以植物、菌藻和動物等有機(jī)質(zhì)為原料,提煉氫并使其與氧反應(yīng)產(chǎn)生能量,用于熱源和動力,稱為生物質(zhì)氫能。從生產(chǎn)的大規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性看,其原料主要來自于甘蔗、甜高粱、甜菜和木薯等植物。
生物質(zhì)原料,本身因可燃燒等特性就是生物質(zhì)能源,通過“生物質(zhì)加工提醇—醇類制氫—氫氧反應(yīng)”過程形成氫能。生物質(zhì)能源從碳排放程度變化看,可分為直接燃用動物油及植物、菌藻植物提取乙醇燃用和乙醇等重整制氫使用三個階段。人類生物質(zhì)能源的生產(chǎn)和消費(fèi),在第一階段中直接燃燒,污染和碳排放量很大;第二階段生物質(zhì)精細(xì)加工及使用,污染及碳排放減少;第三階段通過深化加工,轉(zhuǎn)制氫能,實現(xiàn)生產(chǎn)和使用的低污染和零排放。
作為第三階段的生物質(zhì)氫能,其優(yōu)點(diǎn)在于:它屬于綠氫,由植物生長吸收陽光照熱、土壤水分和二氧化碳,并將成熟后的果實和秸稈發(fā)酵提取乙醇,再重整制氫而形成,加工轉(zhuǎn)換排碳量微小;從生物質(zhì)原料到加工提取的乙醇能源,發(fā)酵蒸餾獲得乙醇轉(zhuǎn)換用能不多,并且可來自于部分秸稈或酒糟燃燒加溫或者光電風(fēng)電加熱,能源轉(zhuǎn)換次數(shù)少,轉(zhuǎn)換消耗能源低;生物質(zhì)直接發(fā)酵提取乙醇,并由化學(xué)反應(yīng)獲得氫氣,減少了風(fēng)能、光能、電解水制氫需要先儲能的環(huán)節(jié),節(jié)省了成本和能源轉(zhuǎn)換損耗。
從世界范圍來看,當(dāng)前各國主要通過石化原料加工制氫,而風(fēng)能、光能、電解水制氫和生物發(fā)酵重整制氫的產(chǎn)量不到總產(chǎn)量的1%,其中生物氫產(chǎn)能不到綠氫產(chǎn)能的1%,生物質(zhì)氫能發(fā)展還處于萌芽階段。目前生物質(zhì)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國主要是巴西、美國。巴西甘蔗生產(chǎn)的生物質(zhì)乙醇等能源占其總能源消費(fèi)的17.4%,輕型乘用車燃料總消耗中,生物乙醇占48.3%;美國2020年生產(chǎn)生物乙醇5050萬噸,70%左右用于汽車動力,大部分地區(qū)使用摻加10%的生物乙醇汽油,近期為應(yīng)對俄烏沖突提高到了15%。我國2020年生物燃料乙醇生產(chǎn)能力為300萬噸左右,原料主要為玉米,乙醇摻入汽油比為10%,可加注使用的地區(qū)為黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽和廣西,以及內(nèi)蒙古、山東、湖北和河北等省區(qū)的部分盟地市。
從我國國情和生物質(zhì)能源特點(diǎn)來看,未來15年到20年,應(yīng)當(dāng)先走完生物質(zhì)能源發(fā)展的第二階段,為第三階段生物氫能源發(fā)展打好基礎(chǔ)?,F(xiàn)階段應(yīng)大力發(fā)展生物乙醇能源,生物質(zhì)氫能是生物乙醇能源的制作再加工和產(chǎn)業(yè)再深化,因此乙醇生產(chǎn)難點(diǎn),也是未來生物質(zhì)氫能生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)鏈的難點(diǎn)。從上下游產(chǎn)業(yè)來看,集儲裝運(yùn)卸環(huán)節(jié)還存在諸多堵點(diǎn)。例如,在上游生產(chǎn)方面,目前提醇和制氫技術(shù)已經(jīng)攻克,主要面臨儲運(yùn)成本較高問題;下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要是生物氫能生產(chǎn)地與使用地之間的多次罐儲、裝卸、運(yùn)輸、分銷和加注等物流服務(wù)成本高;較經(jīng)濟(jì)的儲運(yùn)裝卸氫能技術(shù)需要在材料和方式方面突破,新技術(shù)需考慮成本水平是否為市場需求接受;等等。
推進(jìn)生物乙醇能源市場化,建議先發(fā)展植物乙醇,使其種植、集儲、提醇實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn),將乙醇的成本降下來,形成制氫用原料規(guī)?;┙o,實現(xiàn)儲裝運(yùn)卸和終端使用方面關(guān)鍵性技術(shù)的突破,形成生物乙醇轉(zhuǎn)制氫能的需求市場。以原料市場保證氫能生產(chǎn)供給,以需求市場平衡供給和拉動生產(chǎn)。這方面可借鑒美國和巴西的經(jīng)驗,普及摻加15%乙醇汽油和20%乙醇柴油的使用。
應(yīng)當(dāng)通過農(nóng)業(yè)與工業(yè)融合,統(tǒng)籌糧食和能源發(fā)展。用土地和勞動力要素密集型投入路線,既生產(chǎn)乙醇和未來制氫,又形成“副產(chǎn)品飼料—養(yǎng)殖牲畜—產(chǎn)出肉奶—有機(jī)糞肥—生態(tài)蔬菜”,助力農(nóng)村產(chǎn)業(yè)融合。考慮到甜高粱等植物特性,種植規(guī)模上以3000畝到15000畝面積為宜。如果有一體化機(jī)械作業(yè)、道路條件優(yōu)越和更低成本的集儲運(yùn)模式,那么乙醇加工規(guī)??梢韵鄳?yīng)擴(kuò)大。
(作者 周天勇 系首都經(jīng)貿(mào)大學(xué)特大城市發(fā)展研究院教授)
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