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生物质能发电技术的现状和前景

生物质能发电技术的现状和前景


摘要:生物质能是现在一个热门清洁资源,在当前国内外生物资源的利用有很大差别,同时,在国内,对生物资源的利用还有很多问题亟待解决,但不可置否,生物资源对于当前传统资源肯定起替代作用,如何发展和利用好生物质能资源,是当前迫切要解决的一个问题,结合当前国际上的情况,整合国内信息进行分析,以此对于生物质能的利用前景进行一个比较合理的评估。


关键词:生物质能;发展前景;利用现状;



 


1  生物质能定义


生物质是能源领域常用的一个术语,生物质是指一切直接、间接利用绿色植物通过光合作用形成的有机质,生物质能也就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,包含了除过或是燃料以外的动植物代谢产物,在各种各样的能源中,生物质能处于一个独特的地位,是唯一的一种可再生碳源,也可以转化成常规的固、液、气体燃料。


2  我国生物质能利用现状


截至到2019年底,我国新能源发电装机达到4.38亿千瓦,同比增长约10%,新能源发电装机约占全部电力装机的21.8%,新能源装机规模持续扩大,新能源的清洁能源替代作用日益突显。2019年,风电装机2.1亿千瓦、光伏发电装机2.04亿千瓦、生物质发电装机2254万千瓦,分别同比增长14.0%,17.3%和26.6%。2019年,新能源发电量达0.74万亿千瓦时,同比增加约1060亿千瓦时;新能源发电量占全部发电量比重为1.01%。2019年,风电发电量4057亿千瓦时,同比增长10.9%;光伏发电2243亿千瓦时,同比增长26.3%;生物质发电1111亿千瓦时,同比增长20.4%。2019年,全国弃风电量169亿千瓦时,全国平均弃风率4%,同比下降3个百分点;弃光电量46亿千瓦时,全国平均弃光率2%,同比下降1个百分点,新能源利用水平不断提高。截至2019年底,全国发电装机容量201066万千瓦,同比增长5.8%。其中,火电装机119055万千瓦,占总装机容量的59.2%;水电(35640万千瓦)、核电(4874万千瓦)、风电(21005万千瓦)、太阳能发电(20468万千瓦)等清洁能源装机总容量已达81987万千瓦,占总装机容量的40.8%。在世界范围内,各国政府已将发展生物质能源产业作为一项重大的国家战略来推进。由此可见,新能源发展势头猛烈,新能源的替代作用逐渐显现出来。【1】


在当今世界,据估计,地球上每年植物通过光合作用固定碳量达2*10^11t,折算能量为3*10^21J这个量级为世界每年消耗能量的十倍,如此庞大的能量,几乎是取之不尽用之不竭的完美的清洁能源,但是因为利用技术尚不成熟,截至2019年底,世界对于这部分能量的利用率不足3%。


3 生物质能的优势


可再生性。生物质能源本质上是从太阳能转化而来,通过植物的光合作用将太阳能固定为生物自身的固定碳以及其他各种各样的化学能,这种储存在生物内部的能量,与其他类似风能、太阳能等,都是可再生能源,一定程度上可以实现能源的循环利用,从而减少对一次能源的使用以及对环境的破坏。因为这种能量是由太阳能被生物转化而来,因此生物质主要为含碳、氢有机物,而硫、氮等可构成有害气体的元素较少,整体上看,对于CO2的排放基本都会由自身吸收,达到CO2在这部分生物质内循环的效果,CO2的排量基本为零。【2】


清洁特性。生物质能源中的有害物质含量很低,是一种优秀的清洁能源。生物质能源的转化过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质能源,生物质能源的使用过程中又产生了CO2和水,形成CO2的闭环吸收系统,此举有效的减少了碳排放量,对于大气环境来说,延缓了温室效应的加剧。对于能源的采集也是十分便利,像是农田中废弃的秸秆,农作物秸秆是非常丰富的可再生生物质资源,包括小麦、玉米、高粱、棉花、大豆、水稻等农作物收获后的废弃部分,以及农产品加工后的废弃部分。我国每年产秸秆量相当于3.5亿t标准煤,去除工业使用、粉碎还田、饲 料、培养食用菌、农户炊事及取 暖 焚 烧 等 使 用 外,至少剩余30%,常直接被焚烧,不仅造成大量能源资源浪费,而且导致环境污染,这也是季节性雾霾出现的主要原因。因此,将废弃的秸秆充分利用,既可以提取所含能量,又可以改善农村环境,减少空气污染,利用后的草木灰还可以直接返田增加土壤无机肥料。


替代优势。利用现代技术可以将生物质能源通过直接燃烧技术、物化转化技术、生化转化技术、植物油技术等,将生物质转化为不同的目标和使用特殊的场合所需,这样看,生物质能由于其多种多样的转化技术,在各种能源应用场合生物质能都能满足你的需求,因此,生物质能的替代性是十分显著的。国际自然基金会2011年2 月发布的《能源报告》认为,到2050 年,将有60%的工业燃料和工业供热都采用生物质能源。目前,国际上在减排温室气体的背景下,许多国家可再生能源发展的速度超过了两位数。我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一,煤炭的消费量占能源总消费量的70%以上。这种以煤为主的能源消费结构是客观上造成我国能源系统效率低、环境污染重的根本原因,因此,改善能源结构,大力发展风能、太阳能等可再生能源,是能源发展战略的一项长期国策。


原料丰富。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等等可以生长的有机物中,生物质能通常包含了:柴火,至今仍是许多发展中国家的重要能源,但由于薪柴的需求导致林地日减,多后应适当规划与广泛植林;牲者粪便,性着的粪便,经干燥可直接燃烧供应热能,若将粪便经过厌氧处理,可产生甲烷和肥料;制糖作物,制糖作物可经发都转变为乙醇;城市垃圾,主要包括纸屑、纺织废料、废弃食物等,将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或可以经过热分解处理制成燃料使用;城市污水,通常情况下,城市污水约含有0.02%~0.03%的固体与99%以上的水分,下水道污泥有望成为厌氧消化槽的主要原料。;水生植物,同薪柴一样,水生植物也可转化成燃料。【3】


4  国际情况


以欧盟为例,欧盟自20世纪90年代初开始,陆续出台了多项能源发展计划,将可再生能源研究列为欧盟第六框架计划中的一项重要内容,按照欧盟的要求,到2020年,生物质燃料在传统的燃料市场中占有20%的比例。在欧盟,生物质颗粒成型技术和直燃发电技术应用已非常广泛,生物质能利用的第二大领城是利用生物质提取液体或气体燃料代替汽油或柴油。欧盟发布了两项新的指令以推进生物质燃料在汽车燃料市场上的应用。最近几年,在欧洲生产生物柴油可享受到政府的税收政策优惠,导致其零售价低于普通柴油,欧盟出台鼓励开发和使用生物质柴油的新规定,如对生物柴油免征增值税,规定机动车使用生物质动力燃料占动力燃料营业总额的最低份额,从2004年的2%提高到2010年的5.75%。2008年欧盟27国的生物柴油产量为775.5万t,年增长率为35.7%,其中,德国、法国、意大利、比利时和波兰5个国家的生物柴油产量占欧盟27国总产量的3/4,燃料乙醇在欧盟生物能源产业中是第二大生物燃料,原料主要是谷物及甜菜等。目前,欧盟现有生物燃料乙醇生产厂58家,2008年实际产量为170万t。此外,欧盟还从国外进口燃料乙醇。在瑞典有生物颗粒加工工厂10多家,单个企业的年生产能力超过20万t,生物质固体颗粒通过特殊运输工具定点供应发电和供热企业外,还通过袋装的方式销售给家庭作为生活用燃料。在生物质直燃发电技术方面,丹麦比较突出。丹麦的BWE公司率先研究开发了秸秆生物质燃烧发电技术,迄今在这一领域仍是世界最高水平的保持者,新建的热电联产项目都是以生物质为燃料,还将就燃煤供热厂改为燃烧生物质的热电联产项目。目前欧盟是固体颗粒燃料最大的消费区,2013年燃烧量超过1500 万吨。但是,欧盟在 2019 年进口了约 670 万吨固体颗粒燃料,总进口量中约有 75%来自北美(较 2018 年增长了 20%),剩余的大部分来自俄罗斯和东欧。这其实也是在变相进口能源,是不利于能源独立的。我国发展生物质能源不应该发展到进口生物质能源的地步。【4】


5  存在问题


生物质能发电技术虽然前景广阔有着可观的未来,但是真正发展起来却没有想象的那么简单。随着对这方面的不断深入研究一些问题及困难也逐渐显露出来。在建立可再生能源市还存在很多问题,主要表现在:对建立完善可再生能源市场的战略性、长期性和艰巨性的认识不足;由于成本相对过高以及产品自身特点原因,目前可再生能源还缺乏广泛的社会认同和完善的市场环境,而且目前缺少有效的措施,使生物质能有效并网,市场供需关系有波动,距离火电那样成熟的调整负荷、供需关系稳定的状态还需要付出艰巨的努力。简单来说就是,生物质能发电技术发展较晚,缺少社会认可,这就导致所发出的电无处可用,在产能过剩的今天,这种问题是十分致命的。【6】


  再有就是转化应用成本近年来一直都没有减少。生物质能发电成本从2010年以来保持稳定,一直维持在0.07$/Kwh,但是光伏,光热,海上风电,等可再生能源发电成本都大幅下降。我国政府自 2004 年以来也立项支持了一些生物质能源的基础研究项目,但是,这些研究主要集中在传统的热化学转化平台上,不仅能耗高、对环境不友好,而且没有区别地破坏了生物质的半纤维素和木质素的结构,所形成的衍生物难以有效利用,难以产业化应用。虽然至今这些问题都已经的得到了一定的解决,但是还远远不够,尤其是无法形成相关的产业链,发电所带来的副产品无法得到利用,同时这也是生物质能发电技术提高效益的一大突破口,若是这个问题能够得到解决,将会极大程度的提高经济效益。


    生物质能发展的另外一些问题就是原料难以获得。首先生物质能与风能、光能的最大差别在于其原料更加“稀缺”。尽管生物质资源量巨大,但原料获取和转化过程中需要额外投入,导致原料总成本居高不下。其次生物质发电的原材料成本构成要比传统发电复杂。与传统原材料不同,生物质发电原材料成本除了秸秆等原料的购买成本外,原材料分散在农村的千家万户,加工成本、储运费用以及损耗占燃料成本较大比重。此外,国家政府的政策对这方面的支持力度也不是很大,导致发展动力不足,不过近年来在我的家乡这些都有所改善。【7】


最后,也是最根本的一点。技术创新能力较弱,为了尽快降低成本、克服电网等外部支撑条件的限制,必须依赖持续不断的技术创新和产业化应用。虽然我国在可再生能源利用关键技术研发水平和创新能力方面有所提高,但总体上和国外发达国家相比仍然明显落后。主要表现在基础研究薄弱,创新性、基础性研究工作开展较少、起步较晚、水平较低,如光伏发电技术、纤维素制乙醇等技术,缺乏大规模发展所需的技术基础;缺乏强有力的技术研究支撑平台,难以支持科技基础研究和提供公共技术服务;缺乏清晰系统的技术发展路线和长期的发展思路,没有制定连续、滚动的研发投入计划;用于研发的资金支持明显不足。【8】生物质直燃发电技术是一个跨度较大的综合性新领域,国内从基础性科学、工程设计、机械设备等方面的研究都滞后于现在产业的发展水平。生物质发电企业几乎都有进口设备,进口设备的成本无论是购买还是后续维护都要大大高于国内设计并生产的发电设备。而完全使用自主研发制造设备的企业数量很少。另外,配套的机械制造行业还未形成成熟的产品市场,目前我国在生物质发电燃料收储运方面所需的农业机械设备还没有完全配套的产品。人才支撑不够,目前国内既无现成的运营企业可供借鉴,各科研单位和院校也无对口的专业设置,真正熟悉和掌握生物质直燃发电的人才较少。【9】


7  发展及其建议


   多元化生物质能;在一定的经济型和可利用性下,几乎所有的生物质能都可以成为潜在的可利用资源,当潜在的生物质能可被开发后,对于后续的稳定发电,原料稳定供应以及废弃农作物的回收都可以构成完整的产业链,形成产业链之后,生物质能的发展才能由国家主导变成市场主导,才能够有后续发展壮大的可能。


对生物质能全面评估;对于不同地区,上游的原料和利用成本,下游的消耗和输送成本都有不同,对一个地区的生物质能资源进行完整的评估是十分必要的,这同时也影响着后续对于原料的主要产出者建立良好的沟通交流,使得资源可利用,资源应该被利用的理念深入人心,有助于生物质能转化产品可被大众接受,有助于后续在市场上传播销售。【10】对不同生物质资源所创造收益做分类统计,综合运输成本、信息交流成本等多种因素,对不同资源创造的效益进行详细分析,找出最利于生物质能源产业持续发展的生物质资源,同时对效益低下的生物质资源谋求改善方法,以此进一步推动生物质能源产业持续发展。 作者:比焓降 https://www.bilibili.com/read/cv16414430 出处:bilibili


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