以植物、菌藻和動物等有機質為原料,提煉氫并使其與氧反應產生能量,用于熱源和動力,稱為生物質氫能。從生產的大規(guī)模和經濟性看,其原料主要來自于甘蔗、甜高粱、甜菜和木薯等植物。
生物質原料,本身因可燃燒等特性就是生物質能源,通過“生物質加工提醇—醇類制氫—氫氧反應”過程形成氫能。生物質能源從碳排放程度變化看,可分為直接燃用動物油及植物、菌藻植物提取乙醇燃用和乙醇等重整制氫使用三個階段。人類生物質能源的生產和消費,在第一階段中直接燃燒,污染和碳排放量很大;第二階段生物質精細加工及使用,污染及碳排放減少;第三階段通過深化加工,轉制氫能,實現(xiàn)生產和使用的低污染和零排放。
作為第三階段的生物質氫能,其優(yōu)點在于:它屬于綠氫,由植物生長吸收陽光照熱、土壤水分和二氧化碳,并將成熟后的果實和秸稈發(fā)酵提取乙醇,再重整制氫而形成,加工轉換排碳量微小;從生物質原料到加工提取的乙醇能源,發(fā)酵蒸餾獲得乙醇轉換用能不多,并且可來自于部分秸稈或酒糟燃燒加溫或者光電風電加熱,能源轉換次數(shù)少,轉換消耗能源低;生物質直接發(fā)酵提取乙醇,并由化學反應獲得氫氣,減少了風能、光能、電解水制氫需要先儲能的環(huán)節(jié),節(jié)省了成本和能源轉換損耗。
從世界范圍來看,當前各國主要通過石化原料加工制氫,而風能、光能、電解水制氫和生物發(fā)酵重整制氫的產量不到總產量的1%,其中生物氫產能不到綠氫產能的1%,生物質氫能發(fā)展還處于萌芽階段。目前生物質能源生產和消費大國主要是巴西、美國。巴西甘蔗生產的生物質乙醇等能源占其總能源消費的17.4%,輕型乘用車燃料總消耗中,生物乙醇占48.3%;美國2020年生產生物乙醇5050萬噸,70%左右用于汽車動力,大部分地區(qū)使用摻加10%的生物乙醇汽油,近期為應對俄烏沖突提高到了15%。我國2020年生物燃料乙醇生產能力為300萬噸左右,原料主要為玉米,乙醇摻入汽油比為10%,可加注使用的地區(qū)為黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽和廣西,以及內蒙古、山東、湖北和河北等省區(qū)的部分盟地市。
從我國國情和生物質能源特點來看,未來15年到20年,應當先走完生物質能源發(fā)展的第二階段,為第三階段生物氫能源發(fā)展打好基礎?,F(xiàn)階段應大力發(fā)展生物乙醇能源,生物質氫能是生物乙醇能源的制作再加工和產業(yè)再深化,因此乙醇生產難點,也是未來生物質氫能生產和產業(yè)鏈的難點。從上下游產業(yè)來看,集儲裝運卸環(huán)節(jié)還存在諸多堵點。例如,在上游生產方面,目前提醇和制氫技術已經攻克,主要面臨儲運成本較高問題;下游產業(yè)發(fā)展主要是生物氫能生產地與使用地之間的多次罐儲、裝卸、運輸、分銷和加注等物流服務成本高;較經濟的儲運裝卸氫能技術需要在材料和方式方面突破,新技術需考慮成本水平是否為市場需求接受;等等。
推進生物乙醇能源市場化,建議先發(fā)展植物乙醇,使其種植、集儲、提醇實現(xiàn)經濟性生產,將乙醇的成本降下來,形成制氫用原料規(guī)?;┙o,實現(xiàn)儲裝運卸和終端使用方面關鍵性技術的突破,形成生物乙醇轉制氫能的需求市場。以原料市場保證氫能生產供給,以需求市場平衡供給和拉動生產。這方面可借鑒美國和巴西的經驗,普及摻加15%乙醇汽油和20%乙醇柴油的使用。
應當通過農業(yè)與工業(yè)融合,統(tǒng)籌糧食和能源發(fā)展。用土地和勞動力要素密集型投入路線,既生產乙醇和未來制氫,又形成“副產品飼料—養(yǎng)殖牲畜—產出肉奶—有機糞肥—生態(tài)蔬菜”,助力農村產業(yè)融合。考慮到甜高粱等植物特性,種植規(guī)模上以3000畝到15000畝面積為宜。如果有一體化機械作業(yè)、道路條件優(yōu)越和更低成本的集儲運模式,那么乙醇加工規(guī)??梢韵鄳獢U大。
(作者 周天勇 系首都經貿大學特大城市發(fā)展研究院教授)
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