The Innovation | “节能降碳利器”生物质能多元利用模式

导 读

生物质作为可再生的碳源，通过植物光合作用贮存太阳能，是人类最早利用的能源之一，古代的钻木取火，几千年来用秸秆薪柴烧火做饭都是人类利用生物质能的实践。生物质能储量丰富，来源广泛，但由于种类多且分散，开发利用程度有限，部分生物质甚至被视为废弃物，造成了能源浪费。因此，明晰不同种类生物质能源转化高效利用方式，实现变废为宝，对于清洁能源结构体系建立、碳中和目标实现以及美丽中国建设具有重要作用。本研究通过综合分析生物质多来源、多路径能源转化的节能降碳潜力，带你领略“节能降碳利器”生物质能的风采。

图1 多来源多路径的生物质能节能降碳示意图

生物质能，作为地球上最古老的能源之一，不仅是一种可再生能源，同时是目前唯一可再生的碳源。生物质能源作为国际公认的零碳可再生能源，具有资源储量丰富、分布广、开发潜力大、低碳、可持续利用等优势，在应对全球能源危机和气候变化的双重背景下，生物质能源的清洁转化与利用已成为清洁能源领域一个重要的发展方向。本文基于生物质能多来源、多技术转化路径的系统研究，阐明我国生物质能的节能降碳潜力，呼吁加强对生物质清洁能源产品的基础研究、技术开发和政策支持。

1. 构建多维度的生物质能源综合分析核算模型

本研究首次系统构建了涵盖空间特征、多来源、多转化路径和全生命周期分析的生物质能源综合分析核算模型。该模型以省级尺度为核算单元，遵循“不与粮争地，不与人争粮”原则，确定有机废弃物和边际性土地能源植物两大类生物质来源。有机废弃物包括农业废弃物、林业废弃物、人畜粪便和城市废弃物；边际性土地种植的能源植物包括油料植物、纤维素植物、淀粉和糖类植物。技术转化路径包括通过物理化学、生物化学、热化学方法转化的生物质固体成型燃料、生物质液体燃料、生物气、生物制氢、生物质发电、生物炭等清洁能源产品。

2. 揭示生物质清洁能源产品开发在节能降碳领域的潜力

图2 生物质资源来源分布特征

我国生物质资源年可收集量为49.09 EJ，相当于16.77亿吨标准煤（图2），主要来自有机废弃物（64.36%）和边际性土地能源植物（35.64%）。有机废弃物主要源自农林废弃物，边际性土地能源植物主要可生产糖和淀粉等。扣除生物质其他利用方式与损失，生物质能源化利用量约为29.73 EJ（相当于10.16亿吨标准煤），生物质能在不同转化路径下可生产清洁能源产品23.30EJ（相当于7.96 亿吨标准煤），约占我国一次能源生产总量的19%，能源总消费量的16%（图3）。与传统化石能源相比，生物质清洁能源产品全生命周期单位能耗与碳排放较低，尤其是生物质发电。生物质能源利用全生命周期碳减排量为25.35亿吨CO₂当量，约占我国年碳排放量的25%（图4）。在碳达峰和碳中和背景下，广西、四川和江苏等省份的生物质能利用节能降碳潜力显著，可优先考虑其生物质能源开发利用。本研究揭示的生物质转化清洁能源产品的巨大开发潜力成果将为我国清洁能源结构体系建立和碳中和目标实现提供重要的数据支撑。

图3 生物质资源与能源转化利用桑基图

3. 加强生物质清洁能源产品开发利用

目前，生物质能源大规模商业化和产业化开发利用仍面临技术经济性差、市场标准不规范等问题，然而，生物质由于其碳中和属性，可实现负排放，开发利用生物质能源对于实现碳中和目标具有重要意义。随着碳双控压力的增强，欧盟碳关税的实施，碳交易系统的启动，碳价上升，将提升生物质能与化石燃料的竞争力。在碳中和的背景下，我国将迈入可再生清洁能源开发利用的新时代，加强生物质能碳基清洁产品的开发与利用有望成为一个新热点。

图4 生物质清洁能源产品利用碳减排量

总结与展望

在新一轮科技革命和碳达峰碳中和形势的推动下，能源体系正在经历前所未有的重大变革。我国生物质资源丰富，来源广泛，其能源开发利用与碳减排潜力巨大，需要全面系统的科学研究。因此，发挥生物质能源的巨大节能降碳潜力，赋能经济社会绿色低碳发展，将有助于我国和世界范围内碳达峰和碳中和目标实现。加强生物质能高效开发利用，能够让我们的生产生活方式更加绿色化、循环化、低碳化。

责任编辑

颜海龙    湖南大学

梁小龙    中国科学院沈阳应用生态研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00051-6

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第三期以Article发表的“Benefit analysis of multi-approach biomass energy utilization toward carbon neutrality” (投稿: 2022-10-30；接收: 2023-04-07；在线刊出: 2023-04-12)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100423

引用格式：Wang J., Fu J., Zhao Z., et al. (2023). Benefit analysis of multi-approach biomass energy utilization toward carbon neutrality. The Innovation. 4(3),100423.

作者简介

王娇月，中国科学院沈阳应用生态研究所，区域低碳发展研究组，副研究员，硕士生导师、中国科学院青年创新促进会会员。主要从事能源节能减排与人类活动影响下的城市碳循环等领域研究。在国内外学术刊物发表研究论文30多篇。为本文共同第一作者。

付晶莹，中国科学院地理科学与资源研究所，研究员，博士生导师, 中国科学院青年创新促进会会员。主要从事资源可持续利用、可再生能源资源潜力与效益时空模拟等领域研究。在国内外学术刊物上发表论文70余篇。为本文共同第一作者。

赵志仝，太原理工大学化学化工学院，讲师。博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所。主要从事能源和化工系统工程及全生命周期分析等领域研究。在国内外学术刊物上发表论文20余篇。为本文共同第一作者。

郗凤明，中国科学院沈阳应用生态研究所，区域低碳发展研究组组长，研究员，博士生导师，中国科学院青年创新促进会优秀会员、辽宁省碳达峰工作专家组成员，辽宁省百千万人才工程百人层次人选。主要从事矿山生态修复、碱性矿物碳吸收、新能源发展等领域研究。在国内外学术刊物上发表论文60多篇。为本文共同通讯作者。

Web：http://www.iae.cas.cn/qydt/

王 峰，中国科学院大连化学物理研究所副所长，生物能源研究部部长，辽宁省生物质能源转化与材料重点实验室主任，研究员，博士生导师，杰青与优青获得者。主要从事多相催化反应、生物质催化转化、光催化转化以及生命周期评价和经济技术评估等领域研究。在国内外学术刊物上发表论文110多篇，获中国发明专利授权100余件。为本文共同通讯作者。

Web：http://fwang.dicp.ac.cn/

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