生物质能开发利用现状及挑战


文|单明   清华大学建筑学院助理研究员


我国生物质资源折算标煤的总量约为10亿~15亿tce/年,其中有将近6亿tce可以能源化利用。目前我国生物质秸秆的消纳方式主要是“肥料化、饲料化、基料化、燃料化、原料化”,五化利用总占比约80%,而剩余的基本被直接露天焚烧。相比于风能、水能、太阳能等,生物质能是最稳定的可再生能源,其自带化学储能属性,更加便于储存、运输及转化。更为重要的是,其他可再生能源主要以电力输出为主,生物质是未来唯一的可以作为燃料的零碳能源,同时生物质可以转化可燃气、热、油、蒸汽、肥料以及材料等多样化产品,应当受到重视。

生物质能利用现状及挑战

其一是生物质发电和生物质热电联产。生物质发电和热电联产主要利用农林剩余物(以林业剩余物为主)、养殖场剩余物所生产的沼气,以及城市生活垃圾等进行发电。目前我国生物质发电技术已基本成熟,但是以垃圾焚烧发电为主,还包括秸秆发电和沼气发电等。截至2020年底,我国的生物质发电总装机容量约2952万kW,年发电总量约520亿kWh,这些电厂如满负荷发电,则每年可消耗将近3亿吨生物质。不论是市场需求还是企业发展,抑或国家能源战略要求,生物质发电领域热电联产将成为未来的必然发展方向。

综合来讲,生物质发电或者热电联产发展面临的主要问题如下:大型农林生物质发电存在原料收集半径大、系统综合效率低、经济性差等难题;缺乏生物质热电厂的区域性布局规划,局部范围内生物质电厂(热电厂)数量过多,存在互相争抢原料的情况;热源和供热负荷难以实现很好的匹配,导致生物质热电项目供热能力大量闲置;新建生物质发电项目国家可再生能源补贴发放不及时,项目经营压力大;缺乏生物质热电联产热量的补贴机制,在生物质发电电价补贴的情况下,因供热价格较低,致使生物质发电企业供热的积极性不高;生物质发电标准体系建设滞后,相关标准等执行的是燃煤火力发电项目标准,没有结合生物质燃料的实际情况等。

其二是生物质气化多联产。生物质气化多联产技术通过将生物质在缺氧状态下进行气化,可产生气、固、液等多种产品,其中燃气可用于发电、供暖、供蒸汽等,生物质燃油或液体肥可做燃料或肥料,生物质活性炭可以做肥料的基肥。该技术近些年发展迅速,应用领域多样,例如河北滦平县某项目,采用山桃、山杏壳等为原料,产出活性炭的同时利用余热向周边学校、住宅等供暖;山东某中药厂项目,采用该厂废弃药渣作为原料,气化产生可燃气燃烧提供蒸汽用于企业的再生产等。

在国家“双碳”发展目标的影响下,生物质多联产气化技术逐渐向小规模分布式方向发展。例如,北京某公司开发了集装箱式可模块化组装的生物质气化设备,在用水用地方面具有优势,发电规模调整范围宽泛,焦油含量及气化效率方面性能较好,适用于村级微电站场景,另外可根据季节性需求调整产出不同类型产品,发电的同时,冬季还可以给居民供暖、供气,夏季可以给周边产业园区供应蒸汽等。

其三是生物质清洁供热。在生物质区域供热方面,一种常见的形式是采用生物质成型燃料锅炉,过去十几年里已在工业园区蒸汽供应或者北方住宅小区供暖等多个领域得到了较好的发展,生物质成型燃锅炉产品已形成完整的系列化,技术较为成熟,锅炉房设计已具备标准化流程。在分散户用清洁取暖方面,近几年因为国家大力推进北方清洁取暖行动,户用生物质清洁取暖得以迅猛发展,目前产品多样并逐渐走向智能化、高效化、清洁化。户用生物质清洁炉具主要包括热水型和热风型两种,目前推广总量初步估计达百万户以上。

生物质清洁供热在快速发展的同时也面临诸多挑战,例如:成型燃料成本偏高,需要进行技术改进和新模式探索;生物质集中供热政策不稳定,环保方面存在争议;生物质户用取暖市场化程度不高,强度依赖国家清洁取暖政策;户用生物质炉具热效率、污染排放性能有待进一步提升等。

其四是生物天然气。针对畜禽粪便等湿性生物质资源,通过沼气发酵来生产生物天然气是很好的利用方式。从2015年开始,国家发改委、农业农村部每年投资20亿元,连续3年先后支持了64个规模化生物天然气试点项目和1400多个规模化大型沼气工程,截至2020年底,全国共计建成生物天然气工程55座,年产生物天然气2.11亿m³。2019年12月,国家十部委联合下发《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》指出:到2025年,我国生物天然气年产量超过100亿m³;到2030年,生物天然气年产量要超过200亿m³。

生物天然气的发展挑战包括:项目规模和初投资大,运营效益不理想;环保禁养等政策导致发酵原料来源不稳定;干黄秸秆预处理困难,腐化不彻底;沼渣沼液量大,难以完全利用等。未来应该重点推广种养结合的分布式生物天然气项目,加快构建新型农村社区配套的分布式生物能源供应体系,为农村居民提供高品位的清洁能源,提高农村居民生活质量。

如何采取措施应对挑战

我国生物质能开发利用面临很多机遇和挑战。机遇方面,国家能源转型、“双碳”发展目标、乡村振兴和美丽乡村建设等大的战略以及相关政策的支持,越发凸显生物质能的重要性,为生物质能规模化利用提供了良好机遇。挑战方面,由于生物质原料拥有者以及使用者的分散性,不仅带来收储运上的困难,应用层面也存在诸多障碍,加上生物质能源利用技术多样,导致各方在研发推广技术方面所面临的难度和困难都比较大。

针对这些挑战,应重点采取以下应对措施:一是对生物质能的开发利用应由被动式消纳转化为主动化利用;二是建立经济可持续的“收储运用”一体化产业链,充分实现生物质能的商品化,提高其附加值,吸引社会投资,增加乡村收入;三是对干湿生物质资源进行分类合理利用,聚焦研发,优先突破一些关键性技术;四是实现生物质能与风光能源的巧妙协同利用,发挥其稳定可燃的高品质优势;五是储备碳汇技术,为乡村振兴开辟新兴产业;六是打破城乡用能壁垒,实现乡村生物质商品化并向城市输出,解决国家城乡用能一盘棋的问题。