生物能源

温室气体减排的战役已经打响。G Venkatesh将在本文中介绍生物能源的最新发展。

食物、饲料、纤维…还有燃料?这些在英文中以F开头的单词,都是人类文明不可缺少的部分。随着世界人口的增长和人民生活水平的提高,对于上述各方面的要求也与日俱增。食品-饲料-纤维-燃料的讨论已经非常普遍,因此使用生物质能需要与其他各个方面竞争,当然这些产品主要的目的还是应该保证发展中国家很多地区的粮食供应。

然而,如果进行周密的计划、决策,按照可持续发展的思路考虑问题,那么就可以消除这些纷争。生物能源行业并不是一个夕阳产业,实际上它正是一个走向成熟的朝阳产业,步伐缓慢而稳健。它的发展需要设备供应商的支持,而发展的过程将会成为一场“绿色的游戏”。

在一些人心里,对于生物能源经常存在着一种误解,每当谈到生物能源,他们不由自主想到的就是交通燃料用生物柴油和生物乙醇(油脂、糖和淀粉作物当中提取出来)。然而,生物能源的范围可不仅仅是这些。事实上,生物乙醇和生物柴油主要用于分别和汽油以及石化柴油混合,和广大发展中国家边缘地区居民一直使用的薪柴和木炭的总量相比,实在是小巫见大巫。

在2009年,薪柴(200亿立方米)和木炭的用来占据全球生物能源消耗量的接近四分之三。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的数据,生物燃料的总量达到50EJ(EJ=10的18次方焦耳)。而生物质作为食物、纤维和饲料的量大概是220EJ,是燃料用量的超过4倍。

如图1所示,从合成生物柴油和生物乙醇的能源作物,只占到总初级能源供应的3%(2008年)。而其他活动的副产品和垃圾,比如城市生活垃圾和垃圾填埋气、农业副产品、动物副产品、回收木材、木材工业边角料、造纸用黑液等等则要占到总额的23%。因此,绿色能源的来源绝对不是只有一种!

水生生物(藻类)现在也进入了人们的视野,即便短期内无法实现,它们也可能会一段时间之后成为一种潜在的生物能源的来源。

在生物能源燃烧发生化合反应的时候(从化学能转变为热能,可能还有电能和机械能),会产生二氧化碳,但是这可以认为是生物固有的,并不会成为全球变暖的原因。这是因为,可以假设这些二氧化碳将会被那些处于能源作用而种植的谷物和树木吸收。

从效果上来说,因为全球变暖的威胁,以及全球都普遍认识到尽可能应该限制温室气体排放,这样会加大在生物能源领域的投资,促进这个行业的发展。

图2是图1的逻辑序列,显示出各种不同原料(也就是生物能源的来源)是如何转化成液态或者气态燃料,然后又是如何转化成气态可以使用形式的能量(热能、电能和机械能),或者直接转化为热和电(在热电厂合成)。

那些可以直接转化为“生物热”和“生物电”的燃料或者原料,经常可以用来和传统的化石原料一同使用(行话说就是混合或者混烧)。

为亚洲充电

政府的政策也在帮助生物燃料(或者更贴切的说法是生物能源)工业发展,它们的作用好像就是化学反应中的催化剂。在印度,政府制定的目标是利用生物燃料发电或者在交通中使用(生物乙醇)。日本关注的是电力、供热和交通,印度也在使用生物柴油,而中国的应用是电力和交通。

中国在交通运输领域、印度在电力行业都采取了一些激励措施,比如减税、信贷和担保支持。中国已经强制将生物发电和供热与国家电网连接,并给与了一些税收上优惠政策。中国和印度还在生物燃料的研究上投入了大量资金。亚洲三个最大的经济体都出台政策鼓励生物能源的发展,而亚洲而大洋洲的其他国家也毫不示弱。

粉煤成型工厂正在使用生物能源代替煤炭,这已经成为印度和泰国的时尚。其他的亚洲国家在未来的一些年中也将会紧跟印度和泰国的脚步,从可再生替代能源中获益。

压块成型能够提供固体生物燃料,替代化石能源。而生物质能气化,在印度和中国也非常常见,这是通过控制加热,将生物质能转化为气体或者合成气(油气是一氧化碳和氢气),然后这些其他可以用来供热或者发电。

在中国和印度的乡村和城乡结合部,人们使用发酵的方法产生沼气(或者将沼气升级为生物甲烷)。可生物降解的固体废物,如动物粪便,人类排泄物,叶菜类的植物材料,城市固体和液体废物,或食品加工废物,甚至维持了几户居民和小企业的使用。

政府的举措则要着眼于长远,比如用生物燃料改变国家的经济结构。在新加坡政府国家环境局的网站上,我们可以发现该国对于下一代生物燃料的研发目标非常明确。

新加坡的Neste Oil油生产厂从2011年3月开始使用从马来西亚和印度尼西亚进口的原料生产生物柴油。另一方面,这个工厂也可以使用来自澳大利亚和新西兰的动物原料采用氢化生产成品柴油。根据报道,所有这些生物柴油都已经销往德国。

然而,新加坡了解人们关于食物-纤维-饲料-燃料的激辩,因此一直采取非常谨慎的态度,希望使用环境友好并且可持续的原来,比如抗旱、非食用的麻风树油。淡马锡生命科学实验室正在和一些商业伙伴一起,研究麻风树和如何剥离油脂。

在2010年和2011年,麻风树生物柴油还只占到全球生物柴油产量非常小的份额,但是估计在10年之内,将会每年有50亿升生物柴油来源于麻风树油,而新加坡将在这个市场中扮演重要角色。

另外一种规避食物-纤维-饲料-燃料激辩的方法,是使用废油作为原料生产生物柴油。在这个领域,新加坡的先驱是Alpha生物燃料公司,它每个月可以生产200到1000吨生物柴油,而原料完全来自我们平时所说的地沟油!

Alpha生物燃料公司的首席执行官和联合创立者Allan Lim告诉《亚洲控制工程》,新加坡现在做的工作也可以推广到世界上其他的城市。他欢迎任何有兴趣的合作伙伴和投资人,希望将现在新加坡处理地沟油的方法推广,让环境、人民健康和经济同时受益。

在全世界的很多城市,还会生产出大量的园艺垃圾(包括公园里的垃圾)。新加坡国家环境局告诉《亚洲控制工程》,新加坡63%的这类垃圾已经在垃圾电厂中转化为电力(或者说生物电能),剩下的37%中还有很大的比例在热电联产工厂中燃烧。

根据新加坡公用设施理事会的报告,新加坡境内的下水道污泥(一种污水处理的副产品,可以用作生物能源的原料)通过厌氧作用产生沼气,然而进一步推动双燃料发电机产生电力。这些电力再被利用来处理污水,并将净水循环至供水网络。

根据新加坡南洋理工大学Ng Jern教授最近在日本东京一次研讨会做的报告显示,在不久的将来,新加坡50%的用水需求可以依靠回收循环污水来解决。通过这种方式,菌制分解污泥(在生产沼气之后)也可以作为加热能源。

再把目光转回到生物柴油,在2010年,全世界生产了900亿升生物柴油,全球的领头羊是法国和德国,接下来是巴西、美国和阿根廷。在亚洲,泰国已经一跃成为生物柴油生产的领导者,然后是韩国、马来西亚和中国。必须要提到,印度尼西亚和马来西亚是棕榈油(生物柴油的一种原料)的两大主要出口国,主要市场正是德国和法国的生物柴油部门。

在生物乙醇方面,亚洲2010年的生产量是30亿升,大概占到全球的3.4%(www.ethanolrfa.org)。在亚洲的版图里,中国占据了足足60%的份额,而印度和泰国则分割了剩余的部分。

自动化辅助

美卓自动化公司是全球可持续技术以及采矿、建筑、发电、自动化、循环以及纸浆和造纸行业服务的领导者。2011年中期,这家公司开始为位于美国佛罗里达的Gainesville可再生能源中心(GREC)工作。

这座功率为100MW的生物质能锅炉,可以使用采伐和粉碎操作中剩下废材,也可以使用城市清洁和树木修剪中剩下的废料作为主要燃料,它是现在世界上最大、最清洁、最有效的木质废料处理设施。该工厂将从明年开始为佛罗里达州超过70000户家庭供电。美卓在这个项目上的投入大概为1.25亿美元。

除了环境收益(减少化石能源使用,因此减少从化石中产生的二氧化碳排放)之外,这家工厂还将为Gainesville周边地区的居民提供工作机会,这也完全响应了奥巴马政府的计划和总统在今年1月24日发表的国情咨文的号召。美国正在努力摆脱自己造成全球变暖的“坏小子”形象,这是整个国家的发展大计。如图2所示,上述的应用实际上就属于“木质纤维素生物质能-燃烧-供热/发电”类别。

回到亚洲,在新加坡,美国为Neste Oil生物柴油绿色工厂提供自动化和安全解决方案。它为这座工厂安装了冗余流程控制站、集成安全系统、控制室站和设备以及DCS集成现场设备维护工具。此外,美卓提供的还包括流程历史数据存储以及使用Hart协议的可远程接入趋势跟踪和报告程序

“对于Neste Oil来说,我们在工厂中安装的系统对于用任何植物油或者脂肪残渣生产高质量可再生柴油都是适用的,因此相比化石柴油可以降低温室气体排放量40%到80%,”美卓自动化销售总监Kari Karppinen告诉《亚洲控制工程》。

Karppinen还提到,美卓已经通过其合作伙伴Telvent将自动化系统销往西班牙和墨西哥。Abengoa在西班牙、法国和荷兰的工厂中使用谷物(大麦和小麦)以及木质纤维(秸秆)生产生物乙醇,这家公司也从美卓的解决方案和技术中获益。

“最近在2012年3月,美卓和Fortum能源公司签署了一项协议,为Fortum公司的芬兰Joensuu电厂建设生物油生产厂并提供相应的自动化系统。协议内容包括一家示范性工厂,采用林业废料和其他生物材料生产生物质油。”


“工厂将于2013年的第二季度开始投入运行,计划产能是每年5万吨生物质油。Joensuu工厂的生物质油将帮助每年实现二氧化碳减排5万9千吨。”

谈到生物燃料的适用性以及食物-燃料-纤维的辩论,Karppinen认为生物燃料最主要的增长将来自于利用非食用材料作为原料,比如木材。

与此同时,在印度西部,YM Krishna SSK安装了GE智能平台的Proficy流程系统(PPS),实现了其16MW热电联产工厂(采用食糖生产剩下的甘蔗残渣)的自动化。

这座热电联产工厂自备发电设施,为食糖的生产提供电力。GE的PPS现在方便了蒸汽生成、燃料量、水质量和水量、以及热电联产发电量的远程、实时监控、测量和控制。


生物质能的未来?

加州伯克利大学的Bret Strogen希望并坚信,在未来的10到20年里,大多数生物燃料将不再依赖谷物,而是使用从草、数目和垃圾中提取原料。但是,他并不相信在5到10年之内能够以低廉的成本从藻类中提取燃料。

Strogen说,他还看不到在未来数年内将藻类生物质能的成本降低到每加仑10美元的方案。只有提出能够显著降低成本的方法,这种生物质能才能真正的实现商业化。

关于生物燃料价值链上的自动化,特隆赫姆挪威科技大学的Francesco Cherubini认为,在发展中国家自动化还有很多进步的余地。不仅仅是在转化设施中需要自动化,在收获和预处理阶段也同样需要。他还指出,自动化可以提高转化效率,改善工作环境。

实际上,在从1975年到2005年的30年中,自动化管理系统和自动化&控制技术帮助将甘蔗乙醇的生产成本降低了60%,谷物乙醇的成本在从20世纪80年代到2005年的20年里降低了45%。

Cherubini说,就在几年以前,还经常会听到汽油和乙醇不能很好地结合,导致出现达不到要求的燃料“囊”。因为乙醇的密度只有汽油的2/3,并且它会将水引入燃料当中,引起腐蚀,精确的燃料混合至关重要,而现在这项技术已经得到了广泛应用。

实际情况要比看上去更加复杂,尽管有很多明显的机会,但是也还有很多无法客户的阻碍。从环保的角度来说,生物燃料是很好的选择,但是也有人认为它会带来一些副作用,把环境问题转移了,比如它影响土壤使用,消耗大量的水,还有可能造成水质污染,甚至大气也会受到影响。

也许好处确实要比缺点更多,但是我们需要将这个“也许”转变为确定,需要提升转换技术的效率,在实验室和示范项目中取得突破,进而成为大型的商业项目,带来直接和间接的就业,同时还要尽可能利用政府的政策、计划和规定(税收优惠和补贴)。亚洲国家应该在这个领域追寻巴西、瑞典、芬兰和美国的角度。尽管自动化和控制已经可以让生物燃料加工和生物燃料转化(转化成热能或者电能)的效率更高、成本更低,我们还是号召开发上游的控制技术,包括智能使用土壤、水和养料,进行良好的农业管理,比如集成化害虫管理、有机农场、轮作、化肥管理、农林集成生产系统等等。同时,在下游本地市场开发(国内市场)、进口和出口方面也需要努力。

食物-纤维-燃料-饲料的冲突切实存在,但是我们不必害怕,只需要有效地管理。让我们以Bret Strogen的评论作为结尾:“我经常听到人们说,‘生物燃料?我们不是已经确定这是个坏主意了吗?’对我而言,这就像说电力是个坏主意一样。面包(或者燃料?)总会有的…

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