生物质能源一定低碳吗？——基于生命周期评价分析生物质能源的生态-技术-经济特征

人类社会经济发展对化石能源的依赖是应对全球变暖的世界性难题。化石能源消耗意味着较高的碳排放，现代社会期待可持续、低碳、高效的能源体系。地球上的植物等通过光合作用合成有机物，为人类及多种动物提供了多样的食物、薪材、以及建造房屋、制作工具、家具的材料等，人类对于生物质的利用历史由来已久。根据GB/T 30366—2024，生物质（Biomass）是直接或间接利用绿色植物光合作用形成的，包括植物、动物和微生物以及由这些生命体排泄与代谢所产生的有机物质；将生物质中以化学能形式贮存的太阳能转化为常规的固态、液态、气态燃料或能源的可再生能源即是生物质能。生物质能直接或间接来源于绿色植物的光合作用，是国际公认的零碳可再生能源，具有绿色、低碳、清洁、储量丰富等优势。

植物不光创造美景，也是人类重要的能量来源（图源：赵玉萍，封面图）开发利用生物质能是形成可持续、低碳、高效能源体系的重要组成部分，是实现社会经济绿色转型的重要途径，也是落实绿色低碳循环发展的关键环节。那么生物质能就一定低碳吗？制约生物质能开发利用的关键问题在哪里？在此摘编The Innovation期刊视频号的一场学术报告，来展示基于生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）分析生物质能源生态-技术-经济特征的过程，及其在生物质资源转化、生物质能开发利用的工艺方案选择上的应用。本报告的题目为“生物质能源一定低碳么？”，报告人为太原理工大学赵志仝老师。（编者按：ZYP）一、生物质能源的特点由于光合作用是形成生物质的直接和间接因素，生物质能源在理论上能实现零碳排放，因此生物质能具有天然的零碳属性。生物质种类多样，成分复杂，以生产乙醇为例，生物质原料包括：以淀粉为主要成分的粮食作物；以糖类为主要成分的经济作物；以木质素、纤维素和半纤维素为主要成分的秸秆等农林废弃物；以脂类、蛋白质、糖类和淀粉为主要成分的藻类。然而，生物质能源密度低，运输等体积物料时，获得的能量少。主要粮食作物小麦、玉米和水稻的产量依次为6.3 t/hm2、6.5 t/hm2 和7.3 t/hm2，相应的秸秆产量范围为6.3~7.6 t/hm2、6.5~9.4 t/hm2、6.5~8.7 t/hm2。柳枝稷、芒草生物量分别为13 t/hm2和40 t/hm2。因此生物质产量的天然限制，决定了其具有收集区域分散的特征，这会对运输距离、农田覆盖率、作物收集、存储等带来挑战。二、现代化工体系与生物质转化工艺现代化工体系是把原油、煤等经过一系列化学过程转化成各种化工产品。现代石油化工体系，是原油经过裂解、重整、蒸馏等步骤，将长链烃断裂为合适大小的烃类能源并分离的过程，通常以原油和煤等化石能源为原料，其化学成分主要是碳氢化合物。生物质与石油的化学成分不同，不同来源的生物质其化学成分存在显著差别，能否构建技术、经济、环境可行的工艺技术是生物质能源利用的决定性因素。三、生物质能源的全生命周期评价（LCA）生物质能源一定低碳么？生物质能源的经济性怎么样？生物质能源的制约因素在哪儿？用什么样的评估方法合理？对于以上问题，我们可以用生命周期评价（LCA）这一工具揭示生物质能源的生态-经济-技术特征。LCA是一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。生命周期评价贯穿产品生命周期全过程——从获取原材料、生产、使用直至最终处置，考察所有环节的环境因素及其潜在影响，因此也被称为从摇篮到坟墓全生命周期的评价分析方法。生物质全生命周期模型由生物质供应及运输系统和生物质转化系统组成。生物质转化包括原料预处理、反应、产物分离与提纯、公用工程、废水处理等模块。以传统车用燃料的替代为例，可以梳理出石油、煤制油、煤发电、生物质路线，其系统边界如下图。LCA评价时，每个过程都需要追溯能源消耗与碳排放，但要扣除生物质光合作用固定的CO2。电动车和内燃机车不一样，还需要考虑车辆生产过程。数据收集是LCA非常重要的环节，通过统计年鉴、企业调研、OpenLCA等专用数据库软件、文献参考等构建LCA评价的数据库，通过MATLAB等专业软件构建LCA评价模型及工艺模拟。四、生物质能源LCA案例——以芒草制乙二醇为例在我国，乙二醇产量长期低于市场表观消费量，长期依赖进口补足消费缺口。为了提升我国乙二醇生产量，增强乙二醇的供应，2015年中国科学院大连化学与物理研究所的张涛团队研究出通过芒草制乙二醇的混合物（乙二醇含量为44.12%）。在此用LCA方法评价其工艺可行性、技术经济性和环境友好性。芒草制乙二醇的工艺包括原料供应系统、预处理单元、反应单元、公用工程单元、产物分离单元和废水处理单元。其中，对于原料供应系统，芒草种植面积及分布会影响运输距离、打捆能耗、存储成本，也影响产品整体的生产规模。同时，芒草运输距离对生产成本有影响，当运输距离为60 km时芒草生产成本最低，因此推荐芒草运输半径范围为20~135 km，理论规模为2~28万吨。芒草制乙二醇的工艺流程主要包括原料预处理、反应、废水处理和产物分离四个部分。生产每吨生物质乙二醇，需要消耗7.2吨芒草，工艺水单耗为104.6吨。而煤化工路线生产每吨乙二醇，需要消耗3.2吨煤，石油化工路线生产每吨乙二醇需要消耗0.8吨乙烯。从生产成本上来看，生物质基＞石油基＞煤基；但从化石能源消耗方面，生物质基＜石油基＜煤基；温室气体排放方面，生物基远低于煤基。因此，生物质乙二醇具有节能减排潜力，但生产成本相对较高，经济效益不如石油基和煤基等化石路线。另外，通过生物质乙二醇路线的灵敏度分析，可知：乙二醇收率（乙二醇实际生产量占理论生成量的比例）对总生产成本和化石能源消耗最敏感，氢气消耗量对碳排放影响最敏感；工艺水消耗和芒草收集率引起超过2.2%的变化。与石油基和煤基乙二醇相比，当乙二醇收率高于55%时，生物质乙二醇的生产成本低于石油基乙二醇生产总成本，当乙二醇收率高于70%时，生物质乙二醇的生产成本低于煤基乙二醇生产总成本，生物质基乙二醇的经济性凸显，可实现盈利。同时，氢气消耗量是影响生物质基乙二醇全生命周期碳排放和化石能源消耗的关键因素。非化石资源制氢路线的生物质乙二醇经济性较弱，单纯改变氢源难以实现盈利；但是，非化石资源制氢路线将节约26%~54%的化石能源，实现生物质基乙二醇路线的碳排放达到负值。芒草产量和种植率对生物质乙二醇的经济性存在一定影响。提高芒草产量和种植率可提高生物质乙二醇的经济性，但这种影响趋势会逐渐缩小。在生物质制乙二醇的工艺过程中，脱水方式（直接精馏、热泵精馏）选择可影响总固定投资、总公用工程和总生产成本，热泵精馏系统总固定投资可能会略高，但相对于直接精馏，总公用工程的投资可降低52.0%，可实现总成本节约8.6%。最后，预处理产物浓度高于24%和54%时，总生产成本与石油基和煤基乙二醇持平。基于总生产成本、生命周期化石能源消耗、生命周期碳排放的综合考虑，当预处理产物浓度高于50%时直接精馏脱水有利，反之集成热泵精馏脱水有利。小结生物质能源一定低碳么？是否低碳与转化技术相关，还与原料种类、规模大小、能源生态圈等相关。改进技术，优化模型，促进可再生能源体系生态圈，能大幅度提升生物质能源节能降碳潜力。生物质能源理论上是零碳排放。在可再生能源体系下，生物质能源能够做到零碳排放。不能轻易地对生物质能源及化学品是否低碳下结论，需结合转化技术、原料种类、供应体系等全生命周期要素综合评估。技术升级和系统优化是促进生物质能源碳减排的两个策略。注:报告视频来源：TheInnovation创新视频号；本文章根据原报告视频整理，文中图片全部来源于报告视频截图。