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周天勇: 生物质氢能产业的前景如何?

不论全球,还是中国,生物氢能处于刚刚起步的萌芽发展阶段不论全球,还是中国,生物氢能处于刚刚起步的萌芽发展阶段。

由植物、菌藻和动物等有机质为原料,提炼氢并使其与氧反应产生能量,用于热源和动力,称之为生物质氢能。从生物氢能生产的大规模和经济性看,其原料主要来自于甘蔗、甜高粱、甜菜和木薯等几大类植物。生物质原料,本身因可燃烧等就是生物质能源,通过“生物质加工提醇—醇类制氢—氢氧反应”过程形成氢能。

01生物质氢能发展处于萌芽阶段

生物质能源从碳排放程度变化看,可分为直接燃用动物油及植物、菌藻植物提取乙醇燃用和乙醇等重整制氢使用等三个阶段。人类生物质能源的生产和消费,在第一阶段中直接燃烧,污染和碳排放量很大;中间阶段生物质精细加工及使用,污染及碳排放减少;最后通过深化加工,转制氢能,实现生产和使用的低污染和零排放。而发展生物质氢大规模用做能源,是一个技术逐步进步、有关设施装备工具水平逐步提高、成本收益逐步优化的过程。

生物质氢能的优点在于:(1)生物质氢能属于绿氢。它由植物生长吸收阳光照热、土壤水分和二氧化碳,并将成熟后的果实和秸秆发酵提取乙醇,再重整制氢而形成。其生长为吸收二氧化碳的过程,而其加工转换则排碳量微小。(2)能源转换次数少,转换消耗能源低。从生物质原料到加工提取的乙醇能源,发酵蒸馏获得乙醇转换用能不多,并且可来自于部分秸秆或酒糟燃烧加温或者光电风电加热;乙醇重整制氢,则通过高活性、高选择性和高稳定性的催化剂作用,使乙醇发生化学反应而获得氢气,耗能也很低。(3)节省能源转换的储能环节。生物质直接发酵提取乙醇,并由化学反应获得氢气,减少了风光能电解水制氢需要先储能这一环节,节省了储能投资成本和能源转换损耗。

从有关数据看,2021年全球一次能源消费估计为138.4亿吨油当量能源,其中中国一次性能源消费可折算为36.92亿吨油当量能源。而全球氢气产量7000万吨,其中中国氢气生产量3300万吨。目前国内外氢气绝大部分用于化工原料。中国2021年用于加热、制冷和运输的5000吨左右,合15000吨油当量能源,仅占2021年中国全部能源消费量的0.00041%。2021年世界各国,包括中国氢气,主要通过石化原料加工生产,风光水核电电解水制氢和生物发酵重整制氢二者产量不到总氢气生产量的1%,其中生物氢产能部分又不到全部绿氢产能的1%。因此,不论全球,还是中国,生物氢能处于刚刚起步的萌芽发展阶段。

02生物乙醇能源阶段发展的国内外情况

主要经济体制国家,为了减少粉尘、有害气体污染,以及控制碳排放,大都程度不同地禁止农田秸秆,社区菌藻、落叶、树枝、动物尸体等垃圾直接焚烧,用做热能和动力能源。

人类从20世纪70年代开始,进入了生物质能源既有效利用又减少其排放的第二个发展阶段。从国际经验和标准看,每吨生物乙醇用于热源和动力,比纯石化燃料减少碳排放40%左右。全球生物质能源大规模使用,始于20世纪的第一次石油危机。当时并不是为了减少碳排放,而是保证能源供应安全和应对石油价格上涨。为了减少对石油的依赖,巴西等一些国家开始探索把甘蔗转化成乙醇后掺兑在汽油内使用。从有关报告披露,2019年生物能源已经提供了国际最终能源需求总量的5.1%,约占最终能源消费中所有可再生能源的一半。而生物能源生产和消费大国主要有巴西和美国。目前巴西甘蔗生产的生物质能源已经占到国内总能源消费的17.4%,轻型乘用车燃料总消耗中,生物乙醇占比48.3%,全球比例最高;美国2020年生产生物乙醇5050万吨,70%左右用于汽车动力,其大部分地区使用掺加10%生物乙醇汽油,小部分地区使用掺加15%生物乙醇汽油。美国和巴西生产和消费乙醇汽油,除了应对外部石油价格的几次波动外,重要的是通过从农业要能源,增加了农民的收入,同时也减少了碳、粉尘和其他有害气体的排放。印度2020年乙醇产量684万吨,印度政府为了应对俄乌战争、减少排放和增加农业收入,计划未来实行甘蔗加工产品更多地从糖转变为乙醇,并在2025年将车用汽油乙醇混合比提高到20%。

中国21世纪初开始建设乙醇加工厂,并推广使用乙醇汽油。2020年生物燃料乙醇生产能力只有300万吨左右,原料主要为玉米。目前中国规定的乙醇掺入汽油比为10%,可以加注使用的地区为黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽和广西6省,以及内蒙、山东、湖北和河北等省的部分盟地市。由于价格波动和禁止与粮争地,受国内粮食与燃料供给形势和政策影响,实际乙醇能源生产量和消费量高低不一,产能满符合生产的时期较少。

03远期生物氢能目标:需要经过生物乙醇能源发展阶段

中国能不能弯道超车,直接进入生物氢能,即第三个生物质能源发展阶段呢?这在客观上可能行不通。一是攻克生物氢能源加工生产、储存运输、容器加注、转电使用、直燃驱动等方面材料、管道、容器、电池和内燃机等方面的关键技术。二是需要形成生物氢能生产和使用的农业原料、发酵加工、重整制氢的耕地、提醇工厂、专业仓储,以及能源植物种籽、制造提醇制氢装备的生产体系;需要形成成熟的农业与生物能源工业相结合的组织合作模式、产供储运销体系、线上线下和集中与分散结合的商业模式。三是能够使氢能源技术研发成本能够得到分摊、新产品逐步得到消费、进入企业能够逐步得到利润,需要有先期培育一个相近和后期容易被生物氢能替代的产品和消费市场。从这三个方面看,需要15到20年,甚至更长的时间。因此,笔者认为,在未来的15到20年时间中,技术上加快氢能发展的追赶,但产业上应当走完生物制能源发展的第二成长阶段之路,为第三阶段生物氢能源发展打好坚实的基础。

从中国发展的阶段、国情和生物能源的特点看,现阶段也应当大力发展生物乙醇能源。一是中国城市化水平和农业就业劳动力比率分别比同样人均GDP发展的国家和地区低15到12个百分点。农村和农业中有1.6亿工作时间不充分和剩余的劳动力,农村居民收入需要提高,增强农村的消费需求能力。发展生物乙醇燃料,向农业要能源,替代进口油气,有助于农村一二产业融合,兴村富民,疏通城乡之间、生产和消费之间的经济大循环。二是中国有发展生物能源的土地、淡水等资源,兴建水利工程、改造盐碱等未利用土地、增加可耕种面积、粮能饲复种和轮作、调动农民积极性避免土地撂荒,在既保证粮食安全的同时,建设土地既生产粮肉,又生产能源的现代“农业—能源”经济体系。三是未来农业生物氢能与风光电电解水制氢相比的原料和储运等成本特点。一些专家也提出在西北和华北等地广人稀区域,可将大量的风电和光伏电利用起来,通过电解水制氢。但是,西北华北许多地方少雨干旱、蒸发大于降水、河流稀少。

因此,大规模制氢虽然电能成本较低,但是大规模耗水工业,水从哪来,调水的成本高昂;而氢能再往需要能源的地区运输,运距长,储运卸环节多,氢能运输对罐车和管道的要求条件又很高,缺水和运距离电解氢的成本可能不合算。

04生物乙醇及氢能源优点及其生产的难点

生物氢能是生物乙醇能源的制作再加工和产业再深化。第二阶段乙醇生产在一些方面的难点,实际也是未来生物氢能生产和产业链的难点。生物能源产业,广义上讲,分为上游生产乙醇或氢能的加工产业、下游使用乙醇燃料或氢能车辆设备的制造产业,贯穿上下游的储运装卸和加注乙醇或者氢能的服务产业。从上游乙醇或者氢能生产看,主要产业链是“种植管理—收集青储—生物转运—提取乙醇—乙醇制氢”,从一二产融合看,可以衍生出农业“副产品饲料—牛羊猪养殖—有机生物肥”链。

生物质能源上游提醇和制氢在技术方面已经被攻克,存在的是集储运方面的成本难题。能源用植物材料生产和储运的特征是:种植收集分散、密度小体积大、收割季节性强、易失水和腐烂、搬运次数多和堆储空间要求大等等,细算起来集储运费用时常远远大于种植、提醇和制氢等直接成本。目前全国20个左右的甜高粱加工乙醇项目,包括过去许多秸秆发电项目,大多失败的原因正是因为投资建设可性行研究中忽视了这些细节。

从较宽泛生物能源产业的范围讲,下游包括“乙醇—氢能—物流—(加注—动力或热源使用—乙醇及氢能使用设施和动力机建造及制造)或者(乙醇及氢原料及副产品—其他制成品)”等产业链。而生物乙醇和氢能下游产业发展的难点,从第二阶段推广和第三阶段试验来看有以下两个方面。

一是生物乙醇和氢能生产地与乙醇及氢能使用地之间的多次罐储、购买、装车、运输、卸车、分销和加注等物流服务成本高昂。如甜高粱提醇生产设在内蒙和西北,无论是就地制氢运输,还是将乙醇运输到需求地制氢,加之其易燃、易爆和易泄漏等特性,车辆设施标准和条件苛刻,运输费用很大。部分将种植提醇放在内蒙和制氢加工放在沿海的项目,因此而失败。

二是较经济的储运装卸乙醇及氢能技术需要在材料和方式方面攻坚和突破,比如在西北大规模生物制乙醇和氢气,或者攻克氢能管道运输材料和安全方面的技术,或者氢能就地发电进入电网输送。当然,即使有新技术可用,关键是就是生产乙醇及氢能储运成本水平是不是市场需求能够接受。

三是氢能应用市场需求和氢能使用技术方面的难点。技术供给与市场需求,往往互为前提条件。没有需求市场,技术到了产品化阶段,投资因时间成本拖累,会导致新技术夭折;而有市场需求,但是,没有可使用新技术的设施和车辆,没有安全便捷的氢能加注器具,氢能生产企业也会因产品滞销而难以为继。

05提速生物氢能发展的思路和建议

中国生物能源发展,应当实施先发展植物乙醇,使其种植、集储、提醇经济性生产,将乙醇的成本降低下来,形成制氢用原料规模化的供给市场;在其过程中,实现储装运卸和终端使用方面关键性技术的突破,形成生物乙醇转制氢能的需求市场。以原料市场保证未来氢能生产供给,以需求市场平衡供给和拉动生产。这方面应当借鉴美国和巴西经验,至少普及15%掺加乙醇汽油20%掺入柴油的使用,在近几年氢能发展的前期,可将汽柴油生物燃料乙醇年生产和消费量扩大到5000万吨左右。

应当通过农业与工业融合,统筹粮食和能源两大安全问题。用土地和劳动力要素密集型投入路线,既生产乙醇和未来制氢,又形成“副产品饲料—养殖牲畜—产出肉奶—有机粪肥—生态蔬菜”,助力落实农村一二产业融合要求。

按照大食物观要求,在农业内部用地方面,主食、油料和肉奶动态协同种植。国内目前粮食用地的饲料玉米种植比例不低,进口粮食中榨油和饲料大豆比例也很高,按照农业不同植物需要轮作的客观规律,可以在种植大豆(油料)、麦类(主食)、甜高梁(乙醇与发酵饲料)等三大品种之间倒茬轮作。

在《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》发布后,攻克氢能关键技术、推进氢能技术产业化,既要鼓励各类技术研发、不同要素投入、路管电储运方式和多种商业模式相互竞争的市场优先,也要防止“轻科研重建设”、一哄而起、盲目投资、工程烂尾和浪费巨大。最为重要的不是先上项目,而是先观察过去失败的项目,汲取教训,认真做可行性研究,估计风险、预算合理和科学决策,再立项、投资和高质量建设。

目前,科技部门的重大攻关项目资金支持方面,投入主要集中在加工生产技术及硬件上。但前面已述,许多生物能源项目失败在集储装运卸环节上。其各种方式试验、多方案比较和最优化模式总结遴选,也需要软技术研发攻关。因此,对生物能源研发和产业化,也要加大在收集、粉碎和包储一体化作业机械,青储小半径运输优化,乙醇罐车→加醇和加氢站等三大方面的模式和技术攻关。

许多人认为,生物氢能产业从种植、加工,再到消费的过程,一定是大面积种植、集中式储运、大规模加工、集中式销售的模式。这是一个误区。许多地方主管部门要求乙醇加工规模要年产3万吨或10万吨,并且越大越好。一亩地一般一季平均生产5.5吨青储,提取330公斤乙醇和转制氢66公斤。即使按照最低3万吨或中小10万吨规模,种植面积就需要60平方公里或200平方公里,由于青储原料体积大、水分多、季度性强和密度低等特性,道路和集储运成本将相当巨大。因此,这种规模要求在实际产运逻辑和成本收益方面,根本就不可能成立和接受。

因此,选择最佳产运销用方式,可大幅度降低储运成本。以村庄为区域,以提取乙醇地到附近加油站为半径,以城镇、城郊、城市和公路加油站,包括高速公路服务区为运送地,就地加注乙醇,未来大规模发展为注入乙醇重整氢能的产运销注用方式,将会节省储存、装卸、长途运输、再装卸储能分销等巨额费用。

考虑一二三产业融合、振兴农村、提高农民收入、扩大农民消费和增强国内经济循环,应当选择土地和劳动密集型氢能发展的模式。依据甜高粱等植物特性,在种植规模上以3000亩到15000亩面积为宜;乙醇加工规模放宽到1000吨到5000吨。当然,如果有一体化机械作业、道路条件优越和更低成本的集储运模式,乙醇加工规模可以相应地扩大。

从未来的能源使用结构看,太阳能、风能和电能将大比例地用于工厂生产、商业设施和居民住宅用能;而生物乙醇和氢能则可以较大比例地用于交通运输和移动式生产作业。其中相当大比例的乙醇和氢能生产和消费产业模式为:村庄范围种植集储,分步式小规模加工提醇,小半径村到站点直接运输加注乙醇,汽车行驶时醇转氢直燃。而交叉的农业模式:种植甜高粱等作物,收碎集储为青储,加工酒糟饲料,养殖牛猪羊等,收集有机粪肥,产出肉奶菜果等生态食品。

成立国家级氢能应用的重大技术攻关专项,加大对氢燃料电池和氢内燃机两大动力系统的技术攻关;并在安全可控的情况下,进行氢能在交通运输领域的应用试验。同时,还要加大管道材料、运输方面的研发投入,建设以氢能为燃料的交通基础设施,形成管道运输设施、加氢站等相关配套,推进中国氢能技术进步和产业化进入世界前列。

(作者:首都经贸大学特大城市发展研究院聘请教授)

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