创建时间:2021-06-09 09:42
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碳中和背景下的生物质能——深度脱碳绕不开的能源技术

 

文/ 孙李平 王娟 王佳林

 

生物质能源项目具有项目分散、项目类型多、涉及的主体多等特点,造成生物质能项目难以统计,而且很多类型的生物质能未纳入到商品能源,有的也没有纳入到能源统计范畴。从目前来看,同为可再生能源与风力发电和光伏发电相比,生物质能受到关注度不高,只有技术相对成熟的生物质直接发电技术受到关注较多。然而,从降低碳排放的角度来说,生物质能源具有负排放的特性,而且多元化的能源特性在能源领域进入深度脱碳阶段生物质能的价值尤为凸显。

 

1. 碳中和背景下的加快发展生物质能的必要性

 

双碳目标提出以来,新型电力系统是能源领域最为火热的话题之一。风力发电、光伏发电等新型电源被赋予了重要的历史使命,当然,生物质能源发电也将在其中发挥重要作用。但是,生物质能不仅仅是在电力系统发挥作用,还有新型能源系统领域和新材料领域。

1.1 当前能源转型抓手单一,亟需多元化能源技术

长期以来,全世界能源供应主要形式包括煤炭、石油、天然气和电力,多元化的能源供应支撑了整个社会的运转。为应对气候变化和减缓化石能源使用造成的环境污染,经过近20年的发展,风力发电和光伏发电技术成本快速下降,应用规模快速发展,部分国家可再生能源占比甚至超过了50%。可再生能源的产品主要以电力为主,其他固体、液体和气体形式的能源较少。电力是当前能源转型的主要抓手,生物质能发挥的作用较小。

国内外多数研究机构多数认为,未来能源转型的核心是提高终端的电气化水平,进而大幅提高全社会利用可再生能源的比例。电力的属性是生产与消费必须同步,而实际生产生活中很难实现电力生产与消费的同步,电力储存成为了必不可少的环节。若电力不是主要的能源形式,或者电力在能源系统中占比不高,少量的电力储存不会造成电力成本的显著增加。未来电力系统以风电和光伏发电为主要电源,大量的储能必不可少,势必造成用电成本的增加。

另外,与传统能源时代不同,海量的不确定性的电源点给电力系统安全运行带来巨大的挑战,未来电力安全运行形势不容乐观。

1.2 实现碳中和的难点在碳基材料

当今全球绝大多数化学品及下游塑料等制品来源于炼化行业。从碳排放的行业领域来看,电力、钢铁、水泥、有色、石化、煤化工等行业是碳排放的主要来源。电力、钢铁、水泥和有色可以通过调整能源结构来实现减排。而石化和煤化工制备以碳基为原料的工业和生活用品,这些产品必须依赖含碳材料为原料制备,低碳政策推行下碳基材料成为减排面临较大的技术难点。

1.3 风电和光伏发电仅能实现零碳排放

由于近些年风电、光伏的成本大幅下降,风电光伏仅能替代传统的化石能源发电,这些环境风电、光伏发电都是零碳排放,而生产制造风电、光伏发电设备的过程中仍存在的一定的排放,若实现产业链全部的零排放短期内尚有难度,或者说全产业链的零碳排放经济性欠佳。然而,生物质能源在生长的过程中一直在吸收二氧化碳,若制备成产品则二氧化碳一直储存在材料,直到通过燃烧等途径才释放到大气中,若燃烧过程中采用碳捕集的方式,则生物质能的使用属于负碳排放技术。

1.4 能源零排放与环境治理结合

有机废弃物的合理利用可以增加清洁能源的供应,同时可以改善环境,具有减污降碳的双重效应。我国城乡每年产生各类有机废弃物(含农林剩余物、生活垃圾、生活污泥、畜禽粪污、果蔬剩余物和工业有机废渣废液等)约63亿吨,折合标煤约8亿吨。

分散式的燃煤取暖方式能源效率低,又造成了环境污染。农作物秸秆、畜禽粪污、餐厨垃圾、农副产品加工废水等各类城乡有机废弃物是生物质能源的主要原料,若不充分利用,则会污染环境。通过采用生物质能供暖,既可以利用分散的生物质资源,又能减少生物质资料造成的环境。

1.5 农村地区能源使用条件亟待改善

随着农村地区经济条件的改善,人们对能源使用方式和能源使用的质量有了更高的要求。长期以来农村居民以薪柴和散烧煤为主要能源使用方式,能源使用效率低,室内空气污染严重,不利于居民的身体健康和生活环境的改善。因此,亟需新型技术改进能源使用条件,满足不断增长的能源消费需求。

 

2. 生物质能对实现碳中和的优势显著

 

2.1 生物质能的多元化能源特性

生物质能源可以制备成为固态、气态和液态等各种易于储存的能源形式,也可以以生物质能源原材料的形式,当然也可以用于最常见的发电。生物质以固体颗粒燃料的形式、或者制备出甲烷、氢气等可燃气体均可以利用既有的锅炉等供热和发电设备,一方面具备储能的功能,另一方面可以用于给电力系统调峰。

生物质制备的液体燃料可以满足飞机、汽车和船舶等交通工具使用。特别是,从减排的角度来说,飞机实现电动化的难度最大,采用生物质能源制备的航空燃油可以实现航空运输的零碳排放。英国动力系统提供商罗尔斯·罗伊斯大中华区总裁李安(Julian MacCormac)指出,航空业的碳排放量占到全球排放量的2%左右,不算一个排放的‘大户’,但在航空领域实现减排非常困难【1】。

2.2 生物质能利用可实现治污减排的协同效应

城市垃圾围城、农村秸秆直接燃烧污染和小型燃煤锅炉燃烧均是严重的环境污染的问题。实际上,解决上述领域的问题,都是生物质能源利用的重要场景,可以有效的改善城市、农村的环境,也能提高生物质的利用质量。

目前采用的小型燃煤锅炉一律关停的方式实际上没有考虑分散的用户用能需求,该类型众多的小型锅炉用户可以采用。

2.3 生物质能是解决农村能源碳中和的核心

从农村居民的能源消费构成来看,取暖是农村能源消费的重要组成部分,要实现农村能源的碳中和的关键以清洁的生物质替代散烧煤。

经济性是影响生物质能在农村清洁取暖应用中的的首要因素,“燃料适配炉具”是实现农村清洁取暖最经济、有效的措施。生物质专用炉具配套成型燃料作为一种重要的技术路径,经济效益、环保效益、社会效益显著,可在农村清洁取暖中发挥更大作用。

2.4 生物质能源可以提供更多就业岗位

与风电和光伏发电相比,生物质能源对当地的劳动力需求量更大。生物质能源开发利用项目是农业、工业和服务业融合发展的重要载体,具有产业链长、带动力强等特点,不仅可以解除农民农作物秸秆收割处置等后顾之忧,实现生产清洁化、废弃物资源化、产业模式生态化,提高农业可持续发展能力,有效促进农业绿色增长,而且也有利于解决当地部分农村劳动力就业问题。生物质能项目具有分布式的特点,因此可以解决就业覆盖的范围广,涉及的人群多。据测算,按年约 5400 万吨农林业废弃物计算,每年支付给农民的燃料收购款约 150 亿元,帮助了约 20 万户农民家庭脱贫致富。大规模的发展生物质能可以有力的促进就业,改善农村地区的收入水平,有利于深入推进美丽乡村建设和乡村振兴战略的实施。欧盟各类可再生能源发展均取得了较快的发展,然而生物质能领域提供的就业岗位高达46.8%。

 

3. 生物质能源应用面临的挑战

 

3.1 生物质能源项目尚处于发展初期、发展质量有待提高

与国际上相比,我国的生物质利用规模不高,技术水平有待进一步升级。丹麦的农林废弃物直接燃烧发电技术,挪威、瑞典、芬兰和美国的生物质混燃发电技术均处于世界领先水平。日本的垃圾焚烧发电发展迅速,处理量占生活垃圾无害化清运量的70%以上。

从生物质能的产业规模来看,相比风电和太阳能发电,生物质能的发展速度较慢,规模较小。截至2018 年年底,我国农林生物质发电装机803万千瓦,仅占非水可再生能源发电装机2%;当年我国非水可再生能源的总发电量为6700 亿千瓦时,其中农林生物质发电量为356 亿千瓦时,仅占5%。

目前生物基材料的制备技术尚不成熟,尚处于研发起步阶段,未来绿色转型需要向该领域投入更多研发资金,促进从石化基材料向生物基材料的转换。

3.2 生物质资源利用效率低

众所周知,生物质主要是由少量抽提物、半纤维素、木质素及纤维素组成。然而,我国木质纤维生物质长期处于单一组分资源化利用状态,导致其他组分被破坏、遗弃,造成生物质资源巨大浪费。

我国木质纤维生物质数量巨大,其中,仅秸秆生物质年产量就超过7亿吨,是造纸、化工、纺织和生物能源等工业领域的主要原材料。例如,传统造纸工业和纤维乙醇产业仅利用纤维素。生产1吨纤维乙醇,废料高达5吨。我国每年木质素产量超过1100万吨,但有效利用率不到20%。糠醛及木糖醇工业仅利用半纤维素,剩余物高达75%以上,资源浪费十分严重。传统生物质单一组分直接转化利用,存在的弊病是资源严重浪费、产品附加值低、环境重度污染。

3.3 生物质能源利用的经济性优势不足

与光伏、风电规模化发展成本显著降低不同,生物质发电不会随着行业规模的扩大而实现单位造价有大幅度的下降。生物质能也是可再生能源中唯一需要为原料付费的能源形式。生物质能源发电原材料的单位体积能量密度低,且燃料成本会仅在几十公里范围内较为合适。

现在很多地方推广煤改电、煤改气补贴期限是3年,相比煤改电、煤改气,生物质能取暖是更符合低碳发展理念的取暖方式,所以生物质取暖应该享受和改电、改气一样的补贴政策,甚至补贴力度应高于电和气,以此推动行业技术创新,逐步形成规模化发展。

当前我国生物质能源发展速度较为缓慢,主要缘于经济性没有比较优势。应丰富下游产品组合利用生物质能源,不能仅盯着电一个产品。要重点考虑制备生物基材料、气体和液体能源等产品,通过提升产品的附加值,从而改善生物质能项目的经济性。

 

4. 发展建议

 

生物质能源发展应以能源补充替代和改善生态环境为目标,以废弃生物质资源为主,培育有潜力的新型生物质资源,实现多元化资源供给。财政、税收和金融政策工具要充分结合生物质自身特点,接地气,有针对性。

4.1 强化生物质在实现碳中和路径的战略地位 

发展生物质能源为发展战略,一方面可以增加无碳能源时代能源供应零,另一方面能通过多种形态的能源供应形式丰富能源系统的灵活性和韧性,提高能源转型新形势下能源系统保障安全的能力。发展生物基材料是替代石化原料的必由之路,也是抢占材料领域竞争优势制高点的关键点。

4.2 以科技创新驱动,引领生物质能高质量发展

生物基新材料替代石化材料已是全球发展大势,限塑令也成为将塑料制品份额挤出市场的强有力的手段。我国的合成生物材料基础研究水平不够高,缺少专门从事基础原料和后续应用研究的公司,一定程度上制约着新技术和新材料的开发和应用。

应着力培育有潜力的新型生物质资源,从生物质原料端降低成本,提高长期困扰生物质能产业发展原料成本高的瓶颈问题。集中优势力量开展生物质基材料研发,替代对石化原材料的高度依赖,从而寻找生物质材料更高的价值点,提高生物质材料转换的经济性。此外,还要整合产学研用力量和资源,推动相关产业持续发展。

4.3 丰富财税等政策工具,增强生物质能项目的

结合生物质能各技术所处的发展阶段制定有针对性的财政政策。扶持一些有发展潜力的项目,特别是对能源替代贡献显著且不与粮食生产争夺资源的项目,要给与一定财政支撑和税收减免。针对技术成熟的技术,集中解决生物质能面临的原料难以保障的问题,在生物质收集和种植领域给予一定的财政补贴;针对技术尚处于研发阶段的,给予企业财政支撑,帮助企业孵化先进技术,逐渐实现商业化应用。

4.4 丰富绿色金融服务范围,全面支持生物质能发展

建议统一全国的绿色金融标准体系,将生物质能各个领域全面纳入绿色金融支持范畴。拓宽绿色金融服务对象,从大企业、大集团逐步扩大到生物质资源丰富的农村地区。丰富绿色服务提供商,将绿色金融服务的金融机构逐步渗透到地方商业银行和信用社,支持地方和农民参与生物质能各个产业链。


[1]  航空业“脱碳”压力陡增“减排”从替代燃料和电气化开始http://www.ccaonline.cn/zhizao/hktop/642822.html

 

 

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