生物能源与循环经济研究

0引言

能源是人类赖以生存发展的基础。目前，世界能源体系在很大程度上依赖石油燃料，然而石油作为不可再生能源，储量不断减少。研究表明，全球石油储量仅可用54a。同时，利用石油燃料带来的其他一系列急需解决的全球问题，诸如温室效应、全球变暖和气候变化等。因此，更多的目光聚焦在能够可再生的能源-生物能源上。生物能源（Bioenergy）主要指利用生物的活动，将生物质、水、CO2、畜禽粪便等其他废弃物生产的能源，具有补偿目前石油燃料需求的潜力。同时，在生物燃料的生产、使用以及生物质的合成过程中存在碳、氮循环，因此，使用生物能源会减少大气中温室气体的排放。此外，发展生物能源的优势还在于保障国家能源安全、外汇储蓄以及解决直接与农村发展相关的经济问题和社会问题。

1国外生物能源的发展

目前，用来制造生物能源的原料主要有各种农林资源、生活和工业废水、城市固体废物和畜禽粪便等。据估计，地球每年存储的生物能源相当于世界主要燃料的10倍，然而目前生物能源的利用量不足其总量的1%，由此可以推测生物能源将是未来最重要的新能源之一。生物能源主要包括生物质制氢、废水生产沼气、生物质热解液化或固体成型、生物柴油、燃料乙醇、秸秆丁醇等技术。目前产量最大的生物能源是燃料乙醇、沼气和生物柴油。美国是世界最大的生物燃料乙醇生产国，主要以玉米为原料。2007年美国《新能源法案》规定：在2022年之前，燃料乙醇的产量将提高到360亿加仑（1加仑=3.79kg）。随着玉米燃料乙醇的产量增加，导致玉米价格上涨，导致粮食安全问题。因此，科学家们开发了纤维素乙醇。纤维素乙醇是利用秸秆、农作物壳皮茎秆、树叶、落叶、林业边角余料和城乡有机垃圾等纤维为原料生产燃料乙醇。沼气产业主要以农林废弃物和生活垃圾为原料，生产的沼气可以提供生活和生产所需能源，产生的沼渣和沼液还可用于农业施肥，可以同时达到产能和减少环境污染，实现种植、养殖的良性循环。因此，沼气产业将成为连接循环农业各个环节的纽带和中心，将在循环农业产业体系建设中发挥重要作用。美国现有30多家公司投入了上百万美元，主要以大豆为原料，生产生物柴油；而包括法国、德国、英国、波兰在内的欧盟国家则以油菜籽为原料，来生产生物柴油；巴西以蓖麻油为主要原料生产生物柴油；日本主要以煎炸油为原料生产生物柴油，1999年建成了259L/d生物柴油工业化实验装置，目前生产能力达40万t。

2生物能源与循环经济

循环经济（CircularEconomy）是一种全新的经济形态，以资源的节约利用和循环利用为特征。简单来说，循环经济是以“废物”资源循环再利用为核心，以“减量化（Reduce）、再使用（Reuse）、再循环（Recycle）”为经济活动的行为准则，实现资源与能源的高产出、循环利用和安全供给。传统的经济的增长是建立在资源和能源高速消费的基础上的，目前全球经济增长都面临着资源和能源匮乏的危机。循环经济考虑到资源和能源的有限性，因此从生产的开端实现资源和能源的“减量化”，减少资源的浪费；生产流程中实现资源的“再使用”，延长资源和能源使用的时间强度；同时在末端产生的垃圾和废品尽量实现资源的“再循环”，即所谓的废品回收利用和废物综合利用。因此其从长远来看是一种既节约资源，又节约成本的经济增长方式。环境经济学认为循环经济从生态环境保护实践中提出，以经济为核心，以资源利用为分析对象，核心在于促进经济发展的同时，兼顾保护环境。从技术层面来看，生物能源可以实现资源的循环利用、废弃物无害化处理和资源的能源转化，是实现循环经济的技术路径，成为连接循环经济各个环节的纽带和中心，将在循环经济产业体系建设中发挥重要作用。

3河北省生物能源产业发展现状

河北省是农业大省，发展生物能源具有得天独厚的有利条件，能够为生物能源提供可靠的原料保障。目前，河北省耕地面积约为5.988×1010m2，小麦、玉米和棉花每年的秸秆量达6180万t，作物秸杆约2/3被当作肥料或牲畜饲料，未开发利用的秸秆超过1780万t，占可收集资源量的37.73%，因此农作物秸秆资源可开发利用空间巨大。畜禽废弃物年产量约为1.7亿t，用作沼气或加工成新型饲料的不足1%；森林面积约为5.525×1010m2，林业“三剩物”年产量总计约为570万t，是全国该类剩余物的产量大省，可折合标煤约为370万t。另外，河北省境内尚有荒山、荒地、荒滩等土地资源约为5.26×1010m2，适于大面积栽种黄连木、文冠果等含油量较高的树木，发展能源林业。2012年，河北省油葵种植总面积达到了2.69×108m2，总产值约为5.34万t。河北省各级政府长期对生物能源产业给予大力支持。河北省新能源产业“十二五”发展规划的发展目标之一就是生物质能开发利用工程。2006年中粮集团与衡水老白干集团签署的燃料乙醇项目，总投资15亿元生产燃料乙醇。近年来，河北省进一步加大对生物燃料和相关生物化工产品的资金技术支持，2015年中粮集团燃料乙醇（秦皇岛经济技术开发区）列为河北省重点发展项目。由于政府有关部门的大力支持，几年来河北省形成了以燃料乙醇、沼气、生物柴油为主的生物能源技术措施、管理体系。河北省和国家林业局、中石油联合在邯郸市组织实施了林油一体化油料能源示范基地建设项目，完成黄连木新造林约为2.13×106m2，为今后发展油料能源林基地奠定了基础。河北省在能源林业和农业育种方面取得了显著进展。国家高粱改良中心河北分中心选育出能饲1号、能饲2号和冀甜3号甜高粱新品种3个。河北科技师范学院初步建立了非粮柴油能源植物引种园，引种非粮柴油能源植物150余种，对部分非粮柴油能源植物进行了种子生物学特性与配套栽培技术研究。沼气利用是河北省发展生物能源的重要成果。河北经贸大学通过对高效产酸菌系构建及产甲烷优势菌优化，建立了高固体浓度果蔬废弃物厌氧发酵过程控制技术。生物柴油方面，新奥集团在微藻基因改造、高通量筛选技术、立体养殖、高效低成本光生物反应器技术和工业废水回收技术等方面都有所突破，建有目前世界上最先进的微藻油生产设施，年生产微藻油可达10t以上，处于国内领先地位。河北省生物能源产业具有一定的基础和技术水平。据不完全统计，河北省省内建成并投产的生物质能源生产企业有64家。衡水老白干酿酒集团公司燃料乙醇、华药生物丁醇、石炼化公司、武安正和公司生物柴油、河北强民生物质成型燃料等项目正在积极推进中。生物沼气经过多年的开发和推广，截止2015年底，河北省累计建成350万户，建成大中沼气工程2500处，总池容积16.8万m3，沼气发电站10座，推广秸秆压块炊事采暖炉具30万户。2015年世界银行为河北省农村再生能源开发示范项目贷款7150万美元，将投资建设和运行6处沼气设施，把作物秸秆和畜禽粪便转化成沼气，为河北省96100户农村居民提供了稳定的清洁能源。

4河北省生物能源产业发展对策

4.1发展循环经济并坚持可持续发展

由于国内外学者认为第一代生物能源主要以糖料或淀粉作物为原料生产乙醇，会引起“与人争粮”、“与粮争地”等社会问题。循环经济的关键和核心是“废物”循环和再利用，因此国际生物能源研发的重点是利用农林废弃物发展生物能源，尤其是以玉米秸秆为主的作物秸秆更体现了很高的综合开发价值。目前河北省在全省推广秸秆联户沼气站和生物质发电项目。截至2013年底，发展秸秆联户沼气工程20处，投产秸秆生物质发电厂8座，年利用农作物秸秆216.6万t。因此，应进一步寻求对生物能源和化工产业在技术等方面实现突破，保证全省粮食安全和生物能源产业可持续发展。

4.2因地制宜开发多层次的非粮生物能源

根据河北省不同地区自然地理因素，统筹规划，开发多层次、多元化的非粮生物能源，确保生物能源产业的发展。在燕山和太行山的荒山荒地和宜林丘陵建设以黄连木、油桐、文冠果、橡栎、刺槐为主的能源林基地。在荒地、荒滩、盐碱地不适宜粮食作物种植的地方，可以种植甜高粱、甘薯、油葵等耐旱、耐瘠薄、耐盐碱的作物，发展能源农业。在平原粮食高产地区，重点开发纤维素乙醇、纤维素丁醇、秸秆发电、秸秆沼气技术。在临海地区开发微藻能源，在工业发达的中心城市，建设适度规模的生物柴油生产厂、城市污水沼气生产厂。

4.3创新机制加强生物能源技术研究

产业的发展离不开技术的创新，生物能源产业作为一项新兴产业，寻求关键技术方面的突破对产业发展具有至关重要的作用。从总体上讲，河北省生物能源产业缺乏具有自主知识产权的核心技术，新技术开发和应用方面相对较差，前瞻性的基础技术研发尤为薄弱。目前，河北省可抓住京津冀协同发展的历史机遇，根据生物能源科技创新重点，着重引进掌握核心技术的高端人才，发展一批有潜力的生物能源企业。同时，依托生物能源企业，按照企业科技创新人才需求，协调相关科研院校，建立人才定向培养输送机制，实现产学研一体化，开展生物能源技术的共性、关键技术和产业化试验研究，核心生产装备研制，促进技术创新及技术转化，大幅度提升河北省生物能源产业的技术水平。

作者：李敬 赵士豪 马同锁 刘增然 张香美 郝秋娟 单位：河北经贸大学生物科学与工程学院