二代生物燃料现状及未来预测

第二代生物燃料简介
一、概述
第二代生物燃料以非粮作物乙醇、纤维素乙醇和生物柴油等为代表，原料主要使用非粮作物，秸秆、枯草、甘蔗渣、稻壳、木屑等废弃物，以及主要用来生产生物柴油的动物脂肪、藻类等。

据专家计算，如果仅仅利用秸秆的纤维素，则1吨秸秆约可产出150公斤燃料乙醇，如果同时利用秸秆中的纤维素和半纤维素，产率则约达290公斤。

在环境保护方面，第二代生物燃料的表现也远较第一代出色。

据美国能源部研究，更注重生态效应的第二代生物燃料有望减少最高达96％的温室气体排放；而第一代以玉米为原料的燃料乙醇，平均仅可以减少约20％的温室气体排放。

而且，第二代生物燃料，尤其是纤维素乙醇的取材范围相当广泛，秸秆、枯草等农业废弃物均可入料。

对农业废料的循环利用保证了生物能源的可持续发展，解决了第一代生物燃料生产过程中耗费更多能源和使用更多化学物质的问题，同时也降低了对人类健康的潜在威胁。

生物柴油可以使用作为车辆燃料，但它通常是作为柴油的添加剂，以降低柴油车辆排放的微粒。

燃料乙醇，也称乙醇燃料，是一种被广泛用于运输业的生物燃料，可加入汽油中制成混合燃料。

燃料乙醇主要供汽车、摩托车等交通工具使用，汽油发动机无需做过多改动
就可以直接使用燃料乙醇。

国家发展和改革委员会制定的《可再生能源中长期发展规划》关于生物燃料的发展规划要求，生物液体燃料是重要的石油替代产品，主要包括燃料乙醇和生物柴油。

根据我国土地资源和农业生产的特点，不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，合理利用非粮生物质原料生产燃料乙醇。

近期重点发展以木薯、甘薯、甜高粱等为原料的燃料乙醇技术，以及以小桐子、黄连木、油桐、棉籽等油料作物为原料的生物柴油生产技术。

从长远考虑，要积极发展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。

到2020年，生物燃料乙醇年利用量达到1000万吨，生物柴油年利用量达到200万吨，总计年替代约1000万吨成品油。

第二代生物燃料正被世界各国越来越重视。

1、国际情况
2012年9月，德国最大的生物炼油示范厂在巴伐利亚州投入运行。

属于科莱恩化学品公司的这座新厂耗资2800万欧元。

它利用生物技术，从玉米秸秆和其他农业残留物中获取乙醇燃料，实现了从秸秆粉碎到植物纤维酶分解，再到糖发酵的完整转换过程。

新厂二代生物乙醇初期年生产能力达到1000吨。

专家计划未来几年以该厂为样本，建设年产5万吨的工厂。

英国碳基金公司日前启动一项生物燃料项目，计划将耗资2600万英镑（约2.8亿元人民币）于2020年前实现利用藻类生产运输燃料。

根据巴西石油公司的生物燃料战略发展规划，该公司将于2015年至2020年间开始大规模生产以植物纤维素为原料的乙醇，并于2011年着手修建巴西首座纤维素乙醇工厂。

生物燃料大国美国，在多年前就着手研发第二代生物燃料技术，并和欧洲公司合作开办多家工厂。

2011年8月，美国总统奥巴马宣布，政府将推出一项总额为5.1亿美元的补贴计划，推进第二代生物燃料的生产开发进程。

新技术也在不断克服原料分解领域的难题。

法国从事生物技术开发的中小企业公司不久前宣布，该公司成功分离出一种称作“奇球菌”的菌株，能在不需要酶、酵母或抗生素等添加剂的情况下，直接将复杂的生物原料纤维分解成单糖并转化成乙醇。

2、国内情况
丹麦诺维信公司已在中国建成了酶制剂生产工厂。

诺维信公司中国区总裁柯铭解释说：“这完全因为科技创新。

目前的关键技术是催化酶技术。

酶是一种生物催化剂，可使生物化学反应在温和的环境下进行得更加迅速、效率更高。

新型酶制剂能将植物中的纤维素分解成
可发酵糖，进而转化为乙醇，适合用秸秆等农业废弃物生产乙醇。

近两年来，该技术的成本直线下降，使第二代生物燃料越来越具有竞争力。

中国收集农作物废料的人力成本具有巨大竞争力，很可能率先实现第二代生物燃料的大规模生产和推广，这对诺维信来说具有巨大的潜力。

”诺维信已成为我国第一家能为生产燃料大规模生产提供酶制剂的公司。

”
截至目前，我国已有多个项目进入示范阶段。

如2006年投料试车成功的中粮集团黑龙江年产500吨纤维素乙醇试验装置，设计原料为玉米秸秆，是世界上首次将连续气爆技术用于纤维素制乙醇的装置；2006年8月，河南天冠燃料乙醇有限公司投产的年产3000吨纤维乙醇项目，成为国内首个利用秸秆类纤维质原料生产乙醇的项目。

此外，华东理工大学以木屑、稻壳为原料的600万吨“纤维素废弃物制取乙醇技术”项目在上海奉贤也已经试验成功，目前正准备更大规模试生产。

中粮集团、中石化集团以及丹麦诺维信公司就纤维素乙醇的产业化事宜签订备忘录。

根据协议，中粮与中石化将于2011年第三季度开始合资建设以玉米秸秆为原料的万吨规模纤维素乙醇示范工厂，诺维信将为该工厂提供酶制剂。

该工厂预计2013年投产。

清华大学车用能源研究中心的常世彦博士告诉记者：“生物燃料已成为交通能源领域发展规模最大、技术路线最为成熟的替代能源之
一。

”我国每年农业大约生产7亿吨秸秆，能够为第二代生物燃料提供充足的原料。

因此，我国政府在可再生能源发展中长期规划中已经明确提出，今后要以非粮植物作为主要的原料资源。

3、发展要求
既然生物燃料已成为全面替代化石燃油的最大希望，那么这一前途广阔的领域科研进展如何呢？“纤维素生物燃料的技术研发取得许多突破，国外已有一些小规模的投产尝试。

但总体看，目前这个领域还是以实验室阶段为主，尚未具备商业化的条件。

”中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物能源资源中心主任、研究员徐健在中国科学院生物能源与过程学术研讨会上表示。

相比太阳能、风能等其他可再生能源，生物能源更难实现大规模生产。

在微生物生产工艺上，规模化的生产就不能采用实验室那一套简单的放大，还需要微生物具备良好的厌氧、耐高温特性，而现有菌种很少能满足要求。

生产所需大量的纤维素酶、化学药品以及后期的废水处理致使生产成本增加。

第二代生物燃料的成本中占较大比重的是初始投资、运行和维护以及原料成本。

对于原料成本而言，即便价格相对低廉的农业秸秆、林业剩余物等，经过收集、运输和储存等环节后，原料入厂成本可能并不如人们预期的那么低廉。

所以如何从技术上和运作模式上降低成
本是下一步突破的重点。

在第二代燃料乙醇启动的初期，政府的明确支持和一定的税收优惠对产业链的大规模投资和迅速形成非常关键，在国际油价低迷的背景下这样的国家目标显得尤为重要。

二、发展趋势预测
据专家介绍，与第一代生物燃料相比，第二代生物燃料具有非常大的优势。

首先，汽车发动机不需要改造就可以直接使用掺入了新一代生物乙醇的汽油或柴油。

其次，生产第二代生物乙醇的催化酶技术成本还将快速下降，大规模工业生产的可行性非常大。

再次，秸秆等纤维素类农业废弃物大量存在。

全球的石油储量正在枯竭，相反，第二代生物燃料以农林业的废弃物为原料，供应充足。

相关技术进步使得生物燃料可以和传统的化石能源在价格上进行竞争。

1、生物燃料的未来需求预测
国际能源署将生物燃料，特别是第二代生物燃料作为未来交通业减排的关键技术之一。

《世界能源展望》分析了在世界各国合作将气温升高限制在2摄氏度的条件下，到2030年未来能源的发展趋势，到2030年，生物燃料在整个交通业燃料中所占的比例为9%，其中第二代生物燃料为 5.5%。

而且生物燃料技术改进之后，再与氢能源和电能源相结合，将成为交通能源中最重要的减排技术之一。

2050年国际能源署的《能源技术展望蓝图》是，到2050年将全球碳排放减
少50%，在这样的前提下，生物燃料将提供交通业所有能源的26%，第二代生物燃料将占所有生物燃料的大约90%，而且一半以上的第二代生物燃料产品由主要经济体和发展中国生产，其中中国和印度所提供的第二代生物燃料产品占所有产品的19%。

2、第二代生物燃料的发展动力
生物燃料的发展主要受到美国、加拿大和欧盟等发达地区和国家，以及中国、印度、南美、泰国等发展中国家政策的驱动，这些国家都制定了发展生物燃料的扶持政策。

美国和欧盟最近实施了雄心勃勃的新生物燃料扶持政策，由于其市场规模及其大量进口需求，将可能成为全球第二代生物燃料发展的重要动力。

由于第一代生物燃料面临严重质疑，美国、欧盟及一些其他国家开始重新制定其生物能源政策，以保障可待续生产，并将其生命周期内的温室气体排放降到最低。

由于美国将能源中生物燃料的配额稳步提升，到2022年时达到600亿公升，以及美国和欧盟对可持续性标准的迫切要求，因此在两地，第二代生物燃料进口有望增长。

美国和欧盟对第二代生物燃料的需求短缺将推动其他地区第二代生物燃料产业的发展。

从中期来看，这对巴西和中国特别有利，在巴西和中国，第二代生物燃料的示范工厂已经开始运行，基础设施建设使得第二代生物燃料出口成为可能。

而其他国家，由于资金、技术等条件的限制，在最近的一段时期内不可能明显发展。

外国投资在这些国家生产原料可以使这些国家获益。

研发合作是许多新生经济体和发展中国进行第二代生物燃料生产能力建设所亟待解决的问题，例如巴西，在欧盟资助下，巴西科技机构与一个大型酵素生产厂之间建立了合作研究关系。

除知识交流和能力培养外，技术是未来发展第二代生物燃料工业的重要因素。

3、农林剩余物对第二代生物燃料生产的贡献
由于第二代生物燃料工业受到土地资源的限制，因此在起步阶段应该把眼光放在已有资源上。

农林业剩余物是现有资源，不需要生产用地。

国际能源署的评估结果显示，即使只利用了10%的农林剩余物，也能生产可观的第二代生物燃料，以2007年为例，如果利用了10%的剩余物，能提供当前交通业所需能源的4.2%-6.0%。

如果全球农林剩余物的25%得到利用，则第二代生物燃料可满足当前交通能源需求的10.5%，如果所有剩余物的25%都用于生产第二代生物燃料，则其在所有交通能源中可以占到14.9%。

也就是说，即使不占用土地，仅仅利用剩余物也能生产当前生物燃料总量5-7倍的生物燃料。

与2007年相比，到2030年，来自农业的剩余物将增加约28%，
来自林业的将增加约50%。

这一结论表明，生物燃料对交通业能源供应和减排具有重要贡献。

如果利用率达25%, 则生产柴油或乙醇，这相当于2030年交通业能源的10.3%。

如果转化为天然气，相当于交通业全部能源的
14.8 %。

这个数字比2030年需求的生物燃料量还大。

三、工艺技术
1、纤维素乙醇的生产技术
第一代生物燃料的原料（甘蔗、玉米等）本身富含糖类，将其转化为乙醇的生产工艺较为简单，而第二代生物燃料主要以纤维素质材料为原料，其炼制过程比第一代生物乙醇的合成多了两个步骤：生物质原料的预处理和纤维素、半纤维素的降解，这也是目前纤维素乙醇生产的难点之一，而整个炼制过程则涉及多个生物催化反应，它们可以按照多个方式组合形成不同的工艺路线。

目前已建有示范装置的纤维素乙醇生产技术主要有4种：硫酸／酶水解—发酵技术、硫酸水解—发酵技术、酸水解—发酵—酯化—加氢技术和酶水解—发酵技术。

这4种技术最大的不同点在于纤维素水解方式的差异：前3种均采用酸水解，而第4种采用生物酶水解。

实际工业生产中，用酶替代酸水解纤维素，可以在比较缓和的条件下操作，可以减少糖的降解，提高乙醇收取率，因此酶水解、发酵技术路线是纤维素乙醇生产的发展方
向。

首先，将经研磨后的生物质原料（玉米秸秆、玉米芯等）进行预处理，其目的是将原料“解封”进而得到纤维素、半纤维素和木质素，再将这些成分进行增溶和分离，为水解变为可发酵的糖做好准备。

接着，用酶将“降解”得到的纤维素、半纤维素进行水解从而得到葡萄糖和戊糖单体。

最后，用酵母菌将葡萄糖、戊糖进行发酵得到发酵液，再将发酵液进行产品分离便得到纤维素乙醇。

2、纤维素生物汽油生产技术
首先，采用快速热加工催化裂解技术将生物质原-料转化为用以生产汽油的芳香烃分子。

所谓生物质热裂解技术是生物质在惰性气氛下受高温加热后，其分子破裂而产生可燃气体（一般为CH、H2、CH4等的混合气体）、液体（焦油）及固体（木炭）的热加工过程。

生物质热裂解液化是在中温（500～650℃）、高加热速率（104～105℃/s）和极短气体停留时间（小于2s）条件下，将生物质直接热裂解，产物经快速冷却，可使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝，从而得到高产量的生物质液体油（热解油）。

此种技术分两步进行：第一步将纤维素（已预处理）用热砂快速加热，在循环流化床反应器中无氧存在的条件下加热到500℃，不到2秒，纤维素就被分解成富含氧的四到六个碳的有机小分子；第二步用复杂的三维催化剂催化分解含氧小分子，催化剂将氧原子从中移出并生成碳环，然后快速
冷却，大约得到65％～75％（质量分数）的芳香烃分子（热解油）和少量不冷凝的气体（CO2、CO、H2O）与焦炭（可用作燃料）。

接着，再将热解油进行两段加氢除去氧和水，转化为运输燃料。

其中第一段使氢和氧结合生成水，以蒸汽形态脱除；第二段使热解油部分转化并改质为纤维素生物汽油。

3、国际新技术
快速热裂解技术。

德国鲁奇公司与卡尔斯鲁厄研究中心合作建设以纤维素为原料制取生物燃料的中试装置。

技术路线是：先将秸秆、木屑等薄壁植物研磨后送反应器，快速加热到500℃，使其裂解冷凝成浆液；再将浆液送炼油厂转化为合成气；合成气通过费托工艺转化为所需燃料。

此燃料能以任何比例与化石燃料调和使用。

该装置每年可转化约20万吨干燥木质纤维素原料，产能约13.4万吨/年。

此路线比合成甲醇更有效率。

酶发酵技术。

瑞士Syngenta公司等企业合作开发利用酶发酵的第二代生物燃料技术，包括开发一系列与纤维素乙醇有关的新型酶制剂。

这些酶可将经过预处理的纤维素转化为混合糖，这是关键步骤。

将纤维素转化成生物燃料要有三个突破：预处理（纤维素的化学制备）、糖化（通过酶将预处理后的纤维素转化为可发酵的糖）和发酵（开发新的微生物将糖发酵成乙醇或其他燃料）。

三、
四、未来影响
1、潜在经济影响
第二代生物燃料工厂的生产规模至少需要投资 1.25亿美元-2.5亿美元。

巴西、中国、印度、南非、墨西哥和泰国都建立了如此规模的项目，其中一些国家的资金来自本国，而另一些国家则得到国外的大量援助。

根据国际能源署的最新资料，当前第二代生物燃料的生产成本中，资本成本占50%，原料占35%、生产、维护、能源和其他各占1%-4%。

从长期来看，改进技术、提高转化效率和加强管理可以降低大约1/3的生产成本，使其生产成本更接近汽油的生产成本。

然而，剩余物的机会成本却具有不确定性，由于对生物燃料和生物质需求的增加，原料成本可能增加。

2、潜在的社会影响
在主要经济体和发展中国家，就业和地区发展可以是第二代生物燃料项目的最重要动力。

发展第二代生物燃料可以增加农村就业机会，改善福利条件。

而生物燃料转化却要求高技能的劳动力。

但只有墨西哥、中国、巴西、印度和南非这几个拥有其他能源工
业和第一代生物燃料生产经验的国家具备较丰富的高技能人才。

生物燃料生产最大的受限因子是土地。

而对于利用农业和林业剩余物作为原料生产生物燃料来说，这个限制就很小。

这种利用还可以为农业和林业部门提供额外的收入，因此对当地经济和乡村发展具有积极意义。

当然，这也可能让这些剩余物的传统购买者失去收入，并可能影响那些以剩余物为牲畜饲料的农民。

因此，生物燃料的社会影响还需进一步研究和解决。

第一代生物燃料生产成本高，并需要大规模生产设施，因此许多发展中国家要获益就必须寻找出口机会。

然而，如果国内能源供应在许多乡村地区短缺，那么利用第一代生物能源产品或直接用剩余物发电供热也许对这些国家会更有利，因为这样的话就不需要高技术和先进的设施投入，对促进乡村发展也许更好，这在中国、印度、坦桑尼亚和喀麦隆都有成功的范例。

3、对气候变化和环境的潜在影响
第二代生物燃料的环境影响因转化路径、原料和一些特殊条件如气候、土壤类型、管理等不同而具有很大的差异。

在这方面推动生物燃料发展的重要动力是，通过替代化石燃料，第二代生物燃料在其生产的整个生命同期内具有减少温室气体排放的潜力。

也就是说，第二代生物燃料从栽培到产品的整个生命周期内
所排放的温室气体较所替代的化石燃料低。

由于目前尚无商业性生产，第二代生物燃料在整个生命周期内的碳排放数据仅仅是示范和试点工厂的数据。

据现有数据，第二代生物燃料的减排潜力达60%-120%，与甘蔗乙酸70%-110%（国际能源署2008年数据）的减排潜力相似。

这个数据没有考虑由于土地利用变化造成的排放。

最近的研究显示，生物原料栽培如果导致碳贮量很大的热带森林、天然草原的改变，将可能释放大量温室气体。

如果有价值的生态系统遭到破坏，还可能严重影响生物多样性。

因此，发展原料植物要特别小心地进行土地利用规划和管理，以保证其可持续发展。

如果利用剩余物生产第二代生物燃料，这个问题就不重要了。

4、对水、土和生物多样性的影响
第二代生物燃料原料植物通常是常绿树或草种。

因此，种植区常年覆盖着绿色，比起一年生农作物来，所需耕作要少得多。

常年植被覆盖可以极大地减少土壤风蚀和水蚀，增加土壤蓄水能力。

例如，像中国黄土高原一类的脆弱土壤条件，种植能源植物可以减少土壤退化，而且由于根系和落叶层增加，还可以增加土壤中的碳贮量，获得较好的环境效益和社会效益。

另外，肥料和化学药剂的使用可能产生不良环境影响。

而利用可再生的生物原料剩余物对环境的影响很小。

初级剩余物如果留在地里可以作肥料，一旦用于生产生物燃料便会减少土壤肥力。

为了减轻这种影响，在规划时就应该充分考虑这种影响。

在中国、印度和南非等国家，淡水资源短缺，生物燃料植物不要求像农作物那样灌溉，因此可以考虑优先发展。

但在生产过程中要求一定的水，但第二代生物燃料所需用水比第一代少得多。

根据该项目的分析和来自8个国家的研究，第二代生物燃料可持续生产的全球资源潜力可以期待。

然而，在不同地区和国家间存在明显差异。

在全球水平上，关于生物质潜力的研究指出，全球当前能源消耗的10%-30%可以由来自发展中国家和新生经济体的生物质生产。

可用于生产第二代生物燃料的土地潜力有限，因此必须进行仔细评估。

农业林业剩余物可以为生产第二代生物燃料提供可靠的保障，但初级剩余物对地力的影响问题也需要关注。

如果将剩余物的10%用于生产第二代生物燃料，那么仍将有足够多的剩余物供传统性利用，如薪柴、饮料等。

即使不利用额外的土地，生物柴油也能够提供2030年时所有交通能源的5%，而且能发挥可观的减排效应。