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生物燃料—替代石油与天然气的最佳选择
访土壤学家、中国科学院院士、中国工程院院士石元春

  石元春,土壤学家。现为中国农业大学教授、国务院科学技术奖励委员会委员。曾任中国科协副主席、国务院学位委员会委员、国务院资源环境委员会科学顾问、中国农学会副会长。1991、1994和1995年先后当选为中国科学院院士、中国工程院院士和第三世界科学院院士。曾获陈嘉庚农业科学奖、王丹萍科学奖和何良何利农业科学奖。出版专著7部,发表文章100余篇。

  前不久,石元春院士撰写《我国能源忧思》一文,提出“以生物燃料替代石油与天然气,是我国能源发展的最佳选择”。这个惊世骇俗的观点一经提出,立即引来业界极大关注。那么,以生物替代石油和天然气有怎样的科学依据?在我国是否有可行性?在我国有怎样的推广前景?为此,本刊记者对石元春院士进行了专访。

  美国不把长久繁荣与安全建立在将会枯竭的能源上

  记者:石油和天然气都是不可再生能源。中国对外石油依存度已为世界之首。寻找其替代能源,是人类共同面对的难题,更是中国急需解决的问题。您提出生物燃料替代石油和天然气,最直接的依据是什么?

  石元春:美国、欧盟的成功实践,是这个命题的最直接依据。

  经过5年准备,2007年,美国通过了《能源自主与安全法案》,向世界宣告了美国的自主与安全的能源战略,并规定到2022年全美必须生产和使用1.08亿吨生物燃料(其中包括1.05亿吨燃料乙醇)。2011年3月奥巴马发布《确保未来能源安全的蓝图》,将通过发展生物燃料以减少进口石油放在第一位,并宣称“美国不能把长久繁荣与安全建立在将会枯竭的能源基础上”,提出要生产更多的本土生物燃油和提高燃油效率,在10年内使美国的石油进口规模(指每天1100万桶)减少三分之一。

  查阅近10年美国能源战略与政策方面的资料和文章,出现频率最多的用词是“自主”、“安全”、“替代”、“生物燃料”以及“降低石油进口依存度”。经过10多年的努力,美国石油进口依存度终于由75%下降到47%,主要靠的是年产4000万吨燃料乙醇,初步完成了由石油“立足国外”到“基于本土”的能源战略转变。美国能源部最近的数据显示,在过去的6年里能源自给率逐渐提高,2011年前10个月达到81%。

  不仅仅是美国,世界各国也都把生物质能源放在重要的位置上。2007年欧盟通过立法提出2020年能源消费总量中可再生能源要占到20%,其中交通部门燃料消费中生物质能源要占到10%的目标。瑞典能源消费结构中石油份额由1970年的77%下降到2008年的32%,首都斯德哥尔摩的公交车已全部使用生物乙醇和生物天然气。2004年印度开始石油、农业领域的“无声革命”,制定了从2011年开始全国运输燃料中必须添加10%乙醇的法令,违者将被起诉。日本经内阁会议审议通过的《日本生物质综合战略》提出由“石化日本”向“生物质日本”的战略转变,并制定了摆脱石油依赖的时间表。

  发展生物能源是促进农村经济的捷径

  记者:发展生物能源必然涉及“三农”问题,那么,生物能源对农村经济会有怎样的影响?最主要的是生物能源所需土地问题如何解决?

  石元春:这一点我仅举与中国有诸多共同之处的巴西一例。巴西创造了一个生物燃料与农村经济互促双赢的局面。他们奇迹般地将甘蔗乙醇产业发展成国家第一支柱产业,替代了全国41.8%的汽油。巴西已建成10大甘蔗乙醇生产基地和由甘蔗种植—乙醇加工—专用汽车FFVs—国内市场—国际贸易的一套完整体系。2003年启动的灵活燃料汽车市场,到2010年2月已超过1000万辆,占汽车销售的90%,且有1.2万架小型及农用飞机使用乙醇燃料。2008年世界粮食危机中有人攻击生物燃料时,总统卢拉说:“巴西的经验表明,生物燃料不仅没有威胁到粮食安全,而且可以在农村地区增加就业,为农民带来了更多收入。”

  中国的贫富差距越拉越大,主要是农民大群体的收入增长太慢,“三农”沉疴难除。党中央一再强调“三农”问题是全党工作的重中之重,下发了“城乡统筹”、“现代农业”、“新农村建设”、“科技兴农”等一个又一个“一号文件”,为什么不能改变一下传统农业的思维模式和落后的农业产业结构,想想“巴西奇迹”,想想中国“三农”问题的病根在哪里?

  根据农业部2008年的专项调查报告,全国有可用于发展液体生物燃料的宜能荒地4亿亩。我认为,这4亿亩待垦荒地就可用于种植非粮乙醇原料,如果加上部分不能种粮食的低质农田,可具年替代石油1亿吨以上的潜力。

  土地有了着落,非粮乙醇的原料问题就好解决了,问题是转化技术怎么样?经多年试验,清华大学的甜高粱乙醇ASSF固体发酵技术于2011年在直径3.6米、长55米的固体发酵罐连续发酵试验取得了成功。发酵时间30个小时,可发酵糖转化率超过92 %,实际乙醇收率达到理论值的94.48 %,过程简捷能耗低,经济性和环保性好。此外,“中粮”在广西北海年产20万吨的木薯乙醇已经成功运行了4年,技术也趋成熟。

  主动培育即将异军突起的生物天然气

  记者:继煤炭和石油之后,天然气时代正悄悄到来,它以自身优势日渐走到能源前台。您在《我国能源忧思》一文中也提到了生物天然气。在我国,开发生物天然气的前景如何?

  石元春:所谓生物天然气就是我们熟知的沼气,它与天然气的主要有效成分都是甲烷。沼气甲烷含量在60%左右,提纯到90%以上即同于一般的管道天然气,可用作燃料或发电;如净化到97%以上即等同于车用天然气,热值与性能无异,统称之为“生物天然气”。生物天然气在德国、奥地利、意大利和法国等多用于热电联产,瑞典、瑞士等国多为车用,商业化已10多年了。

  生物天然气不仅具有化石天然气的各种优点,还有化石天然气所不具备的许多长处。它可以再生,且原料来自能吸收空气中CO2的植物,以及对畜禽粪便、植物茎秆、工业和城市高COD值有机废弃物(污染源)的循环利用,故按全生命周期(LCA)分析法计算,化石天然气的温室气体净排放量(每1千瓦时做功能量的CO2排放克数)是398克,而生物天然气是负414克,它是最环保和最清洁的能源。如果与其他清洁能源相比,它不需要任何专门设施而可共用天然气的管道和配送系统进入千家万户和交通工具。此外,它是生物质经厌氧发酵转化生成,而在各种生物能源转化方式中厌氧发酵效率几乎是最高的。

  我国农村户用沼气4000多万户,单体(发酵罐)装置容积在50~300立方米和300立方米以上的中大型沼气工程有近3万处。在大型养殖场沼气发电中,山东民和牧业公司日处理300吨鸡粪及500吨废水,日产沼气2.8万立方米,发电厂装机容量3兆瓦,日发电7万千瓦时;北京德青源鸡场日处理鸡粪212吨,日产沼气1.9万立方米,发电厂装机容量2兆瓦,德清源技术已正式签约转让美国养殖业。日产超过1万立方米的车用生物天然气已于2011年3月开始在广西南宁市成功商业化运行,预计近一两年内,北京、河南、山东、海南、河北等地将陆续出现生产经纯化压缩的车用生物天然气的示范试点。

  据估算,我国仅畜禽养殖场废水、工业有机废水和城市污水三项的COD年排放量超过1亿吨,到2020年可达2亿吨,可年产生物天然气830亿立方米,加上农作物秸秆和垃圾填埋气可年产1500亿立方米沼气,可替代近900亿立方米的天然气,比2008年全国天然气实际消费量还多出100亿立方米。

  我国天然气需求激增,缺口迅速扩大,近年以巨资向澳大利亚、土库曼斯坦、卡塔尔、伊朗、俄罗斯等大规模引进天然气,并在沿海大规模设立LNG接收站。我们完全有条件开发国内丰富的沼气原料资源,减少天然气进口。发展生物天然气还可与环保产业和资源循环利用融为一体,与发展农村经济和新农村建设密切结合。

  加快建设本土的绿色油气田

  记者:石院士为我们描绘了一幅我国生物油气美好的图画,一旦实现,我国油气对外严重依赖的局面将得到极大缓解,“三农”也会受益匪浅。那么我们具体应该怎样实施呢?

  石元春:为了国家能源自主与安全,就要以非常举措,将减少油气进口作为战略突破口。要像上世纪五十年代抓“橡胶”,六七十年代抓“两弹一星”,七八十年代抓“粮食”一样地打一场油气“绝地翻身战”。

  如以2010年我国进口石油2亿吨为基数,设置2015年减少石油进口4%和2020年15%的指标,折算燃料乙醇(1吨乙醇约相当于0.63吨石油)后的指标分别为1300万吨和4500万吨。那么,2015年燃料乙醇指标由现规划的500万吨上升到1300万吨,2020年由1000万吨提高到4500万吨,是不是太不靠谱,太冒进了?

  恐怕并非如此。与美国比,美国2010年液体生物燃料产量是4000万吨,2022年的规划指标是1.08亿吨。也就是说,即使2020年中国拿下了这场翻身战,还是比美国晚了10年。看看印度,制定了一个2020年以用5000万吨乙醇代替86%进口石油的实施计划,比上述“冒进”设想还多了500万吨。真是“不比不知道,一比吓一跳”。

  非常之事必有非常之举,我们像现在这样零敲碎打地搞油气替代是绝对不行的,必须加快建设本土的绿色油田和绿色气田的步伐。所谓绿色油田就是根据乙醇发展指标,建设相应面积的甜高粱、薯类、能源草(芒草、柳枝)等非粮原料种植基地。按每吨乙醇需3亩土地计,1300万吨约需4000万亩土地,4500万吨约需1.35亿亩土地。

  现在,我国有可用于发展液体生物燃料的宜能荒地4亿亩,按0.6的垦殖系数计算,可建2.4亿亩绿色能源农田,具有生产8000万吨乙醇的潜力。在国家油气安全受到如此严重威胁的时候,启动这些长期沉睡的后备耕地,让它们为国分忧,利国利民。

  新中国成立后,为发展生产而于上世纪50年代开荒了2.4亿亩;“三年困难时期”后开荒6000万亩;农村实行承包责任制后开荒5400万亩,今日为了国家石油安全,开荒亿亩是十分必要的。以我国当前技术、资金、管理和政策水平,完全可以在垦殖后备荒地中做到生态、生产和经济三丰收,一些受损生态还能得以修复与重建。

  科学垦殖可以使受损生态得以修复与重建,可以提升低质生态系统的品质。这片绿色油田还是国家粮田的后备,一旦急需粮食或其他农产品,绿色油田中条件较好的立即改种也就可以了,当年见效,比临时开荒顺手得多。可藏粮于屯,也可藏粮于地,美国也有大面积退耕休闲地作为农田储备,政府给予奖励。发展生物燃料不仅不会影响粮食安全,更能深化国家粮食安全。

  绿色气田是指生物天然气的原料生产基地。一是以大中型养殖场的畜禽粪便为基础,辅以作物秸秆和能源植物的“养殖场绿色气田”;二是动植物产品加工工业(制糖、造纸、淀粉、食品等)产生的废水废渣为原料的“加工业绿色气田”;三是以城市有机垃圾及污水等为原料的“城市区绿色气田”。据天然气业界预测,2020年我国天然气产量预计可达1700亿立方米,但因赶不上消费量的增长,年缺口在1000亿立方米左右。如果弥补20%的缺口即200亿立方米,原料资源和技术都不成问题。

  当前我国发展经济中的第一要务是扩大内需,如果从每年约1.2万亿元(2011年进口石油款为1966.7亿美元,比2010年增加了45.3%)的购油款,还有在“不稳定地区”的万亿计投资中拿出一小部分用于建设本土绿色油气田以及转化加工业,即可培育出一个庞大的内需市场。从土地和农民,农林废弃物和非粮能源植物,原料生产和加工转化,到机械制造和储藏运输、科技研发和社会服务等,是多么长的一个产业链条,可以提供多少工作岗位,对国民经济有多大的带动啊! “三农”更在翘首以待。


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