双碳背景下的能源新方案——生物质能

在中国工程院发布的《中国可再生能源发展战略研究报告》中，目前我国含太阳能在内每年开采的清洁能源经过换算能源效率等于21.48亿吨标准煤。在清洁能源中生物质能占总量的54.5%，是整个清洁能源体系的重要组成部分。按照目前的能源发展来看，生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气等化学能源外的第四大能源。

根据国际能源署的预测，在2030年全球36%的能源消费或将来自可再生能源，其中生物质能将占到可再生能源部分的60%。生物质能或将成为双碳大背景下能源发展的新趋势。

一、生物质能的概念

生物质指的是指通过光合作用而成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。生物质存在于木材、稻草、种子废料、粪肥、废纸、生活垃圾、废水等各种材料中，属于全球范围内最广泛存在的物质。生物质能是通过生物质作为载体将太阳能储存于有机体，在通过自然界的循环实现能源的转换，据统计生物质目前储存的能量是世界能源消费总量的2倍，提升生物质能的转换效率对解决未来能源使用问题有重要意义。生物质能通过直接或间接的绿色植物的光合作用，一方面有效吸收大气中排放的二氧化碳，另一方面又将太阳能转化为常规的固态、液态和气态燃料，属于可再生能源的碳源。

二、生物质能的优势

1、可循环再生。生物质能作为可再生能源，具有天然的自我再生功能，可以保证能源长久持续的使用，有助于解决因有限的不可再生能源未来可能出现的能源危机。

2、应用方式多样。生物质能既可直接使用，也可以利用转化工艺作为二次能源使用，还可通过生物、化学和物理方法转换成其他生物能源；

3、零碳能源，保护环境。生物质能是二氧化碳中性，燃烧产生的二氧化碳量等于植物在生长过程中吸收的二氧化碳量，有助于减碳，且在转化过程的相比于其他方式硫化物、氮化物和粉尘等的排放更少。

三、生物质能发电

基于目前能源体系的构建，电能是目前使用占比较大的一种能源形式。在生物质能的应用中，生物质能发电是具有一定发展前景的一种能源使用方式，生物质能发电是通过运用生物质及其加工转化成的固体、液体、气体的生物质能燃料而实现的一种热力发电技术，目前主要分为直接燃烧发电、甲醇发电、城市垃圾发电和沼气发电四种。

1、直接燃烧发电

直接燃烧发电是先采用专门的生物质工业锅炉将生物质压缩成密度较大、性能接近煤的成型燃料，然后将生物质原料送入适合生物质燃烧的特定蒸汽锅炉中，燃烧产生的热量将水转换为水蒸汽，再通过水蒸汽带动汽轮机，从而驱动蒸汽机转动，最后再带动发电机发电。

直接燃烧发电的工作原理同燃煤火力发电原理相同，两者的区别主要体现在燃料上，火力发电的原料是煤，而直接燃烧发电的原料主要是农林废弃物和秸秆，同烧煤相比，生物质锅炉排放的碳排放量会更低，又助于实现发电过程中的减碳。

直接燃烧发电是快速直接利用生物质能的方法，但由于生物燃料密度相比于化石燃料较低，燃料效率和发热量都不如化石燃料，所以目前大多数应用于生物废弃物的回收再利用。目前，在生物质能技术相对比较成熟的国家，生物质能的燃烧发电占可再生能源发电量的70%，目前像一些糖厂榨糖后的原料就被利用于生物质能的发电。

2、甲醇发电

除了传统的秸秆、木屑等农产品原料，甲醇发电目前也是生物质能发电的一种选择方式，因其发电成本逐步下降，污染较低且液态状态易储存的原因，被认为具有较高的发展前景。

甲醇发电的工作原理是先将甲醇加热使其气化，气化的甲醇通过水蒸汽发生化学反应产生氢气，再以氢气为燃料，在燃烧室中燃烧生成燃气，通过燃气驱动燃气轮机带动发电机组发电。

3、城市垃圾发电

城市垃圾发电的工作原理是通过特殊的焚烧锅炉燃烧城市固体垃圾，再通过蒸汽轮机发电机组发电。其中焚烧垃圾产生的高温烟气在余热锅炉中进行热交换，产生过热蒸汽，推动汽轮发电机组产生电能，实现生活垃圾的回收再利用，一方面缓解了城市垃圾过多带来的环境问题，另一方面也为城市提供了一定的能源输送。

4、沼气发电

沼气发电的工作原理以沼气作为燃料产生动力来驱动发电机产生电能，是目前沼气大型化利用的一种方式。在沼气发电流程中，生物质原料经气化器形成沼气，再经脱硫器由贮气罐供给燃气发电机组，从而驱动与沼气涡轮机相连接的发电机而产生电力。需要的主要设备有沼气发电机组、发电机和热回收装置,目前沼气利用主要集中在养殖业、工业等领域，通过充分利用资源实现循环经济的综合性发展。

四、国内生物质能的发展现状以及前景

中国拥有丰富的生物质能资源，据测算理论总量有50亿吨左右。2021年中国生物质能发电累计装机量为3798万千瓦，新增装机为808万千瓦，同比2020年上涨48.80%。据统计，截至2021年底，我国生物质能发电累计装机容量占可再生能源发电装机容量的3.6%。从目前的装机容量看，相比于我国丰富的生物质能资源，生物质能资源的使用率并不高。随着生我国2030年碳达峰和2060年的碳中和目标的实施，生物质能未来会有更大的需求。在产业政策不断完善和生物质能技术不断提高下，未来生物质能的应用或迎来新的发展机遇。