解云翔

(利茲大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，英國(guó)西約克郡 LS29JT)

中國(guó)目前面臨兩大嚴(yán)峻的能源挑戰(zhàn)：一是能源需求提高和價(jià)格上漲，對(duì)進(jìn)口能源的依賴性日益提升，以煤炭為基礎(chǔ)的能源供應(yīng)方式亟需改變; 二是農(nóng)村能源安全，城鄉(xiāng)不平等以及黑碳與溫室氣體排放問(wèn)題。作為世界上最大的碳排放國(guó)，政府正積極尋找降低化石能源消耗的方式以應(yīng)對(duì)環(huán)境危機(jī)。根據(jù)《巴黎協(xié)定》[1]設(shè)定的“將全球平均氣溫升幅控制在比工業(yè)化前水平高出2℃ 以內(nèi)”的長(zhǎng)期氣候目標(biāo)，國(guó)際社會(huì)把發(fā)展重心放在各種負(fù)排放技術(shù)，以求在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)近零甚至凈負(fù)排放。然而，根據(jù)國(guó)際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)[2]，中國(guó)未來(lái)對(duì)化石燃料的需求將繼續(xù)增加，到 2040年，中國(guó)的人均能源消耗量將超過(guò)歐盟，進(jìn)而導(dǎo)致一系列與氣候變化和生物多樣性相關(guān)的環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，政府于2020年9月宣布了一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃，從2021年減少碳排放并于2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，從而提高人們的生活質(zhì)量和福祉，并促進(jìn)國(guó)家發(fā)展。

具有碳捕捉和儲(chǔ)存性能的生物能源已成為煤炭、石油和天然氣之后的世界第四大能源，2016年約占全球可再生能源供應(yīng)的70%，成為各國(guó)替代化石燃料的重要替代品。生物能源可以被用作家庭燃料，也可提供電網(wǎng)電力、熱能和液體生物燃料。生物質(zhì)是提供生物能源的原料，它是一種從農(nóng)業(yè)或森林廢物中提取的天然材料、有機(jī)廢物、動(dòng)物尸體、農(nóng)家肥和城市垃圾等(見(jiàn)圖1)。由于中國(guó)的生物質(zhì)儲(chǔ)量豐富，政府與從業(yè)者也因此嘗試研究利用生物質(zhì)資源發(fā)電、供暖，并在近幾十年不斷取得進(jìn)展。

圖1 生物質(zhì)的四種來(lái)源

1 中國(guó)生物質(zhì)資源及潛力評(píng)估

消費(fèi)是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動(dòng)力，而居住在中國(guó)60%以上人口的農(nóng)村地區(qū)是中國(guó)生物能源消費(fèi)的主要部分，他們通過(guò)燃燒農(nóng)作物秸稈來(lái)做飯和取暖。為了鼓勵(lì)生物質(zhì)發(fā)電，中國(guó)國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)(發(fā)改委)制定了多項(xiàng)鼓勵(lì)政策用于支持生物能源的發(fā)展，并于2006年設(shè)置了高額補(bǔ)貼。然而，由于生物質(zhì)生產(chǎn)的分散、小規(guī)模和季節(jié)性的特點(diǎn)讓生物質(zhì)發(fā)電廠的原料成本高于預(yù)估。因此，市場(chǎng)壟斷現(xiàn)象在2000年初期時(shí)有發(fā)生，那時(shí)中國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電廠投資并沒(méi)有成本效益。但是，在2004-2006年，中國(guó)擁有大約1.3億公頃的農(nóng)田，每年產(chǎn)生超過(guò)6億噸的農(nóng)作物殘留物[3]。因此，如果以高效并且低成本方式(例如用較小規(guī)模的發(fā)電機(jī)組或加入其他材料與生物質(zhì)混合燃燒)對(duì)這些農(nóng)業(yè)殘留物加以利用，他們每年生產(chǎn)出來(lái)的能量將會(huì)帶來(lái)巨大效益。政府認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)并尋求解決方案，2007年，國(guó)家發(fā)改委在中國(guó)可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中提出：增加生物質(zhì)利用，并計(jì)劃于2020年達(dá)到有機(jī)垃圾發(fā)電機(jī)容量700萬(wàn)千瓦。因此，從2006年至今，生物能源技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，從業(yè)者們也對(duì)中國(guó)生物能源潛力進(jìn)行大量的批判性評(píng)估。

一項(xiàng)全面評(píng)估了位于中國(guó)邊緣土地的非食品能源植物的生物能源潛力的研究結(jié)果[4]表明，中國(guó)適合能源植物生長(zhǎng)的邊際土地總面積達(dá)13 034萬(wàn)公頃。這項(xiàng)2011年的研究給中國(guó)生物能源的發(fā)展注入了強(qiáng)大的信心與客觀動(dòng)力，因?yàn)閮H僅將這片土地的三十分之一用于種植能源植物，生物燃料的產(chǎn)量就將到達(dá)1 339萬(wàn)噸(國(guó)家可再生能源發(fā)展規(guī)劃預(yù)計(jì)到2020年非食用植物開(kāi)發(fā)生物燃料1 200萬(wàn)噸)。這對(duì)中國(guó)具有重要意義，它對(duì)種植后將提高邊際土地利用率(邊際土地占中國(guó)總土地面積的12.9%)和生物多樣性的預(yù)測(cè)提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。同年，另一項(xiàng)研究分析了在中國(guó)用芒草這種擁有強(qiáng)大根莖和根系的植物用于二代能源作物的可行性。研究結(jié)果是積極的，因?yàn)榧s14種芒草類植物中有7種原產(chǎn)于中國(guó)，物種豐富度高。因此，把這兩項(xiàng)同年的研究結(jié)合起來(lái)，在邊際地區(qū)種植芒草將是一項(xiàng)明智且值得選擇的政策。隨著時(shí)間推移，2017年的一項(xiàng)研究[5]分析了對(duì)土地退化與荒漠化嚴(yán)重的黃土高原(邊際土地)實(shí)施種植生物能源原料政策的可行性，分析結(jié)果顯示這將有效緩解土壤流失。更重要的是，在黃土高原種植高生物量產(chǎn)量的植物具有增加森林覆蓋率、擴(kuò)大農(nóng)田、固碳和創(chuàng)造可持續(xù)的植被恢復(fù)系統(tǒng)等益處，同時(shí)還會(huì)為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來(lái)更高經(jīng)濟(jì)回報(bào)?？梢?jiàn)，僅僅是關(guān)于邊際土地的利用就顯示出了中國(guó)進(jìn)行生物質(zhì)能源原料單獨(dú)種植的巨大潛力。

作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)有大量農(nóng)業(yè)殘留物資源(見(jiàn)圖2)。以農(nóng)作物秸稈為首農(nóng)業(yè)殘留物是生產(chǎn)生物能源最主要的原材料之一，因?yàn)樗麄円子谑占页杀据^低。有從業(yè)者于2020年[6]建立了一個(gè)評(píng)估繼續(xù)秸稈的能源利用技術(shù)的綜合模型，計(jì)算了生態(tài)秸稈還田量，可利用秸稈資源分布與密度，平均最大經(jīng)濟(jì)收益半徑和可用殘留物的潛在數(shù)量。評(píng)估模型以數(shù)據(jù)直觀展現(xiàn)出了在環(huán)境和成本約束下的中國(guó)秸稈資源潛力，并顯示出黑龍江與內(nèi)蒙古不適宜規(guī)劃實(shí)施秸稈能源項(xiàng)目，但中西部地區(qū)非常適宜。因此，從技術(shù)與成本和秸稈資源量的角度看，中國(guó)有繼續(xù)發(fā)展生物能源的潛力，未來(lái)能源供應(yīng)中生物能源的占比將繼續(xù)提升。2020年，有研究人員以中國(guó)為例，基于地理信息系統(tǒng)評(píng)估了農(nóng)業(yè)廢棄物用于生物能源的可持續(xù)潛力，結(jié)果證實(shí)了各省份農(nóng)業(yè)殘留物的潛力巨大，最大為每年27.8 TWH。即使應(yīng)用的方法與研究渠道不同，但這些隨著時(shí)間進(jìn)展的越來(lái)越具有突破性的研究都表明了中國(guó)發(fā)展生物能源的巨大潛力。因此，中國(guó)政府應(yīng)加大投資并更多關(guān)注生物質(zhì)能這一清潔能源，它帶來(lái)的益處也遠(yuǎn)不止為電地?zé)崽峁┣鍧嶋娫?，降低碳排放，這是一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略選擇。

圖2 生物質(zhì)能的幾種原料：秸稈，葵花籽，廢棄木料等

2 生物能源的益處與中國(guó)生物能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

2015至2017年間[7]，24個(gè)國(guó)家的137名專家聯(lián)合分析了與生物能源生產(chǎn)和可持續(xù)性相關(guān)的一系列問(wèn)題，專家一致認(rèn)為生物能源對(duì)緩解氣候變化具有顯著作用。生物質(zhì)發(fā)電也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，但比化石燃料少。一項(xiàng)調(diào)查選取印度北方邦進(jìn)行了生物質(zhì)能與不可再生能源的溫室氣體排放對(duì)比與評(píng)估，其結(jié)果再次證實(shí)了生物質(zhì)能顯著減少二氧化碳等溫室氣體排放的事實(shí)。因此，在生物質(zhì)能發(fā)電這種循環(huán)經(jīng)濟(jì)中，緩解氣候變化的作用會(huì)很大程度增強(qiáng)政府投資的信心，這也是生物質(zhì)能的最大優(yōu)勢(shì)之一。同時(shí)，生物質(zhì)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)所需要建設(shè)的工廠與設(shè)備的造價(jià)與經(jīng)濟(jì)成本低，擁有低投入高回報(bào)的屬性。在種植生物質(zhì)源材料的地區(qū)，當(dāng)?shù)氐耐寥蕾|(zhì)量，水質(zhì)和數(shù)量，生物多樣性，空氣質(zhì)量和生產(chǎn)力均有所提升，這是生物能源產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的巨大環(huán)境優(yōu)勢(shì)。因此，從業(yè)者與政府甚至不需要再為分析生物質(zhì)能的優(yōu)勢(shì)而花費(fèi)時(shí)間，現(xiàn)有的資料與調(diào)研結(jié)果已經(jīng)證實(shí)了它的諸多益處。

進(jìn)行利益相關(guān)者分析時(shí)，一項(xiàng)研究[8]試探性地探索了中國(guó)農(nóng)民對(duì)發(fā)展森林生物能源的看法：來(lái)自8個(gè)省份的573戶家庭的受訪者中，33%的人愿意使用生物能源并參與到基地建設(shè)中。因?yàn)槲挥谏锬茉椿刂車漠?dāng)?shù)剞r(nóng)民是真正的參與者和利益相關(guān)者，所以他們對(duì)于這項(xiàng)復(fù)雜的過(guò)程的認(rèn)知和支持度非常重要。在英國(guó)，多位研究人員認(rèn)為，有必要詳細(xì)了解農(nóng)民的觀念，從而提前他們經(jīng)營(yíng)森林和落實(shí)相關(guān)政策的積極性并得到公眾支持。因此，提高農(nóng)民的接受程度將是從業(yè)者研究的重點(diǎn)任務(wù)，廣泛的互動(dòng)交流，公眾參與和集體學(xué)習(xí)是合適的途徑。另一項(xiàng)非常相關(guān)的利益相關(guān)者分析是關(guān)于電力消費(fèi)者的，他們對(duì)于生物質(zhì)電力的接受度和支付意愿是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動(dòng)力。2018年的一項(xiàng)關(guān)于中國(guó)公眾對(duì)生物質(zhì)發(fā)電偏好的分析表明，消費(fèi)者對(duì)于生物質(zhì)電力的接受度與他們的學(xué)歷呈正相關(guān)，學(xué)歷越高則接受度越高。該研究還發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)受訪的消費(fèi)者因生物質(zhì)發(fā)電能減少霧霾而展示出強(qiáng)烈的支付意愿?？梢钥闯?，利益相關(guān)者會(huì)因?yàn)槟稠?xiàng)技術(shù)對(duì)于生態(tài)有利而樂(lè)于接受，總的來(lái)說(shuō)，中國(guó)的利益相關(guān)者普遍接受生物能源的發(fā)展。

當(dāng)前，生物質(zhì)能在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀呈持續(xù)向好趨勢(shì)，在政府政策和財(cái)政激勵(lì)措施下達(dá)后，中國(guó)正從以作物為基礎(chǔ)的生物能源向非以作物為基礎(chǔ)過(guò)渡。但是，中國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電起步較晚且占比較小，政府于2003年才陸續(xù)批準(zhǔn)了有關(guān)秸稈發(fā)電的項(xiàng)目，相比于世界上從1970年就開(kāi)始起源，中國(guó)還需要在該領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展。在2017年底，中國(guó)生物質(zhì)發(fā)電機(jī)容量已達(dá)14.76 GW。因此，政府的政策與資金支持已經(jīng)使中國(guó)的生物能源產(chǎn)業(yè)位居世界前列，但是還有大量潛力等待開(kāi)發(fā)，未來(lái)發(fā)展仍前景光明。

3 生物能源和生物燃料的局限性

一些研究表明，在中國(guó)的農(nóng)村地區(qū)仍有許多人直接通過(guò)燃燒生物質(zhì)的方式做飯和取暖，這引發(fā)了許多關(guān)于生物質(zhì)能局限性和解決方案的討論。生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的劣勢(shì)包括融資渠道，核心技術(shù)，產(chǎn)業(yè)協(xié)同和過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)，并且如果處理不好，生物質(zhì)能的發(fā)展也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。這是因?yàn)橛行┢髽I(yè)的技術(shù)可能會(huì)產(chǎn)生二次污染和污染物的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此的解決方法是對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行全面的評(píng)估，從而避免泛美地區(qū)曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的生物多樣性流失的教訓(xùn)。然而，從更深層次的視角看，生物質(zhì)發(fā)電與光伏和風(fēng)能發(fā)電不同，它需要?jiǎng)趧?dòng)力來(lái)運(yùn)輸秸稈等農(nóng)業(yè)殘留物。這直接導(dǎo)致了成本的管控問(wèn)題，因?yàn)檗r(nóng)民是運(yùn)輸生物質(zhì)的主要?jiǎng)趧?dòng)力，但他們的運(yùn)輸效率不高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，秸稈收集成本占生物質(zhì)發(fā)電總成本的64%[2]。因此，一個(gè)值得思考的問(wèn)題是如何保證農(nóng)民收入的情況下降低秸稈的運(yùn)輸成本，同時(shí)保證企業(yè)的利潤(rùn)。

另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是關(guān)于使用生物質(zhì)燃燒進(jìn)行烹飪的人的健康問(wèn)題。中國(guó)縱向健康長(zhǎng)壽調(diào)查組織對(duì)65歲以上且使用生物質(zhì)燃料的老年人進(jìn)行健康狀況的檢查，內(nèi)容包括注意力、語(yǔ)言、記憶力、視覺(jué)和心里狀態(tài)等三十個(gè)項(xiàng)目，調(diào)查結(jié)果顯示生物質(zhì)燃料直接燃燒會(huì)增加老年人認(rèn)知障礙的風(fēng)險(xiǎn)[9]。對(duì)此，可能的解釋是生物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的氣體對(duì)人體造成了一定的損害，通風(fēng)設(shè)備不佳也是可能的原因。同年的另一項(xiàng)研究對(duì)中國(guó)南方農(nóng)村接觸生物質(zhì)燃料的女性進(jìn)行了代謝與身體機(jī)能的檢查，結(jié)果顯示她們患高血壓的概率更高。很大一部分原因是她們家中的通風(fēng)性過(guò)差，導(dǎo)致燃燒后的氣體堆積從而造成了家庭空氣污染(家庭空氣污染影響全球30億人，已導(dǎo)致250萬(wàn)人死亡)。因此，提高家庭通風(fēng)性能和改變農(nóng)村直接燃燒生物質(zhì)做到與取暖的傳統(tǒng)是適合的解決方案。

對(duì)于生物質(zhì)能發(fā)電，供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)是非常相關(guān)且值得注意的，因?yàn)楣?yīng)鏈的運(yùn)行不流暢，近年來(lái)中國(guó)不少生物質(zhì)發(fā)電廠商都是微利或虧損狀態(tài)。與太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電相比，生物質(zhì)能的供應(yīng)鏈復(fù)雜很多，包括種植、收獲、運(yùn)輸、聚合、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化生物質(zhì)等多個(gè)過(guò)程，并且它是一種生物活性物質(zhì)，不同于生物惰性的化石燃料[10]。在這種復(fù)雜的供應(yīng)鏈中，還夾雜著許多供應(yīng)商與服務(wù)商，中間的差價(jià)給生物質(zhì)電廠帶來(lái)了巨大的財(cái)政壓力。因此，政府在出臺(tái)各項(xiàng)激勵(lì)政策的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行資金扶持與供應(yīng)鏈調(diào)配，這樣才能從根本上解決生物能源發(fā)展的障礙，幫助企業(yè)走出困境。

4 中國(guó)生物能源和生物燃料的未來(lái)發(fā)展

在建設(shè)更具可持續(xù)性的城市道路中，清潔能源的利用是無(wú)法繞開(kāi)的話題，這也側(cè)面證實(shí)了作為最主要能源之一的生物質(zhì)能未來(lái)將繼續(xù)發(fā)展。本文之前的部分已經(jīng)分析過(guò)生物質(zhì)能從2006年至今的實(shí)質(zhì)性發(fā)展，因此本部分將從中國(guó)1998年開(kāi)始對(duì)生物質(zhì)能的展望開(kāi)始分析，進(jìn)而試探性判斷它的未來(lái)發(fā)展方向。1998年中國(guó)現(xiàn)有的利用生物質(zhì)能技術(shù)有直接燃燒、生物轉(zhuǎn)化、機(jī)械轉(zhuǎn)化和水解，共四種，并且從業(yè)者提出了改進(jìn)爐灶與沼氣技術(shù)，生物質(zhì)氣化與生物質(zhì)壓塊的展望。這四項(xiàng)展望于2006年前已經(jīng)全部做到，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的生物質(zhì)能公司雖然設(shè)備老舊效率低，但生物質(zhì)氣化與壓塊已完全具備能力與條件。在經(jīng)歷的十多年的發(fā)展后，從業(yè)者于2010年提出了新的愿景：新的生物能源工廠應(yīng)高度適應(yīng)當(dāng)?shù)赝恋夭⑶也黄茐沫h(huán)境，增加候選生物質(zhì)植物種類并進(jìn)行量產(chǎn)，發(fā)展更現(xiàn)代化的設(shè)備，增強(qiáng)荒地與沙漠的利用，特定場(chǎng)所應(yīng)用特定植物[11]。至此，由于國(guó)家下達(dá)的各種政策并提供部分資金支持，整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅速，相關(guān)企業(yè)數(shù)量翻倍，并且出現(xiàn)了更多關(guān)于生物質(zhì)能發(fā)電的生命周期評(píng)估框架。雖然仍處于起步階段，但已經(jīng)出現(xiàn)五種不同的生物質(zhì)直燃系統(tǒng)，與常規(guī)燃料共燃的混合系統(tǒng)也已普遍存在。在2020年，中國(guó)生物質(zhì)氣化和生物液體燃料的產(chǎn)生已經(jīng)形成規(guī)模，并成為世界第二大生物質(zhì)能生產(chǎn)國(guó)，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)與世界最高水平接近，但仍存在大量發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3 生物質(zhì)能提供的積極碳循環(huán)

歐盟于2018年提出了雄心勃勃的發(fā)展目標(biāo)：在2030年與2050年期間不斷擴(kuò)大生物能源在所有能源消耗中的占比，探索剩余的土地可用性，提高生物能源作物的產(chǎn)量并提高比率。關(guān)于未來(lái)幾十年的預(yù)測(cè)，隨著工業(yè)化進(jìn)程和全球人口的增加，生物質(zhì)作為最可靠的清潔能源之一，將繼續(xù)擴(kuò)大其比重，世界各國(guó)的相關(guān)技術(shù)也將不斷發(fā)展。因?yàn)檎陙?lái)制定各種相關(guān)政策，未來(lái)對(duì)于沙漠與邊緣土地的利用，技術(shù)的不斷提升，生物質(zhì)能在中國(guó)也因此將獲得更多關(guān)注，占更多能源比重。

生物能源已成為世界上最主要的化石燃料替代品之一，發(fā)展生物質(zhì)能可以把農(nóng)業(yè)廢棄物和城市垃圾有效利用起來(lái)去創(chuàng)造收益。更重要的是，它還能對(duì)國(guó)家內(nèi)的邊緣土地和荒漠進(jìn)行利用，從而帶來(lái)有固定土壤，緩解水土流失等等有利于環(huán)境和生物多樣性的諸多益處。然而，生物質(zhì)能也有產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜從而導(dǎo)致企業(yè)成本過(guò)高，盈利困難等局限性。在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)普遍存在的直接燃燒生物質(zhì)進(jìn)行做飯與取暖的行為會(huì)對(duì)人的身體帶來(lái)一些傷害。但是，有良好的解決方案去應(yīng)對(duì)這些障礙，同時(shí)利益相關(guān)者們也對(duì)繼續(xù)發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)表示支持。因此，政府于從業(yè)者將繼續(xù)致力于發(fā)展生物質(zhì)能技術(shù)以應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)化石能源的碳排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題與氣候危機(jī)，利用好該技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Γ瑥亩鵀榻ㄔO(shè)更具可持續(xù)性的城市做出貢獻(xiàn)。