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| 院士石元春:发展生物质产业 | ||||||||||
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| 地球上能量的终极来源，除形成之初集聚的核能与地热外，与我们关系最为密切的是地球形成后持续来自太阳的辐射。绿色植物出现前，辐射能尽散失于大气，唯绿色植物可利用日光能将它吸收的二氧化碳和水合成为有机物—碳水化合物，将光能转化为化学能并贮存下来。绿色植物是光能转换器和能源之源，碳水化合物是光能储藏库，生物质是光能循环转化的载体，连煤炭、石油和天然气也是地质时代的绿色植物在地质作用影响下转化而成的。 古老的新兴产业 一万多年前，人类开始驯养野生动植物和发端了从事生物质生产的农业，使人类从渔猎采集和穴居，走到丰美的平原，过上耕耘养殖，丰衣足食的田园生活，开创了五千年辉煌的农业文明。“民以食为天”，植物是人类生存繁衍所需能量和营养，以至燃料的根本来源，生物质生产是最古老和全面意义上的“能源产业”。 自进入工业社会，传统的生物质燃料已不能满足大量和集中供能的需要，19世纪的煤炭和20世纪的石油天然气成为人类社会生产和生活的主要能量来源，支撑了辉煌的工业文明。但好景不长，一二百年的强度开采与消费，这些非再生的化石能源资源渐趋枯竭，及其对环境的沉重压力引起国际社会的极大忧虑。自上世纪90年代，“登博斯宣言”、“21世纪议程”、“京都议定书”等相继面世，“可持续发展”成为时代的最强音。 当人们将目光聚集到可再生的清洁能源时，生物质能源重新受到关注，成为可再生能源中烁烁闪光的亮点，当然不会是简单地燃烧，而是基于现代技术的高效利用。早在上世纪70年代的全球能源危机中，美国和巴西以玉米和甘蔗生产的燃料乙醇崭露头角，欧洲以油菜生产生物柴油，以林业废弃物固化成型燃烧，以及沼气发电等都取得了成功，为古老的生物质产业洞开了一个新的替代性能源窗口，窥视到一片生机盎然的绚丽前景。 现代的，或狭义的生物质产业概念，是指利用可再生或循环的有机物质，包括农作物、树木和其它植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物，以及利用边际性土地和水面种植能源植物为原料，通过工业性加工转化，进行生物基产品(Biobasedproducts)、生物燃料(Biofuels)和生物能源(Bioenergy)生产的一种新兴产业。 国家战略行动 自上世纪末，化石能源渐趋枯竭，温室气体导致全球变暖，以及环境恶化的危机感和紧迫感，使国际社会由理性呼吁和国际协议，发展到制订国家战略和采取对策行动。 1997年，美国将生物质能源研究经费由1.96亿美元增加到4.42亿美元；继而再追加2.4亿美元和提出未来十年减免税收21亿美元的政策；2000年国会通过了“生物质研发法案”；2002年提出了《发展和推进生物质基产品和生物能源》报告和《生物质技术路线图》，成立了“生物质项目办公室”和生物质技术咨询委员会。 美国计划2020年使生物质能源和生物质基产品较2000年增加20倍，达到能源总消费量的25%%(2050年达到50%%)，每年减少碳排放量1亿吨和增加农民收入200亿美元的宏大目标。《路线图》指出：“这份报告预示了一个充满活力的新行业将在美国出现，它将提高我们的能源安全、环境质量和农村经济，它将生产我们国家相当大一部分的电力、燃料、化学品和其它关键性产品”。 欧盟委员会提出，到2020年，运输燃料的20%%将用燃料乙醇等生物燃料替代；日本有“阳光计划”；印度有“绿色能源工程计划”；加拿大惊呼本国生物质行业落后于美欧和日本，大力调整政策和迎头赶上。世界经合组织(OCED)的最新研究报告(2004年9月)指出：“各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新，减小它与传统原油及天然气产品的价格差距，以最终达到替代的结果。” 企业竞占先机 “春江水暖鸭先知”，对新产品发展趋势的高度敏感是企业成功之道。 英荷皇家壳牌石油公司估计，21世纪的前50年，生物质将提供世界化学品和燃料的30%%，世界市场份额达到1500亿美元；英国石油公司/美国国际石油公司等也都开始了对生物质能源产品的投资。化工巨人巴斯福公司2003年宣布，将以可再生的生物质资源作为化学品生产的主要原料；杜邦公司剥离石油资产，购买了生物技术公司和组织农业综合企业，将2010年销售额的25%%定位于生物质产品；美国的森林工业已开始与电力、石油、化工公司合作，利用林木废弃物生产能源及化工产品。难怪《今日美国》2001年2月1日的一篇文章中说：“农田作物有可能逐渐取代石油成为获得从燃料到塑料的所有物质的来源，'黑金’也许会被'绿金’所取代。” 丰田公司用白薯淀粉基塑料制成了汽车配件；富干通公司用玉米淀粉基塑料替代了计算机的塑料外壳；杜邦公司用玉米生产1，3-丙二醇(POD)的成本比化学法降低了25%%。卡杰尔-道氏公司用玉米淀粉发酵生产了聚乳酸(PLA)和其他多种聚合物塑料后，美国生物工程技术协会宣称：“我们开始看到以玉米淀粉为原料的PLA生物材料在制造业的所有部门中得到应用，这可能会彻底改造旧经济。用转基因作物和家畜改变了农业，现在它正在改造工业。” 多功能与循环经济 生物质能源如此受到重视，是与它的多功能和对资源的节约和循环使用有关的。 太阳能、风能、水能等可再生能源可以提供能量，但不能形成物质性生产；不能像煤炭和石油那样形成庞大的煤化工和石油化工产业，生产出上千种能源等化工产品。而生物质既是可再生能源，也能生产出上千种的化工产品，且因其主成分为碳水化合物，在生产及使用过程中与环境友好，又胜化石能源一筹。 再则，它以作物秸秆、畜禽粪便、林产废弃物、有机垃圾等农林废弃物和环境污染物为原料，使之无害化和资源化，将植物蓄存的光能与物质资源深度开发和循环利用；它利用边际性土地和水面种植能源植物，以增加土地和水面对太阳辐射能量的吸存，堪称循环经济之典范。重要的还在于，它是农业生产的一部分，可以发展农村经济，增加农民收入，促进农业的工业化、中小城镇建设、富余劳动力转移，以及缩小工农和城乡差别。 生物质产业的这种多功能和对资源的循环利用，正是它的魅力所在。在中国，它直扣“三农”、能源和环境三大主题，并起着全局性和实质性的推动作用。这个重大的战略性历史机遇已经来到了我们的面前。 “第三战场”和“四元结构” 我国每年有7亿多吨作物秸秆，相当于农田生物量的70%%或3.5亿吨标煤没有很好利用，其中2亿吨被就地焚烧，污染大气；每年有2亿多万吨林地废弃物未被利用和构成火灾隐患；每年有25余亿吨畜禽粪便及大量有机废弃物，相当于3亿吨标煤未能利用和成为水体的污染源；每年有1000多万公顷农田因覆盖石油基塑料地膜而导致土壤肥力衰退。此外，尚有1亿多公顷(稍少于现耕地面积)不宜垦为农田，但可种植高抗逆性能源植物的边际性土地。 这些农林废弃物和边际性土地，对生物质产业而言，是一笔宝贵的能量资源和物质财富。就总资源量，农林废弃物可年产出8亿吨标煤能量(相当于目前全国年商品能源消费量的70%%)；边际性土地种植能源植物可年产出或替代6亿吨燃油(相当于目前全国石油年消费量的1倍)；可减排数亿吨CO2和消除作物秸秆就地焚烧及畜禽粪便的污染；可用全降解生物基塑料替代不可降解的石油基塑料，保护耕地肥力和根治白色污染；可以显著改善几千年来农民一直过着的，能效极低和烟熏火燎的直燃式能源消费以及偏远山区农村至今无电状况；可以新增约3万亿元产值(相当于现农业年总产值)，提高农民收入，全面推进农村工业化、城镇化和大量吸纳农村富余劳动力。 几千年来，传统农业一直从事着稻麦棉、猪牛羊等初级农产品的生产，满足人类生活的基本需要；工业化社会里，农业在提供初级农产品的同时，又以棉毛麻丝、烟酒茶糖、果菜皮革等农产品向着食品和轻工业方向延伸。进入21世纪，生物质产业则从原料到产品再为农业开创了第三战场，一个“三农”、能源和环境并举，产品附加值高和市场潜力无限的第三战场。种植业不再是粮经饲三元结构，而是粮经饲能四元结构。 “凡战者，以正合，以奇胜”，孙子兵法上说的是，以正面兵力布于主战场，而以奇兵突击制胜，乃用兵之道。用在农业上，就是以“正面兵力”部署于初级农产品生产的主战场，提高生产率和降低成本，这是涉面广、难度大、见效慢和长期性的基本功。而生物质产业则从原料到产品，从资源环境另辟蹊径，在一个新的突破口上发出奇兵，干净明快地取得制胜战果，收一箭三雕，全盘尽活之效。 种出个“绿色大庆” 自上世纪70年代，美欧等发达国家在发展生物质产业上已积累了许多经验。现况是，美国年产燃料乙醇500万吨，巴西1300万吨；欧洲以油菜为原料年产生物柴油200万吨，法国计划2010年达800—1000万吨；美国卡杰尔—道氏公司已建成以玉米为原料年产14万吨聚乳酸(PLA)及多种聚合物树脂；沼气发电和固化成型燃烧在德国和北欧已经商品化。历时30余年的生物质能源产业已是星火遍地和蓄势待发。 我国石油储量是世界的2%%，消费量是世界第二；二氧化硫和二氧化碳的排量分居世界第一和第二位。石油进口由1994年的300万吨增加到2004年的1.4亿吨，进口依存度达46%%。在我国，能源的多元化、可持续、与环境友好以及降低进口依存度已是大势所趋，生物质能源将扮演重要角色。 我国生物质能源产业刚刚起步，但势头很好。豫、吉、皖三省4套年产30万吨燃料乙醇装置已建成投产和乙醇汽油销售开始封闭运行；我国自行培育的，具高抗逆性和可全国种植的甜高粱，每公顷能产燃料乙醇6吨，比甘蔗高30%%，比玉米高3倍，在新疆、内蒙古等地已有可喜进展。麻疯树籽粒含油率50%%以上，可直接生产生物柴油，西南地区已有上十万亩种植，计划2010年发展到1000万亩。此外，淀粉基热塑性和聚乳酸树脂技术正酝酿突破，固化成型燃烧开始应用，沼气是我国的强项。 根据我国生物质资源特点和技术潜在优势，可以将燃料乙醇、生物柴油、生物塑料，以及沼气发电和固化成型燃烧作为主产品。如能利用全国每年50%%的作物秸秆、40%%的畜禽粪便、30%%的林业废弃物，以及开发5%%，约550万公顷边际性土地种植能源植物和建设约1000个生物质转化工厂，其生产能力可相当于5000万吨石油的年生产能力，相当于一个大庆(年产4800万吨)，或2004年全国石油总产量的29%%，净进口量的35%%。每增加1000万公顷能源植物的种植与加工，相当于增加4500万吨石油的年生产能力，可见潜力之大。 根据我国农业生态区资源特点，可建设以甜高粱和林区废弃物为主体的东北绿色油田、以旱生灌草和甜高粱为主体的西北绿色油田、以甜高粱为主体的华北绿色油田、以麻疯树和甜高粱为主体的西南绿色油田，以及以多种木本和草本能源植物为主体的东南绿色油田。 较之进口，绿色油田安全稳定，不必受制于人和付出外交代价。 可行与“瓶颈” 开辟农业“第三战场”和建设“绿色大庆”，可行吗？ 生物质产业直面我国“三农”、能源和环境三大主题，是世界发展之大势和新兴的朝阳产业，在宏观和战略上是可行的。战术层面上，生物质资源的丰度与成本，原料生产与转化技术，以及产品市场等都是可行的。问题在于当前成本与价格尚难与石油基产品竞争，瓶颈是如何通过技术进步以降低生产成本。 煤与石油化工的烃技术体系形成已有近百年历史，而糖技术发展晚得多和不成熟，但也因之而有相当大的技术改进与成本降低的空间。巴西以甘蔗生产燃料乙醇1980年吨价849美元，1998年降到300美元以下。我国的陈化粮基乙醇吨价3800元，而甜高粱基乙醇可降到2800元以下；油料作物基生物柴油吨价4000元上下，麻疯树等木本油料基和垃圾油脂基生物柴油吨价可降到3000元以下。新能源植物资源的发现和应用生物技术等进行能源植物的遗传改良，原料成本还会有较大降低。 工业转化技改的潜力也很大，如将普通酵母间歇发酵改进为基因工程菌连续发酵生产燃料乙醇、酶法和非催化法合成生物柴油、在线产物分离连续发酵、木质纤维素水解技术等的突破都将大幅度降低转化成本。发达国家对生物技术应用于生物质产业有很高预期和精心布置。 成熟技术、改进技术和高新技术的联合运用是共同的策略。根据对几个主产品的综合分析，仅靠技术改进即可获25%%—40%%的成本降幅，使生物质基产品成本低于现石油基产品。石油基产品价格涨势势不可挡，生物质基产品价格竞争优势的增长也势不可挡。根据技术现状分析，我国有可能取得一批自主创新的技术成果。 国外十分重视解决原料生产分散与工业生产需要规模之间的矛盾，与发展农村经济相结合的“小型、分散、统分结合和适度规模”的经营模式取得了成功。作为一项国家战略，政府的引导、资金和政策支持决定了生物质产业发展的速度，特别是在成长初期，这是国外发展生物质产业的一条重要经验。 为农业开辟第三战场和种出个“绿色大庆”，似乎匪夷所思和过于大胆，但又是那么现实、可行，离我们那么近。 新中国成立之初，为了打破橡胶封锁，国家组织农林科技工作者冲破了北纬10度的地理极限，将橡胶树种到了北纬18—24度；为了打破核讹诈，在经济和技术条件还极其薄弱的情况下，创造了“两弹一星”的奇迹。当前，“三农”问题是全党工作的重中之重，石油短缺已威胁到国家经济与国防安全，环境的压力越来越大，是该采取重大战略行动和创造奇迹的时候了。 生物质产业的工艺、设备和产业化方面，我国与发达国家间有较大差距，但在资源和某些技术研究上是有优势和令人鼓舞的，特别是“三农”、能源和环境三股强劲需求的巨大拉力，使几乎在同一起跑线上的这项国际竞赛，中国有可能跑在最前面。当前最急需的是制定和实施一项推进我国生物质产业的国家重大专项计划，登高一呼，推动全局。 我们这个民族，是个创造奇迹的民族；我们这个国家，是个敢于创造奇迹的国家，相信在近一二十年里，生物质产业也会创造一个令世界刮目相看的奇迹。 文章出处: 科技日报 |
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