田望，廖翠萍，李莉，趙黛青

1 中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

2 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640

玉米秸稈基纖維素乙醇生命周期能耗與溫室氣體排放分析

田望1,2，廖翠萍2，李莉2，趙黛青2

1 中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

2 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640

生命周期評價是目前分析產(chǎn)品或工藝的環(huán)境負荷唯一標準化工具，利用其生命周期分析方法可以有效地研究纖維素乙醇生命周期能耗與溫室氣體排放問題。為了定量解釋以玉米秸稈為原料的纖維素乙醇的節(jié)能和溫室氣體減排潛力，利用生命周期分析方法對以稀酸預(yù)處理、酶水解法生產(chǎn)的玉米秸稈基乙醇進行了生命周期能耗與溫室氣體排放分析，以汽車行駛1 km為功能單位。結(jié)果表明：與汽油相比，纖維素乙醇E100 (100%乙醇) 和E10 (乙醇和汽油體積比=1∶9) 生命周期化石能耗分別減少79.63%和6.25%，溫室氣體排放分別減少53.98%和6.69%；生物質(zhì)階段化石能耗占到總化石能耗68.3%，其中氮肥和柴油的生命周期能耗貢獻最大，分別占到生物質(zhì)階段的 45.78%和 33.26%；工廠電力生產(chǎn)過程的生命周期溫室氣體排放最多，占凈溫室氣體排放量的42.06%，提升技術(shù)減少排放是降低凈排放的有效措施。

纖維素乙醇，生命周期，能耗，溫室氣體

Abstract:Life Cycle Assessment (LCA) is the only standardized tool currently used to assess environmental loads of products and processes. The life cycle analysis, as a part of LCA, is a useful and powerful methodology for studying life cycle energy efficiency and life cycle GHG emission. To quantitatively explain the potential of energy saving and greenhouse gas (GHG)emissions reduction of corn stover-based ethanol, we analyzed life cycle energy consumption and GHG emissions of corn stover-based ethanol by the method of life cycle analysis. The processes are dilute acid prehydrolysis and enzymatic hydrolysis. The functional unit was defined as 1 km distance driven by the vehicle. Results indicated: compared with gasoline, the corn stover-based E100 (100% ethanol) and E10 (a blend of 10% ethanol and 90% gasoline by volume) could reduce life cycle fossil energyconsumption by 79.63% and 6.25% respectively, as well as GHG emissions by 53.98% and 6.69%; the fossil energy consumed by biomass stage was 68.3% of total fossil energy input, N-fertilizer and diesel were the main factors which contributed 45.78% and 33.26% to biomass stage; electricity production process contributed 42.06% to the net GHG emissions, the improvement of technology might reduce emissions markedly.

Keywords:cellulosic ethanol, life cycle, energy consumption, greenhouse gas emission

隨著石油危機和溫室氣體排放的增加，以農(nóng)業(yè)和林業(yè)等廢棄生物質(zhì)為原料的纖維素乙醇已成為全世界共同關(guān)注的焦點。纖維素乙醇作為第二代生物燃料乙醇，與第一代生物乙醇相比，生產(chǎn)原料具有不與糧食爭地的優(yōu)勢，是目前的研究熱點。

生命周期評價是對某個產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝過程在其整個生命周期的所有投入以及產(chǎn)出對環(huán)境所造成的潛在影響進行的分析和評價。利用生命周期分析方法對纖維素乙醇生產(chǎn)和使用過程的能量效率與溫室氣體排放進行系統(tǒng)分析和評價,對于纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國家替代燃料戰(zhàn)略規(guī)劃的制訂都具有重要意義。

目前，國外針對纖維素乙醇的生命周期能耗、環(huán)境和成本評價已有部分研究成果[1-5]，但是至今國內(nèi)還沒有相關(guān)研究成果。

本文利用生命周期分析方法，對以玉米秸稈為原料的酶水解法制乙醇進行能耗與溫室氣體排放分析，并根據(jù)纖維素乙醇在生命周期各階段的能耗和溫室氣體排放特征提出相應(yīng)建議，以期為促進我國纖維素乙醇的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究對象與研究范圍

在目前第二代生物燃料乙醇技術(shù)路線的選擇上，中國專家指出應(yīng)優(yōu)先發(fā)展玉米秸稈酶水解路線[6]。本文采用美國可再生能源實驗室 (NREL) 的玉米秸稈稀酸預(yù)處理、酶水解法制乙醇的技術(shù)路線[7]。Yang等[8]研究表明，在中國，該技術(shù)路線在成本方面是有可行性的。本文以纖維素乙醇E100 (100%乙醇)、E10 (乙醇和汽油體積比=1∶9) 為研究對象，分析其生命周期能耗和溫室氣體排放特征，并將其與普通汽油的情況進行對比，提出相應(yīng)改進建議。

以汽車行駛1 km為功能單位。系統(tǒng)邊界如圖1所示。整個系統(tǒng)分為 4個階段：生物質(zhì)階段、燃料生產(chǎn)階段、燃料運輸分銷階段和燃料使用階段。生物質(zhì)階段包括秸稈種植、收集、儲存運輸?shù)冗^程；燃料生產(chǎn)階段包括乙醇生產(chǎn)、汽油生產(chǎn)、混配等過程。本文考慮了生物質(zhì)階段的生產(chǎn)設(shè)備制造能耗和排放情況，但對于乙醇工廠基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，由于數(shù)據(jù)缺乏，僅對其溫室氣體排放作了估算，并未考慮其能耗情況。燃料運輸分銷、使用階段汽車的制造及人力消耗不在系統(tǒng)邊界內(nèi)。

2 計算方法及評價指標

2.1 生命周期能耗

式中，E總為纖維素乙醇生命周期投入的總能量，MJ；E化為生命周期投入的化石能量，MJ；E生為生命周期投入的生物質(zhì)能，MJ；E物為生命周期投入的物質(zhì) (化肥、石灰等) 所帶來的化石能量，MJ；E能為纖維素乙醇生命周期直接投入的化石燃料(柴油、電力等)，MJ；i為投入的物質(zhì)種類；j為化石燃料j的類別；EFj為得到1MJ化石燃料j所需投入的能量，MJ/MJ；MFi,j為得到1 kg物質(zhì)i所需投入的化石燃料j的量, MJ/kg；Mi為生命周期投入的物質(zhì) i的質(zhì)量,kg；Nj為生命周期直接投入的化石燃料j的量, MJ；S為投入的秸稈量,kg；e為單位秸稈所包含的能量，MJ/kg。

圖1 玉米秸稈基乙醇生命周期過程Fig. 1 Life cycle of corn stover-based E10 and ethanol.

纖維素乙醇生命周期能耗評價指標包括能量轉(zhuǎn)化效率 (ETE)、凈能量輸出 (NEV)、化石能效比(NER)。

E乙醇為對應(yīng)產(chǎn)出的乙醇所含的能量。

2.2 溫室氣體排放

根據(jù)文獻[9]，全球變暖潛值計算公式為：

纖維素乙醇生命周期溫室氣體凈排放量 (NGEV)

計算公式如下，公式中的元素見表1：

表1 計算公式 (10-13) 中元素解釋Table 1 Elements explanation of formula 10-13

3 數(shù)據(jù)采集與分配程序

3.1 生命周期各階段的基礎(chǔ)輸入

3.1.1 原料種植

玉米種植以我國河北地區(qū)為例。玉米種植過程中所需的氮、磷、鉀肥、農(nóng)藥施用量以及玉米產(chǎn)量來自于文獻[10-11]?；噬a(chǎn)能耗排放來自文獻[12]，種子和農(nóng)藥生產(chǎn)的能耗排放數(shù)據(jù)來自文獻[13-14] (表2)。由于施用氮肥引起的土壤N2O排放，按文獻[15]估算。噸鋼生產(chǎn)能耗取自文獻[16]。

表2 原料種植過程中農(nóng)資生產(chǎn)的能耗Table 2 Energy consump tion in the production of fertilizer, seed and pesticide in the growth of rape

3.1.2 玉米秸稈的收集、儲存和運輸

玉米秸稈能量密度較低，分布分散。秸稈收集區(qū)域是一個以收儲站為圓心的圓形區(qū)域。物質(zhì)、能量消耗及排放主要來自運輸設(shè)備的使用。計算公式如下，

公式中的元素見表3。

表3 計算公式 (14-15) 中元素解釋Table 3 Elements explanation of formula 14-15

秸稈在收儲站經(jīng)過打包、轉(zhuǎn)運、堆垛、拆垛、裝車等工序后，運往乙醇生產(chǎn)工廠。這個過程基本參數(shù)如表4所示。

3.1.3 燃料乙醇生產(chǎn)

纖維素乙醇工廠的數(shù)據(jù)來自于文獻[7]。工廠基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的溫室氣體排放為產(chǎn)品乙醇使用排放的10%[17]。工廠在生產(chǎn)過程中加入的凈水劑、石灰、硫酸、酶等物質(zhì)的上游能耗來源于文獻[18-22]。生產(chǎn)過程中排放的廢渣運往垃圾填埋場處理，運輸距離和填埋場的數(shù)據(jù)來自于文獻[23-24]。

乙醇出廠后運往混配廠進行E10的生產(chǎn)，運輸距離假設(shè)為350 km[12]?；炫鋸S的能耗數(shù)據(jù)取自文獻[12]。汽油生產(chǎn)的能耗排放數(shù)據(jù)來自文獻[25]。

3.1.4 燃料運輸分銷和使用

燃料乙醇運輸分銷距離假設(shè)為500 km[23]。燃料使用階段排放的數(shù)據(jù)來自文獻[26]。對與同一輛試驗車，汽油車百公里消耗普通汽油9.28 L[26]，百公里消耗E10為9.66 L[26]。假設(shè)E100可直接在汽車上使用，其百公里消耗按照與汽油的熱值比折算。

3.2 生命周期計算公式的輸入數(shù)據(jù)

能源系數(shù) (EFj)、碳潛在排放系數(shù) (CCj)、排放因子等數(shù)據(jù)如表5所示。

3.3 分配程序

共生產(chǎn)品的分配是生命周期評價中重要的環(huán)節(jié)。由于工廠有多余電力輸出，在纖維素乙醇整個生命周期過程中，有 2個需要分配的地方：玉米和秸稈；乙醇和多余電力的輸出。本文采用價值比分配方法對其生命周期能耗和溫室氣體排放進行分配。

玉米的草谷比為1.25∶1[28]。秸稈和玉米的市場價格分別為0.269 元/kg、1.9 元/kg。Sheehan等[29]的研究表明，至多60%的秸稈可用來收集并進行乙醇生產(chǎn)，即秸稈可利用系數(shù)為60%。

工廠每生產(chǎn)1 kg乙醇，就有0.04 (kw·h)的電力輸出。河北省生物質(zhì)電廠的價格為0.813 元/(kw·h)[30]，在中國，燃料乙醇的出廠價格等于 90#汽油出廠價格乘以0.911，即6.63 元/kg。通過計算，分配結(jié)果如表6所示。

表4 收儲站各個工序基本參數(shù)Table 4 Basic parameter of each procedure in storage areas

表5 化石燃料能源系數(shù)、排放因子aTable 5 nergy factors, GHG emission factors for fuel ja

表6 經(jīng)濟價值比分配Table 6 Partitioning ratio for economic allocation

4 結(jié)果與分析

以前述計算方法和數(shù)據(jù)，對每一過程單元進行清單分析。各過程單元之間的系統(tǒng)連接及影響分析通過生命周期評價軟件GaBi 4.3實現(xiàn)，如圖2所示(以 E100 為例)。

圖2 纖維素乙醇E100生命周期輸入輸出分析Fig. 2 Input-Output analysis of each process.

4.1 生命周期能耗

纖維素乙醇E100、E10的生命周期總能耗與汽油總能耗的對比見圖3。每功能單位對應(yīng)的E100、E10生命周期總能耗分別為7.442 MJ、4.162 MJ，比汽油分別高 91.1%、6.86%，但是纖維素乙醇的能耗主要來自可再生能源，E100和E10的生命周期化石能源消耗分別較汽油減少79.63%和6.25%。

纖維素乙醇 E100生命周期各個階段化石能耗如圖 4所示。原料種植和秸稈收儲運是化石能耗最大的兩個過程，尤其是原料種植過程占到生命周期化石總能耗的40.8%。

以E100為例，在生物質(zhì)種植過程中，共投入生命周期化石能耗3.39 MJ/km，按價值比分配，分配到秸稈上的能耗為0.325 MJ/km；同理，在乙醇出廠之前共投入化石能源0.752 MJ/km，分配到乙醇上的能耗為0.748 MJ/km。

圖 5詳細展示了生物質(zhì)階段的各個因素的化石能耗貢獻，其中氮肥生命周期化石能耗最大，占到該階段的45.78%，柴油占到33.26%。在燃料生產(chǎn)階段，預(yù)處理過程的生命周期化石能耗最大，這是因為該階段投入的石灰和硫酸的上游生產(chǎn)能耗較大。

降低纖維素乙醇生命周期能耗采取以下措施可帶來明顯效果：1) 提升農(nóng)機的柴油使用效率；2) 減少煤基氮肥的生產(chǎn)，改用天然氣為原料的氮肥生產(chǎn)；3) 提升預(yù)處理效率，減少石灰和硫酸的使用量。

纖維素乙醇的能量轉(zhuǎn)化效率 (ETE)、凈能量輸出(NEV)、化石能效比(NER)情況如表7所示。

4.2 生命周期溫室氣體排放

纖維素乙醇E100、E10的生命周期溫室氣體排放與汽油排放的對比見表 8。結(jié)果表明，纖維素乙醇在溫室氣體排放方面比汽油更有優(yōu)勢。纖維素乙醇E100、E10生命周期溫室氣體凈排放量 (NGEV)分別比汽油明顯降低了53.98%和6.69%，這是因為秸稈在生長過程中吸收了大量的CO2。

圖3 纖維素乙醇E100、E10與汽油的生命周期總能耗Fig. 3 Life cycle energy consumption of E100, E10 and gasoline.

圖4 纖維素乙醇E100生命周期各個階段化石能耗Fig. 4 Fossil energy consumption of each stage. CST:collection, storage and transport; TSD: fuel transport, storage and distribution.

圖5 生物質(zhì)階段各個因素的化石能耗貢獻Fig. 5 Factors decomposition of fossil energy input in biomass stage.

纖維素乙醇生命周期各個過程溫室氣體排放如表9所示。對于E100，乙醇生產(chǎn)階段溫室氣體排放最多，占到凈排放量62.32%，這是因為乙醇工廠中僅電力生產(chǎn)過程的排放已達到凈排放量的42.06%。提升乙醇工廠技術(shù)以減少溫室氣體排放是有效措施之一。

表7 纖維素乙醇能耗評價指標結(jié)果Table 7 Results of energy indexes of cellulosic ethanol

表8 溫室氣體排放分析結(jié)果Table 8 GHG emissions results

表9 纖維素乙醇生命周期各個過程溫室氣體排放Table 9 GHG emission of each process

以E100為例，在生物質(zhì)種植過程中，生命周期溫室氣體排放為294.8 g CO2,e/km，按價值比分配，分配到秸稈上的排放為28.3 g CO2,e/km；同理，在乙醇出廠之前共排放474.8 g CO2,e/km，分配到乙醇上的排放量為472.4 g CO2,e/km。

4.3 與國外研究結(jié)果對比

文獻[31]對玉米秸稈基纖維素乙醇E100也做了生命周期分析研究，其采用的纖維素乙醇生產(chǎn)路線與本文的一致。 該文獻的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全部來自于加拿大。本文在秸稈收集系數(shù)、運輸方式和距離等基礎(chǔ)參數(shù)的選擇上與文獻[31]的對比如表10所示，其中秸稈運輸距離和乙醇運輸距離差別較大。但從表11可以看出，秸稈運輸和乙醇運輸過程排放的溫室氣體的基數(shù)很小，而且文獻[31]與本研究的差距主要在于乙醇生產(chǎn)過程的溫室氣體排放。本研究的凈排放量 (NGEV) 約是文獻[31]的3倍 (表11)。這主要是由于：1) 中國的化學(xué)物質(zhì)上游生產(chǎn)的排放較高，例如硫酸、石灰等化工品的生產(chǎn)排放；2) 中國的能源上游生產(chǎn)的排放較高，如電力、柴油等燃料的生產(chǎn)排放。

表10 基礎(chǔ)參數(shù)對比Table 10 Comparison of underlying parameter

表11 玉米秸稈基乙醇生命周期溫室氣體排放對比Table 11 Comparison of GHG emission results for corn stover-based ethanol between Canada and China

5 結(jié)論與展望

以玉米秸稈為原料，采用稀酸預(yù)處理、酶水解法生產(chǎn)的E100、E10生命周期化石能源消耗分別為0.793 MJ/km、3.651 MJ/km, 分別較汽油減少了79.63%和6.25%。

原料種植和秸稈收儲運是化石能耗最大的兩個過程，氮肥和柴油是導(dǎo)致該階段高能耗的主要因素。在燃料生產(chǎn)階段，預(yù)處理過程的生命周期化石能源消耗最大。降低能耗的具體措施包括：提高農(nóng)機的柴油使用效率；減少煤基氮肥的生產(chǎn)，改用天然氣為原料的氮肥生產(chǎn)；提高預(yù)處理效率，減少石灰和硫酸的使用量等。

玉米秸稈基乙醇的凈能量輸出、化石能效比均好于汽油，E100化石能效比高達 3.653。與汽油相比，玉米秸稈基乙醇可顯著減少溫室氣體排放，E100和E10的凈排放減少率達53.98%和6.69%。乙醇工廠中，電力生產(chǎn)過程溫室氣體排放最多，提升生產(chǎn)技術(shù)可以明顯減少溫室氣體排放。本文基于生命周期評價理論對纖維素乙醇的能耗與溫室氣體排放進行了分析,下一步將對纖維素乙醇的其他環(huán)境影響進行評價。

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Life cycle assessment of energy consumption and greenhouse gas emissions of cellulosic ethanol from corn stover

Wang Tian1,2, Cuiping Liao2, Li Li2, and Daiqing Zhao2
1 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
2 Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China

Received: October 10, 2010; Accepted: January 6, 2011

Supported by: Knowledge Innovation Project of The Chinese Academy of Sciences (No. 0907y11001), Energy Foundation (No. G-0911-11745).Corresponding author: Daiqing Zhao. Tel: +86-20-87057601; Fax: +86-20-87057761; E-mail: zhaodq@ms.giec.ac.cn

中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目 (No. 0907y11001)，美國能源基金會 (No. G-0911-11745) 資助。