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      石元春:中國能源革命不能沒有“一片”
      作者:中國科學報    發布于:2014-09-05 20:30:31    文字:【】【】【

      習主席最近提出能源革命和5點要求,深受鼓舞與啟示。5點要求中提到,在主要立足國內的前提條件下,全方位加強國際合作,有效利用國際資源,以及務實推進“一帶一路”能源合作。本文謹就建設本土“生物質煤田、油田和氣田”,也就是“一片”談一些體會。

       

        中國能源革命能提“自主”嗎?

       

        崛起中的中國,能源安全乃國之大計,而安全又系之于自主,特別是一個大國。

       

        道理很簡單,近60%的石油和近30%的天然氣依賴進口并將繼續走高,且不說沉重的經濟與外交成本,美國對華形成包圍圈、東海與南海復雜形勢、中東亂局、俄烏“斗氣”等能讓中國能源有安全感嗎?“飯碗任何時候都要牢牢端在自己手里”與“油桶”要盡量放在自己家里的道理是一樣的。

       

        問題是,中國崛起對油氣需求極旺而本土油氣資源又極貧,能有底氣提“能源自主”嗎?仔細想想,也非絕對不可?!澳茉醋灾鳌笔侵冈黾颖就聊茉串a出,將油氣對外依存度逐漸回落到50%以下或更低。

       

        值此能源轉型時代,中國近中期可實行“一手廣進化石油氣,一手狠抓替代能源”的“兩手”戰略。趁全球能源大宴的“最后晚餐”(世界石油與天然氣分別可使用53.3年和54.8年,《BP世界能源報告2014》)和生產消費版圖轉移時機,中國不妨廣進油氣,搶得一杯殘羹,作為大國博弈中手上的一張大牌,在戰略上是得當的。但是,隨著油氣資源漸竭、開發難度與成本增加,價格戰與資源爭奪更加激烈,國家能源安全度勢將走低。因此,在廣進油氣的同時,必須未雨綢繆地狠抓替代能源,因為替代能源形成氣候需要一二十年或更久。所以,這“一進一替”,必須兩手都要硬,只有雙面下注才能真正提升國家能源安全。這一二十年是我國能源戰略轉型關鍵期,千萬把握好機遇,避免戰略失誤。

       

        現在的問題是,化石能源在中國太強勢,決策者滿腦子都是為解決現實問題的化石能源,替代能源僅“捎帶腳”而已,少有危機感和緊迫感?!耙贿M”很硬,“一替”很軟,是當今國家能源決策中的重大隱患。隨之而來的問題是,我國清潔能源能擔此“一替”重任嗎?據2009年中國工程院咨詢報告,我國不含太陽能(缺數據)的本土清潔能源,近中期可年收集作能源用的資源量為21.5億噸標煤,相當于2013年能源消費總量的40%,如加太陽能則可撐半壁河山。在能源多元化的未來,能撐起1/41/3天下的能源就是大能源。就資源潛力而言,清潔能源是可擔此任的。

       

        同上資料,各類清潔能源的資源量及占比排序是:生物質(11.71億噸標煤,占比54.5%)、水電(5.84億噸標煤,占比27.2%)、風電(3.35億噸標煤,占比15.5%)和核電(0.58億噸標煤,占比2.7%)。生物質資源量是水電的2倍和風電的3.5倍。2013年我國生物質能、太陽能和風能的實際產能分別折合為5191.5萬噸標煤、4722.1萬噸標煤和4117.5萬噸標煤,生物質能源也處在首位。

       

        以下分別闡述開發本土“生物質煤田”、“生物質氣田”和“生物質油田”。

       

        開發本土“生物質煤田”

       

        生物質不經液化或氣化,直接以固態形式作為直燃發電和成型燃料的原料,其能效可較傳統薪柴提高數倍以至10倍,并可大幅減排有害氣體與粉塵。以生物質替代煤炭發電和以成型燃料供熱在歐美已流行半個多世紀,技術與市場很成熟。瑞典熱電顆粒聯產的能效可達95%以上。成型燃料年人均消費200多公斤,2013年的全國能源消費結構中,生物質已是占比32.4%的第一大能源了。2012年全球有634家萬噸以上規模的成型燃料廠,總產3305萬噸,主要在歐美諸國,中國只占2.7%(《生物質能源國際BEI·2012》)。

       

        固體生物質能源在中國近十年才發展起來。2013年全國生物質直燃發電項目200余個,并網容量7790兆瓦,上網電量356億千瓦時,約相當于1/3的三峽電站發電量,其中48%集中于贛、魯、粵、浙四省。生物質發電在我國已初具規模,發展態勢良好。成型燃料發展之初,皆民營中小企業經營,深受資金、技術、政策等諸多制約,步履維艱,九死一生。近年,生產鏈條的原料收集、儲運、成型、燃燒利用、技術裝備諸環節,都有如廣州迪森、北京奧科瑞豐、吉林宏日、江蘇牧羊等一批骨干企業脫穎而出,初步奠定全行業發展基礎。2013年全國成型燃料總產683萬噸。

       

        近年全國霧霾暴發和20139月國務院發布《大氣污染防治行動計劃》后,成型燃料已成為全國60余萬個中小鍋爐年約6億噸燃煤的最佳替代能源,國家有關業務主管部門下發多項鼓勵性政策、條例和計劃,正在積極推進。生物質成型燃料具有低灰、低硫、低氮的特點,接近天然氣排放水平,價格是天然氣的一半。成型燃料供熱的近中期市場定位,以替代約60萬個中小燃煤鍋爐為主;中長期可為農村及中小城鎮供熱。當前和以后相當長一段時間里,減排、治霾和壓煤是一種國家行為,必將為生物質固體燃料提供強勁社會需求和廣闊市場。

       

        我國“生物質煤田”的可開采儲量是多少?

       

        固態生物質能源的原料主要是作物秸稈和林業剩余物,根據中國工程院資料,二者可收集作能源用的年資源量分別為4.7億噸和3.5億噸。如一半用于氣態和液態燃料,剩下的一半用于固態燃料,則“生物質煤田”的年可用能源資源量約4.1億噸,可替代3億多噸煤炭。據2012年統計,全國農作物秸稈的82%來自糧食作物,其中玉米、小麥和稻谷分別占46.0%3.55億噸)、20.4%1.57億噸)和15.8%1.22億噸),說明資源是相對集中的。糧產區即秸稈主產區,糧田即“生物質煤田”,其中黃淮海平原和東北平原糧區是兩片“富礦”。3.5億噸林業剩余物主要產自全國各個林區,多集中于我國西南和中南諸省。經數十年的建設,我國林區有健全的國家林場管理系統,林業生物質能源一旦得以開發,林場即生物煤場,可控性和操作性很強。

       

        開發“生物質煤田”的關鍵在于政府的膽識、決心和得力配套政策;在于引進資本和實力較強企業;在于解決好原料收集難點;在于探求和建立適合不同原料和市場條件的多種商業模式。

       

        開發本土“生物質氣田”

       

        當前國家最為緊缺和大量進口的是天然氣,本土“生物質氣田”又能替代幾何?

       

        對畜禽糞便、城市污泥污水、加工業廢水廢渣,以及作物秸稈等有機廢棄物和污染源作無害化和資源化處理的最佳方式,是經微生物厭氧發酵生產沼氣。沼氣含甲烷約60%,如提純到92%以上,即同質于天然氣(NG),提純后的沼氣稱生物天然氣(BNG)。如果說固態生物質燃料在燃燒中,除鉀元素外的幾乎氮、磷、鐵、錳、鋅等所有植物營養元素皆被揮發或固化,微生物厭氧發酵過程則近乎全部保存,可重歸土壤和參與物質循環;如果說固態生物質燃料是零碳排放,沼氣則是負碳排放。即每做1千瓦時功,天然氣排放398CO2,沼氣則是414,因它有同化空氣中CO2和消除向大氣釋出甲烷的功能。所以,從原料到轉化過程以至產品,BNG既是清潔能源產業,又是環保產業,其能效和物效極高,且負碳排放,真是一種神奇的能源。

       

        近十年,當中國大規模發展農村戶用沼氣之時,歐洲則因俄羅斯不能穩定供應天然氣而發展了工業沼氣和BNG生產。德國大型沼氣——生物天然氣工程由2000年的850個,增加到2009年的4780個,發電產能達1600兆瓦,計劃2020年達9500兆瓦。2006年瑞典生產車用BNG2500萬立方米,超過了化石天然氣消費量(2000萬立方米)。2011年歐盟27國已有12400個大型沼氣生產廠,年產量相當于100多億立方米BNG,計劃2020年達到459億立方米。歐洲以壓力為動力,變被動為主動地成就了一個多么好的BNG戰略新興產業。中國能源革命也要有這種精神和豪氣,不能一味依賴進口。BNG基本建設一次性投資是進口化石天然氣的37%和“川氣東送”工程的40%,經濟性亦佳,開發潛力很大。

       

        2008年前后,北京德清源、山東民和、河南天冠、上海白龍港污水處理廠等日產2萬~9萬立方米的大型沼氣生產廠陸續投產和發電上網;第一個日產1萬立方米BNG生產廠及所驅動的數百輛出租車出現在廣西南寧市;德清源、民和、海南神州的車用BNG相繼投入運營;日產7萬和10萬立方米的BNG項目也將陸續投產。中國企業正緊跟BNG國際發展形勢。

       

        BNG生產在我國不存在技術與裝備障礙,經濟上可行,市場需求巨大。

       

        我國“生物質氣田”的可開采儲量是多少?

       

        生產微生物發酵型沼氣的原料主要是兩類,一類是畜禽糞便和秸稈等農業廢棄物;一類是加工業排放的高COD值有機廢水、廢渣及城市污水、污泥。中國是養殖業大國,豬與雞的飼養量世界第一,牛羊位居前列,畜禽糞便資源豐富。且80%以上養殖場集中于農區,特別是糧食產區,所以糧產區即作物秸稈與畜禽糞便資源富集的優質生物質氣田。

       

        據中國工程院最新資料,2009年我國規?;B殖場的畜禽糞便具年產472億立方米沼氣的資源潛力。如按1:1配入作物秸稈,則具年產約1000億立方米沼氣或630億立方米BNG的潛力,黃淮海平原與東北平原無疑是這片生物質氣田的富產區。另一片生物質氣田則是經處理的工業廢水廢渣和城市生活污水,有大分散小集中和易收集特點,其資源量具年50億立方米沼氣或32億立方米BNG的生產潛力。兩處“生物質氣田”合計可年產出662億立方米BNG。

       

        開發農區生物質氣田的一條重要策略,是以現有萬余規?;B殖場為據點,收集周邊秸稈等農業有機廢棄物,形成千千萬萬個BNG“氣井”。有政府積極引導,市場強勁需求,可觀經濟效益,技術裝備無障礙,何愁年供數百億立方米的生物質氣田建設不成。多年來,我國大中型養殖場的沼氣項目并不少,但多為政府安排處理畜禽糞便的環保項目,多是既無內驅力又無市場拉動力的政府出錢,養殖場辦差的“樣子工程”。如果以北京德清源和山東民和為樣板,改制為新型的養殖—BNG—環保一體化的多聯產的高贏利產業,現養殖場何樂不為?,F有規?;B殖場改制是開發“生物質氣田”的關鍵。

       

        善其事先利其器。令人高興的是,一種可按不同原料和規模量身定做的、“集裝箱”式的BNG裝備生產線即將在京郊開始批量投產,它將為千萬個改制養殖場及時和快速提供先進裝備和技術服務。每一個改制后的養殖—BNG—環保一體化多聯產的養殖場,就是聳立在“生物質氣田”上的一口氣井,德國已經有5000口,中國為什么不能有5萬口?這是完全可以成真的夢想。

       

        開發本土“生物質油田”

       

        國際公認,運輸用燃料的當家品種是液體燃料。2013年,美國用4000萬噸生物乙醇替代了13%的原油進口,而將石油對外依存度降到50%以下;巴西的2000萬噸甘蔗乙醇占全國石油燃料市場的57%,以及1830萬輛使用燃料乙醇汽油的靈活燃料汽車(FFVs),占全國汽車擁有量的61.8%。2013年全球產生物液體燃料9300萬噸,并保持4.5%的年均增速,其中燃料乙醇占80%以上。

       

        燃料乙醇在中國有一個曲折而踏步不前的經歷。世紀之交,中國因大量陳化糧積存而將陳化糧乙醇列為國家“十五”計劃中的重點工程,2006年即以年產152萬噸而位居世界第三。但隨著陳化糧的消失和糧食吃緊,政府停批糧食乙醇而鼓勵發展非糧乙醇。然而木薯乙醇踏步不前,纖維素乙醇攻關不克,甜高粱乙醇步履維艱,160萬噸燃料乙醇的年產紀錄保持8年至今。美國玉米乙醇也因生產規模擴大而沖擊玉米市場,力圖尋求纖維素乙醇技術的突破。

       

        旱路難行走水路。在生物平臺上攻關纖維素乙醇技術的同時,熱化學平臺上也探索著生物質氣化—合成燃油技術。1997年,德國科林公司(Choren Co.)開始研發Carbo-V氣化技術,2008年在實驗室動態試驗裝置上用木屑生產出合成液體柴油Sandiesel,開創了世界先例。2012年依托該技術建設了世界首套帶有商業目的40MW氣化示范工廠,但投運后系統的穩定性與可靠性出現了一些問題。同年世界500強企業德國林德公司將科林收購,繼續做技術優化升級開發工作,并將優化升級的技術授權許可給芬蘭Forest Btl公司,準備在2013年建設年產14萬噸非糧生物質合成燃油商業化工廠。該項目獲得歐盟“低碳技術”8850萬歐元的財政支持,繼續研發工作。此外,美Rentech公司也于2011年建成了年產1萬噸非糧生物質合成燃油商業示范工廠,由于某些原因暫停運行。

       

        我國陽光凱迪新能源集團公司經過近10年的研發,非糧生物質氣化與費托合成技術流程已打通,工藝已經成功,生產出了高品質高清潔的航空煤油、生物質柴油和輕質油商品。一座年產1萬噸的生產線于2013120正式投產運行,該生產線現運行近萬小時。生產線產出的油品主要技術指標已達到歐洲二代非糧生物質燃油商品的質量標準,也就是歐Ⅵ標準。陽光凱迪正在武漢和廣西北海分別設計建設單線年產30萬噸和年產60萬噸規模的兩個生產廠,計劃2016年底投產運行??磥?,此重大領域的國際技術競賽中,中國是跑在了世界前面。此外,中國內蒙古金驕集團則在生物化學平臺上研制出燃燒性能優異、環保性能優于常規柴油的高品位生物柴油,于2009年和2012年分別在包頭與赤峰建成兩座年產能分別為10萬噸和8萬噸的生產廠。

       

        我國“生物質油田”的可開采儲量是多少?

       

        生物質組分中木質素占約四成,因植物組織結構致密而難以水解,至今只能一燒了之。生物質氣化—合成燃油的重大意義在于,如果木質素轉化為高品位燃料取得技術突破和實現產業化,將使年產3.5億噸的林業“三剩物”不僅可用于固體燃料,也可用于轉化為近億噸的優質生物燃油。進而,與我國農田面積相當的1.31億公頃毫無經濟產出的宜林荒山荒坡也可通過種植能源植物轉化1億噸以上的生物燃油??萍际堑谝簧a力,林業“三剩物油田”和“宜林荒山荒坡油田”可以提供生物質油品2億噸以上。

       

        我國大面積的濱海鹽漬土與海涂,是可盛產甜高粱乙醇的另一片生物質油田。技術進步使生物質液體燃料徹底遠離糧田,擺脫與糧食的干系,“影響糧食安全”的誤解應該完全排除了。

       

        中國能源革命不能沒有“一片”

       

        本文的“一片”是相對于我國能源戰略中的“一帶(絲綢之路經濟帶)”和“一路(21世紀海上絲綢之路)”而言,是指在中國本土建設一片“生物質煤田、油田和氣田”。

       

        中國能源革命不能沒有這“一片”,為什么?

       

        一曰可當大任。過去國人對生物質能源了解少誤解多,中國能源大軍中一“弼馬溫”而已。這十年,它已成長為朝氣勃勃的年輕才俊,如得國家培養與啟用,億噸級的“生物質煤田”、億噸級的“生物質油田”、千億立方米的“生物質氣田”不在話下。此非坐而論道,而是根據對資源稟賦、收集轉化技術與裝備、商業模式、現有產業化基礎與成熟度等方面的綜合分析與評價提出的。只要政府下決心和給政策,“一片”夢是能實現的。

       

        二曰保國家能源安全。協議中的俄羅斯中俄天然氣管道東線2018年開始向中國供氣,最終達年輸氣380億立方米,供應30年,中國簽單4000億美元。其實,中國生物質氣田資源潛力只要發揮一半,也可拿下如此規模的簽單,而且是一千年,何不搏一搏?2013年我國進口原油2.82億噸,何不像2007年的美國那樣,訂一個年產1億噸生物燃油的計劃?中國“生物質油田”正在緊張地準備著?!耙粠б宦贰笔菫樵黾幽茉催M口安全,“一片”則是為保障本土供應,國家能源安全不能沒有這“一片”。

       

        三曰克霾環保之必須。畜禽糞便、加工業廢水廢渣、城鎮污水污泥、作物秸稈露地焚燒等巨量有機污染物,如何使之無害化,進而資源化循環利用,非生物質能源生產莫屬也;制造霧霾的主犯是燃煤與汽車尾氣,治理最大難點是全國60多萬中小燃煤鍋爐,燃煤替代非生物質成型燃料莫屬。此外,生物天然氣與生物燃油還是減排城市化石燃料汽車尾氣的有力武器。中國環保不能沒有這“一片”。

       

        四曰保國家糧食安全。國家糧食安全不僅存在“需求增”和“土水缺”的問題,農民不愿種地和勞動力流失更是隱患。因為農業比較效益太低,辛辛苦苦種一畝小麥只掙一二百元,不如進城當幾天臨時工。受教育較多的農村青壯勞力紛紛棄農離鄉,城鎮化正在加快農村優質勞動力流失進程。作為重要生產要素的勞動力衰落了,農業空心化了,談何糧食安全和農業現代化?如果農民種一畝小麥除掙一二百元外,再加賣秸稈“另撿”的二三百元,種糧積極性能不大增嗎?如果農村經濟中再注入新興的生物質能源產業,農業的比較效益顯著上升,工作崗位眾多,農業勞動力會不回流?糧食安全度會不提高嗎?國家糧食安全不能沒有這“一片”。

       

        五曰發展城鎮化之必須。城鎮化的主體是發展中小城鎮,那么城鎮里的產業在哪里?工作崗位在哪里?城鎮居民的能源消費量是農村居民的三到四倍,能源又在哪里?發展綠色城鎮化靠什么?這一系列問題的最佳解決方案是大力發展生物質能源產業。因為它植根于“三農”和圍繞中小城鎮,可以為中小城鎮發展提供產業、工作崗位和綠色能源,緩解城鎮化對化石能源的需求壓力和改善環境質量。中國發展城鎮化不能沒有這“一片”。

       

        六曰新經濟增長點。習主席在能源革命中提出:“同其他領域高新技術緊密結合,把能源技術及其關聯產業培育成帶動我國產業升級的新增長點?!鄙镔|能源產業以億公頃、億噸和千億立方米計,其體量巨大,且對“三農”等相關產業帶動性強,提供工作崗位多,增加內需力度大,是促進國家產業轉型升級和經濟上行的新增長點。

       

        中國是生物質資源大國,生物質能源產業已歷練十余載,漸趨成熟和可擔重任。望國家對我國生物質能源產業的潛力和綜合效應給以科學和客觀的再評估,早下開發本土“生物質煤炭、氣田和油田”之決心,它必將在“十三五”和以后十年大放異彩,為中國崛起作出重要貢獻。

       

        作者簡介:石元春,中國科學院院士、中國工程院院士,中國農業大學教授。

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