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能源与环境双压间的生物质能 —— 能源、社会、生态协同发展的挑战

日期:2020-05-09    来源:交能网  作者:林伟

国际新能源网

2020
05/09
13:52
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关键词: 生物质能 生物质原材料 生物质能产业

前言:在前几期的文章中,我们为大家详细介绍了德国生物质能产业蓬勃发展的历程与现状,得益于许多政策法律的保障,德国生物质能在一次能源供应中的比例在过去的几年中不断提升。尽管作为该领域的先行者,但德国的生物质能产业却一直处在能源利用与环境保护的双压之间,拥有很多不确定性,这也是我国的生物质能产业未来所必须要面临的难题。如何在这场博弈中取得平衡,寻找新的突破口和解决办法,不论对于德国还是我国都十分重要。本文将从几个角度出发,为大家介绍生物质能发展面临的挑战和可能的解决方法。

生物质背景

生物质能满足了德国总能源需求的十分之一,比风能、太阳能、水电、地热能加起来还多。生物质能的优点在于易于储存,且能够灵活地转化成电或热,并能为交通提供燃料。

然而,生物质能的总量却是有限的。可以预见,随着世界人口的增加,对粮食生产的需求和生物质燃料的需求也将不断增加,两者互相争夺土地。考虑到全球雨林、植物、土壤的碳储存的相互影响,这种对土地的争夺可能反而导致温室气体排放增加,并带来生物多样性下降,土壤和水体质量下降等多重威胁。这些威胁仍难以准确计量,学术界对采取什么样的假设和估算方法仍未有定论。因此,将多少农作物和树木作为燃料使用仍然有争议。

一些学者根据农产品和林业在国际市场上的交易状况,从经济学的角度估计全球可用于生物质能的燃料总量。据估计,全球可持续的生物质能的潜力大约在50EJ至数百EJ之间。预测值的大小很大程度上取决于农业能够承受多大的土地压力,以及在使用土地时能多大程度上保护生态系统和生物多样性。还有一大不确定因素是,未来粮食生产需要的土地面积和人们的食品结构。如果希望生物质能大规模作为燃料使用,那么全球的肉类消费就必须有明显的下降。我们甚至可以计算得到,如果所有人都吃素,那么我们可以用相同的土地面积养活两倍的人口。此外,尽可能避免粮食浪费也能降低生产粮食的土地需求。

总的来说,大规模将农作物和树木用作燃料将为生态和社会带来巨大的风险。通过提高土地利用的可持续性和农林产品生产的可持续性,可以降低这种风险。从遏制气候变化的角度出发,减少森林砍伐有重要意义。只要森林砍伐仍未被遏制,就不应该继续扩大来自农产品和树木的生物质能的利用。

图:生物质能可能的活跃领域

优先使用废料和垃圾

我们应优先使用废料和垃圾作为生物质能的原料,它们对生态系统和粮食安全的影响比农产品和林木低得多。与农产品和林木相比,废料和垃圾的国际贸易要少得多,因此更易于估算能源潜力。在德国,肥料和垃圾占生物质能的一半,约150TWh/年。如果算上未被利用的麦秆、动物粪便等,废料和垃圾能够满足德国7%~9%的一次能耗。

不过,废料中往往含有更多的有害物质,因此处理起来相比木材更为昂贵和复杂,相应的设备也必须根据所选择的原料做出调整。当然,如果基于生物质的产品在设计时,就选用有害物质少、易于回收的材料,便能减轻将其作为能源利用时的处理难度。

生物质能+碳分离

为了实现《巴黎协定》中定下的气候目标,我们最晚必须从本世纪后半叶开始,降低大气中二氧化碳的含量。这意味着我们从大气中分离的二氧化碳必须比我们排放的还要多。有一种技术可以实现这一点:生物质能+碳分离(BECCS)。植物能够从空气中分离出二氧化碳,形成生物质,生物质燃烧,发电发热后,收集其释放的二氧化碳并长期封存地下,从而同时实现发电、发热、固碳三大目标。

除此之外,从大气中分离二氧化碳的方法还包括大面积的植树造林,制造和生产生物煤(一种长期稳定的碳化合物,类似木炭),和利用化学吸收剂直接从大气中分离二氧化碳。大部分二氧化碳分离技术的潜力、环境影响,成本,固碳的时间都不明确。为了满足二氧化碳分离量的要求,应该将多种技术组合使用。在IPCC的预测的许多未来图景中,BECCS的应用约为300EJ每年,相当于目前生物质能总量的5倍。可以说,BECCS在生物质能未来的发展中占有一席之地。值得一提的是,不是所有的生物质能都适合分离二氧化碳。考虑到二氧化碳的分离、运输成本,只有大型设备才值得这么做,因此,必须调整生物质能目前应用分散的情况。

生物质能与社会、生态的协同发展

如果一项政策想大规模扩大生物质能的应用,就必须确保它对社会和生态不会造成不良后果,并切实对气候变化做出贡献。对于生态问题、社会接受度、减排来说,选择何种原料,及该原料对土地利用的影响至关重要。一项特别的挑战在于非直接土地利用变化(Indirect Land Use Change, ILUC),即当生物质能的原料价格上涨时,其他的地区的农田被用作种植生物质原料。目前,非直接土地利用变化很难通过统计方法或经验推测量化,这也是生物质能政策制定中无法回避的问题。

大部分情况下,生物质能利用在能源法律的框架下进行,这就导致人们对其能源系统之外的影响考虑不足。为了在刺激生物质能利用的同时满足生态和社会的要求,必须将能源和土地利用协同规划。随着废料和垃圾的利用不断增加,能源经济和废品经济的接口也越来越重要。在能源、农业、雨林、环境领域,不同的资助和领导机制间协同变得不可忽视。

一个降低生物质能全生命周期的碳排放的有效方法是,拥有统一且足够高的二氧化碳价格。长期看来,理想情况下应该将所有经济活动产生的温室气体排放都纳入价格体系中。这将推动土地和能源利用更加环境友好,且会让砍伐树林失去经济吸引力。非直接土地利用变化产生的温室气体排放也能得到有效控制。虽然在可见的未来,为所有温室气体排放建立全球价格难以实现。不过,越来越多的国家和地区开始着手建立碳排放交易系统或征收碳税,并已经囊括了全球20%的温室气体排放。

在全球碳定价体系形成之前的过渡时间里,我们可以仍然采取许多措施。对于国内生产的生物质,可以制定法律确保生物质能的可持续供应并最小化碳排放。对于进口生物质能,为其提供认证是一种可能的管控途径。如今欧盟内使用的生物质燃料均需要通过认证,获得认证的生物质能需要证明其与化石燃料相比,减少的温室气体排放不低于某个值。由于德国实行可再生能源配额制,企业的能耗必须由一定比例的可再生能源承担。只有在使用通过认证的生物质能时,才能算作使用了可再生能源。除了温室气体排放之外,社会影响、生态影响之类的其他标准也可以纳入生物质能的可持续性认证中。 

为了使德国国内生产的生物质和进口生物质能平等交易,同时为了考虑国外生产的生物质的温室气体排放,进口生物质的温室气体排放可以通过边际税率平衡来调控。简单来说,如果进口的燃料不需要为碳排放付费,相对于需要为碳排放付费的燃料便具有价格优势,因此德国对这部分燃料会额外收税以使其与国内燃料公平竞争。

为能源系统服务的生物质能

未来,生物质能应该服务于整个能源转型的进程,与其他可再生能源协同发展。为此,生物质能在能源系统中应首先承担其他能源无法承担或承担起来成本过高的责任。一些重要的应用包括替代现有的工业热源和作为交通领域的替代燃料。此外,通过灵活的使用生物质能热电联产,可以平衡光伏、风力发电带来的波动性,并支撑能源系统度过太阳能、风能贫乏的时间段。对于难以实现良好保温的建筑,生物质能供热也是个不错的方案。

未来哪个领域将首先应用生物质能,将主要决定于以下三个方面的发展:

碳捕捉与储存(CCS)是否会作为气候政策的一部分被广泛接受。CCS是生物质能+碳分离技术的核心基石。如果人们拒绝这项技术,就必须验证和探讨现有的气候政策是否以及如何在没有CCS的情况下达成气候目标。如果支持CCS的应用,就必须从现在开始建设二氧化碳运输和储存的基础设施,并发展BECCS设备。如果我们希望在本世纪后半叶通过BECCS达成气候目标,大型的BECCS设备就必须在接下来的十到二十年间投入运营。

由木质纤维素制成的液态生物质燃料是否、何时被市场接受。液态生物质燃料能够在能源系统中发挥重要作用,尤其是作为飞机、轮船的替代燃料。不过目前液态生物质燃料仍十分昂贵,如果希望它被市场接受,还需要进一步的技术发展。

热电联供系统的建设。这决定了生物质能在未来能多大程度上支撑供电和供暖。灵活的生物质能热电联供已经扫清了技术障碍,供应工业或城区的大型设备也可以在与CCS结合的情况下长期运行。如果希望这样的系统在能源中占有一席之地,必须加大对热网的投入。


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