙醇的Pa-cific Ethanol公司砸下8400萬美元(約合人民幣6.8億元)，買入該公司525萬優(yōu)先股。Pacific Ethanol公司計劃于今年3月份上市。蓋茨此舉充分表明了他對生物乙醇燃油發(fā)展前景的看好。Pacific Ethanol公司總裁表示：“蓋茨的這筆投資反映出以玉米生產(chǎn)生物燃油乙醇，將是替代石油的可行選擇，只要油價維持在每桶50美元以上，乙醇行業(yè)就一定有潛力。”
比爾·蓋茨心動生物能源是有理由的。2005年美國總統(tǒng)簽署實施的新能源法案中提出，到2012年，燃料乙醇的產(chǎn)量要達(dá)到75億加侖，產(chǎn)量比現(xiàn)在翻一番。在中國，近日國家發(fā)展與改革委員會有官員表示，“十一五”期間乙醇汽油推廣利用空間廣闊，依靠現(xiàn)有的基礎(chǔ)和條件，產(chǎn)量可以再翻一番。
回歸生物能源時代
在中學(xué)課本里，我們就被告知，今天人們所用的石油、煤炭等，都是由樹木、植物等腐化變成的，完成由生物體到化石能源這一過程，大自然用了上億年的時間。
其實，在工業(yè)文明時代之前，人類賴以生存發(fā)展的能源就是生物能源。生物能源(又稱綠色能源)是指從生物質(zhì)得到的能源，它是人類最早利用的能源。古人鉆木取火、伐薪燒炭，實際上就是在使用生物能源。但是通過生物質(zhì)直接燃燒獲得能量是低效而不經(jīng)濟的。隨著工業(yè)革命的進(jìn)程，化石能源的大規(guī)模使用，使生物能源逐步被以煤和石油天然氣為代表的化石能源所替代。但是，化石能源的使用不是無限的。大自然經(jīng)過上億年的漫長歷程積累下來的化石能源，在200年的工業(yè)文明的強力挖掘下，很快將面臨著枯竭。人類的文明進(jìn)步和社會生產(chǎn)力的發(fā)展使得人類對能源的需求越來越大，而嚴(yán)峻的能源形勢日益成為全世界關(guān)注的焦點。經(jīng)科學(xué)測算，地球上億萬年積累的化石能源(石油、天然氣、煤等)，僅能支撐300年的大規(guī)模開采。人們終于認(rèn)識到，利用現(xiàn)代科技發(fā)展生物能源，是解決未來能源問題的一條重要出路。
讓農(nóng)產(chǎn)品和能源搭橋
前不久，豐田公司用白薯淀粉基塑料制成了汽車配件;富士通公司用玉米淀粉基塑料替代了計算機的塑料外殼;杜邦公司用玉米生產(chǎn)P
OD的成本比化學(xué)法降低了25%?？ń軤?mdash;道氏公司用玉米淀粉發(fā)酵生產(chǎn)了聚乳酸(PLA)和其他多種聚合物塑料后，美國生物工程技術(shù)協(xié)會宣稱：“我們開始看到以玉米淀粉為原料的PLA生物材料在制造業(yè)的所有部門中得到應(yīng)用，這可能會徹底改造舊經(jīng)濟。用轉(zhuǎn)基因作物和家畜改變了農(nóng)業(yè)，現(xiàn)在它正在改造工業(yè)。”英荷皇家殼牌石油公司估計，21世紀(jì)的前50年，生物質(zhì)將提供世界化學(xué)品和燃料的30%，世界市場份額達(dá)到1500億美元;英國石油公司、美國國際石油公司等也都開始了對生物質(zhì)能源產(chǎn)品投資?；ぞ奕税退垢９?003年宣布，將以可再生的生物質(zhì)資源作為化學(xué)品生產(chǎn)的主要原料;杜邦公司剝離石油資產(chǎn)，購買了生物技術(shù)公司和組織農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)，將2010年銷售額的25%定位于生物質(zhì)產(chǎn)品;美國的森林工業(yè)已開始與電力、石油、化工公司合作，利用林木廢棄物生產(chǎn)能源及化工產(chǎn)品。
在農(nóng)業(yè)大省安徽省，我國精細(xì)化工行業(yè)的排頭兵企業(yè)——豐原集團(tuán)，不僅用玉米生產(chǎn)出了燃料乙醇，而且生產(chǎn)出了有“石化之母”之稱的乙烯及環(huán)氧乙烷等衍生品，并獲得了巨大利潤。專家認(rèn)為，目前生物能源的主要形式有沼氣、生物制氫、生物柴油和燃料乙醇。燃料乙醇是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的生物能源。我國的燃料乙醇生產(chǎn)已形成規(guī)模，主要是以玉米為原料，同時正
在積極開發(fā)甜高梁、薯類、桔稈等其他原料生產(chǎn)乙醇，目前產(chǎn)量居世界第三。除此之外，通過工業(yè)手段，將燃料乙醇脫水，還可以得到乙烯。乙烯又被稱為“石化之母”，人們?nèi)粘Ｉ钪须x不開的化工產(chǎn)品如塑料、布料等大都是通過石油得來的。通過玉米、薯類、桔稈等原料生產(chǎn)出乙烯，乙烯又生產(chǎn)出一系列的化工產(chǎn)品，這樣，農(nóng)產(chǎn)品由生產(chǎn)出燃料乙醇和乙烯開始，就與化石能源搭上了橋，只不過兩者走的路徑不同：傳統(tǒng)的石油化工行業(yè)走的是從原油開始，到交通用汽油柴油，至乙烯再到塑料等化工產(chǎn)品，而生物能源是從農(nóng)作物出發(fā)，通過現(xiàn)代生物技術(shù)手段，得到燃料乙醇、乙烯，再到化工產(chǎn)品，二者殊途同歸。
土地里種出能源
我國是發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)產(chǎn)品總量居世界首位，年總產(chǎn)量占全球總量的24.5%。然而，我國農(nóng)產(chǎn)品加工的技術(shù)能力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平。發(fā)達(dá)國家農(nóng)產(chǎn)品深加工一般都在70%以上，有的達(dá)到90%，而我國僅在30%左右，多數(shù)產(chǎn)品為初級粗加工，造成資源的嚴(yán)重浪費。
作為農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的龍頭企業(yè)，豐原集團(tuán)為改變這一現(xiàn)狀進(jìn)行了不懈地探索。他們堅持“吃干榨盡”的原則，在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中不斷延長產(chǎn)業(yè)鏈，將上游產(chǎn)業(yè)的廢物變成下游產(chǎn)業(yè)的原料，提高資源循環(huán)利用率。豐原人把農(nóng)產(chǎn)品加工分成3個階段：第一階段，把農(nóng)產(chǎn)品(主要指玉米、紅薯、木薯等非食用性塊根類農(nóng)作物)粗加工轉(zhuǎn)化為米、面、油、糖，提供滿足人們?nèi)粘仫柕纳畋匦杵?。第二階段，利用生物發(fā)酵和現(xiàn)代化工分離技術(shù)，把農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為有機酸、氨基酸等。而第三階段，是將農(nóng)產(chǎn)品加工向能源、生物新材料等方面發(fā)展，用可再生的生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為工業(yè)資源，部分取代不可再生的石油化工產(chǎn)品，緩解能源緊缺局面，維護(hù)生態(tài)平衡。根據(jù)這些理念，豐原集團(tuán)利用玉米、紅薯、木薯、菊芋、甘蔗、甜高粱等非食用性農(nóng)作物，分步實施每年數(shù)百萬噸的深加工項目。這些項目，涉及有機酸、氨基酸、酒精、油脂、食品、醫(yī)藥、生物乙烯、L—乳酸等十幾個門類、上百個品種。豐原的開拓創(chuàng)新得到了國家的支持，國家發(fā)改委批準(zhǔn)豐原集團(tuán)32萬噸/年燃料酒精項目，為國家新型能源試點示范工程，2003年開工建設(shè)，2004年年底順利投產(chǎn)。
10多年來，豐原集團(tuán)堅持探索循環(huán)經(jīng)濟的創(chuàng)新之路，企業(yè)規(guī)模不斷擴大，資產(chǎn)總額已超過100億元;產(chǎn)業(yè)鏈不斷延伸，產(chǎn)品涉及十幾個門類、上百個品種;自主專利技術(shù)和掌握的世界領(lǐng)先的提取分離技術(shù)，已拓展到L—乳酸、聚乳酸、味精、賴氨酸、燃料酒精、生物乙烯等眾多生產(chǎn)領(lǐng)域，成為引領(lǐng)我國農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)的生化航母。有人稱，這是循環(huán)經(jīng)濟中的“豐原模式”。豐原集團(tuán)董事長李榮杰描繪了這樣的美景：如果我國農(nóng)產(chǎn)品精深加工率提高10%，可增收上千億元，替代石油進(jìn)口2000萬噸。
科技部有關(guān)專家認(rèn)為，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化替代石油方面，我國企業(yè)掌握關(guān)鍵技術(shù)并達(dá)到國際一流水平;在秸稈發(fā)酵利用(水解木質(zhì)纖維素)等關(guān)鍵技術(shù)方面，已具有國際領(lǐng)先水平。利用我國企業(yè)自主技術(shù)形成石油替代產(chǎn)業(yè)，是最為現(xiàn)實的選擇。目前，我國乙醇生產(chǎn)以淀粉質(zhì)原料(如玉米、木薯、紅薯)為主，近年來受國內(nèi)外各種因素的影響，原料價格不斷上漲，使得乙醇生產(chǎn)總成本中原料消耗所占成本高達(dá)70%以上。
目前，世界上許多國家都在開展秸稈原料生產(chǎn)燃料乙醇的研究工作。美國、加拿大的中試裝置也已投入了運行，但與豐原的技術(shù)路線有所不同。豐原集團(tuán)作為國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品深加工企業(yè)，與豐原發(fā)酵技術(shù)國家工程研究中心一起創(chuàng)造性地提出了秸稈原料生產(chǎn)乙醇先分離后發(fā)酵的工藝路線。目前，實驗已取得階段性成果，結(jié)果顯示，利用桔稈轉(zhuǎn)化燃料乙醇的成本應(yīng)在4000—4300元/噸，比玉米生產(chǎn)乙醇的成本低300-500元/噸。秸稈按300-400元/噸計算，農(nóng)民每畝地可多獲利不低于300元。我國秸稈資源十分豐富，資源總量不低于10億噸干物質(zhì)/年，相當(dāng)于3億多噸石油當(dāng)量，略大于我國目前石油消耗總量。由于收獲季節(jié)農(nóng)作
物秸稈產(chǎn)量很大，保存困難，來不及利用，許多地區(qū)就地焚燒秸稈，不僅浪費能源，而且還導(dǎo)致嚴(yán)重的 環(huán)境污染。據(jù)測算，全世界桔桿或木質(zhì)纖維類生物質(zhì)能約相當(dāng)于640億噸石油，而且真正是“綠色”、“取之不盡，用之不竭”，是目前世
界上唯一可預(yù)測的為人類持續(xù)提供能源的資源。
據(jù)專家測算，如果我國每年能利用全國50%的作物秸稈、40%的畜禽糞便、30%的林業(yè)廢棄物，以及開發(fā)5%的邊際土地種植能源作物，并建設(shè)約1000個生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工廠，那么其產(chǎn)出的能源就相當(dāng)于年產(chǎn)5000萬噸石油，約為一個大慶油田的年產(chǎn)量。而我國農(nóng)民也可因此新增收入400億元和一千多萬個就業(yè)崗位。
生物能源科技論文篇二
關(guān)于發(fā)展生物能源化解能源危機的思考
摘 要:在全球能源危機不斷加劇的情況下,生物能源作為一種理想的可 再生能源,越來越受到世界各國的關(guān)注。通過對自然界不同的演化態(tài)下能量守恒定律表現(xiàn)形 式的分析,提出生物演化狀態(tài)下生物能量守恒遵循動態(tài)能量循環(huán)守恒,認(rèn)為能源危機的實質(zhì) 是在地表狀態(tài)下能量循環(huán)非平衡態(tài)。根據(jù)生物能源兼具能源與生物的二重性特點,對發(fā)展生 物能源化解能源危機進(jìn)行了多角度深入的思考,在此基礎(chǔ)上,對如何有效解決生物能源的高效 轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化問題提出了新的理念和相應(yīng)的對策建議。
在全球能源危機和油價不斷上漲的大背景下,各國尋找新能源的腳步也前所未有地加快。在 種類繁多的新能源中,來源廣泛、應(yīng)用方便、污染小的生物能源作為一種理想的可再生能源 ,越來越受到世界各國的關(guān)注。據(jù)有關(guān)專家估計,到本世紀(jì)中葉,采用新技術(shù)生產(chǎn)的生物質(zhì)能 替代現(xiàn)有燃料的替代率將占全球總能耗的40%以上。在我國,生物質(zhì)能也是僅次于煤炭的第二 大 能源,占全部能源消耗總量的20%。本文將通過對不同的演化態(tài)下能量守恒定律表現(xiàn)形式和 生物能源二重性探析,特別是通過對發(fā)展生物能源對化解能源危機的探討,多角度對發(fā)展生 物能源進(jìn)行深入思考。
一、 不同的演化態(tài)下能量守恒定律表現(xiàn)形式
當(dāng)今經(jīng)濟的飛躍發(fā)展引起能源消耗的驚人增長,能源危機籠罩著全球,但對能源危機實質(zhì)的認(rèn) 識人們卻不盡一致。能量守恒和轉(zhuǎn)化定律告訴我們:能量既不會消滅,也不會創(chuàng)生,它只能從 一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式,或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中能量的總 量保持不變。既然能量守恒和轉(zhuǎn)化定律告訴我們能量既不會增加,也不會減少,那么為什么還 會發(fā)生能源危機呢? 為了回答這個問題,必須探討能量守恒定律在宇宙各演化階段的各種表 現(xiàn),進(jìn)而揭示能源危機實質(zhì)。
自然界演化大致可分為宇宙的演化、恒星的演化、地球的演化、生物的演化四類[1] ,在不同的演化態(tài)下,能量守恒定律有不同表現(xiàn)形式。①宇宙大爆炸階段。宇宙大爆炸學(xué)說 認(rèn)為,宇宙起源于200億年前一個極高溫極高密度的“原始火球”的大爆炸[2]。從 大爆炸到基本粒子的形成,能量主要是以粒子輻射形式存在,這時的能量守恒定律主要表現(xiàn)為 粒能守恒定律。②恒星演化階段。恒星演化狀態(tài)主要是氫核聚變?yōu)楹ず思案鞣N重元素的原子 核聚變過程。根據(jù)愛因斯坦相對論,當(dāng)光的速度為每秒3×10?9米時,質(zhì)量和能量實現(xiàn)了互換 ,即?E=MC?2,其中E為能量,M為質(zhì)量,C?為光速。這一公式表明少量的質(zhì)量能轉(zhuǎn)換為十分巨 大的能量,它揭示了核能來源的物理基礎(chǔ),因此恒星演化狀態(tài)下的能量守恒定律主要表現(xiàn)為質(zhì) 能守恒定律。③地球演化階段。地球演化主要包括地圈、大氣圈和水圈的形成。在地球演化 的物理變化中有機械能、熱能、電能、光能等能量的相互轉(zhuǎn)化和守恒,在地球演化的化學(xué)變 化中有質(zhì)量守恒,因此在這一階段能量守恒定律主要表現(xiàn)為封閉狀態(tài)下能量守恒和質(zhì)量守恒 。④生物演化階段。生命起源于化學(xué)演化,在生物演化狀態(tài)下,由大氣圈、水圈和巖石圈組成 的生物圈是地球表面上生物生存和活動的范圍。生物圈內(nèi)的能量主要來源于太陽能,有機物 與無機物利用太陽能實現(xiàn)物質(zhì)和能量互換。從太陽能的吸收到生物體活動能量的耗散,生物 圈內(nèi)各種演化都是能量循環(huán)的表現(xiàn)。由于地球的運動變化導(dǎo)致生物圈內(nèi)的能、力、熱等能量 不同表現(xiàn)形式始終處于動態(tài)中,從整體觀演化的角度來說,進(jìn)入生物圈中的能量應(yīng)該與生物利 用后散失的能量大體相等。因此生物演化態(tài)下能量守恒主要表現(xiàn)為總體意義上的動態(tài)能量循 環(huán)守恒。
二、 能源危機實質(zhì)探析
能源危機是指由于能源短缺導(dǎo)致能源供應(yīng)緊張, 能源價格不斷上漲而形成的危機。 據(jù)國際 權(quán) 威機構(gòu)估計, 世界已探明的可采石油, 大約只可供應(yīng)人類41年的需要, 天然氣為60～70年,煤炭約200年, 人類正面臨能源危機對能源安全的威脅。
能量守恒定律告訴我們能量既不能被創(chuàng)造又不能被消滅,可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式 [3]。 在生物演化狀態(tài)下,為進(jìn)一步認(rèn)識能量守恒定律,需要了解“熵”。 熵是體 系混亂的程度的量度,在封閉系統(tǒng)中從一個平衡態(tài)經(jīng)絕熱過程到達(dá)另一個平衡狀態(tài),如果過程 是可逆的,則熵值不變; 如果過程是不可逆的,則熵值增加,這就是“熵”增原理[4] 。有“序”是開放系統(tǒng)從環(huán)境里吸取了“負(fù)熵”或是減少“正熵”的結(jié)果。 作為地下的石 油、煤等能量形式的資源, 如任其自然燃燒, 將全部被耗散在無規(guī)則的分子熱運動過程中,使 環(huán)境的熵增加很多。 就太陽輻射能而言,如果地表沒有任何生物體,太陽能流(普遍理解為一 種負(fù)熵流)幾乎全部轉(zhuǎn)化為紊亂無序的分子熱運動,更會使地面的熵增加很多。 熵的增加是 能量減少的量度。 比如我們?nèi)紵粔K煤,它的能量雖然并沒有消失,但卻經(jīng)過轉(zhuǎn)化隨著二氧 化碳和其他氣體一起散發(fā)到空間去了,發(fā)生了熵增過程,再也不能把同一塊煤重新燒一次來做 同樣的功了。 如果只考慮能量守恒定律的普遍性,那地球上的能源就萬世不竭了。 然而能 量守恒定律在不同的演化狀態(tài)下有不同的表現(xiàn)形式:在宇宙的演化狀態(tài)下,能量守恒定律主要 表現(xiàn)為粒能守恒定律,在這種狀態(tài)下能否保持能量總量守恒依賴于能量轉(zhuǎn)化為粒子和粒子轉(zhuǎn) 化為能量的成功,否則會發(fā)生能源危機。 在恒星的演化狀態(tài)下能量守恒定律主要表現(xiàn)為質(zhì)能 守恒定律,在這種狀態(tài)下能否保持能量總量守恒依賴于能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量和質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的 成功,否則會發(fā)生能源危機。 在地球的演化狀態(tài)下能量守恒定律主要表現(xiàn)為封閉狀態(tài)下能量 守恒定律和質(zhì)量守恒定律, 在這種狀態(tài)下能否保持能量總量守恒依賴于封閉狀態(tài)下能量轉(zhuǎn)化 和質(zhì)量轉(zhuǎn)化的成功, 否則會發(fā)生能源危機。 在生物的演化狀態(tài)下的能量守恒定律主要表現(xiàn) 為 動態(tài)能量循環(huán)守恒定律, 在這種狀態(tài)下能否保持能量總量守恒依賴于動態(tài)能量循環(huán)的平衡, 否則會發(fā)生能源危機。
現(xiàn)在人類居住和活動的地球表層狀態(tài)主要是生物演化狀態(tài),在生物演化狀態(tài)下,能量守恒定 律告訴我們:每當(dāng)能量從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化到另一狀態(tài)時,會損失能在將來用做某種功的一定“ 有效的”能量。這就是熵的增加。熵的增加即表明系統(tǒng)處于從非平衡態(tài)到平衡態(tài)的自發(fā)的、 不可逆的演化過程中,用于做功的“有效的”能量做功后導(dǎo)致能量耗散,這必然會導(dǎo)致該演化 狀態(tài)能量總量的減少。為了逆轉(zhuǎn)這個過程,需要一個熵減過程[5],即一種形態(tài)的能 源消耗以后,通過一定過程重新獲得原有能源形態(tài)的存在形態(tài),也就是使能量具有類似生物一 樣恢復(fù)自身形態(tài)的能力,也就是發(fā)現(xiàn)一種能為人類持續(xù)提供能量的某種形式的物質(zhì)資源。如 果能夠發(fā)現(xiàn)和利用這種物質(zhì)資源,在地球表層狀態(tài)下實現(xiàn)動態(tài)能量循環(huán)的平衡,則能量守恒和 轉(zhuǎn)化定律的實現(xiàn)就有了現(xiàn)實條件,能源危機就不會發(fā)生;如果不能夠發(fā)現(xiàn)和利用這種物質(zhì)資源 ,在地球表層狀態(tài)下就不會實現(xiàn)動態(tài)能量循環(huán)的平衡,則能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的實現(xiàn)就缺乏現(xiàn) 實條件,能源危機就必然會發(fā)生。這就是當(dāng)前能源危機的實質(zhì)。
三、 生物能源二重性及對能源危機的化解
生物能源是蘊藏在生物質(zhì)中的能量,是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用能轉(zhuǎn)化 為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量,包括生物質(zhì)能、液體燃料及利用生物質(zhì)生產(chǎn)的能 源,如燃料乙醇、生物柴油、生物質(zhì)汽化及液體燃料、生物制氫等[6]。生物能源之 所以被認(rèn)為是21世紀(jì)最有希望在解決能源危機方面有所作為的能源,是因為生物能源具有能 源性和生物性的二重性特點,它既可以轉(zhuǎn)化為人們所常用的能源,同時又可以持續(xù)不斷地供應(yīng) ,能夠滿足動態(tài)能量循環(huán)守恒定律,保持能量守恒,化解能源危機。
1. 生物能源的能源性特點
目前人類使用的能源絕大部分來自含碳能源,包括煤炭、石油、天然氣。其他可再生的一次 性能源,包括水能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能都不含碳。生物能源是唯一的一種含碳 可 再生能源。生物能源的這種特點稱之為能源性特點,這種特點使它可以像其他能源一樣可以 消耗和轉(zhuǎn)化,除了轉(zhuǎn)化為電力外,還可生成油料、醇類、燃?xì)饣蚬腆w燃料,特別是它可以在 不必對已有的工業(yè)技術(shù)作任何改進(jìn)的前提下即可以替代常規(guī)能源,因而能夠滿足動態(tài)能量循 環(huán)守恒定律的條件,這使得生物能源在解決能源危機方面能夠發(fā)揮重要作用。當(dāng)前生物能源 可以轉(zhuǎn)化為以下能源:
(1) 生物柴油
生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動物油脂、餐飲垃圾 油等為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。當(dāng)今工業(yè)化生產(chǎn)生 物柴油有兩種方法,一是用甲醇取代甘三酯的甘油基,生成脂肪酸甲酯和甘油;二是用甲醇與 脂肪酸反應(yīng)生成脂肪酸甲酯和水。由于柴油在目前的能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位,生物能源成 功轉(zhuǎn)化成生物柴油,進(jìn)而實現(xiàn)了和各類常規(guī)能源的相互轉(zhuǎn)化,保證了對能源危機的化解的技術(shù) 上的可能性。
(2) 燃料乙醇
燃料乙醇是指以玉米、小麥、薯類、高粱、甘蔗、甜菜等糧食作物和非糧食作物為原料,經(jīng) 過發(fā)酵、蒸餾制得乙醇,脫水后再添加變性劑,成為專門用于燃料的乙醇。燃料乙醇使用有兩 種方法。其一是以乙醇為汽油的“含氧添加劑”(oxygenate additive),通常這種無鉛汽油 約含10%的乙醇。另一種方法是使用乙醇代替汽油,這方面的工藝也十分成熟。
從技術(shù)路線看,燃料乙醇的生產(chǎn)技術(shù)大致分為兩類:六糖路線和五糖路線。六糖路線原料主要 為 經(jīng)濟農(nóng)作物,分淀粉類作物和糖類作物;五糖路線原料為秸稈等纖維素,經(jīng)降解和發(fā)酵產(chǎn)生 木糖,進(jìn)而生產(chǎn)乙醇。國際上成熟的乙醇路線是六糖路線,但存在較為嚴(yán)重的原料供應(yīng)瓶頸。 纖維素(五糖)路線是燃料乙醇 發(fā)展的最終路線,但目前缺乏高效五糖轉(zhuǎn)化菌種以及纖維素酶 高效生產(chǎn)工程化技術(shù)。由于纖維素是植物的木質(zhì)部分,是地球數(shù)量最大的植物積累的產(chǎn)物,植 物從太陽獲取的絕大部分能量也都儲存于其中。所以人類一旦掌握了釋放出存儲在纖維素中 能量的技術(shù),能源危機便可得到很大緩解。
由于汽油在目前的能源結(jié)構(gòu)中占有極重要地位,生物能源成功轉(zhuǎn)化成燃料乙醇,進(jìn)而實現(xiàn)了和 各類常規(guī)能源的相互轉(zhuǎn)化,同樣保證了對能源危機的化解的技術(shù)上的可能性。
(3) 成型燃料
轉(zhuǎn)化成型燃料是把樹皮、木屑和秸桿等生物質(zhì)顆粒燃料,在加熱、高壓的條件下壓縮形成的 顆粒狀成型物。該成型燃料具有著火易、熱效高以及燃燒時幾乎不產(chǎn)生二氧化硫等優(yōu)點。經(jīng) 過多年的發(fā)展,目前生物質(zhì)顆粒燃料在發(fā)達(dá)國家已被大量生產(chǎn)和利用。目前國內(nèi)部分高校和 科研機構(gòu)已著手開展生物質(zhì)顆粒成型技術(shù)的研究,已經(jīng)可以生產(chǎn)從秸稈粉碎加工到壓縮成型 等各個環(huán)節(jié)的系列產(chǎn)品,生物煤目前也已經(jīng)有了一定范圍的 應(yīng)用。
由于燃料在目前的能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位,生物能源成功轉(zhuǎn)化成成型燃料,同樣保證了對 能源危機的化解的技術(shù)上的可能性。
(4) 生物制氫
氫氣是最清潔的能源,但電解水制氫能耗仍然很高。氫氣可以利用生物質(zhì)通過微生物發(fā)酵而 獲得,這一過程被稱為生物制氫。目前我國科學(xué)家已獲得了能高效產(chǎn)氫的微生物,可以小規(guī)模 地進(jìn)行生物制氫。
由于氫能在未來能源結(jié)構(gòu)中占有極重要地位,生物能源成功轉(zhuǎn)化成氫能,同樣保證了對能源危 機的化解的技術(shù)上的可能性。
2. 生物能源的生物性特點
綠色植物通過光合作用從太陽能中吸取負(fù)熵流,維持其生命。生物能源的生物性主要表現(xiàn)在 生物能源轉(zhuǎn)化的過程是通過綠色植物的光合作用將二氧化碳和水合成生物質(zhì),使太陽負(fù)熵流 中有一部分被固定在植物體內(nèi),有一部分消耗在維持生命系統(tǒng)有序的過程中。這種增長的秩 序與造成混亂兩者在數(shù)值上相互抵消后,其能量實現(xiàn)了平衡。生物能源的生物性具體體現(xiàn)在 以下方面:
(1) 可再生(renewable)
生物能源由于通過植物的光合作用可以再生,和太陽能等同屬可再生能源,資源豐富,可保證 能源的永續(xù)利用。只要有太陽,綠色植物的光合作用就不會停止,生物質(zhì)能就不會枯竭。生物 能源可再生特點,使得熵減過程得以實現(xiàn),能夠保持能量守恒,化解能源危機。
(2) 巨大的儲存量(abundant)
生物能源的巨大的儲存量表現(xiàn)在由于地球上生物數(shù)量巨大,這些物質(zhì)所蘊藏的能量相當(dāng)驚人 。據(jù)專家估計,全球每年產(chǎn)生的生物質(zhì)能的儲量為1?800億噸,其總量換算成能量接近世界 能源年消耗量的10倍。生物能源還存在于世界上所有國家和地區(qū),而且廉價、易取,其生產(chǎn) 簡單,可以被充分利用。生物能源的巨大的儲存量,使得熵減過程能夠以產(chǎn)業(yè)化形式得以大 規(guī)模實現(xiàn),從而化解能源危機。
(3) 可儲存性與替代性(storable and substitutive)
生物能源的可儲存性是指由于生物能源是有機資源,所以對于原料本身或其液體或氣體燃料 產(chǎn)品可以進(jìn)行儲存。生物能源的可替代性是指生物質(zhì)能的載體是以實物的形式存在的,是一 種可儲存和可運輸且不受天氣和自然條件的限制的能源。生物能源的可儲存性與替代性的特 點,使得熵減過程能夠以產(chǎn)業(yè)群和產(chǎn)業(yè)鏈的形式得以大規(guī)模實現(xiàn),化解能源危機。
(4) 碳平衡性(carbon neutral)
生物能源的碳平衡性表現(xiàn)在全球的碳收支中,生物能源燃料釋放出來的CO?2可以在再生時重 新固定和吸收,可有效地減輕溫室效應(yīng),不會破壞地球的CO?2平衡。同時生物質(zhì)的硫含量、 氮含量低,因而污染低。生物能源碳平衡性的特點,使得熵減過程以清潔產(chǎn)業(yè)形式得以實現(xiàn) ,減少 環(huán)境污染,化解能源危機。
總之,生物能源的生物性就是具有和生物相同的熵減性,能夠復(fù)制和再生,因而能夠滿足動態(tài) 能量循環(huán)守恒定律的熵減條件,保持能量守恒,能夠在解決能源危機方面發(fā)揮重要作用。
四、 發(fā)展生物能源化解能源危機的對策
1. 利用生物能源能源性特點化解能源
危機的對策
為了利用生物能源能源性實現(xiàn)對能源危機的化解,提高生物能源的開發(fā)利用水平是必須解決 的問題。為此應(yīng)該采取以下措施:
(1) 明確生物能源技術(shù)開發(fā)目標(biāo)
生物質(zhì)基本上都是能量密度很低的固體物料,難以實現(xiàn)加工處理過程自動化、連續(xù)生產(chǎn);生 物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程還容易產(chǎn)生廢水、廢渣、廢氣,容易對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的污染;生物質(zhì)轉(zhuǎn)化 過程能耗高,就有可能使轉(zhuǎn)化過程消耗的能量比從生物燃料中得到的能量還高,造成得不償 失。有鑒于此,生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)開發(fā)應(yīng)把形成自動化程度高、能耗低、三廢排放少,且廢水 、廢渣都能得到充分利用的技術(shù)作為基本目標(biāo)。
(2) 加快突破生物能源能量轉(zhuǎn)化技術(shù)瓶頸
目前我國技術(shù)相對成熟的生物能源產(chǎn)業(yè)項目,如用糧食生產(chǎn)燃料乙醇和生物柴油有明顯的能 量轉(zhuǎn)化瓶頸,技術(shù)水平和國際先進(jìn)水平相比也還存在很大差距。如用玉米制乙醇,我國目前 的能耗水平達(dá)生產(chǎn)1噸乙醇需1?5噸標(biāo)準(zhǔn)煤[7],其凈能量平衡是負(fù)值,而美國用玉米 生 產(chǎn)乙醇獲得的能量比輸入的能量要多25%以上[8]。為此要加快突破生物能源能量轉(zhuǎn) 化的技術(shù)瓶頸,為生物能源產(chǎn)業(yè)化提供成熟可靠的技術(shù)支撐。
(3) 重視生物反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的有機組合
生物能源在研發(fā)過程中制約因素多
,過程復(fù)雜,而且能耗高。因此在生物能源技術(shù)開發(fā)過程 中要重視生物反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的有機組合和靈活應(yīng)用,根據(jù)能源作物低能量密度的特點,應(yīng) 提高能源作物固體物質(zhì)能量的收集、加工處理自動化連續(xù)操作水平,重視機電儀一體化的裝 備技術(shù)開發(fā)。
(4) 重視生物能源作物品種的改良和新品種培育
目前,在我國燃料乙醇的生產(chǎn)均以糖類或糧食為原料,其產(chǎn)量受到糧食資源的限制,難以長 期滿足能源需求。從長遠(yuǎn)考慮必須進(jìn)行科技創(chuàng)新,擴大原料來源。改良自然界已有生物能源 作物,提高產(chǎn)量和可利用生物質(zhì)含量[9]。纖維素的利用是世界難題,也是當(dāng)前高技 術(shù)領(lǐng) 域競爭的焦點,我國應(yīng)把它作為戰(zhàn)略高技術(shù)進(jìn)行重點布局,系統(tǒng)研究纖維素預(yù)處理技術(shù)、酶解 技術(shù)、發(fā)酵技術(shù)和分離技術(shù),以及汽化、液化技術(shù),開發(fā)系列生物能源產(chǎn)品,力爭在此領(lǐng)域 進(jìn)入國際先進(jìn)行列。
2. 利用生物能源生物性特點化解能源危機的對策
由于生物能源具有生物性特點,目前,國際上對生物能源開發(fā)利用十分重視,一些土地資源 豐富、作物生長條件優(yōu)越的國家,更把生物能源作為替代能源的重要發(fā)展方向。為了充分利 用生物能源生物性特點化解能源危機,盡快使其產(chǎn)業(yè)化,須采取以下一些對策:
(1) 建立科學(xué)合理的生物能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)模式
生物質(zhì)一般只能季節(jié)性生產(chǎn),時間、空間分布很不均勻,儲藏過程中極易腐爛變質(zhì),能量密度 低,生物質(zhì)的上述特性,決定了通用的經(jīng)濟規(guī)模的概念不適合生物能源工廠。生物質(zhì)工業(yè)轉(zhuǎn) 化工廠規(guī)模,必須根據(jù)包括原料和產(chǎn)品運輸成本在內(nèi)的綜合成本優(yōu)化的結(jié)果確定。
為了解決這個問題,需要從我國的實際出發(fā),通過各級政府引導(dǎo),建立資源開發(fā)的中介組織 ,采用“適度規(guī)模,就近轉(zhuǎn)化,統(tǒng)籌規(guī)劃,模塊建設(shè),分散生產(chǎn),集中營銷”的發(fā)展模式, 切忌不顧該產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前的制約條件,盲目投資。
(2) 制定發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)的財政稅收政策
發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)有良好的環(huán)境和社會效益,但在生物能源產(chǎn)業(yè)起步階段,很難為產(chǎn)業(yè)鏈中 各個環(huán)節(jié)帶來很好的經(jīng)濟效益。而只有當(dāng)培育、種植生物能源作物能為農(nóng)民增收時農(nóng)民才有 積極性;只有從事轉(zhuǎn)化加工的企業(yè)能有較好的投資回報,企業(yè)才有積極性,因此發(fā)展生物能 源要成為政府推動政策支持下的農(nóng)戶和企業(yè)行為。美國1979年建立聯(lián)邦政府的“乙醇燃料發(fā) 展計劃”,就對燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行補貼,補貼額為54美分/加侖,折合人民幣1?495元/噸 。我國從2000年起步的乙醇汽油發(fā)展計劃得到順利實施,國家制定的對燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)進(jìn) 行財政補貼的政策也發(fā)揮了極為重要的作用。借鑒國內(nèi)外的成功經(jīng)驗,今后要繼續(xù)完善推動 和支持這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的財政稅收政策。
(3) 在發(fā)展生物能源過程中注意避免糧食危機
據(jù)世界銀行統(tǒng)計,美國每年為制造生物燃料消耗糧食1億噸,其消耗的糧食足以滿足大概5億 發(fā)展中國家人口的糧食需求。由于生物能源和糧食作物具有相同的來源和用途,因此發(fā)展生 物能源過程中可能產(chǎn)生糧食短缺問題。
目前美國提出加速生物燃料轉(zhuǎn)化的政策,不依賴于糧食作物生產(chǎn)乙醇,以此來應(yīng)對糧食安全 問題。我國有大量的不宜種農(nóng)作物的土地,可以作為能源等專用植物種植的土地約有1億公 頃,所獲得的農(nóng)作物每年至少可產(chǎn)乙醇和生物柴油1億噸左右,完全可以做到不與糧爭地 。為此在發(fā)展生物能源過程中應(yīng)注意避免糧食危機,盡量不依賴于糧食作物生產(chǎn)乙醇等生物 能源。
(4) 在發(fā)展生物能源過程中注意保護(hù)生物多樣性
目前來看,生物能源開發(fā)主要集中在以植物油為原料的生物柴油和以糖類、淀粉、纖維素為 原料的燃料乙醇等方面,由于生物能源具有生物競爭性,這可能影響其他生物的發(fā)展,破壞 生物多樣性。而生物多樣性的破壞可能會使人們過去在降低溫室效應(yīng)上的努力成果付諸東流 。對于我國來說,為解決這類問題,既需要中國自身在環(huán)保、節(jié)能、開發(fā)和利用生物能源上 多下功夫,也需要與其他國家合作,以吸取有益的經(jīng)驗。
五、 對開發(fā)生物能源的肯定和疑問
雖然生物能源是解決燃料需求問題的一個希望,但也有不同甚至反對發(fā)展生物能源的聲音。 一種 觀點認(rèn)為作為目前應(yīng)用最廣的生物柴油和乙醇燃料盡管比化石燃料更加優(yōu)越,但不可能滿足 社會的能源需求,生物燃料的能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟性還存在疑問,因而稱現(xiàn)有生物燃料無法 代替化石燃料。另一種觀點認(rèn)為用玉米、大豆等糧食作物制造生物燃料會引發(fā)糧食危機。生 物能源發(fā)展在一些國家的迅速升溫,引起了不少國家和地區(qū)的憂慮,特別是在發(fā)展中國家,利 用生物資源開發(fā)生物能源是否引發(fā)糧食危機問題成為焦點。聯(lián)合國糧農(nóng)組織總干事雅克•迪 烏夫反對以農(nóng)作物為原料生產(chǎn)生物燃料,認(rèn)為這是造成全球糧食短缺、糧價高漲的主要原因 之一。他批評發(fā)達(dá)國家支持生物燃料產(chǎn)業(yè)的政策,稱這“等同于挪用了供人類消費的1億噸 谷物,其中大部分被用于為機動車解渴”[10]。國際研究機構(gòu)研究表明,利用糧食發(fā) 展生物 能源,發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)政策特征表現(xiàn)為以損害消費者的利益對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者給予補貼;而發(fā)展中 國家的農(nóng)業(yè)政策特征則表現(xiàn)為以損害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的利益壓低農(nóng)產(chǎn)品的價格。中國對發(fā) 展生物能源的主張是積極的。以中國科學(xué)院、中國工程院院士石元春為代表的一批專家主張 大力發(fā)展生物質(zhì)能源,認(rèn)為發(fā)展生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)能緩解中國的“三農(nóng)”、環(huán)保及能源問題。 另外,中國雖人多地少,但荒地面積約2?12億公頃,若開發(fā)種植適宜的能源植物,每種植開 發(fā)1?000萬公頃能源植物,相當(dāng)于增加4?500萬噸石油(一個大慶油田)的年生產(chǎn)能力,潛
力 巨大。
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