生物燃料行业研究范文

生物燃料行业研究篇1

燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，可以用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料。也是煤炭洁净转化技术之一。按电解质种类可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、再生氢氧燃料电池(RFC)、 直接醇类燃料电池（DMFC），还有如新型储能电池、固体聚合物型电池等。

氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC的燃料。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。

燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。

1，中国燃料电池技术的进展

“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新；在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]， 其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。

在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分，其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kW移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kW电池组构成的30kW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。

在熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。

在固体氧化物燃料电池（SOFC）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜，研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4 W/cm2， 负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。

2，国外燃料电池技术发展迅猛

燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。

欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，PEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。

目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。

3，我国开发燃料电池技术相对乏力

我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在PEMFC方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型MCFC和SOFC具有特别重要的意义。但是我国在MCFC、SOFC研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开发情况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的Ballard一家公司的资产就达10亿美元。

4，大力发展燃料电池技术势在必行

从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。

国家计委在1997年提出的中国洁净煤技术到2010年的发展纲要中，已把燃料电池列为煤炭工业洁净煤的14项技术重点发展目标之一[6] 。在“十五”科技发展规划中，燃料电池技术被列为重点实施的重大项目[7]。

鉴于世界燃料电池发电技术的发展迅猛、市场广阔的前景和我国长远发展的战略需要，国家科技部、国家计委、国家经贸委应该联合制订我国燃料电池发电技术的发展规划，既要组织有关高等院校、科研院所积极攻关，更要引导国家电力公司、石油集团、石化集团及汽车、机械制造等工业企业热情参与，集中力量，加大人力、物力、财力的投入，急起直追，共同推进燃料电池发电技术的研究开发。在具体做法上，我们应从高起点起步，整机引进国外的燃料电池发电设备，可先引进规模较小的电池堆。在努力消化吸收的基础上，积极创新，这样可以使我们更快地掌握高技术，有利于加快我国燃料电池电站技术的发展。

生物燃料行业研究篇2

关键词：生物质；燃料；液化；进展；

中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-02

液体燃料的不足已严重威胁到我国的能源与经济安全。我国一次能源消费量仅次于美国成为世界第二大能源消费国， 2006年进口原油已达5000万t，占总量40%。因此，国家提出了大力开发新能源和可再生能源，优化能源结构的战略发展规划[1-2]。生物质燃料是惟一可以转化为液体燃料的可再生能源，将生物质转化为液体燃料不仅能够弥补化石燃料的不足，而且有助于保护生态环境。生物质燃料包括各种农业废弃物、林业废弃物以及各种有机垃圾等。我国生物质资源丰富，理论年产量为50亿t左右，发展生物质液化替代化石燃料有巨大的资源潜力。

目前生物质液化还处于研究、开发及示范阶段。从工艺上，生物质液化又可分为生化法和热化学法。生化法主要是指采用水解、发酵等手段将生物质转化为燃料乙醇。热化学法主要包括快速热解液化和加压催化液化等[3-8] 。本文主要介绍生物质燃料液化制取液体燃料的技术与研究进展。

一、生化法生产燃料乙醇

生物质生产燃料乙醇的原料主要有能源农作物、剩余粮食和农作物秸秆等。美国和巴西分别用本国生产的玉米和甘蔗大量生产乙醇作为车用燃料。从1975年以来，巴西为摆脱对石油的依赖，开展了世界最大规模的燃料乙醇开发计划，到1991年燃料乙醇产量已达130亿L。美国自1991年以来，为维持每年50亿L的玉米制乙醇产量，政府每年要付出7亿美元的巨额补贴[2，3，8]。利用粮食等淀粉质原料生产乙醇是工艺很成熟的传统技术。用粮食生产燃料乙醇虽然成本高，价格上对石油燃料没有竞争力。虽然我国政府于2002年制定了以陈化粮生产燃料乙醇的政策，将燃料乙醇按一定比例加到汽油中作为汽车燃料，已在河南和吉林两省示范。然而我国剩余粮食即使按大丰收时的3000万t全部转化为乙醇来算，可生产1000万t乙醇，也只有2000年原油缺口的1/10；而且随着中国人口的持续增长，粮食很难出现大量剩余。2007年以来，粮食价格高涨，给国家的安定带来威胁，因此，在我国非粮生物质燃料才是唯一可靠的生物质能源。

从原料供给及社会经济环境效益来看，用含纤维素较高的农林废弃物生产乙醇是比较理想的工艺路线。生物质制燃料乙醇即把木质纤维素水解制取葡萄糖，然后将葡萄糖发酵生成燃料乙醇的技术。我国在这方面开展了许多研究工作，比如武汉理工大学开展了农林废弃物真菌分解-碱溶热解-厌氧发酵工艺的研究，转化率在70%以上[9]。中国科学院过程工程研究所在国家攻关项目的支持下，开展了纤维素生物酶分解固态发酵糖化乙醇的研究，为纤维素乙醇技术的开发奠定了基础[10]。以美国国家可再生能源实验室（NREL）为代表的研究者，近年来也进行了大量的研究工作，如通过转基因技术得到了能发酵五碳糖的酵母菌种，开发了同时糖化发酵工艺，并建成了几个具有一定规模的中试工厂，但由于关键技术未有突破，生产成本一直居高不下[11-13]。纤维素制乙醇技术如果能够取得技术突破，在未来几十年将有很好的发展前景。

二、生物质燃料热化学法生产生物质油

生物质燃料热化学法生产生物质油技术根据其原理主要可分为加压液化和快速热解液化。

（一）生物质燃料快速热解液化

生物质燃料快速热解液化是在传统裂解基础上发展起来的一种技术，相对与传统裂解，它采用超高加热速率（102-104K/s），超短产物停留时间（0.2-3s）及适中的裂解温度，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，使焦炭和产物气降到最低限度，从而最大限度获得液体产品。这种液体产品被称为生物质油（bio-oil），为棕黑色黏性液体，热值达20-22MJ/kg，可直接作为燃料使用，也可经精制成为化石燃料的替代物。因此，随着化石燃料资源的逐渐减少，生物质快速热解液化的研究在国际上引起了广泛的兴趣。自1980年以来，生物质快速热解技术取得了很大进展，成为最有开发潜力的生物质液化技术之一。国际能源署组织了美国、加拿大、芬兰、意大利、瑞典、英国等国的10多个研究小组进行了10余年的研究与开发工作，重点对该过程的发展潜力、技术经济可行性以及参与国之间的技术交流进行了调研，认为生物质快速热解技术比其他技术可获得更多的能源和更大的效益[14]。

世界各国通过反应器的设计、制造及工艺条件的控制，开发了各种类型的快速热解工艺。几种有代表性的工艺、各装置的规模、液体产率等参数见文献 [14]。

（1）旋转锥式反应工艺（Twente rotating cone process），荷兰Twente大学开发。生物质颗粒与惰性热载体一起加入旋转锥底部，沿着锥壁螺旋上升过程中发生快速热解反应，但其最大的缺点是生产规模小，能耗较高。以德国松木粉为原料，反应温度600℃，进料速率34.8kg/h的条件下，液体产率为58.6%。

（2）携带床反应器（Entrained flow reactor），美国Georgia 工学院（GIT）开发。以丙烷和空气按照化学计量比引入反应管下部的燃烧区，高温燃烧气将生物质快速加热分解，当进料量为15kg/h，反应温度745℃时，可得到58%的液体产物，但需要大量高温燃烧气并产生大量低热值的不凝气是该装置的缺点。

（3）循环流化床工艺（Circulating fluid bed reactor），加拿大Ensyn工程师协会开发研制。在意大利的Bastardo建成了650kg/h规模的示范装置，在反应温度550℃时，以杨木粉作为原料可产生65%的液体产品。该装置的优点是设备小巧，气相停留时间短，防止热解蒸汽的二次裂解，从而获得较高的液体产率。但其主要缺点是需要载气对设备内的热载体及生物质进行流化，最高液体产率可达75%。

（4）涡旋反应器（Vortex reactor），美国国家可再生能源实验室（NREL）开发。反应管长0.7m，管径0.13 m，生物质颗粒由氮气加速到1 200m/s，由切线进入反应管，在管壁产生一层生物油并被迅速蒸发。目前建成的最大规模的装置为20kg/h，在管壁温度625℃时，液体产率可达55%。

总之，生物质快速裂解技术具有很高的加热和传热速率，且处理量可以达到较高的规模，目前来看，该工艺取得的液体产率最高。热等离子体快速热解液化是最近出现的生物质液化新方法，它采用热等离子体加热生物质颗粒，使其快速升温，然后迅速分离、冷凝，得到液体产物，我国的开展了这方面的试验研究。

（二）加压液化

生物质加压液化是在较高压力下的热转化过程，温度一般低于快速热解。最著名是PERC法。该法始于20世纪60年代，当时美国的Appell等人将木片、木屑放入Na2CO3溶液中，用CO加压至28MPa，使原料在350℃下反应，结果得到40%-50%的液体产物。近年来，人们不断尝试采用H2加压，使用溶剂及催化剂（如Co-Mo、Ni-Mo系加氢催化剂）等手段，使液体产率大幅度提高，甚至可以达80%以上，液体产物的高位热值可达25-30MJ/kg，明显高于快速热解液化。超临界液化是利用超临界流体良好的渗透能力、溶解能力和传递特性而进行的生物质液化，最近欧美等国正积极开展这方面的研究工作[15-17]。和快速热解液化相比，目前加压液化还处在实验室阶段，但由于其反应条件相对温和，对设备要求不很苛刻，在规模化开发上有很大潜力。

生物质燃料转化为液体后，能量密度大大提高，可直接作为燃料用于内燃机，热效率是直接燃烧的4倍以上。但是，由于生物油含氧量高（约35wt%），精炼成本较高，因而降低了生物质裂解油与化石燃料的竞争力。这也是长期以来没有很好解决的技术难题。

三、结论与建议

随着化石燃料资源的逐渐减少，生物质燃料液化技术的研究在国际上引起了广泛的兴趣。经过近30年的研究与开发，车用燃料乙醇的生产已实现产业化，快速热解液化已达到工业示范阶段，加压液化还处于实验研究阶段。我国生物质资源丰富，每年可利用的资源量达50亿t，仅农作物秸秆就有7亿t，但目前大部分作为废弃物没有合理利用，造成资源浪费和环境污染。如果将其中的50%采用生物质液化技术转化为燃料乙醇和生物质油，可以得到5亿-10亿t油当量的液体燃料，基本能够满足我国的能源需求。因此，发展生物质液化在我国有着广阔的前景。

我国在生物质快速热解液化及加压液化方面的研究工作还很少，与国际先进水平有较大差距，需要加强此项研究。开发生物质油精制与品位提升新工艺，降低生产成本是生物质热化学法液化进一步发展，提高与化石燃料竞争力的关键。

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生物燃料行业研究篇3

一、固化技术

能量密度小是生物质能源利用上的主要问题，此问题使得生物质常占用大量空间，储藏与运输成本高。为了解决这个难题，生物质固化技术应运而生；在一定压力与温度下，将生物质原料干燥并粉碎，之后压合成燃烧效率与燃烧性能较高的高密度规则固体，大幅度降低了储藏与运输费用，为生物质燃料的工业生产以及广泛引用提供了可能。生物质固化的方式有许多种，热压成型技术设备成本低，工艺简单操作方便，成为了应用最普遍的生物质固化处理手段。有以针对大豆和玉米秸秆为原料的固体燃料研究表明，用热压成型法处理秸秆时，在含水率10%左右，成型率较高。生物质固体燃料在使用时也会出现诸多问题，其中最为突出的是其燃烧时的结焦现象，严重影响了固体生物质燃料的大规模应用。现今，对固体燃料的燃烧结焦的研究还非常少，故此问题很难解决，随着研究的深入和科技的进步生物质固体燃料的发展一定会有新的契机。

二、液化技术

生物质的液化是在高温高升温速率的条件下实现原料的热裂解气化，之后裂解气在很短时间内冷凝获得生物质液体油，这种生物质液体油清洁高效、绿色环保是一种优质液体燃料。生物质液体油的生产设备趋于小型，工艺较为简单，相对其他高温高压工艺成本较低；然而由于对热裂解的机理方面的研究有限，其生产效率还比较低，故至今没能大规模应用于工业生产。生物质液态油的物理性质以及组分含量与其燃烧效率和燃烧性能密切相关，现今众多专家学者正对生物质热裂解液态油的物理以及化学性质开展深入研究，并开发了多种新型液化技术。在众多新型生物质液化加工法中，基于超临界流体卓越的扩散性与溶解性开发的超临界液化技术效果最为显著，但其设备成本较高，工艺复杂工业应用较为困难，但在实验室技术的层面上受到了广泛关注。有研究者以大豆秸秆为原料研究了其在水与乙醇超临界体系中的液化过程，并考察了乙醇组分含量对生物质液态油转化率的影响。实验表明，在中等乙醇摩尔分数的条件下，产物油分含量最大。

三、气化技术

以氧气为助剂，利用生物质不完全燃烧的特性将生物质变为CH4、CO、H2等可燃性气体的过程称之生物质的气化。在所有生物质利用手段之中，气化技术是应用最广泛的一种，20世纪末日本能源学家吉川邦夫提出了生物质高温气化的思想，并在东京工业大学进行了实验。我国郭建维利用制备的诸多Ni基催化剂利用流化床反应设备进行了生物质气化技术的研究，并对各种催化剂的效果进行了评价。生物质气体中存在大量焦油，对生物质气体的净化是提高产品质量的关键工段。工业上新兴的去焦油技术是催化裂解法，在高温下（一般在800℃以上）将焦油催化分解变为小分子气体并入燃气之中，既省去了传统洗焦水污染严重的问题又增加了生物质燃气的燃烧组分，前景广阔。

四、前景展望

到21世纪中叶，世界人口将接近九十亿，为了满足人民生活需求，粮食作物的种植规模必将持续扩大，从而产生大量的庄稼秸秆，为生物质能源产业提供了充分的原料，这也为生物质能源产业发展奠定了基础。此外，化石燃料使用后严重的污染问题近年来也备受关注，我国也出台相关政策限制化石燃料的使用。例如，在一些城市实行“摇号申领私家车牌照”和“私家车单双号出行”等规定，这都十分有利于生物质能源产业的发展。同时，生物质能源产业也面临诸多挑战，现在国内的生物质能源生产企业规模还十分有限，资金缺乏，生产工艺落后，科研创新能力较差。此外，生物质能源的产品销路狭窄、产业链结构不合理等诸多因素制约着生物质能源产业的发展。然而随着政府对生物质能源的关注程度的不断加大与资金投入的不断增加，许多问题都会逐渐得以解决，生物质能源产业将会迎来新的生机。

五、小结

我国缺乏石油资源，且煤炭资源因为近年来的过度开发，各地煤矿也出现余量不足的情况。生物质能源的原料种类多样，转化形势不一，用途广泛，另外其清洁环保，二氧化碳排放少，前景广阔。此外我国是农业和人口大国，生物质资源丰富，农村剩余劳动力众多，在此得天独厚的环境下，政府应出台相关政策鼓励各地在乡村大力开发生物质资源，缓解城市能源短缺并实现农民增收。与发达国家比较，我国的生物质资源技术还十分落后，产品转化率不高，造成了大量的原料浪费，针对此问题政府应划拨经费支持生物质利用的技术创新，增加优质生物燃料的产量，支撑我国能源战略。

（作者单位为河南工业大学）

[作者简介：张驰（1989―），男，河南新乡人，研究生，研究方向：负载型催化剂在酯交换反应中的应用。]

参考文献

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生物燃料行业研究篇4

文章中提到了生物燃料企业“吃不饱”的问题，与以往政策支持向生产领域倾斜不同，本文提出生物燃料产业链重心向种植和原料生产倾斜，并加大政策支持力度。对生物燃料生产企业来说，这未尝不是个好消息。

生物燃料通常指生物液体燃料，是重要的交通替代燃料。相对于其他替代燃料，生物燃料具有与现有基础设施兼容性好、能量密度高、清洁低碳、资源可再生且资源基础广阔等优点，而且已具有规模化生产应用的实际经验，可望成为重型卡车、航运和航空等长途交通工具的最经济可行的清洁替代燃料。

20世纪90年代以来，为保障能源安全、应对气候变化、保护环境、促进农业发展，许多国家制定实施积极战略和政策，推动生物燃料的规模化开发利用。我国在上述各领域也面临着巨大挑战，也亟待制定符合我国国情的战略和政策，促进生物燃料的规模化发展。

为此，国家发展改革委能源研究所开展了“中国可再生能源规模化发展研究”，通过考察分析国际上生物燃料产业发展趋势和政策实践，评估我国生物燃料的发展潜力和重大挑战，进而探讨我国生物燃料规模化发展的战略任务、总体思路和发展路径，并提出促进我国生物燃料产业发展的政策措施建议。

国际政策趋向——扶持与监管并重

20世纪90年代以来，为促进农业经济、改善大气质量、减排温室气体，以美国、欧盟国家和巴西为代表的许多发达国家和发展中国家制定实施了规模空前的生物燃料项目和积极的扶持政策，全面推动了生物燃料产业的蓬勃发展。虽然2008年金融危机以来受到油价低位运行和市场需求疲软的影响，但各国扶持政策保持延续并继续深化，大型石油企业开始大力介入，技术研发取得积极进展，应用领域扩展到航空领域，推动了生物燃料产业加快升级转型和继续扩大规模。

目前，以粮糖油为原料的燃料乙醇和生物柴油（通常被称为传统生物燃料，或第一代生物燃料）已进入商业化发展阶段，以农林业有机废弃物、专用非粮能源植物/藻类微生物等生物质为原料的先进生物燃料（或第二代、第三代生物燃料）正在建设一批示范项目，预计在今后10年内逐步实现商业化。2009年全球燃料乙醇和生物柴油产量分别达到5760万t和1590万t，绝大部分集中在美国、巴西和欧盟地区。据国际能源机构（IEA）的生物燃料路线图分析，2010年全球生物燃料产量约1000亿升，满足全球3%道路交通燃料需求；2050年生物燃料可满足全球交通能源需求的27%，可年减排21亿t二氧化碳。

虽然生物燃料在近年来发展迅速并初步展示了广阔的发展潜力，但也开始引发了众多争议和批评，主要是生物燃料的节能减排效益和发展潜力、以及对粮食安全和生态环境的威胁，反映了生物燃料产业自身及其社会经济含义的复杂性。

近年来，一些领先国家和国际组织积极推动建立扶持与监管并重的政策体系，促进生物燃料产业健康持续发展。在扶持政策方面，早期主要采取了投资补贴、减免消费税和燃油税等措施，近年来美国和欧盟许多国家陆续引入了再生燃料标准（RFS）等强制性市场份额政策，并特别规定先进生物燃料的具体发展目标和更高贡献度。在监管政策方面，近年来欧美国家开始规定生物燃料的最低温室气体减排率，调整农业及土地政策，推动建立可持续生产准则和产品认证体系；包括我国在内的部分发展中国家则禁止使用或严禁扩大使用粮食原料，以确保可持续发展。

我国生物燃料生产潜力大

由于我国人口保持增长、饮食水平的持续提高，而优良耕地减少、水资源相对短缺，利用传统粮糖油原料发展生物燃料的潜力在我国非常有限。利用非粮原料将是我国发展生物燃料的根本方向。

我国早在上世纪90年代即开展以甜高粱、小桐子为原料的生物燃料生产技术研究，“十一五”以来，大批企业，包括大型企业，积极投身非粮生物燃料产业研发。目前，我国利用薯类、甜高粱、小桐子等非粮作物/植物生产燃料乙醇和生物柴油的技术已进入示范阶段。木薯和甘薯乙醇技术也可实现商业化应用，广西于2007年建成年产20万t木薯乙醇项目。甜高粱乙醇技术开发取得实质性进展，已开发出高品质杂交种籽，自主开发的发酵工艺和技术达到实用水平，并在黑龙江省建成年产5000t乙醇的示范装置。木质纤维素乙醇在原料预处理、纤维素转化以及酶制剂生产成本等方面均取得实质性进展，在黑龙江、河南等地建成了年产数百吨和数千吨乙醇的示范生产装置。生物柴油产业化示范工作的时机也已基本成熟，但受废油资源收集利用量、油料植物种植基地建设进度的限制，目前只有少数生物柴油企业实现规模化持续生产，也没有正式进入车用成品油的主要流通使用体系。其他第二代生物燃料（如合成燃料技术）目前仍处于实验室研究和小规模中试阶段。

目前我国还没有全面深入开展生物质能资源潜力评价。初步估算，利用废糖蜜、食品加工业和饮食业废油、棉籽油等废弃糖油类资源，估计可满足年产80万t燃料乙醇和200万t以上生物柴油的原料需求。可能源化利用的农作物秸秆和林业剩余物年产量目前约2.5亿t，且可望继续增加，在中长期可满足年产3000～5000万t第二代生物燃料的原料需求。另外，还可通过推广良种良法、品种替换、开发劣质边际土地等途径发展能源植物，例如甜高粱、木薯、麻疯树等。相关土地评估显示，我国现有约3200万～7600万hm2边际性土地，但适合能源植物生长的土地资源有待查清。

总体估算，我国以非食用粮糖类农作物为原料的燃料乙醇生产潜力近中期约为1500万t，以废油为原料的生物柴油生产潜力近中期约200万t，以油料林为原料的生物柴油生产潜力在中长期约为数百万吨，以纤维素和藻类生物质为原料的先进生物燃料生产潜力在长期可达每年数千万吨。

生物燃料行业研究篇5

【摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。

1．引言能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。2.燃料电池的特点与原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：l不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：负极：H2+2OH-2H2O+2e-正极：1/2O2+H2O+2e-2OH-电池反应：H2+1/2O2==H2O另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H++2e-（1）空气极：2H++1/2O2+2e-=H2O（2）全体：H2+1/2O2=H2O（3）氢氧燃料电池组成和反应循环图在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。单电极组装示意图PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。磷酸型燃料电池基本组成和反应原理磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。MCFC工作原理。空气极的O2（空气）和CO2与电相结合，生成CO23-（碳酸离子），电解质将CO23-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+相结合，放出e-，同时生成H2O和CO2。化学反应式如下：燃料极：H2+CO23-=H2O+2e-+CO2（4）空气极：CO2+1/2O2+2e-=CO23-（5）全体：H2+1/2O2=H2O（6）在这一反应中，e-同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO23-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质，在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和H2O反应生成H2，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化锆)，它构成了O2-的导电体Y2O3（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：燃料极：H2+O2-=H2O+2e-（7）空气极：1/2O2+2e-=O2-（8）全体：H2+1/2O2=H2O（9）燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。表1燃料电池的分类类型磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）固体氧化物型燃料电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）燃料煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等纯H2、天然气电解质磷酸水溶液KliCO3溶盐ZrO2-Y2O3(YSZ)离子(Na离子)电极阳极多孔质石墨(Pt催化剂)多孔质镍(不要Pt催化剂)Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)阴极含Pt催化剂+多孔质石墨+Tefion多孔NiO（掺锂）LaXSr1-XMn(Co)O3多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)工作温度~200℃~650℃800~1000℃~100℃近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（PAFC）已达到"电站"阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。3．燃料电池发电系统3.1.利用天然气的发电系统MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600℃，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2的气体）来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。这种系统的效率可达55~60%。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由MCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，广义上也可以称为联合发电。在使用PAFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于MCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。SOFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统，由于SOFC不需要CO2的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50~60%。3.2利用煤炭的发电系统以MCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2，并在进入MCFC前除去其中含有的杂质（微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响），这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于MCFC的工作压力，在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700℃）相混合，调整为对电池的适宜温度（约600℃）。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及CO变换成H2O和CO2后供给的。实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体（阴极气体，即含有O2和CO2的气体）而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。排热回收系统（末级循环），是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SOFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了，主要的是采用煤炭气化系统造成的，其效率为45~55%。4．我国燃料电池的发展状况我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。"八五"期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在PEMFC方面的研究力度。2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在EVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。我国燃料电池的研究工作已表明：1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；3.在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。此前参与燃料电池研究的有关概况如下：4.1.PEMFC的研究状况我国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W/cm2。清华大学核能技术设计院1993年开展了PEMFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100mA/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式PEMFC的设计，该单位已与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。天津大学于1994年在国家自然科学基金会资助下开展了PEMFC的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学近年来与香港大学和美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC("八五"攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究，目前单体电池的电流密度为150mA/cm2。中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。天津电源研究所1997年开始PEMFC的研究,拟从国外引进1.5kW的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。华南理工大学于1997年初在广东省佛山基金资助下开展了PEMFC的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。中科院电工研究所最近开展了电动车用PEMFC系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究PEMFC/光伏电池(制氢)互补发电系统和从国外引进PEMFC装置。1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。4.2.MCFC的研究简况国内开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，90年代初停止了这方面的研究工作。1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了MCFC的研究，目标是共同开发5kW～10kW的MCFC。中国科学院电工研究所在"八五"期间，考察了国外MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了MCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。4.3.SOFC的研究简况最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400mA/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究，从研制材料着手,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2，电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和"863"计划的资助下开始了中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。此外,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。清华大学在90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SOFC成型和烧结技术的研究,取得了良好效果。华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。中国科学院山西煤炭化学研究所在1994年开始SOFC研究，用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从80年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中CO和H2的比例为1∶2，已有成套装置出售。中国科学院大连化学物理所于1994年开展了SOFC的研究工作，在电极和电解质材料的研究上取得了可喜的进展。中国科学院北京物理所于1995年在国家自然科学基金会的资助下，开展了用于SOFC的新型电解质和电极材料的基础性研究。（

生物燃料行业研究篇6

一、 文献综述

园林绿化废弃物是指在城市绿化美化进程中所产生的枯枝、落叶、草屑、花瓣及其它绿化修剪物等。目前，由于经济、技术和认识水平等所限，园林绿化废弃物在中国各大城市仍未得到很好的开发和利用，其大部分随生活垃圾一起进行填埋处理。为此，每年环卫部门需支付大笔的垃圾清运费和填埋费。园林绿化废弃物如何处理已经成为北京市急待解决的问题之一。然而，目前研究主要围绕园林绿化废弃物资源化再利用的技术处理层面和产业发展模式展开。在堆肥工艺方面，Kevin（2004）表示，物堆肥处理附加产值较高，在美国每年出售3000吨-3500吨堆腐物，价格在25美元/吨-30美元/吨。于鑫（2010）通过调查得出我国园林绿化废弃物生产的环保型基质则为154元/m3，可为生产企业创造良好的经济效益。栗亚宁（2011）表示，园林有机废弃物资源化再利用可以形成新的产业循环经济，减少垃圾消纳和环境治理费用。在北京地区，每年盆花种植和盆栽苗木分别要达到3000万盆和6000万盆，年基质用量将达到8-10万m3。在生物质燃料方面，欧美、澳洲等发达国家生物质能源资源化再利用较为充分，在国内，生物质燃料技术取得明显的进展，生产和应用已初具规模，但仍然存在原料供应，技术及销售等问题。Evanson T（2004）表示在澳洲，新西兰的森林研究生物能源计划已实施，并准备利用木质燃料球或木质燃料片做燃料为学校供暖。赵立欣（2011）表示，目前生物质燃料的国内场还不完善，市场价格尚不稳定。广东省木质颗粒批发价为750-850元/吨，大连地区木质颗粒批发价为700-750元/吨，北京地区约为650元/吨。在需求方面，目前年需求生物质成型燃料3000万吨（张远宾，2010）。生物质燃料的待开发市场主要包括农户和小型用户两部分，预计总需求为278.8万吨，会消耗园林绿化废弃物295.70万吨（石帅，2012）。

可以从已有研究看出，对于园林绿化废弃物资源化再利用的经济效益研究多为描述性分析，缺少一个较为完整的方法体系。对于减少垃圾处理成本、缓解环卫投资压力的研究也不多见。因此，笔者致力于园林绿化废弃物资源化再利用对于减少北京市垃圾处理成本和减少环卫投资的测算，同时研究堆肥、生物质燃料的资源化利用途径的经济效益可行性。

二、 数据来源

本研究以北京市园林绿化局与北京林业大学合作项目为依托，数据主要来源于北京市统计年鉴、北京市农村统计年鉴、企业调研数据等。收集以下数据：

1、园林绿化废弃物理论资源量和生活垃圾产生量：北京市统计年鉴与本项目相关课题研究。

2、堆肥处理：投资估算：主要来源于北京市主要园林绿化废弃物生物质燃料厂的投资数据得出。具体包括：北京市朝阳园林废弃物消纳基地，投资额350万元；北京市东坝苗圃土壤基质加工厂，投资额150万元。成本费用估算：主要来源于北京市主要园林绿化废弃物堆肥处理厂的成本数据和现有文献记载得出。具体包括：北京市朝阳园林废弃物消纳基地，基质一立方米300元；栗亚宁，农林有机废弃物堆腐生产花卉栽培基质研究，基质一立方米300元。

3、生物质燃料处理：投资估算：主要来源于北京市主要园林绿化废弃物生物质燃料厂的投资数据得出。具体包括：北京老万生物质能科技有限公司，北京市盛昌绿能科技有限公司，礼贤生物质燃料厂。成本费用估算：主要来源于北京市主要园林绿化废弃物生物质燃料厂的成本数据和现有文献记载得出。具体包括：北京老万生物质能科技有限公司，北京市盛昌绿能科技有限公司，礼贤生物质燃料厂。石帅，北京市以园林绿化废弃物为原料的生物质燃料场推广研究。

三、 园林绿化废弃物资源化再利用的经济效益分析

决定废弃物最终能否向再生资源转变的重要因素就是它是否具有经济效益，企业和个人在选择是否合理利用废弃物时，都会考虑收益和成本的问题（米锋，2010）。从2011至2012年，北京市生活垃圾产生量由634.3达到648.3万吨。环卫机械数量由7991辆增加9384辆，北京市目前共有垃圾填埋场15座，设计总处理能力每天1.03万吨，垃圾处理能力缺口约每天8000余吨。苏贤明（2010）通过测算得出北京城八区的废弃物理论资源量约有107.59万吨；远郊区县的废弃物理论资源量约有407.65万吨，合计515.24万吨。以每年5万吨的增长速度，到2012年，北京市园林绿化废弃物量理论上为525.24万吨。北京市垃圾处理基准费用标准核定为153元/吨。如果将一般的园林绿化废弃物作为城市生活垃圾进行处理，，这意味着要政府将要花费7.8831亿。并且每年因为园林绿化废弃物，需要投入新建环卫设施的成本约为765万元，如将其资源化处理，就可节约该成本。

（一）堆肥利用的经济效益分析

1、生产规模：每日工作时间8h，每年工作天数为200天年，每年消耗园林绿化废弃物约达到1.5万吨，生产能力为3500吨。销售价格：目前我国高档花卉基质主要依赖进口，价格平均在600元/方左右。

2、投资估算：生产环节需要资金30万元，土地或者厂房租赁购置等费用32.5万元，机械采购成本投入237.5万元，合计300万元。机器设备具体见表：

3、成本费用估算：每一立方米的肥料原材料费用40元，人工费用30元，机械使用费80元，水电费60元，设备折旧费16元，添加剂费40元，包装费34元，总计300元。（数据来源：栗亚宁 农林有机废弃物堆腐生产花卉栽培基质研究）

4、预计现金流量表

5、投资评价：当贴现率为12%时，该项目的投资回收期2.85年，前十年净现值NPV=261.85（万元），远大于零，计算期内盈利能力良好，投资方案可行。内涵报酬率（IRR）是方案本身的收益能力，反映其内在的获利水平，该内涵报酬率（IRR）为33.3%，超过了折现率12%，项目可行。

（二）生物质能源利用方式

1、生产规模

每日工作时间时，每年工作天数为200天，生物质燃料场生产规模为年生产量1.32万吨。销售价格：原材料压块550元/吨。

2、投资估算

初期投入300万元，包括生产环节需要资金101.5万元，土地或者厂房租赁购置等费用（估计）100万元，机械采购成本投入98.5万元。机器设备成本具体见下表：

（数据来源：石帅 北京市以园林绿化废弃物为原料的生物质燃料场推广研究2012）

3、成本费用估算：每吨生物质燃料需要原材料费用308.64元，人工费用40元，机械使用费20元，电费33.5元，设备折旧费26.6元，其它15元，总计433.75元

4、预计现金流量表

5、投资评价：当贴现率为12%，期限为10年时，该项目的投资回收期2.13年，前十年净现值NPV=439.75（万元），远大于零，计算期内盈利能力良好，投资方案可行。内涵报酬率（IRR）是方案本身的收益能力，反映其内在的获利水平，该内涵报酬率（IRR）为46%，超过了折现率12%，项目可行。

四、 结语

本研究对于堆肥处理厂和生物质燃料厂的经济效益评估用了财务管理的现金流量表，是在产量等于销量，不考虑税收影响，并且生产设备满负荷运转的理想状态下进行预测的，现实情况要复杂得多，可能出现各种可预料或者不可预料的偏差，不过该研究对于其他意图进入园林绿化废弃物资源化再利用行业厂商进行成本核算、项目评估、以及财务分析等具有一定参考价值的。研究结果表明：当贴现率为12%时：园林绿化废弃物堆肥处理的投资回收期为2.85年，投资净现值261.85（万元），内涵报酬率为33.3%；园林绿化物生物质燃料化处理的投资回收期为2.13年，投资净现值为439.75（万元），内涵报酬率为46%；两个方案经济上均可行。

对于以园林绿化废弃物为原料的堆肥处理和生物质燃料市场的经济可行性分析，由于北京市现有的堆肥企业和生物质燃料厂家数量较少，此外，企业出于商业信誉、机密考虑，不便泄露资料，因而很难掌握更为详细的信息，因此可能会存在偏差。随着以园林绿化废弃物为原料的场的建立，市场规范及标准逐落实，相关政策及保障制度也逐步到位，未来的园林绿化废弃物资源化再利用的评估就会容易得多。

参考文献

[1]于鑫，孙向阳等.北京市园林绿化废弃物现状调查及再利用对策探讨[J].山东林业科技，2009（4）.

[2]苏贤明.北京园林绿化废弃物资源化利用与选址布局研究. 北京林业大学，2010年6月.

[3]艾碧英，张俊，叶玮.生活垃圾处理技术的初步探讨[J].科技信息，2008（20）.

[4]G.F.Dawson， E.J.Probert.A Sustainable Product Needing a Sustainable Procurement Commitment：the Case of Green Waste in Wales[J].Sustainable Development，2007（5）：69～82.

[5]A. Khalil， M. Domeizel， P. Prudent .Monitoring of green waste composting process based on redox potential[J]. Bioresource Technology， 2008（99）：6037～6045.

[6]石帅.北京市以园林绿化废弃物为原料的生物质燃料场推广研.2012.5

[7] 米锋，谢丹， 吴卫红等.园林绿化废弃物利用产业发展影响因素分析. International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System[J]，2010.

（作者单位：北京林业大学）

指导老师：米锋，北京林业大学经济管理专业林经系副教授，林业技术经济学。

生物燃料行业研究篇7

藻类在人们的印象中是一种黏糊糊的绿色植物，可以制成一种叫做螺旋藻的营养品。没错，就是这种人们知之甚少的植物，正在成为未来能源领域的新热点。美国很多公司正在利用藻类作为生物燃料的原料，他们相信藻类具有解决能源危机的潜力。据公开资料显示，某些种类的藻类自身富含60%以上的油，而根据来自Valcent公司的数据，玉米每英亩每年只会生产出18加仑（68升）的生物柴油，棕榈达到700-800加仑（2600-3000升），但是如果是藻类再加上使用开放式的池塘每年每英亩可以生产出2万加仑（7.5万升）的生物柴油。

藻类能源最近在能源行业里备受追捧，因为与生物燃料不同，藻类即使是在贫瘠的地区，诸如在地下水咸涩的沙漠地区也能生长，即使是利用已污染或含盐分的水也可以生长，这样就避免了占用良好的土地资源和清洁的水资源。同时，这种单细胞有机体只需要阳光、水和二氧化碳就能生长。在仅仅一天时间里它的数量就能够翻两番。经过处理的藻类可以榨出藻油，藻油除了可做食用油，也能在改良的柴油机上直接使用；藻油还能替代石油精炼出汽油、柴油、航空燃料和民用燃料油，并能精炼出塑料和溶剂等化合物。榨过油的藻泥，其淀粉能被分离出来可发酵为乙醇、甲醇和其他以酒精为基础的燃料。藻类还可以产氢，藻类蛋白质可以变成动物饲料，加工残渣还可以用做建筑材料。美国新罕布什尔州立大学在2004年的报告中就指出，3000万英亩沙漠中生长的藻类转换为藻类燃料可满足美国所有的运输用燃料需求，而这块面积仅占全美种植农作物和养殖牲畜土地面积的3%。

因为藻类生长迅速的特性，很多藻类农场都期望能够比其他生物燃料每英亩产生更多的能源。GreenFuel公司的创始人及首席科学顾问埃塞克.伯金（Isaac Berzin）表示，如果藻类能够被证明是一种降低碳排放的节省成本的方式，那么能源行业将会大力发展藻类能源向前发展。现在的生物燃料主要由玉米和大豆等农作物做原料，而近来农产品的价格节节攀升，以大豆为例，大豆的价格在过去两年中大约翻了两番。原料价格的上涨导致以农作物为原料的生物燃料成本一直比常规的化石燃料要高，这种现状导致了人们开始寻找新的非农作物为原料的生物燃料。

其实使用藻类来做替代能源并不新奇。在上世纪的70年代，美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）的科学家们就花费了17年时间进行藻类替代能源的可行性研究。当年，科学家曾在开放池塘中试验培育藻类，发现在浅水池塘中建藻类农场生产藻类燃料可提供足以替代化石燃料的生物柴油，用于交通和家庭取暖。但是在1996年他们中止了这个项目，因为经过计算，他们认为通过藻类生产生物柴油的成本过高。

到此时似乎藻类燃料已经成为了一个注定要失败的努力，直到当时还是麻省理工大学博士后的埃塞克.伯金偶然获得了NREL的项目报告。他发现当时负责细胞培育系统的专家，并未坚持给生长藻类的生物反应器进行修整。埃塞克完全沉浸在其中，在原油价格最高涨到每加仑1.66美元的2001年，他创建了GreenFuel公司。

GreenFuel公司在2004年获得了210万美元的种子投资，埃塞克马不停蹄地开始着手工作，他在麻省理工大学屋顶上安装的生物反应器引发了人们的好奇。后来的数据显示，此系统吸收了麻省理工大学一个天然气电厂产生的废气中82%的二氧化碳。在2006年，公司又获得了1780万美元的风险投资，2007年初，公司安装了一个比最早试验模型大100倍的生物反应器，系统开始时运转得非常好，藻类比预期生长得更快，但没过多久，藻类生长的速度超过了GreenFuel团队收取它们的速度，此时公司不得不暂时停止了生物反应器的运转。

目前GreenFuel公司在煤场附近安置GreenFuel系统，以吸收煤场产生的二氧化碳。因为藻类可以自然吸收二氧化碳，所以将煤场纳入到GreenFuel公司系统中就不再需要专门去捕捉和存储二氧化碳。正是利用此重复利用的方式，GreenFuel公司才可以节省大量存储二氧化碳的花费。虽然GreenFuel公司解决了二氧化碳的问题，但同时也还面临其他的挑战。想要获得所有煤场排出的二氧化碳需要放置大批的生物反应器，而这就需要占用上百英亩甚至上千英亩的土地。对人口密集的地区来说，这是及其不现实的。而大规模使用生物反应器的技术可行性也还未被证实。

也有专家对GreenFuel公司在生产藻类的过程中使用生物反应器产生了异议。虽然新的封闭循环的生物反应器系统现在可以实现更高的效率，但NREL藻类燃料项目的生物燃料顾问约翰.伯纳曼（John Benemann）认为，GreenFuel公司使用的放在地面上的生物反应器价格非常昂贵。NREL的研究人员更加认可在开放的池塘中培育藻类，就像其他大部分生产可食用藻类的公司所做的那样。

从藻类中获取燃料的研究成果目前也引起了大企业的兴趣，去年秋天，雪佛龙公司与美国联邦研究人员组成了伙伴关系，共同进行藻类燃料的研究。11月，荷兰皇家壳牌公司宣布将与位于美国夏威夷的从事海藻生物燃料业务的HR生物石油公司（HR BioPetroleum）合资建立一家名为Cellana的公司，这家公司将通过使用海洋浅塘和日光在10万公顷的地方培育水藻。包括霍尼韦尔、波音和Raytheon公司在内的世界500强公司都在着手研发藻类燃料。在2007年11月，美国国防部高级计划研究署（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）了一个重要的研究项目，研究如何以非农作物（如藻类）为原料生产出具有成本竞争优势的、可用于美国空军战斗机的航空燃料。此研究项目的主任道格拉斯.柯克帕特里克（Douglas Kirkpatrick）认为在未来的三至五年内，有关藻类燃料的主要技术性问题将全部解决。

藻类能源的研究正在不断发展，时刻都有新的想法产生，并正在获得风险投资机构的关注。

Aurora生物燃料公司的CEO 马特.卡斯帕瑞（Matt Caspari）表示：“在过去，藻类燃料领域里的很多资金都主要集中在学术研究方面，而现在有越来越多的风险投资机构把资金投入了那些正在应用藻类新技术的公司。”藻类燃料领域的公司已有多家获得了风险投资的支持，Aurora公司在今年6月获得了第二轮2000万美元的投资，总投资额达到2320万美元；LiveFuels公司曾获得1000万美元风投；位于旧金山南部的Solazyme生物科技公司，一直致力于研究如何使藻类能够在单位面积中生产出更多的生物柴油，近期公司也宣布获得了4540万美元资金。

生物燃料行业研究篇8

一、多能互补的必要性

数据显示，我国60％左右农村人口仍然靠传统的秸杆和薪材等解决能源问题。全国农村每年直接消耗的各种能源相当于5.6亿吨标准煤，占全国总能耗的一半左右。发展新能源已成为改变农村能源使用结构，减少环境污染以及促进农村社会和谐发展的重要手段。然而，农村新能源到底该向何发展，发展中要解决哪些问题?

农村新能源主要包括沼气、太阳能、风力发电、微小水电、生物质能这几个方面。现阶段农村能源应该多种形式并存，不同的地区应根据自身的特点，确定适合当地经济发展水平的发展方向和发展重点。

在谈到农村新能源利用时，国务院发展研究中心研究员周宏春教授提出了“四位一体”和“五配套”的概念。“四位一体”，就是以太阳能为动力，以沼气为纽带，将种植业和养殖业结合起来，在全封闭条件下将沼气池、猪禽舍、厕所和日光温室等一体化。

“这样既解决农村的能源供应，改善农民卫生和生活环境，又可以减少农作物和蔬菜生长中农药化肥的使用量，提高食品品质和食品安全。”“五配套”模式，是建一个沼气池、一个果园、一个暖圈、一个蓄水窖和一个看营房，实行人厕、沼气、猪圈三结合的立体养殖和多种经营系统。

农村新能源代表着未来能源利用的方向，发展前景是很好的。但是，一些地区受技术水平制约，影响了农村新能源技术的推广使用。此外，随着农村养殖户的减少，沼气的替代能源问题也是需要考虑的。拿沼气发展来说，要跳出为沼气而建沼气池的单纯观念，将推广沼气与养殖、种植相结合，打造“养殖一沼气一种植”的模式，促进经济增长方式的转变，达到“三沼(气、渣、液)”综合利用，增加农民收入的目标。

总之，农村能源的发展应坚持“因地制宜，多能互补，综合利用，讲求效益”。“特别是要重视发展生物质能技术及其产业。”农村能源行业协会会长朱明强调说。具体来说，就是大力发展以秸秆、稻草等这些原料丰富、取材容易的生物质能，以及清洁的太阳能、风能、微水电等可再生能源，同时通过改革炉具等措施提高能源利用效率，以实现农村地区社会经济的可持续发展。

国家发展改革委副主任解振华表示，未来我国将有序推进以秸秆为主要原料的生物质能源。为缓解资源能源约束，发展循环经济，保护环境，应对气候变化，我国将大力推动农作物秸秆在农业领域的循环利用，积极发展以秸秆为原料的加工业，有序发展以秸秆为原料的生物质能源。

二、生物质产业和技术在各国的发展概况

生物质产业已受到了国际社会的广泛关注，许多国家制定了促进生物质产业发展的相关政策，并投入了大量的资金用于研究开发和推广应用。由于生物质能作为可再生能源仅次于煤炭、石油、天然气之后第四大能源，因此它在整个能源系统中占有重要的地位。近些年来，开发利用生物质能成为当前国内外广泛关注的重大课题，既涉及农业和农村经济发展，又关系到国家的能源安全。作为经济快速发展的中国，大力开发新型可再生能源已经是国家发展的重要战略，因此开发利用生物质能这一课题，有利于中国开拓新能源，并且能够缓解能源供需矛盾，也是解决“三农”问题，保证社会经济持续性发展的重要任务。

生物质能的利用分为两种：直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达1440～1800亿吨(干重)，其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的3～8倍。但是尚未被人们合理利用，多半直接当薪柴使用，效率低。影响生态环境。

现代生物质产业是利用农作物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等可再生或循环的有机物质为原料，通过TA性加工转化生产化工产品、生物质燃料和生物能源以及生物质产品的一个格外引人关注的新兴产业。生物质既是可再生能源，也能生产出上千种的化工产品，且因其主要成分为碳水化合物，在生产及使用过程中与环境友好、又胜石油能源一筹。

目前我国的秸秆产出量已超过7亿吨，折合成标煤约为3.5亿吨，相当于7个神东煤田，全部利用可以减排8.5亿吨二氧化碳，相当于2007年全国二氧化碳排放量的1／8。随着国家明确提出到2015年秸秆综合利用率在80％的行动目标，我国秸秆资源化驶入快车道。以“秸秆能源”为代表的生物质能利用，在大力发展低碳经济的背景下，进入人们的视野。

目前。世界上较为成熟、可规模化开发利用的生物质技术主要集中在发电、固化成型燃料、沼气和液体燃料等方面。其中，生物质发电在发达国家已受到广泛重视，2005年全世界生物质发电的装机容量约达5000万千瓦，主要集中在北欧和美国。

生物质固化成型燃料在发达国家通常用来替代煤、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖，或用于区域供热和发电等。美国和欧洲一些国家的生物质成型燃料产品已进入商业化阶段，并相应开发了专用炉具；泰国、印度、越南、菲律宾等国也建成了一些生物质成型燃料生产厂，逐渐进入了规模化生产阶段。

沼气技术已经在有些国家普遍应用，欧洲和印度等地已建设了大量的户用沼气和大中型沼气工程。截至到2003年底，德国的大中型沼气工程总数已超过3000个，大多采用以畜禽粪便和秸秆为主要原料的厌氧消化工艺，机械化和自动化程度很高，生产出来的沼气主要用于发电。

生物液体燃料已实现规模化生产和应用。2005年，全世界生物燃料乙醇的总产量约为3000万吨，主要集中在巴西和美国；生物柴油总产量约220万吨，主要集中在德国。巴西以甘蔗为原料生产燃料乙醇，2005年的消费量为1200万吨，替代了当年汽油消费量的45％；美国主要利用耕地多、产量大的玉米为原料，同时积极发展纤维素制取燃料乙醇技术。欧盟对生物燃料也很重视。主要以大豆、油菜籽和回收的动植物废油等为原料生产柴油，2005年原欧盟15个成员国年产量约200万吨，占世界总产量的90％，其中德国年产量约为150万吨。

三、中国生物质产业的发展情况

中国农业生物质资源主要有农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工业副产品和能源作物等，资源丰富，产业发展潜力巨大。农业生物质具有资源种类多，分布范围广的特点，可转化为电力、燃气和液体燃料等多种商品位能源。

一直致力于生物质能研究的中国农业大学石元春院士认为，以秸秆为原料的现代能源是一个新兴产业。在当今发展清洁能源应对全球气候变暖的大形势下，秸秆迎来了 一个发展现代能源产业的重大机遇。

根据最新资料和有关专家预测，我国秸秆目前的用途是：还田15％，饲料16％，工业原料3％，薪柴50％和露地焚烧16％。也就是说，目前秸秆中的66％，约6_7亿吨是用于能源的，具有替代2.4亿吨标煤和减排5.8亿吨二氧化碳的能力。

秸秆还田、秸秆饲料、工业原料和薪柴的利用属于传统产业提升，而以秸秆为原料的现代能源是一个新兴产业。据了解，秸秆能源在欧洲发展已经有30多年，特别是北欧的丹麦和瑞典，秸秆发电和颗粒燃料的技术成熟度和商业化程度最高。

1、农作物秸秆

2004年我国小麦、玉米、稻谷、棉花、大豆、薯类、油料等主要农作物产量达4.69亿吨，秸秆产量约为5.96亿吨。预计到2020年我国主要作物的秸秆总量将达到8亿吨左右。其中，约有50％左右农作物秸秆用作农村居民生活用能，由于采用传统的燃烧方式，效率低下；我国以甘蔗渣及稻壳发电为应用方式的生物质燃烧发电已得到初步应用，总装机容量达800兆瓦；固化成型燃料技术已初步形成了研究、开发和应用同步推进的良好势头；以秸秆过腹还田、粉碎还田和生产有机肥还田的技术已形成一定应用规模；以秸秆为主要原料生产生物质材料的技术研究已经起步。

目前我国秸秆能源化主要有直接作为农村生活燃料、秸秆气化、压块替代煤炭燃料以及秸秆发电这几个途径。其中秸秆气化、压块替代煤炭燃料和秸秆发电已经在不少地方进行了探索和推广。

发展秸秆颗料燃料产业前景广阔。中国现年消费煤炭26亿吨，其中中小锅炉用约10亿吨，是温室气体排放大户，如果采用秸秆颗粒燃料替代，减排效益不可低估。

在中国，截至2007年底，核准的生物质直燃发电项目约百个，装机容量2500兆瓦，建成投交并网发电的项目总装机容量400兆瓦以上。截至2008年底，中国国能生物质发电集团已有10个30兆瓦和7个12兆瓦的生物质电站正在运营，其中单县电站装机容量30兆瓦，年发电2.2亿千瓦时，可替代8.7万吨标煤的燃煤，减排18万吨二氧化碳，农民年新增收入6000万元和获得1000多个工作岗位。秸秆直燃发电的技术和设备已经可以全部自主与国产。

秸秆能源产业还将为农民带来增收的机会。以每吨秸秆农民可获250至300元算，全国4亿吨能源用秸秆就能获得1000亿至1200亿元。计划2012年达40亿元。此外，农村的能源中，由烟熏火燎烧薪柴到烧颗粒燃料，能效可以提高2～3倍，能源消费质量也将显著提高。

2、能源作物

能源作物指经专门种植，用以作为能源原料的草本和木本植物，如甜高粱、甘蔗、木薯以及油菜等。全国未利用土地总面积为24508.79万公顷，其中有6020.56万公顷土地资源可供能源作物的开发种植。另外，每年还有约900万公顷不同类型的季节性农闲地，可以种植能源作物。

3、生物液体燃料

我国已建设了以陈化粮为原料生产燃料乙醇的示范工程，分别在6省市进行示范，燃料乙醇年生产能力已达102万吨。在非粮食作物生产燃料乙醇方面也取得了一定进展，已培育出适应盐碱地种植的“醇甜系列”杂交甜高粱品种，并建成了产业化示范基地；培育并引进了多个优良木薯品种，平均亩产超过3吨；育成了一批能源甘蔗新品系和能、糖兼用型甘蔗品种，并筛选出了适合甘蔗清汁发酵的菌株和活性干酵母菌株。

此外，我国已对利用菜籽油、棉籽油、乌桕油、木油、茶油和地沟油等原料生产生物柴油的技术开展了研究，目前已有年产10万吨生物柴油的生产能力。我国在双低油菜与杂种优势利用的结合上已达到国际先进水平：在油菜、油葵等主要作物上已开发出高含油量品种，含油量高达51.6％；为了不与食用油和工业用油争原料，还开发了利用麻疯树果实、黄连木籽等能源作物生产生物柴油的技术，初步具备了商业化发展的条件；在利用季节性农闲地种植油菜生产生物柴油方面具有很大潜力。

四、生物质产业在中国未来的前景

以生物质为原料生产绿色能源和环境友好产品是人类实现可持续发展的必由之路，已成为世界科技领域的前沿。随着经济的发展和社会的进步，世界各国将会更加重视环境保护和全球气候变化问题，通过制定新的能源发展战略、法规和政策，进一步加快生物质产业的发展。

从目前生物质的资源状况和技术发展水平看，今后发展的主要趋势是发电、供热、生产液体燃料和生物质材料等。最近20多年来，生物质技术发展很快，产业规模、经济性和市场化程度逐年提高，预计在2010～2020年间，大多数生物质技术可形成较强的市场竞争力，在2020年以后将会有更快的发展，并逐步成为主导产业。

生物质产业正成为朝阳产业。在中国发展生物质产业具有深远的意义，不仅有利于解决资源、能源短缺和环境污染问题，更是解决好“三农问题”、加快社会主义新农村建设的战略举措。中国政府高度重视生物质产业的发展。已经研究制定了一系列促进生物质产业发展的相关政策。

加强生物质技术研究与工程集成，在固化成型、燃烧、沼气、燃料乙醇、生物质材料等方面的关键技术研究和装备开发方面取得突破性进展，创新一批具有自主知识产权的技术和产品；推广一批先进的生物质工程技术；建成一批生物质产业化示范工程；开展我国农业生物质资源现状调查，初步查清我国生物质资源的拥有量和分布情况，建立生物质资源数据库，促进我国农业生物质产业的形成与发展。

全面推进生物质工程科技创新，在生物质能源转化和材料利用等方面达到国际先进水平，部分技术达到国际领先水平，增强我国农业生物质产业的国际竞争力。提高生物质能和产品在能源消费中的比重，通过生物质利用解决农村生活燃料短缺问题；基本实现农业废弃物的资源化利用，促进我国生态环境保护和社会经济的可持续发展。

以科学发展观为统领，以国家目标和市场需求为导向，针对我国生物质产业发展的关键环节，选择秸秆综合利用、农业有机废弃物资源化和能源作物开发为切入点，通过技术研究、集成和重点突破，创新生物质工程技术，加快生物质科研成果转化，促进生物质产业化进程，为建设社会主义新农村、为提高国家能源保障能力、为全面实现资源节约型和环境友好型社会建设目标提供重要的科技和产业支撑。

我国政府及有关部门已连续在四个国家五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用技术的研究与开发，如户用沼气池、节柴炕灶、薪炭林、大中型沼气工程、生物质压块成型、气化与气化发电、生物质液体燃料等，取得了多项优秀成果。《可再生能源法》的和实施表明中国政府已在法律上明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的地位，并在政策上给予了巨大优惠支持，“农林生物质工程”也已经成为“十一五”国家科技支撑计划重大项目。

对国际上生物质产业发展趋势和中国生物质产业发展现状，以及需要解决的紧迫问题与薄弱环节，选择秸秆综合利用、农业有机废弃物资源化和能源作物开发，增强我国农业生物质产业的竞争力，提高生物质能和在能源消费中的比重，通过生物质利用解决农村生活燃料短缺问题，基本实现农业废弃物的资源化利用，促进我国生态环境保护和社会经济的可持续发展。虽说生物质产业是世界发展和新兴的朝阳产业。但其当前成本与价格尚难与石油基产品竞争。

利用取之不尽，用之不竭的农林生物质生产材料和石油化工产品是绿色化学的重要研究方向。

生物质产业的工艺、设备和产业化方面，我国与发达国家有较大差距，但在资源和某些技术研究方面是有优势的抓住机遇，努力发展、在此项各国几乎在同一起跑线上的国际竞赛中，我国有可能跑在最前列。