综合智慧能源科普系列：生物质能

一、生物质能定义

生物质能是自然界中有生命的植物提供的能量，这些植物以生物质作为媒介储存太阳能，属再生能源。据计算，生物质储存的能量比世界能源消费总量大2倍。人类历史上最早使用的能源是生物质能。19世纪后半期以前，人类利用的能源以薪柴为主。生物质能可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。

生物质能发电是将生物质能源转化为电能的一种技术，主要包括农林废物发电、垃圾发电和沼气发电等。作为一种可再生能源，生物质能发电在国际上越来越受到重视，在我国也越来越受到政府的关注和民间的拥护。

二、发电原理

生物质发电的原理是将生物质中的化学能通过燃烧转化为高温高压蒸汽的内能，产生的高温高压蒸汽驱动汽轮机转动形成机械能，最终通过发电机将机械能转变为电能。

根据工作原理的不同，生物质能的发电主要有以下几种方式：1）直接燃烧发电；2）将生物质气化，产出可燃性气体发电；3）经过厌氧发酵产出沼气发电；4）将城市生活垃圾焚烧，具体如下：

（一）直接燃烧发电技术

生物质直接燃烧发电是一种最简单也最直接的方法，但是由于生物燃料密度较低，其燃料效率和发热量都不如化石燃料，因此通常应用于大量工、农、林业生物废弃物需要处理的场所，并且大多与化石燃料混合或互补燃烧。显热，为了提高热效率，也可以采取各种回热、再热措施和各种联合循环方式。

目前，在发达国家，生物质燃烧发电占可再生能源（不含水电）发电量的70%。我国生物质发电也具有一定的规模，主要集中在南方地区，许多糖厂利用甘蔗渣发电。例如，广东和广西两省共有小型发电机组300余台，总装机容量800MW，云南省也有一些甘蔗渣发电厂。

（二）生物质燃气发电技术

生物质燃气发电系统主要由气化炉、冷却过滤装置、煤气发动机、发电机四大主机构成，其工作流程为：首先将生物燃气冷却过滤送入煤气发动机，将燃气的热能转化为机械能，再带动发电机法发电。

（三）沼气发电技术

沼气发电系统分为纯沼气电站和沼气-柴油混烧发电站。按规模沼气发电站可分为50kW以下的小型沼气电站、50~500kW的中型沼气电站和500kW以上的大型沼气电站。沼气发电系统主要由消化池、气水分离器、脱硫化氢及二氧化碳塔（脱硫塔）、储气柜、稳压箱、发电机组（即沼气发动机和沼气发电机）、废热回收装置、控制输配电系统等部分构成。沼气发电系统的工艺流程首先是消化池产生的沼气经气水分离器、脱硫化氢及二氧化碳的塔（脱硫塔）净化后，进入储气柜，再经稳压箱进入沼气发动机驱动沼气发电机发电。发电机所排出的废水和冷却水所携带的废热经热交换器回收，作为消化池料液加温热源或其他热源再加以利用。发电机所产生的电流经控制输配电系统送往用户。

（四）城市垃圾发电技术

当今世界，城市垃圾的处理是一个非同小可的问题。垃圾焚烧发电最符合垃圾处理的减量化、无害化、资源化原则。此外还有一些其他方式。例如，1992年加拿大建成第一座下水道淤泥处理工厂，把干燥后的淤泥无氧条件下加热到450℃，使50%的淤泥气化，并与水蒸气混合转变成为饱和碳氢化合物，作为燃料供低速发动机、锅炉、电厂使用。

三、生物质发电产业链

生物质发电产业链主要包括上游的原料及设备，其中有生物质原料及相关的发电设备，焚烧炉则是垃圾焚烧处理系统最核心的设备；中游则是生物质能发电的方式；下游则是用电渠道。

四、生物质能的优点与缺点

（一）优点

1.可再生能源：枯死的植物、垃圾和粪便随手可得，使其成为可再生能源。

2.碳中和：在光合作用过程中，大气中的二氧化碳被植物吸收。一旦植物腐烂，碳就会被释放回大气中。这导致释放的生物质和被吸收回的量之间达到平衡。当一些植物腐烂时，会种植其他新植物以中和生物质生产过程中释放的碳量。

3.多种用途：生物质可用于家庭烹饪和取暖，用于干燥农作物和生产沼气。

4.减少空气污染：多年来，生物质已取代化石燃料，减少了环境中的空气污染。

（二）缺点

1.氮氧化物污染：生物质提取过程会产生乙醇，从而增加大气中氮氧化物的含量。

2.环境破坏：生物质比太阳能和风能产生更多的能量。使用生物质能源会释放一氧化碳和二氧化碳等气体，从而导致空气污染。这种气体也会导致全球变暖。

3.设施不足：在季节性供应期间，生物质能源厂面临空间短缺，无法储存来自不同生物质供应源的各种成分。

4.效率低下：一些生物质最终产品必须结合起来才能有效发挥作用。例如，对于完整的发动机燃烧，乙醇与汽油结合。

五、发展现状

根据中国产业发展促进会生物质能产业分会日前发布的《2023中国生物质能产业发展年鉴》，当前，我国生物质能的利用方式主要为生物质发电、生物天然气、生物质清洁供热、生物液体燃料、热解气化等，其中发电仍是最主要的利用形式。

在国家能源局新能源和可再生能源司副司长王大鹏看来，多元化发展、提升产业附加值是我国生物质能转型升级的关键所在。王大鹏指出，在发电利用方面，要继续挖潜，将生物质能发电纳入绿色电力证书的合法范围，推动生物质发电项目利用其灵活、可控的特性参与深度调峰等电力辅助服务，同时，鼓励发电项目因地制宜向热电联产转型升级。在非电利用方面，更要积极稳妥推动生物质天然气、生物质能清洁供暖等试点示范，鼓励大型龙头企业先行先试，培育发展生物质能多元化利用新型市场。

中国工程院院士、国家能源咨询专家委员会副主任杜祥琬指出，生物质能既可以用于发电，又有丰富的非电利用场景，而且是唯一一种可以通过固、液、气多种形态进行利用的非化石能源，要充分利用这一特质对生物质能采用多元全产业链的模式进行开发。杜祥琬指出，以瑞典为例，当前，瑞典生物质能占一次能源的比例达到约34%，通过“生物柴油+生物气+发电”的方式，生物质能在瑞典的碳减排贡献度达到25%左右。“相比而言，我国生物质能仍有较大开发利用潜力。”

六、发展前景

生物质发电总体将保持平稳增长垃圾焚烧发电建设格局向县域延伸，中部等人口密集县级地区将成为投资重点。农林生物质发电受成本高制约明显，新增投资将放缓。沼气发电碳资产开发潜力大，碳减排交易收益将成为新的利润增长点。大力发展可再生能源，是保障世界能源安全和推动能源转型发展的必然要求。“十四五”期间，预计可再生能源发电量在全社会用电量中，占比达到33%，到2030年进一步提升至36%以上。“十四五”期间，电力装机增量超过一半来自风电和光伏，“十五五”前期，新能源装机将超过煤电，成为第一大电源。

生物质能发电是可再生能源乃至新能源的重要组成部分，但是目前由于生物质能发电补贴，政策支持等因素，我国生物质能发电处置项目运营艰难，经济状况欠佳，急需通过碳市场、碳交易获得额外收入，改善经营状况。推进生物质能高效利用，加强生物质发电项目区域协调，完善林业垃圾和生活垃圾集运制度，通过引导生物质能发电向热电联产转型，使行业逐年加大供热收入占比，减少对发电补贴的需求。未来，生物质能将在2030年和2060年为我国碳达峰碳中和做出巨大贡献，不仅促进农业经济的大规模发展，而且在应对气候变化、能源短缺和环境污染等问题发挥积极作用。