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由植物、菌藻和動物等有機質(zhì)為原料，提煉氫并使其與氧反應(yīng)產(chǎn)生能量，用于熱源和動力，稱之為生物質(zhì)氫能。從生物氫能生產(chǎn)的大規(guī)模和經(jīng)濟性看，其原料主要來自于甘蔗、甜高粱、甜菜和木薯等幾大類植物。生物質(zhì)原料，本身因可燃燒等就是生物質(zhì)能源，通過“生物質(zhì)加工提醇—醇類制氫—氫氧反應(yīng)”過程形成氫能。
01 生物質(zhì)氫能發(fā)展處于萌芽階段
生物質(zhì)能源從碳排放程度變化看，可分為直接燃用動物油及植物、菌藻植物提取乙醇燃用和乙醇等重整制氫使用等三個階段。人類生物質(zhì)能源的生產(chǎn)和消費，在第一階段中直接燃燒，污染和碳排放量很大；中間階段生物質(zhì)精細加工及使用，污染及碳排放減少；最后通過深化加工，轉(zhuǎn)制氫能，實現(xiàn)生產(chǎn)和使用的低污染和零排放。而發(fā)展生物質(zhì)氫大規(guī)模用做能源，是一個技術(shù)逐步進步、有關(guān)設(shè)施裝備工具水平逐步提高、成本收益逐步優(yōu)化的過程。
生物質(zhì)氫能的優(yōu)點在于：（1）生物質(zhì)氫能屬于綠氫。它由植物生長吸收陽光照熱、土壤水分和二氧化碳，并將成熟后的果實和秸稈發(fā)酵提取乙醇，再重整制氫而形成。其生長為吸收二氧化碳的過程，而其加工轉(zhuǎn)換則排碳量微小。（2）能源轉(zhuǎn)換次數(shù)少，轉(zhuǎn)換消耗能源低。從生物質(zhì)原料到加工提取的乙醇能源，發(fā)酵蒸餾獲得乙醇轉(zhuǎn)換用能不多，并且可來自于部分秸稈或酒糟燃燒加溫或者光電風電加熱；乙醇重整制氫，則通過高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的催化劑作用，使乙醇發(fā)生化學反應(yīng)而獲得氫氣，耗能也很低。（3）節(jié)省能源轉(zhuǎn)換的儲能環(huán)節(jié)。生物質(zhì)直接發(fā)酵提取乙醇，并由化學反應(yīng)獲得氫氣，減少了風光能電解水制氫需要先儲能這一環(huán)節(jié)，節(jié)省了儲能投資成本和能源轉(zhuǎn)換損耗。
從有關(guān)數(shù)據(jù)看，2021年全球一次能源消費估計為138.4億噸油當量能源，其中中國一次性能源消費可折算為36.92億噸油當量能源。而全球氫氣產(chǎn)量7000萬噸，其中中國氫氣生產(chǎn)量3300萬噸。目前國內(nèi)外氫氣絕大部分用于化工原料。中國2021年用于加熱、制冷和運輸?shù)?000噸左右，合15000噸油當量能源，僅占2021年中國全部能源消費量的0.00041%。2021年世界各國，包括中國氫氣，主要通過石化原料加工生產(chǎn)，風光水核電電解水制氫和生物發(fā)酵重整制氫二者產(chǎn)量不到總氫氣生產(chǎn)量的1%，其中生物氫產(chǎn)能部分又不到全部綠氫產(chǎn)能的1%。因此，不論全球，還是中國，生物氫能處于剛剛起步的萌芽發(fā)展階段。
02 生物乙醇能源階段發(fā)展的國內(nèi)外情況
主要經(jīng)濟體制國家，為了減少粉塵、有害氣體污染，以及控制碳排放，大都程度不同地禁止農(nóng)田秸稈，社區(qū)菌藻、落葉、樹枝、動物尸體等垃圾直接焚燒，用做熱能和動力能源。
人類從20世紀70年代開始，進入了生物質(zhì)能源既有效利用又減少其排放的第二個發(fā)展階段。從國際經(jīng)驗和標準看，每噸生物乙醇用于熱源和動力，比純石化燃料減少碳排放40%左右。全球生物質(zhì)能源大規(guī)模使用，始于20世紀的第一次石油危機。當時并不是為了減少碳排放，而是保證能源供應(yīng)安全和應(yīng)對石油價格上漲。為了減少對石油的依賴，巴西等一些國家開始探索把甘蔗轉(zhuǎn)化成乙醇后摻兌在汽油內(nèi)使用。從有關(guān)報告披露，2019年生物能源已經(jīng)提供了國際最終能源需求總量的5.1%，約占最終能源消費中所有可再生能源的一半。而生物能源生產(chǎn)和消費大國主要有巴西和美國。目前巴西甘蔗生產(chǎn)的生物質(zhì)能源已經(jīng)占到國內(nèi)總能源消費的17.4%，輕型乘用車燃料總消耗中，生物乙醇占比48.3%，全球比例最高；美國2020年生產(chǎn)生物乙醇5050萬噸，70%左右用于汽車動力，其大部分地區(qū)使用摻加10%生物乙醇汽油，小部分地區(qū)使用摻加15%生物乙醇汽油。美國和巴西生產(chǎn)和消費乙醇汽油，除了應(yīng)對外部石油價格的幾次波動外，重要的是通過從農(nóng)業(yè)要能源，增加了農(nóng)民的收入，同時也減少了碳、粉塵和其他有害氣體的排放。印度2020年乙醇產(chǎn)量684萬噸，印度政府為了應(yīng)對俄烏戰(zhàn)爭、減少排放和增加農(nóng)業(yè)收入，計劃未來實行甘蔗加工產(chǎn)品更多地從糖轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖迹⒃?025年將車用汽油乙醇混合比提高到20%。
中國21世紀初開始建設(shè)乙醇加工廠，并推廣使用乙醇汽油。2020年生物燃料乙醇生產(chǎn)能力只有300萬噸左右，原料主要為玉米。目前中國規(guī)定的乙醇摻入汽油比為10%，可以加注使用的地區(qū)為黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽和廣西6省，以及內(nèi)蒙、山東、湖北和河北等省的部分盟地市。由于價格波動和禁止與糧爭地，受國內(nèi)糧食與燃料供給形勢和政策影響，實際乙醇能源生產(chǎn)量和消費量高低不一，產(chǎn)能滿符合生產(chǎn)的時期較少。
03 遠期生物氫能目標：需要經(jīng)過生物乙醇能源發(fā)展階段
中國能不能彎道超車，直接進入生物氫能，即第三個生物質(zhì)能源發(fā)展階段呢？這在客觀上可能行不通。一是攻克生物氫能源加工生產(chǎn)、儲存運輸、容器加注、轉(zhuǎn)電使用、直燃驅(qū)動等方面材料、管道、容器、電池和內(nèi)燃機等方面的關(guān)鍵技術(shù)。二是需要形成生物氫能生產(chǎn)和使用的農(nóng)業(yè)原料、發(fā)酵加工、重整制氫的耕地、提醇工廠、專業(yè)倉儲，以及能源植物種籽、制造提醇制氫裝備的生產(chǎn)體系；需要形成成熟的農(nóng)業(yè)與生物能源工業(yè)相結(jié)合的組織合作模式、產(chǎn)供儲運銷體系、線上線下和集中與分散結(jié)合的商業(yè)模式。三是能夠使氫能源技術(shù)研發(fā)成本能夠得到分攤、新產(chǎn)品逐步得到消費、進入企業(yè)能夠逐步得到利潤，需要有先期培育一個相近和后期容易被生物氫能替代的產(chǎn)品和消費市場。從這三個方面看，需要15到20年，甚至更長的時間。因此，筆者認為，在未來的15到20年時間中，技術(shù)上加快氫能發(fā)展的追趕，但產(chǎn)業(yè)上應(yīng)當走完生物制能源發(fā)展的第二成長階段之路，為第三階段生物氫能源發(fā)展打好堅實的基礎(chǔ)。
從中國發(fā)展的階段、國情和生物能源的特點看，現(xiàn)階段也應(yīng)當大力發(fā)展生物乙醇能源。一是中國城市化水平和農(nóng)業(yè)就業(yè)勞動力比率分別比同樣人均GDP發(fā)展的國家和地區(qū)低15到12個百分點。農(nóng)村和農(nóng)業(yè)中有1.6億工作時間不充分和剩余的勞動力，農(nóng)村居民收入需要提高，增強農(nóng)村的消費需求能力。發(fā)展生物乙醇燃料，向農(nóng)業(yè)要能源，替代進口油氣，有助于農(nóng)村一二產(chǎn)業(yè)融合，興村富民，疏通城鄉(xiāng)之間、生產(chǎn)和消費之間的經(jīng)濟大循環(huán)。二是中國有發(fā)展生物能源的土地、淡水等資源，興建水利工程、改造鹽堿等未利用土地、增加可耕種面積、糧能飼復種和輪作、調(diào)動農(nóng)民積極性避免土地撂荒，在既保證糧食安全的同時，建設(shè)土地既生產(chǎn)糧肉，又生產(chǎn)能源的現(xiàn)代“農(nóng)業(yè)—能源”經(jīng)濟體系。三是未來農(nóng)業(yè)生物氫能與風光電電解水制氫相比的原料和儲運等成本特點。一些專家也提出在西北和華北等地廣人稀區(qū)域，可將大量的風電和光伏電利用起來，通過電解水制氫。但是，西北華北許多地方少雨干旱、蒸發(fā)大于降水、河流稀少。
因此，大規(guī)模制氫雖然電能成本較低，但是大規(guī)模耗水工業(yè)，水從哪來，調(diào)水的成本高昂；而氫能再往需要能源的地區(qū)運輸，運距長，儲運卸環(huán)節(jié)多，氫能運輸對罐車和管道的要求條件又很高，缺水和運距離電解氫的成本可能不合算。
04 生物乙醇及氫能源優(yōu)點及其生產(chǎn)的難點
生物氫能是生物乙醇能源的制作再加工和產(chǎn)業(yè)再深化。第二階段乙醇生產(chǎn)在一些方面的難點，實際也是未來生物氫能生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)鏈的難點。生物能源產(chǎn)業(yè)，廣義上講，分為上游生產(chǎn)乙醇或氫能的加工產(chǎn)業(yè)、下游使用乙醇燃料或氫能車輛設(shè)備的制造產(chǎn)業(yè)，貫穿上下游的儲運裝卸和加注乙醇或者氫能的服務(wù)產(chǎn)業(yè)。從上游乙醇或者氫能生產(chǎn)看，主要產(chǎn)業(yè)鏈是“種植管理—收集青儲—生物轉(zhuǎn)運—提取乙醇—乙醇制氫”，從一二產(chǎn)融合看，可以衍生出農(nóng)業(yè)“副產(chǎn)品飼料—牛羊豬養(yǎng)殖—有機生物肥”鏈。
生物質(zhì)能源上游提醇和制氫在技術(shù)方面已經(jīng)被攻克，存在的是集儲運方面的成本難題。能源用植物材料生產(chǎn)和儲運的特征是：種植收集分散、密度小體積大、收割季節(jié)性強、易失水和腐爛、搬運次數(shù)多和堆儲空間要求大等等，細算起來集儲運費用時常遠遠大于種植、提醇和制氫等直接成本。目前全國20個左右的甜高粱加工乙醇項目，包括過去許多秸稈發(fā)電項目，大多失敗的原因正是因為投資建設(shè)可性行研究中忽視了這些細節(jié)。
從較寬泛生物能源產(chǎn)業(yè)的范圍講，下游包括“乙醇—氫能—物流—（加注—動力或熱源使用—乙醇及氫能使用設(shè)施和動力機建造及制造）或者（乙醇及氫原料及副產(chǎn)品—其他制成品）”等產(chǎn)業(yè)鏈。而生物乙醇和氫能下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點，從第二階段推廣和第三階段試驗來看有以下兩個方面。
一是生物乙醇和氫能生產(chǎn)地與乙醇及氫能使用地之間的多次罐儲、購買、裝車、運輸、卸車、分銷和加注等物流服務(wù)成本高昂。如甜高粱提醇生產(chǎn)設(shè)在內(nèi)蒙和西北，無論是就地制氫運輸，還是將乙醇運輸?shù)叫枨蟮刂茪?，加之其易燃、易爆和易泄漏等特性，車輛設(shè)施標準和條件苛刻，運輸費用很大。部分將種植提醇放在內(nèi)蒙和制氫加工放在沿海的項目，因此而失敗。
二是較經(jīng)濟的儲運裝卸乙醇及氫能技術(shù)需要在材料和方式方面攻堅和突破，比如在西北大規(guī)模生物制乙醇和氫氣，或者攻克氫能管道運輸材料和安全方面的技術(shù)，或者氫能就地發(fā)電進入電網(wǎng)輸送。當然，即使有新技術(shù)可用，關(guān)鍵是就是生產(chǎn)乙醇及氫能儲運成本水平是不是市場需求能夠接受。
三是氫能應(yīng)用市場需求和氫能使用技術(shù)方面的難點。技術(shù)供給與市場需求，往往互為前提條件。沒有需求市場，技術(shù)到了產(chǎn)品化階段，投資因時間成本拖累，會導致新技術(shù)夭折；而有市場需求，但是，沒有可使用新技術(shù)的設(shè)施和車輛，沒有安全便捷的氫能加注器具，氫能生產(chǎn)企業(yè)也會因產(chǎn)品滯銷而難以為繼。
05 提速生物氫能發(fā)展的思路和建議
中國生物能源發(fā)展，應(yīng)當實施先發(fā)展植物乙醇，使其種植、集儲、提醇經(jīng)濟性生產(chǎn)，將乙醇的成本降低下來，形成制氫用原料規(guī)模化的供給市場；在其過程中，實現(xiàn)儲裝運卸和終端使用方面關(guān)鍵性技術(shù)的突破，形成生物乙醇轉(zhuǎn)制氫能的需求市場。以原料市場保證未來氫能生產(chǎn)供給，以需求市場平衡供給和拉動生產(chǎn)。這方面應(yīng)當借鑒美國和巴西經(jīng)驗，至少普及15%摻加乙醇汽油20%摻入柴油的使用，在近幾年氫能發(fā)展的前期，可將汽柴油生物燃料乙醇年生產(chǎn)和消費量擴大到5000萬噸左右。
應(yīng)當通過農(nóng)業(yè)與工業(yè)融合，統(tǒng)籌糧食和能源兩大安全問題。用土地和勞動力要素密集型投入路線，既生產(chǎn)乙醇和未來制氫，又形成“副產(chǎn)品飼料—養(yǎng)殖牲畜—產(chǎn)出肉奶—有機糞肥—生態(tài)蔬菜”，助力落實農(nóng)村一二產(chǎn)業(yè)融合要求。
按照大食物觀要求，在農(nóng)業(yè)內(nèi)部用地方面，主食、油料和肉奶動態(tài)協(xié)同種植。國內(nèi)目前糧食用地的飼料玉米種植比例不低，進口糧食中榨油和飼料大豆比例也很高，按照農(nóng)業(yè)不同植物需要輪作的客觀規(guī)律，可以在種植大豆（油料）、麥類（主食）、甜高梁（乙醇與發(fā)酵飼料）等三大品種之間倒茬輪作。
在《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》發(fā)布后，攻克氫能關(guān)鍵技術(shù)、推進氫能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，既要鼓勵各類技術(shù)研發(fā)、不同要素投入、路管電儲運方式和多種商業(yè)模式相互競爭的市場優(yōu)先，也要防止“輕科研重建設(shè)”、一哄而起、盲目投資、工程爛尾和浪費巨大。最為重要的不是先上項目，而是先觀察過去失敗的項目，汲取教訓，認真做可行性研究，估計風險、預算合理和科學決策，再立項、投資和高質(zhì)量建設(shè)。
目前，科技部門的重大攻關(guān)項目資金支持方面，投入主要集中在加工生產(chǎn)技術(shù)及硬件上。但前面已述，許多生物能源項目失敗在集儲裝運卸環(huán)節(jié)上。其各種方式試驗、多方案比較和最優(yōu)化模式總結(jié)遴選，也需要軟技術(shù)研發(fā)攻關(guān)。因此，對生物能源研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，也要加大在收集、粉碎和包儲一體化作業(yè)機械，青儲小半徑運輸優(yōu)化，乙醇罐車→加醇和加氫站等三大方面的模式和技術(shù)攻關(guān)。
許多人認為，生物氫能產(chǎn)業(yè)從種植、加工，再到消費的過程，一定是大面積種植、集中式儲運、大規(guī)模加工、集中式銷售的模式。這是一個誤區(qū)。許多地方主管部門要求乙醇加工規(guī)模要年產(chǎn)3萬噸或10萬噸，并且越大越好。一畝地一般一季平均生產(chǎn)5.5噸青儲，提取330公斤乙醇和轉(zhuǎn)制氫66公斤。即使按照最低3萬噸或中小10萬噸規(guī)模，種植面積就需要60平方公里或200平方公里，由于青儲原料體積大、水分多、季度性強和密度低等特性，道路和集儲運成本將相當巨大。因此，這種規(guī)模要求在實際產(chǎn)運邏輯和成本收益方面，根本就不可能成立和接受。
因此，選擇最佳產(chǎn)運銷用方式，可大幅度降低儲運成本。以村莊為區(qū)域，以提取乙醇地到附近加油站為半徑，以城鎮(zhèn)、城郊、城市和公路加油站，包括高速公路服務(wù)區(qū)為運送地，就地加注乙醇，未來大規(guī)模發(fā)展為注入乙醇重整氫能的產(chǎn)運銷注用方式，將會節(jié)省儲存、裝卸、長途運輸、再裝卸儲能分銷等巨額費用。
考慮一二三產(chǎn)業(yè)融合、振興農(nóng)村、提高農(nóng)民收入、擴大農(nóng)民消費和增強國內(nèi)經(jīng)濟循環(huán)，應(yīng)當選擇土地和勞動密集型氫能發(fā)展的模式。依據(jù)甜高粱等植物特性，在種植規(guī)模上以3000畝到15000畝面積為宜；乙醇加工規(guī)模放寬到1000噸到5000噸。當然，如果有一體化機械作業(yè)、道路條件優(yōu)越和更低成本的集儲運模式，乙醇加工規(guī)?？梢韵鄳?yīng)地擴大。
從未來的能源使用結(jié)構(gòu)看，太陽能、風能和電能將大比例地用于工廠生產(chǎn)、商業(yè)設(shè)施和居民住宅用能；而生物乙醇和氫能則可以較大比例地用于交通運輸和移動式生產(chǎn)作業(yè)。其中相當大比例的乙醇和氫能生產(chǎn)和消費產(chǎn)業(yè)模式為：村莊范圍種植集儲，分步式小規(guī)模加工提醇，小半徑村到站點直接運輸加注乙醇，汽車行駛時醇轉(zhuǎn)氫直燃。而交叉的農(nóng)業(yè)模式：種植甜高粱等作物，收碎集儲為青儲，加工酒糟飼料，養(yǎng)殖牛豬羊等，收集有機糞肥，產(chǎn)出肉奶菜果等生態(tài)食品。
成立國家級氫能應(yīng)用的重大技術(shù)攻關(guān)專項，加大對氫燃料電池和氫內(nèi)燃機兩大動力系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)；并在安全可控的情況下，進行氫能在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用試驗。同時，還要加大管道材料、運輸方面的研發(fā)投入，建設(shè)以氫能為燃料的交通基礎(chǔ)設(shè)施，形成管道運輸設(shè)施、加氫站等相關(guān)配套，推進中國氫能技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)化進入世界前列。
（作者：首都經(jīng)貿(mào)大學特大城市發(fā)展研究院聘請教授）
原標題：周天勇：生物質(zhì)氫能產(chǎn)業(yè)的前景如何？
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