生物能源的特点、优势及研究进展

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生物能源的特点、优势及研究进展

1 现代能源

现代能源主要是来自于化石燃料所带来的能量来源。

尽管现在新能源产业发展迅速，但化石燃料仍是目前主要能源来源之一。化石燃料需要千万年

甚至上亿年才能生成，其不可再生性质是显而易见的。目前全世界对化石燃料的过度开采，大

量消耗，带来的化石燃料的供应量不足现象越来越严重，世界范围的能源危机迫在眉睫[1],这

已经不是危言耸听的预言。据预测，以目前的开采和利用速度，化石燃料在未来 50 ~200 余

年，将被耗尽。

近百年来温室效应不断加重，其原因就是温室气体二氧化碳的大量产生和排放。而火力发电贡

献了很大部分的二氧化碳排放量。国际能源署预计到 2030 年仍有 85% 的能源是化石燃料[2].如

何化解能源需求与环境保护之间的矛盾，是亟待解决的问题。正因如此，新能源产业受到了广

泛的欢迎。目前新的能源发展比较成熟的包括风力能源和水力能源，此外还有核能。

1. 1 风力发电

目前世界许多国家都在开发风力资源，因为风力发电既不需要消耗化石等燃料，也不会产生辐

射或造成空气污染。目前的风车技术，大约只需要 3m/s 的微风速度，就可以进行发电[3].但是

风力发电也有一些缺点，如可能干扰鸟类生活生存。如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后，

已渐渐消失。

人们也研究了许多解决方案，如在海上开发离岸发电，但是离岸发电成本较高，不过效率也较

高。再如使用小型垂直风力发电，这种风力发电装置的优点是可以架设在住家的屋顶或后院。

当然在部分地区，风力发电并不经济，因为许多地区的风力是间歇性的，如台湾等地在电力需

求较高的夏季及白日正是风力不足的时段。同时兴建大型风力发电设备需要占用大量土地，才

可以获得比较多的能源。还有，大中型风力发电机的运转会发出很大的噪音，所以设立地点必

须远离住家，或使用低噪音小型机种[4 -5].

1. 2 水力发电

水力发电是是利用水的位能转化为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，从而得到电力。如

随着三峡大坝、葛洲坝等水坝的建成，水力发电在能源生产中占领了一席之地。

但是水利发电也有着诸多缺陷。如水力发电蓄水的水库会导致上游大面积土地被水淹没，栖息

地细碎化，破坏生物多样性，失去生产力较高的低地、草原，破坏生态价值高的湿地、河谷及

森林。而下游同样会受影响，原本会流至下游的沉积物在有水力发电站后会大幅减少，这是因

为发电机组所排出的水中含有的沉淀物非常少，使下游河床被冲刷，又失去沉淀物的补充，导

致水土流失，最终下游的原有地貌会逐渐被侵蚀，河堤、三角州会受影响，肥沃的冲积土减

少。并且会阻碍水中生物迁徙，影响其繁殖，部份物种可能因而绝种，减少了物种多样性。水

库还会使水温上升，因而导致鱼群数量及种类减少。而且这些破坏是永久性、不能逆转的[6].

从现代技术上看来，核能发电被广泛认为是取之不尽用之不竭的能源，故而广受青睐。但近年

来日本福岛大地震所带来的核灾难在普通民众心目间留下了不良的印象。这使得核能的进一步

发展受阻。

2 生物能源

如上所述，在以后 50 ~ 200 年内，一些化石燃料特别是石油，很可能耗尽。因此，迫切需要发

展替代能源。最大的需求将来自地热、核能、太阳能、水和风能。但是，生物燃料产生可能会

变得更重要，特别是它能提供液态和气态两种燃料。重要的是这些燃料是用可再生原料生产

的，如培养的农作物形式的植物生物量、天然植物、农业、家庭和工业废物等。当今有两种从

可再生能源衍生的主要微生物燃料产物，即甲烷和乙醇，但这些不是微生物可以产生的唯一燃

料。其他液体和气体能源包括氢、丙烷、甲烷、丁烷等，电能也可以由微生物体系产生。

所谓生物质能（biomass energy ）,是指生物通过光合作用将太阳能以化学能形式贮存在生物质

中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，这是

一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。例如，利用微生物

学发酵生产燃料沼气、乙醇、氢气和制备燃料电池等[7].

近年来，美、英、日、俄、巴西、瑞士等国纷纷投入大量人力、财力、物力对生物质能进行开

发研究。例如，目前德国政府通过补助的方式支持兴建沼气发酵池，并立法鼓励沼电上网、沼

气并入燃气网等有效激励措施，使利用农副产品、垃圾废弃物的沼气生产得到快速发展。但是

按目前国内外研究水平来看，离燃料电池、氢动力的大规模应用还有一定的距离。而利用生物

产生乙醇代替石油的研究较为成熟，世界多数地区传统上都是使用当地可利用的原料生产酒精

饮料。

现在某些国家同样使用发酵酒精生产燃料级或化学原料酒精。世界每年的乙醇生产量中大约

70% 是发酵生产的，其余的主要是通过催化裂解乙烯生产。发酵乙醇中大约 12% 是饮料酒

精，20% 用于各种工业，剩下的68% 是燃料乙醇。乙醇是一种很好的燃料，因为它可以单独使

用，也可以与其他液体燃料混合，如酒精 - 汽油混合燃料，这是一种 10% ~22% （v （乙醇）

∶v （汽油））的乙醇与汽油的混合物[8].本文对这方面的研究成果做一简要的介绍。

2. 1 来自于粮食的生物乙醇

现阶段有效的生物能源大部分是生物乙醇，这是指微生物将各种生物物质通过发酵转化为燃料

酒精。近两年来，世界各大能源消费国竞相寻求新的石油替代能源。美国和欧洲均选择了生物

乙醇作为主要的替代运输燃料。

例如，美国每年的玉米用量占全球玉米消费量的比重持续增加，从1980 及1981 年0. 28% 增

至2010 及2011 年21. 25% , 几乎增加了 100 倍。其中乙醇玉米占玉米用量的比重从0. 77%增至

68. 66%, 也几乎增加了 100 倍[9].对美国农业部报告中的世界玉米供需平衡表的数据进行分析发

现，最近10 年全球玉米食品、乙醇和工业用消费量年均递增 3. 34% ,高于饲料玉米和总玉米消

费量的年递增率（分别为2. 8% 和3. 27% ）.

同能源问题一样，粮食问题也日趋严重。世界粮食生产地区极为不平均。发达国家人口仅占世

界人口的1/4, 生产的粮食却占世界粮食产量的 1/2. 发展中国家人口占世界人口的3/4,生产粮食

只占世界粮食产量的 1/2,因此人均产粮少、粮食消费少。由于发展中国家人口增长速度过快，

许多国家缺粮问题日趋严重[10].当大量的粮食被制作成燃油，而某些国家的人民仍然承受着饥

饿的苦难，这使得由玉米、高粱等作物而生产的燃料在舆论方面承受着越来越大的压力。

2. 2 来自于纤维素的生物燃料

纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，是组成植物细胞壁的主要成分。棉花、亚

麻、苎麻、黄麻等植物含有大量优质的纤维素，棉花的纤维素含量接近100%,为天然的最纯纤

维素来源。一般木材中，纤维素含量占40% ~50% , 还有 10% ~ 30% 含量的半纤维素和20% ~

30% 含量的木质素。此外，麻、麦秆、稻甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。纤维素是一种复

杂的多糖，由8000 至10000 个葡萄糖残基通过β -1,4 - 糖苷键连接而成。天然纤维素为无味的

白色丝状物。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的 50% 以上[11].如能有效

利用，纤维素乙醇的前景十分广阔。

纤维素乙醇可以以玉米芯、玉米秸秆等农业废弃物提取完功能糖之后的生物残渣做原料，因此

与玉米乙醇等由粮食转化而来的燃料相比，属于废物利用而来的乙醇产品，在原料方面更有保

证。具有资源丰富、绿色环保、低碳节能等诸多优势。

国际上，如美国环境保护局已经实施了2007 年可再生燃料标准（RFS ）,即必须使用一个百分

比的可再生燃料的产品，否则将面临处罚。美国政府已经大力推动用纤维素取代玉米的乙醇生

产。意大利首座纤维素燃料乙醇工厂在克雷申蒂诺正式投产。据悉，其前期研发及建设投入总

计约 1. 5 亿欧元，预计年产量将达7500 万升。在石油资源日益减少的今天，纤维素燃料乙醇

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摘要：

生物能源的特点、优势及研究进展1现代能源现代能源主要是来自于化石燃料所带来的能量来源。尽管现在新能源产业发展迅速，但化石燃料仍是目前主要能源来源之一。化石燃料需要千万年甚至上亿年才能生成，其不可再生性质是显而易见的。目前全世界对化石燃料的过度开采，大量消耗，带来的化石燃料的供应量不足现象越来越严重，世界范围的能源危机迫在眉睫[1],这已经不是危言耸听的预言。据预测，以目前的开采和利用速度，化石燃料在未来50~200余年，将被耗尽。近百年来温室效应不断加重，其原因就是温室气体二氧化碳的大量产生和排放。而火力发电贡献了很大部分的二氧化碳排放量。国际能源署预计到2030年仍有85%的能源是化石燃料[...

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