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生物质能—— 未来能源战略的支柱产业

作者:admin 来源:本站 发布时间:2020/4/28 19:06:23  阅读: 点击:461
前言:生物质能不仅易于存储,且拥有丰富的应用场景,是当今最重要的可再生能源之一,也是未来能源供应的支柱产业。交能网这周起将展开全新的“生物质能”系列,聚焦该领域国内外的热点专题,从不同角度挖掘更多的全新内容。本文作为该系列的首发文章,将从宏观的角度为大家简要介绍生物质能作为可再生能源的诸多优势以及相关技术和设备,并对其中蕴含的商业潜力与发展前景展开叙述。

前言:生物质能不仅易于存储,且拥有丰富的应用场景,是当今最重要的可再生能源之一,也是未来能源供应的支柱产业。交能网这周起将展开全新的“生物质能”系列,聚焦该领域国内外的热点专题,从不同角度挖掘更多的全新内容。本文作为该系列的首发文章,将从宏观的角度为大家简要介绍生物质能作为可再生能源的诸多优势以及相关技术和设备,并对其中蕴含的商业潜力与发展前景展开叙述。

  生物质能概况

  生物质指所有来自植物、动物和人类的有机物质,例如木材、玉米和油菜籽等农业和林业产品。这些可再生的原材料可以用于制造建筑材料、生物塑料等。与太阳能、风能一样,生物质能也属于可再生能源,它可以转化为电力与热能,并将在未来的能源供应中发挥巨大作用。与风能和太阳能不同的是,生物质能极易储存,人们可以存储诸如稻草、木材或液态肥料之类的原材料,并在必要时再将其转化为其他能源。

  生物质能本质上是被存储的太阳能,植物通过光合作用将二氧化碳和水合成为能量丰富的碳水化合物(糖类)。燃烧植物时这些能量会被释放。

  从古代人类使用木材生火烹饪,到如今人们使用现代技术利用木材、玉米、油菜籽、稻草甚至肥料发电和生产燃料,人类利用生物质能的历史已有数千年之久。

  现代生物质能最简单和广泛的应用仍是燃烧木材取暖。同时,在沼气厂中发酵肥料、玉米和稻草产生沼气的应用也已普及。这些沼气可以在热电联产厂中发电产热,也可以在公共燃气网络中储存,并运输到其他地方使用。

  另外,生物质还可用作汽车发动机的燃料。人们可以从菜籽油和其他植物油中提取出所谓的生物柴油,这种生物柴油可以用于所有柴油车辆。我们还可以从甜菜和谷物中提取生物乙醇并添加到汽油中。在未来,这些生物燃料可以越来越多的从诸如稻草这些剩余物质中提取。对于燃气汽车,还可以使用生物天然气作为燃料提供动力。

  生物质能的开发潜力

  目前我国市场上传统化石能源如石油、天然气需求仍然大于产量,比较依赖进口。然而生物质能资源丰富,有着巨大的开发潜力。有些植物,如玉米、油菜籽和芦苇特别适合发电,同时对技术的要求也不高。甜菜和谷物则适合用来生产燃料。另外,有机残留物,如肥料、残余的木材、稻草或用过的油脂也有很大的开发潜力。

  生物质能工业设施

  沼气厂

  在农村地区,沼气厂随处可见。生产沼气的原料主要有动物粪便、能源作物(如玉米或草)、有机残留物(如饲料残渣)或食品工业中的废料或副产品。

  简而言之,这些原料在温度在32到42摄氏度之间的密闭发酵罐借助细菌发酵产生沼气。沼气是由约三分之二的甲烷、约三分之一的二氧化碳以及微量的氮气、氢气、氧气等组成的混合气体。这些刚生产出的原始沼气被存储在仓库中等待进一步的加工处理,而发酵的残留物质比普通肥料的气味更小,很适合当作肥料使用。通常来说,沼气装置会不断的补充新的原料,因此沼气厂可以不受气候和时间等因素的影响,全年全天候不间断的工作生产。

  以德国为例,2011年德国共有7200余所沼气厂,大部分沼气送入热电联产厂,年发电量高达175亿千瓦时,相当于两个大核电厂。另外,沼气经过进一步处理成为生物甲烷。这些生物甲烷即可通入天然气管网,也可用作天然气汽车的燃料。目前这些应用仍处于起步阶段,开发潜力颇大。

  生物质供热厂

  与其他供热厂的工作方式类似,生物质供热厂燃烧燃料,利用产生的热量加热热媒(通常为水),通过管网为建筑、泳池或整个区域供热。生物质供热厂的不同之处在于,它使用木片、木屑或其他固体生物质作为燃料。经过现代烟气除尘技术的处理,剩余的灰烬可用作建筑材料或肥料的添加剂。一般情况下,生物燃料主要来自周围地区的农业、林业公司、木材加工公司或木料工艺公司。目前德国已经有数百个生物质料厂并拥有比较完整的市场体系。另外,木片和其他生物燃料的价格多年来也一直相对稳定,几乎没有波动。

  与化石能源相比,生物燃料的燃烧对环境影响很小。因为生物燃料燃烧时排放的二氧化碳量与其生长时曾吸收的二氧化碳量相等,是碳中性的。而化石能源燃烧时则会向大气中排放大量本来不参与大气循环的二氧化碳,从而加剧温室效应和全球气候变暖。

  2011年,德国有1200家生物质供热厂,其热输出功率普遍大于500 kW,并且近年来大功率的生物质供热厂越来越多。一个热功率为500kW的系统可以通过本地供热网络为大约20至30个家庭供电。另外,一些输出功率在数千万瓦特的生物质能供热厂可通过区域供热网络为整个城市供暖和供应热水。

 

  生物质热电联产厂

  生物质热电联产厂可以同时生产热能和电能。燃料燃烧的热量储存在热媒蒸汽中,蒸汽通过涡轮机或蒸汽发动机驱动发电机发电,在这之后的蒸汽温度依然很高,因此可以用来供热。对于木材气化热电联产厂来说,木材气化产生的气体可以直接作为燃料在发动机中燃烧,产生动力并驱动发电机发电。这类装置的工作效率很高,使用的燃料也与生物质供热厂的燃料相同,以各类木材为主。

  生产出的电力可以直接供给电网,热能则可以提供给附近的工业企业或者供给城市的局部或远程区域供热网络。由于生物燃料的供应和价格相对稳定,生物质热电联产厂的一大优势在于,其可以不受天气、时节和全球原油和天然气市场波动的影响,全天候的生产热力和电力。2011年德国在运营的生物质热电联产厂约有260所,其生产的电量相当于一个大型核电站的产出。与生物质供热厂相比,生物质热电联产厂拥有更大的客户群体,因此也需要更多的燃料。

  木材供热系统

  现在,以木材为原料供暖已经发展成一种清洁高效的技术。木材可再生、易获取、纯天然,是一种理想的燃烧原料。其中比较广泛的应用是木材颗粒加热系统,系统可以自动装载燃料,在舒适性方面完全不输于油或气加热器。大约4.5吨的木材颗粒就可以满足一座北方的独立公寓住宅全年的供暖需求,存放这些木材颗粒也仅需要大约4.5平方米的储存面积。燃烧后剩下的少量灰烬可以当作普通的家庭垃圾处理。

  生物质能的五大优点

  1.易于储存

  肥料、玉米、木材这些生物质作为生物质能的载体极易储存。沼气也可以安全的收集在特殊的存储设施中,或者送入天然气管网。因此与其他可再生能源(如太阳能、风能),生物能源可以不受天气影响,全天候地提供电力与热量。

  2.减少对化石能源的依赖

  石油和天然气的储量是有限的,同时,全世界对能源的需求也在增加。我国每年化石能源的进口是一笔庞大的支出。与之相对,生物质是一种可再生原料,而且完全可以代替化石能源来发电、产热或充当燃料。不仅如此,生物质还有着更加稳定的价格。

  3.环境友好

  化石能源燃烧会释放温室气体,加剧全球气候变暖,产生诸如气候异常、海平面升高等一系列恶劣影响。而生物质是二氧化碳中性的,其燃烧产生的二氧化碳量等于植物在生长过程中吸收的二氧化碳量。因为可再生能源的推广,2010年德国减排温室气体1.2亿吨,其中一半以上要归功于生物能源的使用和推广。

  4.创造了新的收入来源

  农业和林业公司是生物质的主要供应商。随着对木材和能源作物需求的增长,农民能够获得额外的收入。油菜籽、玉米、甜菜、桔梗、速生林和其他能源作物将会被更广泛的种植。

  5.创造新的工作机会

  生物质能领域有许多重要的生产步骤,如生物质的种植、收获、加工和贸易,另外还有沼气厂、生物质热电联产厂和私人木材供热系统的规划、安装和建造。生物质能可以由此创造很多附加值。

  有关生物质能的进一步讨论

  能源作物的大范围种植导致食品价格上涨?

  全球食品价格上涨的主要原因并不是能源作物的大范围种植,而是:人口增长、天气原因导致的农作物歉收,以及最重要的一点——肉类食品消费量的增加。以巴西为例,巴西拥有约2.2亿公顷的牧场,相比之下仅有2300万公顷的耕地和600万公顷的甘蔗(能源作物,其中一半被用于制作生物乙醇,并用作汽车燃料)。但不可否认的是,在发展生物质能的同时要注重与粮食生产之间的平衡,避免出现新的粮食问题。

  能源作物需要更多的化肥和农药?

  答案是否定的。能源作物相比粮食作物对氮肥的需求量更低,因为氮含量太高不利于发酵。能源作物对害虫的耐受极限也更高。由于生长周期较短,收获较早,许多病原体并没有足够的时间成长到关键阶段。能源作物的另一个优势在于,他的营养物质循环几乎是封闭的,在其能量被利用之后,发酵或燃烧的剩余物质可以作为肥料。

  作物单一化?

  玉米作为一种常见的能源作物,生长迅速,并且可以提供大量生物质。使用玉米作为原料生产沼气的技术已经比较成熟,而且产量很高,所以很多沼气厂会把玉米作为首选原料进行储存。但这会使玉米的种植面积显著增加,导致农作物单一化,带来很多批评。以德国为例,2012年德国对可再生能源法(Erneuerbare-Energien-Gesetz)进行修订,规定新的沼气厂使用玉米的比例要在百分之60以下,其余可以使用其他开花植物或斑纹鳞茎代替。

  转基因技术泛滥?

  无论是出于商业还是科研目的,转基因植物的田间种植和试验都应受到严格管控。因此,特殊品种能源作物(例如特别高产的能量玉米)也必须通过严格的审批程序。

  森林砍伐?

  以德国和欧盟为例,自2009年以来,可持续性法规一直在确保只能使用可持续生产的生物燃料。通过为合规的企业和产品颁发合格证,确保在全球范围内种植能源作物的同时,不会丧失稀有动植物的宝贵栖息地(如泥潭地和热带雨林)。此外,与化石能源相比,生物燃料在整个生产供应链上减排了至少百分之60的温室气体(2018年),这对全球生态环境保护做出了巨大贡献。(邸义博)

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