朱萬(wàn)斌，李 杰，袁旭峰，程 序，王小芬

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程中心，北京 100193)

1 國(guó)際可再生能源研發(fā)的重點(diǎn)是生物能源

奧巴馬政府延續(xù)了前任的可再生能源戰(zhàn)略，在就職演說(shuō)中旗幟鮮明地提出，“我們將致力于開(kāi)發(fā)太陽(yáng)、風(fēng)和土地，為汽車和工廠提供燃料和動(dòng)力”?！伴_(kāi)發(fā)土地”即開(kāi)發(fā)土地生長(zhǎng)的生物質(zhì)的生物能源。美國(guó)能源部于2009年底起停止了對(duì)氫燃料電池電動(dòng)車研發(fā)的支持，改而大力支持發(fā)展生物燃料和低碳生物能源。2010年度，美國(guó)生物質(zhì)能研發(fā)的撥款為太陽(yáng)能和風(fēng)能的5.8倍(生物質(zhì)能、太陽(yáng)能和風(fēng)能3 項(xiàng)分別為10.04 億、1.75 億和1.73 億美元)。

為了促進(jìn)生物燃料的研發(fā)，奧巴馬2009年5月組建由美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USOA)、能源部和環(huán)境保護(hù)署(EPA)首長(zhǎng)組成的生物燃料部際工作組(biofuels interagency working group)，并為生物燃料的研發(fā)主要是生物煉制增撥7.865億美元[1]。該工作組2010年2月3日發(fā)表第一份報(bào)告:《日益增長(zhǎng)的美國(guó)的燃料——一種新的戰(zhàn)略目標(biāo)》(Growing America’s Fuel)。指出，雖然美國(guó)已經(jīng)具有年產(chǎn)120億gal(1 gal=3.785 L，約相當(dāng)3180萬(wàn)t)生物燃料的產(chǎn)能，但距離2022年應(yīng)用360億gal生物燃油(其中210億gal為先進(jìn)的生物燃料)和2010年生產(chǎn)100億gal纖維類乙醇的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。為此采取協(xié)調(diào)促進(jìn)生物燃料生產(chǎn)的重大措施。一是責(zé)成美國(guó)環(huán)境保護(hù)署制定新的燃料標(biāo)準(zhǔn)(RFS2)，汽油中的乙醇含量上限由目前的10%提高到15%;自2000年開(kāi)始，美國(guó)汽車業(yè)已著手生產(chǎn)可適用于最高可添加85%乙醇的燃料即E85燃料的靈活生物燃料汽車(flexible fuel vehicle，F(xiàn)FV)，目前已有800萬(wàn)輛投入使用。二是責(zé)成美國(guó)農(nóng)業(yè)部提出生物能源作物生物量援助計(jì)劃(BCAP)，提供種植者補(bǔ)貼資金，以增加和確保第二代生物燃料的原料供應(yīng)——年提供10億t生物質(zhì)原料。該報(bào)告強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)政府與美國(guó)私營(yíng)部門(mén)伙伴關(guān)系，通過(guò)跨部門(mén)努力和以小企業(yè)為中心的模式建立先進(jìn)生物燃料生產(chǎn)及市場(chǎng)。農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)維爾薩克說(shuō):“推進(jìn)生物質(zhì)和生物燃料生產(chǎn)有潛力創(chuàng)造綠色就業(yè)機(jī)會(huì)，這是奧巴馬政府正在努力重建(rebuild)和振興(revitalize)美國(guó)農(nóng)村的多方面努力中的一個(gè)?！杯h(huán)保署署長(zhǎng)麗莎·杰克遜說(shuō)，可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)將有助于給數(shù)百萬(wàn)美國(guó)人，特別是在農(nóng)村的人帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)[2]。

針對(duì)玉米乙醇的局限性，美國(guó)還提出“先進(jìn)生物燃料”(advanced biofuel)概念。先進(jìn)生物燃料指玉米乙醇以外的一類生物燃料，它們的全生命周期溫室氣體排放量比石化燃料至少低50%。包括木質(zhì)纖維類乙醇，玉米以外的其他能源作物以及有機(jī)廢棄物為原料的乙醇，生物質(zhì)基(熱解氣化合成)生物柴油，各類原料產(chǎn)生的沼氣，生物質(zhì)基丁醇[3]。

瞄準(zhǔn)大幅增強(qiáng)國(guó)家實(shí)力的戰(zhàn)略目標(biāo)，美國(guó)能源部推出了類似“前瞻性國(guó)防研究計(jì)劃”的戰(zhàn)略性能源換代技術(shù)研究計(jì)劃，并設(shè)立了專門(mén)管理部門(mén)(advanced research projects agency，ARPA)。國(guó)會(huì)批準(zhǔn)在2008―2012財(cái)政年間撥款49億美元[4]。ARPA-E的特點(diǎn)是針對(duì)提高石油自給水平、改善所有部門(mén)能效、減少溫室氣體排放以及維護(hù)美國(guó)在全球能源技術(shù)開(kāi)發(fā)利用方面的領(lǐng)導(dǎo)地位的四大目標(biāo)，鼓勵(lì)富有革命性的研究。2010年首輪3700多份研究申報(bào)書(shū)中，生物能源占15%。太陽(yáng)能占18%;風(fēng)能只占5%;核能更少，只占2%;燃料電池占6%;提高能效占14%;智能電網(wǎng)占6%。

瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)能源和技術(shù)系的L.Svetlana研究組2009年查詢了ISI Web of Knowledge數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)所有有關(guān)可再生能源的研究文獻(xiàn)，共獲9724篇。其中，關(guān)于生物能源的有 4911篇，占第一位(50%)。而關(guān)于水電、風(fēng)能和太陽(yáng)能的只分別占18% 、16% 和 4%[5]。

德國(guó)是歐盟發(fā)展生物能源積極國(guó)家之一，可再生能源現(xiàn)已占總能源消費(fèi)量的16%。2010年政府對(duì)新能源和氣候變化的研究投入達(dá)10億歐元。2010年9月28日，總理默克爾宣布了該國(guó)向低碳能源轉(zhuǎn)型的藍(lán)圖[6]，要求在未來(lái)40年里，結(jié)束幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)對(duì)石化能源的依賴。2050年可再生能源占總能源消費(fèi)量的比率提高至60%，并減少80%的溫室氣體年排放量。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的手段是采取60項(xiàng)措施，實(shí)行能源“綠色革命”，重組能源結(jié)構(gòu)。被列為重大措施的是發(fā)展生物能源，風(fēng)能以及電動(dòng)汽車(2030年達(dá)600萬(wàn)輛)，2011年春將出臺(tái)相應(yīng)的能源研究計(jì)劃。

瑞典則是歐盟中對(duì)通過(guò)可再生能源減排溫室氣體和實(shí)現(xiàn)能源自給最激進(jìn)的國(guó)家。20世紀(jì)70年代，其能源消費(fèi)對(duì)石油的依存度高達(dá)77%。但到2003年已銳降至32%。2006年，瑞典首相佩爾松宣布，瑞典將在2020年成為全球首個(gè)告別石油的國(guó)家。自那之后，該國(guó)的可再生能源研發(fā)明顯加速。2010年4月7日，瑞典可持續(xù)發(fā)展部部長(zhǎng)薩爾林對(duì)媒體重申了這一宏偉目標(biāo)。稱到2020年將沒(méi)有汽車再使用汽油，生活用能(如電力、取暖)不再使用燃料油。

世界生物乙醇兩大領(lǐng)跑國(guó)之一的巴西，把生物燃料放在該國(guó)優(yōu)先地位，作為應(yīng)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)的重大舉措。巴西生產(chǎn)乙醇的潛力非常大:目前全國(guó)用于農(nóng)業(yè)的耕地僅占國(guó)土面積的7%，而用于生產(chǎn)甘蔗的耕地僅占耕地面積的6%，為570萬(wàn)hm2(8550萬(wàn)畝)。該國(guó)2005年甘蔗乙醇的產(chǎn)量為155億L(1240萬(wàn) t)，計(jì)劃到2025年年產(chǎn)900億 L(7200萬(wàn)t)，遠(yuǎn)期規(guī)劃年產(chǎn)量 4000億 L(3.2億t)。除國(guó)內(nèi)消費(fèi)外，主要向美國(guó)、日本和印度等國(guó)出口。巴西全國(guó)公民協(xié)會(huì)主席Dilma Rossef 2008年在國(guó)際生物質(zhì)能大會(huì)上指出:“目前全國(guó)以乙醇替代了50%的汽油，這一比例還在快速提高。自2003年啟動(dòng)靈活燃料汽車(FFV)市場(chǎng)以來(lái)，已有700多萬(wàn)輛。現(xiàn)在銷售汽車中90%以上是FFV汽車。在發(fā)展中國(guó)家，生物燃料應(yīng)放在優(yōu)先地位，以應(yīng)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)?！?/p>

2 國(guó)際特別是美國(guó)生物能源研發(fā)的重點(diǎn)是第二代生物乙醇

2009年全世界的燃料乙醇產(chǎn)量是5859萬(wàn)t，生物柴油1360萬(wàn)t。其中，美國(guó)170家一代生物乙醇企業(yè)生產(chǎn)了3400萬(wàn)t(107.5億gal)。國(guó)際能源署(IEA)2009 年發(fā)表的《世界能源展望》預(yù)測(cè)[7]，到2030年，生物燃油將能替代全球交通運(yùn)輸用汽、柴油總需求量的9%(相當(dāng)于11.7×1018J);而到2050年，這個(gè)比率將達(dá)到26%(相當(dāng)于112×1018J)。其中，90%的量將是第二代生物燃料(包括纖維類乙醇，Bio-SNG即生物合成天然氣，BTLDiesel即生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的柴油替代品如二甲醚DME)。而其一半將來(lái)自非經(jīng)合組織成員國(guó)，中國(guó)和印度將占到19%。

近十年來(lái)，歐盟生物乙醇的產(chǎn)量從2000年的200×1000 L，增至2009年的105000×1000 L。歐盟的生物柴油應(yīng)用量占全世界的80%以上。產(chǎn)量從2004年的230萬(wàn)t，2008年產(chǎn)能增為1600萬(wàn)t。

2007年3月，歐盟首腦會(huì)議制訂了2020年的三個(gè)“20%”目標(biāo):a.減排溫室氣體20%(比1990年基數(shù));b.提高能效20%;c.可再生能源占能源總消費(fèi)量的20%，其中，生物燃料占到運(yùn)輸燃料的10%。2009年歐盟的若干研究機(jī)構(gòu)推出了《生物能源未來(lái)發(fā)展路線圖》(From inconvenient rapeseed to clean wood:a European road map for biofuels)[8]。提出為了大幅減少溫室氣體排放和實(shí)現(xiàn)2020年的目標(biāo)，僅靠第一代生物燃料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。必須大力開(kāi)發(fā)第二代生物燃油，并使之在2015年前后進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，2030年居主導(dǎo)地位(屆時(shí)生物能源占總能源的35%)。為了確保木質(zhì)纖維類原料的供應(yīng)，必須加大多年生能源作物的研發(fā)力度。此外，還要從7個(gè)方面加大政策支持的力度。2009年10月，歐盟委員會(huì)通過(guò)了低碳技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(SET-Plan)，要求在未來(lái)10年對(duì)低碳技術(shù)追加500億歐元的公共及私營(yíng)投資，并且制定了低碳技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線圖。指出生物燃料的研發(fā)重點(diǎn)不能只局限于轉(zhuǎn)化技術(shù)，還應(yīng)重視整個(gè)生物質(zhì)從原料到各種產(chǎn)物的增值利用及相關(guān)技術(shù)。

2.1 值得注意的動(dòng)向

國(guó)際可再生能源和“第二代生物能源”主要是木質(zhì)纖維類乙醇，經(jīng)歷了近幾年的研發(fā)“熱”。主要是設(shè)法降低生產(chǎn)成本特別是酶的成本，為玉米秸稈纖維素乙醇的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造條件。丹麥的Novozymes生物技術(shù)公司稱，已將玉米秸稈纖維轉(zhuǎn)化成糖所用的酶制劑的成本降低了30%。實(shí)驗(yàn)室價(jià)格已降至每加侖10～18美分(1 gal=3.785 L)。然而近來(lái)這一發(fā)展的勢(shì)頭似受到挫折。2010年8月出版的Science可再生能源專集傳達(dá)的信息是，可再生能源成為“支柱性”能源所需的時(shí)間，要比原先預(yù)測(cè)的長(zhǎng)，可能需要半個(gè)乃至一個(gè)世紀(jì)[9]。美國(guó)國(guó)會(huì)2007年通過(guò)的《能源獨(dú)立與安全法》(EISA)曾強(qiáng)制性規(guī)定，到2022年須使用可再生燃料360億gal。其中，纖維素乙醇(“第二代生物燃料”)年用量須達(dá)160億gal。但由于生產(chǎn)成本的下降遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)想的速度，加以木質(zhì)纖維類原料酸預(yù)處理造成的環(huán)境問(wèn)題未能妥善解決，發(fā)展的勢(shì)頭減退。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署2010年7月宣布，將原定到2011年纖維素乙醇須達(dá)2.5億gal的指標(biāo)，幾十倍地大幅度下調(diào)為650萬(wàn)～2550萬(wàn) gal。Hoffert和 Davis等在最新出版的Science分別發(fā)表論文，均認(rèn)為按照目前替代能源的發(fā)展速度，到2050年將大氣CO2濃度穩(wěn)定在450 ppm(1 ppm=10-6)以及增溫效應(yīng)低于0.7℃的目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)[10，11]。

2.2 科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界在第二代生物燃料發(fā)展重點(diǎn)上認(rèn)識(shí)有分歧

相對(duì)于美國(guó)政府和生物燃料業(yè)界把重點(diǎn)完全放在一、二、三代生物燃油上，科學(xué)界的態(tài)度有很大的不同。2009年8月，美國(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院和美國(guó)國(guó)家研究會(huì)聯(lián)合組建的委員會(huì)，完成了大型決策咨詢報(bào)告——《美國(guó)能源的未來(lái)》[12]。報(bào)告認(rèn)為，鑒于美國(guó)是世界少數(shù)幾個(gè)煤的開(kāi)采和使用的最大國(guó)家之一，煤的儲(chǔ)量也極大，因此，“第二代生物乙醇”起到的將只是“過(guò)渡性作用”。更多的將是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的烴類燃油(所謂“生物質(zhì)變油”，biomass to liquid(fuel)，BTL)。而且主要是用生物質(zhì)與煤的混合物作原料轉(zhuǎn)化的一類特殊生物能源，起名為“煤/生物質(zhì)變油”(coal-and-biomass-toliquid(fuel)，CBTL);由于生物質(zhì)在CBTL中取代了約45%的煤，而生物質(zhì)能是全生命周期碳凈排放為零，因此，煤/生物質(zhì)混合基燃油——液態(tài)烴類的最終碳凈排放量，會(huì)比單用煤轉(zhuǎn)化的燃油以及石油基汽/柴油大幅減少，從而有助于實(shí)現(xiàn)大幅度減排溫室氣體特別是CO2的國(guó)家目標(biāo)。該報(bào)告預(yù)測(cè)，到2035年，煤/生物質(zhì)混合基燃油，單獨(dú)使用煤轉(zhuǎn)化的液態(tài)烴類燃油，加上第二代生物燃油即纖維類生物乙醇，合計(jì)可約日產(chǎn)500萬(wàn)桶，相當(dāng)于目前美國(guó)交通運(yùn)輸用石化燃料日消費(fèi)量(1400萬(wàn)桶)的35%。

2.3 “第三代生物燃油”的研發(fā)

雖然對(duì)用藻類生產(chǎn)生物柴油——“第三代生物燃油”的研究已有50年的歷史。美國(guó)能源部燃油開(kāi)發(fā)辦也曾在1978―1996年間設(shè)立過(guò)利用水塘水面及發(fā)電廠排出的CO2廢氣生產(chǎn)油藻、進(jìn)而轉(zhuǎn)化生物柴油的“水生物種研究計(jì)劃”(ASP)，但真正全球性大規(guī)模的研發(fā)工作還是近十余年的事。近年來(lái)世界各國(guó)十分重視微藻生物柴油技術(shù)的研發(fā)。Shell與美國(guó)從事生物燃料業(yè)務(wù)的HR Biopetroleum組建Cellena合資公司，投資70億美元開(kāi)展微藻生物柴油技術(shù)的研究。美國(guó)第二大石油公司Chevron與美國(guó)能源部可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作研究微藻生物柴油技術(shù)。以色列Inverture Chemical與 Seambiotic合資建設(shè)開(kāi)放池光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的微藻生物柴油工業(yè)示范裝置。美國(guó)國(guó)防部試用了微藻生物柴油，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的低溫性能，特別適宜寒冷地區(qū)使用。荷蘭AlgaeLink已開(kāi)始向全球銷售其封閉式光生物反應(yīng)器，并提供相關(guān)技術(shù)支持，該公司還與荷蘭皇家航空公司共同開(kāi)發(fā)用于航空領(lǐng)域的“微藻航油”。

然而當(dāng)前全世界已有的油藻生產(chǎn)的主要目的，尚非生物能源而是食物及飼料的添加劑。其年產(chǎn)量(5000 t，干藻重)也完全無(wú)法與已大量用作生物柴油原料的棕櫚油的年產(chǎn)量(400萬(wàn)t)相比。通過(guò)對(duì)全部替代歐洲國(guó)家年柴油消費(fèi)總量(4億m3)的理論測(cè)算，以油藻的生產(chǎn)率4萬(wàn)L/(hm2·a)(含油率50%)計(jì)，不僅目前的油藻生物質(zhì)產(chǎn)量須增加3個(gè)數(shù)量級(jí)，而且成本須降低10倍。即便如此，尚需要相當(dāng)于葡萄牙一國(guó)面積的土地。專家確信，“第三代生物燃油”將在未來(lái)10～15年后走上大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用之路[13]。

在藻類生物柴油的開(kāi)發(fā)上，目前存在著兩種對(duì)立傾向:一種是急于擴(kuò)大生產(chǎn)性試驗(yàn)的規(guī)模，希望盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。另一種則強(qiáng)調(diào)尚需進(jìn)一步加大研究的深度，主張穩(wěn)步發(fā)展。筆者認(rèn)為，可行的途徑必定是經(jīng)過(guò)多學(xué)科研究的配合，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈即從基礎(chǔ)生物學(xué)研究，藻種選育和基因工程的遺傳改良，生物過(guò)程工程，直到生物煉制和全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，作分別的研究和優(yōu)化的整合，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)油藻所有成分的高價(jià)值利用[14]。

在提高油藻生產(chǎn)效率方面，重點(diǎn)是優(yōu)良品種的選育乃至采用基因工程人工合成兼具若干優(yōu)異光合和儲(chǔ)存生理特性的“理想光合型”藻細(xì)胞，包括盡快繪制出若干品種的全基因系列測(cè)序圖譜。其次是進(jìn)一步探明藻細(xì)胞組織內(nèi)成油的機(jī)理。例如，應(yīng)激(培育藻的環(huán)境條件惡變)會(huì)使藻細(xì)胞內(nèi)油脂的形態(tài)和儲(chǔ)存點(diǎn)發(fā)生變化，從而增加嗣后提取油脂的能量消耗。又如如何使油藻在光飽和條件下(晴天的一般情況)，仍能有較高的光合效率。

在降低成本和能量投入方面，改進(jìn)收獲、(離心機(jī))濃縮和破細(xì)胞壁后超臨界CO2萃取藻油提取油等工藝是關(guān)鍵。例如，培育細(xì)胞壁(藻油的儲(chǔ)存處)較薄但又較堅(jiān)固的藻種便是一條可行途徑。

經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)油藻，應(yīng)是在低成本獲取大量生物柴油原料的同時(shí)，還要通過(guò)生物煉制產(chǎn)出相當(dāng)數(shù)量的、高價(jià)值的有機(jī)化學(xué)合成基礎(chǔ)物(又名“砌塊”化學(xué)物質(zhì)如乙醇、丙三醇等)，食物營(yíng)養(yǎng)物和飼料添加劑等。以植物蛋白為例，由于油藻的蛋白質(zhì)含量為40%，如果以油藻生物柴油全部替代歐洲國(guó)家每年的柴油消費(fèi)總量，則可年產(chǎn)3億t油藻蛋白。這個(gè)數(shù)量是目前歐洲國(guó)家每年進(jìn)口1800萬(wàn)t大豆獲得的蛋白質(zhì)量的40多倍。

3 生物天然氣和生物質(zhì)顆粒燃料兩類生物能源異軍突起

近年來(lái)，國(guó)際上對(duì)可再生能源前景的評(píng)價(jià)出現(xiàn)了兩種趨勢(shì)。一種觀點(diǎn)以美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)枮榇?，認(rèn)為美國(guó)可以在10年內(nèi)在發(fā)電領(lǐng)域用可再生能源和真正潔凈無(wú)碳能源完全取代化石能源[15];持更激進(jìn)觀點(diǎn)的還有美國(guó)斯坦福大學(xué)教授Jocobson和Delucchi，他們2009年在《科學(xué)美國(guó)人》上發(fā)表宏偉設(shè)想，目標(biāo)是全球在2030年實(shí)現(xiàn)可再生能源化[16]。

另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，從近三百年的歷史表明，能源的換代和轉(zhuǎn)型是較漫長(zhǎng)的過(guò)程。Smil認(rèn)為，可再生能源全面替代化石能源需要1～2個(gè)世紀(jì)[17]。國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)研究所(IIASA)的Arnulf Grubler指出，可再生能源需面臨從制取、轉(zhuǎn)換到運(yùn)輸?shù)囊幌盗谢A(chǔ)設(shè)施的巨大挑戰(zhàn)。并且為了全面使用，還要像當(dāng)年為了使用化石能源那樣，研發(fā)出諸如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等專用設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要更長(zhǎng)的時(shí)間和更多的投資[18]。

Richard Kerr等人更認(rèn)為，化石能源的三大獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)——能量密度大，易于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，以及能量利用的轉(zhuǎn)化率高——是可再生能源無(wú)法與之匹敵的?；谑汀⑻烊粴膺@類高質(zhì)能源的社會(huì)，很難在使用可再生能源后仍保持高的生活質(zhì)量。因此他們對(duì)可再生能源全面替代化石能源的前景更表示懷疑[19]。然而這種看法卻完全忽略了一個(gè)事實(shí):即沼氣和生物質(zhì)顆粒燃料(“生物煤”)雖然也屬于可再生能源，但在與化石能源特性的相比居于劣勢(shì)的眾多可再生能源中，它倆卻是例外。近年來(lái)，生物天然氣和生物質(zhì)顆粒燃料兩類生物能源在歐盟國(guó)家異軍突起，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。

使用天然氣能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于減少酸雨形成，延緩溫室效應(yīng)，從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。因此，作為一種潔凈能源，天然氣的研發(fā)廣受青睞。

“非常規(guī)天然氣”——頁(yè)巖氣，煤層氣，以及沼氣、垃圾填埋氣等正在成為世界天然氣行業(yè)新的生長(zhǎng)點(diǎn)。頁(yè)巖氣(shale gas)現(xiàn)已成為美國(guó)最熱點(diǎn)勘探對(duì)象之一。對(duì)頁(yè)巖氣的研究特別是黑色頁(yè)巖沉積、頁(yè)巖氣生成等方面的持續(xù)研究和取得的大量研究成果，極大地促進(jìn)了頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。1998年，頁(yè)巖氣僅占全美天然氣總產(chǎn)量的2.3%，而2008年已占15%(1000億m3);并由于潛在資源量多達(dá)28.3萬(wàn)億m3，“拯救了正陷于資源枯竭中的美國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)”[20]。而在歐洲，由沼氣凈化和提純得到的“生物天然氣”正在形成大的“氣候”[21]。

20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，沼氣在歐盟國(guó)家的利用態(tài)勢(shì)發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)折，進(jìn)入一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)化和商品化階段。如今，在不少歐盟國(guó)家，尤其是德國(guó)、瑞典、奧地利等，由城市和鄉(xiāng)村的固、液有機(jī)廢棄物加上專用能源作物產(chǎn)出的沼氣，經(jīng)凈化和提純成為生物天然氣，或直接通入天然氣管網(wǎng)，或以壓縮氣方式送至汽車加氣站。正在成為一大可再生能源產(chǎn)業(yè)[22]。

大規(guī)模生產(chǎn)的沼氣不但替代煤發(fā)電和供熱(熱電聯(lián)產(chǎn)，CHP)，而且凈化和提純后(“生物天然氣”)還替代天然氣作為車用燃料和民用燃?xì)?。瑞典、奧地利和瑞士已分別有數(shù)萬(wàn)輛使用生物天然氣的汽車。德國(guó)2010年已有5000座大型沼氣工廠，以往沼氣主要用于熱電聯(lián)產(chǎn)，2009年發(fā)電產(chǎn)能達(dá)1597 MW，超過(guò)水電而僅次于風(fēng)電(德國(guó)是全球第一風(fēng)電大國(guó))。預(yù)計(jì)到2020年，沼氣發(fā)電產(chǎn)能將占總發(fā)電產(chǎn)能的10%。近年來(lái)，開(kāi)始轉(zhuǎn)向經(jīng)凈化和提純成為生物天然氣后，直接注入天然氣管網(wǎng)或用壓縮罐送至汽車加氣站。出現(xiàn)以上態(tài)勢(shì)的背景，首先是歐盟的《生物燃料指令》規(guī)定到2010年底，生物燃油在交通運(yùn)輸燃油總消費(fèi)量中的比例必須不少于5.75%，以及出臺(tái)對(duì)替代燃油的補(bǔ)貼政策。其次是這些國(guó)家的政府希望擴(kuò)大清潔能源，包括由可再生能源生產(chǎn)的所謂“綠色電能”的使用，從而大幅度減少溫室氣體的排放量;再次是為了減少對(duì)從俄羅斯進(jìn)口天然氣的過(guò)分依賴，提高能源自給水平。

北歐國(guó)家地處泰加原始森林，林木采伐和下腳料資源極其豐富。地處寒溫帶至寒帶的這些國(guó)家常年有長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月的取暖期。以往取暖的能源主要靠電和天然氣。20世紀(jì)70年代的世界能源危機(jī)，激發(fā)了對(duì)森林資源的開(kāi)發(fā)利用。樹(shù)皮、鋸末、枝叉及木材加工下腳料是最主要的生物質(zhì)原料，其次是農(nóng)作物秸稈。為了適應(yīng)工業(yè)化利用的需要，松散、體積大而能量密度低的生物質(zhì)原料必須通過(guò)壓粒(pellet)或壓塊(briquette)，改變形態(tài)、能值特性，燃燒效率大幅度提高。為此，以瑞典為代表的歐洲國(guó)家的的科研單位和生物能企業(yè)對(duì)壓粒(塊)工藝和設(shè)備開(kāi)發(fā)做了大量的工作。僅瑞典一國(guó)即有十幾家制造壓粒(塊)設(shè)備及其附帶的取暖、發(fā)電設(shè)備的跨國(guó)企業(yè)。早在2002年，瑞典全國(guó)采暖用能總量(546億kW·h)中，來(lái)自生物質(zhì)能的已占到60%。2005年生物質(zhì)顆粒(塊)燃料的消費(fèi)量達(dá)150萬(wàn)t，比上一年增加25%;此后繼續(xù)快速增長(zhǎng)，2009年已超過(guò)200萬(wàn)t。

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