生物质木屑颗粒机能源的可靠性评估生物质能源利用分析

但是，玉米乙醇的发展始终就是伴随着争议的。首先，玉米是主要的粮食作物，大规模的利用玉米作为能源原料会引发粮食价格上涨和短缺。如图，美国的玉米价格近年来总体成上涨趋势(其中的两次价格顶峰来来源于干旱等自然灾害)。

进一步，我一直以为生物能源的产生和发展是径依赖的一种表现。生物能源的产生起源于上世纪70年代的石油危机。当石油供给不足，第一反应则是寻找石油的替代品。因此，生物乙醇同样作为液态能源，能够低成本的来替代石油(可以利用现有的管道系统，加油站，并且可以把乙醇混入汽油如E10, E85)。相比之下，如果需要转换现有的能源结构，则研发和配套基础施舍成本是巨大的(例如开发电动汽车和配套的充电站，现在的特斯拉就是在干这个事情，他提供开源技术也是为了促进整个行业的发展从而降低自己高额的基础设施投入成本，好吧跑偏了)。

以上种种，美国对于新能源的扶持于2011年开始转向了二代能源，取消了对于玉米乙醇的补贴。这也是造成图一所示玉米乙醇生产趋缓的主要原因。二代能源多以多年生草类或者秸秆等农林业副产品为原料，因此最初并不认为会造成粮食问题。另外，相比玉米和甘蔗等作物，有研究也表明switchgrass等多年生草类能够提高土壤的碳含量，起到固碳作用减轻温室气体效应。目前，其在美国受到了的较大扶持，美国署(EPA)要求到2036年必须生产16亿加仑的二代生物能源。如果能够进一步降低成本，我认为以上目标是能够实现的(以玉米乙醇作为参照，其产量从2004年的4亿加仑到2011的14亿加仑也只需要了不到10年时间)。

要分析这其中的发展原因，考虑到当前玉米乙醇行业的技术相对比较成熟成本显著下降空间有限，主要要看原材料和政策这两个因素。在政策方面，无可否认新能源的发展与的强力支持是息息相关的。美国对玉米乙醇的政策扶持顶峰在2004年，对于每加仑乙醇的补贴为$ 0.51 (之前为$0.4)，而其产量也随之迎来了高速发展，大量的新工厂得以建立。如下图所示，如今的玉米乙醇工厂基本覆盖了所有的美国主要玉米产区(绿点表示工厂，越深则产量越高)。

之后，厂商和学术界的把终点从生物糖(玉米甘蔗)转向了生物质(秸秆，多年生草本植物如switchgrass-中文翻译过于奇葩不记得)。然而，尽管多年的研究实践，目前以生物质为原材料的能源在尚未有真正大规模的商业生产。主要受限于成本过高和转换率低下(这是生物能源的另外一个硬伤!)

另外，更加重要的一点是，按照生命周期评估(life cycle assessment) 的观点，很多研究认为玉米乙醇并没有真正的显著减少温室气体的排放(原因在于在玉米和乙醇的生产制造过程中排放了大量温室气体)。从和减轻气候变暖的角度，也需要寻找更加高效的能源来源。

当前的生物能源主要用于交通运输，而美国交通运输占总能源需求的30%左右。也就是说，把所有的玉米都拿来生产乙醇，也不尽能够满足其需求。那么二代生物能源呢?也许二代能源不构成粮食问题。但是，已经有研究表明，一个容易忽略的问题在于其对间接土地利用类型变化的影响(indirect land use change). 二代能源作物的生产同样需要大量土地。而如果要依赖二代生物能源提供交通运输，那么势必需要大量的土地种植能源作物。土地哪里来呢?只能够挤占现有土地资源。如果是挤占耕地资源，那么同样的粮食问题难以避免;如果挤占林地草地，那么反而可能引发进一步的问题。

首先，无图无。下面是1999-2013年美国的玉米乙醇产量。绿线表示的是产量上限，红线表示的是实际产量。事实上我们可以看出，美国的生物乙醇行业从05年开始进入快速发展时期，但是到了08年名义产量的增长就趋于停滞了，到了11年实际产量也接近了名义产量的上限。

另外一个方面，美国主流学术界中，对于生物能源的优势也各执一词。尽管传统观点认为生物能源实现了温室气体(CO2，N2O，CH4)的零排放(其能源来源于植物的光合作用而非地底石化能源)，但是反对一方的主要的观点包括，在生物能源的制造过程(种植，化肥的氮排放，收割，运输，)同样产生了大量的温室气体。同时，在从草原、森林、荒地转向生物能源的生产过程中，土地利用类型的变化(land use change)同样会产生大量二氧化碳排放。总而言之，其与石化燃料生产过程中的温室气体排放在量的大小上虽然见仁见智，其存在和显著影响得术界的普遍认同。

但是从长远的角度，人类历史上从工业之前，到蒸汽机时代，电气时代，每一次人类社会的跨越式发展，无一不是伴随着能源技术和利用效率的飞跃。能够利用的能源来源和效率的上限，终将决定人类文明的发展上限：是星球文明还是星舰文明，还是神级文明(好吧我承认三体看多了我去)。生物能源技术，是现有能源技术的变相延伸，也就注定了其不会是未来可持续发展长远计划的一部分。能源的前景必须依赖未来技术的突破：无论是更加安全的核能，还是效率得到提高的太阳能，亦或者更加理想化的高空太阳能或者风能技术。但是我觉得未来，可持续的电能会更加广泛的替代现有的石化能源。当然，这还需要电池技术的突破。

这个问题，首先在于“前景”指得是多久。简短作答，生物能源确实是短期内在技术和经济可行性最适合的石化能源替代品。长期而言，随着核能，太阳能等技术发展以及电池技术瓶颈的突破，电能应该会成为未来的主流。

目前谈到生物能源，虽然来源有很多种(例如玉米、甘蔗、多年生的草类、以及农林业副产品譬如秸秆)，但是真正做到大规模商业化生产的目前仍然是美国的玉米和巴西的甘蔗，二者都是把其中的糖发酵为乙醇，技术难度和成本都比较小，也是发展最早目前最成熟的技术，从上世纪七十年代的石油危机就开始了，也叫第一代能源作物。

首先，传统认为，生物能源的优势主要在于两点。其一，经济可行性;其二，和可持续性。但是，仅仅以我比较熟悉的为例，虽然当前以玉米为原料的生物乙醇行业基本实现了大规模的商业生产，但是是建立在长期的补贴以及美国支持的一系列政策扶持--(楼主硕士毕业论文第一句话就是，美国的能源与安全法案(Energy independence and security act 2007) 通过：到2022年交通行业必须有160亿加仑燃料来自可再生能源)。同时，由于玉米本身就是主要粮食作物，这是当前以玉米为原料的乙醇生产的硬伤--2008年经济危机期间原油价格突破$100，的生物能源行业随之迎来井喷，当年玉米价格随之上涨三倍。拿汽车与人抢饭吃的逻辑被社会新闻以及一些学术界各种。

生物能源主要值得是以生物糖和生物质为基础原料，通过发酵等来生产生物燃料包括但不限于生物乙醇(bio-ethanol)，生物柴油(bio-diesel), 生物气(bio-gas) 甚至通过燃烧来发电。目前最典型和广泛的就是的以玉米为原料以及巴西以甘蔗为原料的生物乙醇。

另外一些提到的，例如多年生的草类(如switchgrass，miscanthus)以及农林业的副产品如秸秆、锯末之类的(第二代能源作物)，都是生物质纤维素为乙醇，难度更大成本也更高。另外还有以藻类为原料的我不熟悉，但是据我所知目前也只是在理论和试验的范围。谈到生物能源的前景，那么就我所了解的以上这两种生物能源在的情况介绍一下。另外声明，本人是纯纯的文科生目前念书也是经济类，对具体生物能源技术尤其是原理和实际操作的理解并不是十分到位，如果有错误欢迎大家讨论指出。

但是!!以上这些都并不能够成为我看好生物能源的理由。首先，作为世界上最大的玉米生产和输出国，美国在2013年总共生产了140亿蒲式耳(原谅我懒得进行单位换算)的玉米。按照美国能源信息署的数据，一蒲式耳玉米能够生产2.8加仑的乙醇，那么美国2013年用于生物乙醇生产的玉米占其总产量的34%!那么我们生产的生物乙醇能够提供多少消费呢?如下图所示，原油占36%，天然气27%，而可再生能源为10%，而生物能源还只是其中一部分，还有其他如风能太阳能水电等等)。