玉米秸秆基纤维素乙醇生命周期能耗与温室气体排放分析

田望，廖翠萍，李莉，赵黛青

1 中国科学院研究生院，北京 100049

2 中国科学院广州能源研究所，广州 510640

玉米秸秆基纤维素乙醇生命周期能耗与温室气体排放分析

田望1,2，廖翠萍2，李莉2，赵黛青2

1 中国科学院研究生院，北京 100049

2 中国科学院广州能源研究所，广州 510640

生命周期评价是目前分析产品或工艺的环境负荷唯一标准化工具，利用其生命周期分析方法可以有效地研究纤维素乙醇生命周期能耗与温室气体排放问题。为了定量解释以玉米秸秆为原料的纤维素乙醇的节能和温室气体减排潜力，利用生命周期分析方法对以稀酸预处理、酶水解法生产的玉米秸秆基乙醇进行了生命周期能耗与温室气体排放分析，以汽车行驶1 km为功能单位。结果表明：与汽油相比，纤维素乙醇E100 (100%乙醇) 和E10 (乙醇和汽油体积比=1∶9) 生命周期化石能耗分别减少79.63%和6.25%，温室气体排放分别减少53.98%和6.69%；生物质阶段化石能耗占到总化石能耗68.3%，其中氮肥和柴油的生命周期能耗贡献最大，分别占到生物质阶段的 45.78%和 33.26%；工厂电力生产过程的生命周期温室气体排放最多，占净温室气体排放量的42.06%，提升技术减少排放是降低净排放的有效措施。

纤维素乙醇，生命周期，能耗，温室气体

Abstract:Life Cycle Assessment (LCA) is the only standardized tool currently used to assess environmental loads of products and processes. The life cycle analysis, as a part of LCA, is a useful and powerful methodology for studying life cycle energy efficiency and life cycle GHG emission. To quantitatively explain the potential of energy saving and greenhouse gas (GHG)emissions reduction of corn stover-based ethanol, we analyzed life cycle energy consumption and GHG emissions of corn stover-based ethanol by the method of life cycle analysis. The processes are dilute acid prehydrolysis and enzymatic hydrolysis. The functional unit was defined as 1 km distance driven by the vehicle. Results indicated: compared with gasoline, the corn stover-based E100 (100% ethanol) and E10 (a blend of 10% ethanol and 90% gasoline by volume) could reduce life cycle fossil energyconsumption by 79.63% and 6.25% respectively, as well as GHG emissions by 53.98% and 6.69%; the fossil energy consumed by biomass stage was 68.3% of total fossil energy input, N-fertilizer and diesel were the main factors which contributed 45.78% and 33.26% to biomass stage; electricity production process contributed 42.06% to the net GHG emissions, the improvement of technology might reduce emissions markedly.

Keywords:cellulosic ethanol, life cycle, energy consumption, greenhouse gas emission

随着石油危机和温室气体排放的增加，以农业和林业等废弃生物质为原料的纤维素乙醇已成为全世界共同关注的焦点。纤维素乙醇作为第二代生物燃料乙醇，与第一代生物乙醇相比，生产原料具有不与粮食争地的优势，是目前的研究热点。

生命周期评价是对某个产品或生产工艺过程在其整个生命周期的所有投入以及产出对环境所造成的潜在影响进行的分析和评价。利用生命周期分析方法对纤维素乙醇生产和使用过程的能量效率与温室气体排放进行系统分析和评价,对于纤维素乙醇产业的发展和国家替代燃料战略规划的制订都具有重要意义。

目前，国外针对纤维素乙醇的生命周期能耗、环境和成本评价已有部分研究成果[1-5]，但是至今国内还没有相关研究成果。

本文利用生命周期分析方法，对以玉米秸秆为原料的酶水解法制乙醇进行能耗与温室气体排放分析，并根据纤维素乙醇在生命周期各阶段的能耗和温室气体排放特征提出相应建议，以期为促进我国纤维素乙醇的产业化发展提供依据。

1 研究对象与研究范围

在目前第二代生物燃料乙醇技术路线的选择上，中国专家指出应优先发展玉米秸秆酶水解路线[6]。本文采用美国可再生能源实验室 (NREL) 的玉米秸秆稀酸预处理、酶水解法制乙醇的技术路线[7]。Yang等[8]研究表明，在中国，该技术路线在成本方面是有可行性的。本文以纤维素乙醇E100 (100%乙醇)、E10 (乙醇和汽油体积比=1∶9) 为研究对象，分析其生命周期能耗和温室气体排放特征，并将其与普通汽油的情况进行对比，提出相应改进建议。

以汽车行驶1 km为功能单位。系统边界如图1所示。整个系统分为 4个阶段：生物质阶段、燃料生产阶段、燃料运输分销阶段和燃料使用阶段。生物质阶段包括秸秆种植、收集、储存运输等过程；燃料生产阶段包括乙醇生产、汽油生产、混配等过程。本文考虑了生物质阶段的生产设备制造能耗和排放情况，但对于乙醇工厂基础设施建设，由于数据缺乏，仅对其温室气体排放作了估算，并未考虑其能耗情况。燃料运输分销、使用阶段汽车的制造及人力消耗不在系统边界内。

2 计算方法及评价指标

2.1 生命周期能耗

式中，E总为纤维素乙醇生命周期投入的总能量，MJ；E化为生命周期投入的化石能量，MJ；E生为生命周期投入的生物质能，MJ；E物为生命周期投入的物质 (化肥、石灰等) 所带来的化石能量，MJ；E能为纤维素乙醇生命周期直接投入的化石燃料(柴油、电力等)，MJ；i为投入的物质种类；j为化石燃料j的类别；EFj为得到1MJ化石燃料j所需投入的能量，MJ/MJ；MFi,j为得到1 kg物质i所需投入的化石燃料j的量, MJ/kg；Mi为生命周期投入的物质 i的质量,kg；Nj为生命周期直接投入的化石燃料j的量, MJ；S为投入的秸秆量,kg；e为单位秸秆所包含的能量，MJ/kg。

图1 玉米秸秆基乙醇生命周期过程Fig. 1 Life cycle of corn stover-based E10 and ethanol.

纤维素乙醇生命周期能耗评价指标包括能量转化效率 (ETE)、净能量输出 (NEV)、化石能效比(NER)。

E乙醇为对应产出的乙醇所含的能量。

2.2 温室气体排放

根据文献[9]，全球变暖潜值计算公式为：

纤维素乙醇生命周期温室气体净排放量 (NGEV)

计算公式如下，公式中的元素见表1：

表1 计算公式 (10-13) 中元素解释Table 1 Elements explanation of formula 10-13

3 数据采集与分配程序

3.1 生命周期各阶段的基础输入

3.1.1 原料种植

玉米种植以我国河北地区为例。玉米种植过程中所需的氮、磷、钾肥、农药施用量以及玉米产量来自于文献[10-11]。化肥生产能耗排放来自文献[12]，种子和农药生产的能耗排放数据来自文献[13-14] (表2)。由于施用氮肥引起的土壤N2O排放，按文献[15]估算。吨钢生产能耗取自文献[16]。

表2 原料种植过程中农资生产的能耗Table 2 Energy consump tion in the production of fertilizer, seed and pesticide in the growth of rape

3.1.2 玉米秸秆的收集、储存和运输

玉米秸秆能量密度较低，分布分散。秸秆收集区域是一个以收储站为圆心的圆形区域。物质、能量消耗及排放主要来自运输设备的使用。计算公式如下，

公式中的元素见表3。

表3 计算公式 (14-15) 中元素解释Table 3 Elements explanation of formula 14-15

秸秆在收储站经过打包、转运、堆垛、拆垛、装车等工序后，运往乙醇生产工厂。这个过程基本参数如表4所示。

3.1.3 燃料乙醇生产

纤维素乙醇工厂的数据来自于文献[7]。工厂基础设施建设的温室气体排放为产品乙醇使用排放的10%[17]。工厂在生产过程中加入的净水剂、石灰、硫酸、酶等物质的上游能耗来源于文献[18-22]。生产过程中排放的废渣运往垃圾填埋场处理，运输距离和填埋场的数据来自于文献[23-24]。

乙醇出厂后运往混配厂进行E10的生产，运输距离假设为350 km[12]。混配厂的能耗数据取自文献[12]。汽油生产的能耗排放数据来自文献[25]。

3.1.4 燃料运输分销和使用

燃料乙醇运输分销距离假设为500 km[23]。燃料使用阶段排放的数据来自文献[26]。对与同一辆试验车，汽油车百公里消耗普通汽油9.28 L[26]，百公里消耗E10为9.66 L[26]。假设E100可直接在汽车上使用，其百公里消耗按照与汽油的热值比折算。

3.2 生命周期计算公式的输入数据

能源系数 (EFj)、碳潜在排放系数 (CCj)、排放因子等数据如表5所示。

3.3 分配程序

共生产品的分配是生命周期评价中重要的环节。由于工厂有多余电力输出，在纤维素乙醇整个生命周期过程中，有 2个需要分配的地方：玉米和秸秆；乙醇和多余电力的输出。本文采用价值比分配方法对其生命周期能耗和温室气体排放进行分配。

玉米的草谷比为1.25∶1[28]。秸秆和玉米的市场价格分别为0.269 元/kg、1.9 元/kg。Sheehan等[29]的研究表明，至多60%的秸秆可用来收集并进行乙醇生产，即秸秆可利用系数为60%。

工厂每生产1 kg乙醇，就有0.04 (kw·h)的电力输出。河北省生物质电厂的价格为0.813 元/(kw·h)[30]，在中国，燃料乙醇的出厂价格等于 90#汽油出厂价格乘以0.911，即6.63 元/kg。通过计算，分配结果如表6所示。

表4 收储站各个工序基本参数Table 4 Basic parameter of each procedure in storage areas

表5 化石燃料能源系数、排放因子aTable 5 nergy factors, GHG emission factors for fuel ja

表6 经济价值比分配Table 6 Partitioning ratio for economic allocation

4 结果与分析

以前述计算方法和数据，对每一过程单元进行清单分析。各过程单元之间的系统连接及影响分析通过生命周期评价软件GaBi 4.3实现，如图2所示(以 E100 为例)。

图2 纤维素乙醇E100生命周期输入输出分析Fig. 2 Input-Output analysis of each process.

4.1 生命周期能耗

纤维素乙醇E100、E10的生命周期总能耗与汽油总能耗的对比见图3。每功能单位对应的E100、E10生命周期总能耗分别为7.442 MJ、4.162 MJ，比汽油分别高 91.1%、6.86%，但是纤维素乙醇的能耗主要来自可再生能源，E100和E10的生命周期化石能源消耗分别较汽油减少79.63%和6.25%。

纤维素乙醇 E100生命周期各个阶段化石能耗如图 4所示。原料种植和秸秆收储运是化石能耗最大的两个过程，尤其是原料种植过程占到生命周期化石总能耗的40.8%。

以E100为例，在生物质种植过程中，共投入生命周期化石能耗3.39 MJ/km，按价值比分配，分配到秸秆上的能耗为0.325 MJ/km；同理，在乙醇出厂之前共投入化石能源0.752 MJ/km，分配到乙醇上的能耗为0.748 MJ/km。

图 5详细展示了生物质阶段的各个因素的化石能耗贡献，其中氮肥生命周期化石能耗最大，占到该阶段的45.78%，柴油占到33.26%。在燃料生产阶段，预处理过程的生命周期化石能耗最大，这是因为该阶段投入的石灰和硫酸的上游生产能耗较大。

降低纤维素乙醇生命周期能耗采取以下措施可带来明显效果：1) 提升农机的柴油使用效率；2) 减少煤基氮肥的生产，改用天然气为原料的氮肥生产；3) 提升预处理效率，减少石灰和硫酸的使用量。

纤维素乙醇的能量转化效率 (ETE)、净能量输出(NEV)、化石能效比(NER)情况如表7所示。

4.2 生命周期温室气体排放

纤维素乙醇E100、E10的生命周期温室气体排放与汽油排放的对比见表 8。结果表明，纤维素乙醇在温室气体排放方面比汽油更有优势。纤维素乙醇E100、E10生命周期温室气体净排放量 (NGEV)分别比汽油明显降低了53.98%和6.69%，这是因为秸秆在生长过程中吸收了大量的CO2。

图3 纤维素乙醇E100、E10与汽油的生命周期总能耗Fig. 3 Life cycle energy consumption of E100, E10 and gasoline.

图4 纤维素乙醇E100生命周期各个阶段化石能耗Fig. 4 Fossil energy consumption of each stage. CST:collection, storage and transport; TSD: fuel transport, storage and distribution.

图5 生物质阶段各个因素的化石能耗贡献Fig. 5 Factors decomposition of fossil energy input in biomass stage.

纤维素乙醇生命周期各个过程温室气体排放如表9所示。对于E100，乙醇生产阶段温室气体排放最多，占到净排放量62.32%，这是因为乙醇工厂中仅电力生产过程的排放已达到净排放量的42.06%。提升乙醇工厂技术以减少温室气体排放是有效措施之一。

表7 纤维素乙醇能耗评价指标结果Table 7 Results of energy indexes of cellulosic ethanol

表8 温室气体排放分析结果Table 8 GHG emissions results

表9 纤维素乙醇生命周期各个过程温室气体排放Table 9 GHG emission of each process

以E100为例，在生物质种植过程中，生命周期温室气体排放为294.8 g CO2,e/km，按价值比分配，分配到秸秆上的排放为28.3 g CO2,e/km；同理，在乙醇出厂之前共排放474.8 g CO2,e/km，分配到乙醇上的排放量为472.4 g CO2,e/km。

4.3 与国外研究结果对比

文献[31]对玉米秸秆基纤维素乙醇E100也做了生命周期分析研究，其采用的纤维素乙醇生产路线与本文的一致。 该文献的基础数据全部来自于加拿大。本文在秸秆收集系数、运输方式和距离等基础参数的选择上与文献[31]的对比如表10所示，其中秸秆运输距离和乙醇运输距离差别较大。但从表11可以看出，秸秆运输和乙醇运输过程排放的温室气体的基数很小，而且文献[31]与本研究的差距主要在于乙醇生产过程的温室气体排放。本研究的净排放量 (NGEV) 约是文献[31]的3倍 (表11)。这主要是由于：1) 中国的化学物质上游生产的排放较高，例如硫酸、石灰等化工品的生产排放；2) 中国的能源上游生产的排放较高，如电力、柴油等燃料的生产排放。

表10 基础参数对比Table 10 Comparison of underlying parameter

表11 玉米秸秆基乙醇生命周期温室气体排放对比Table 11 Comparison of GHG emission results for corn stover-based ethanol between Canada and China

5 结论与展望

以玉米秸秆为原料，采用稀酸预处理、酶水解法生产的E100、E10生命周期化石能源消耗分别为0.793 MJ/km、3.651 MJ/km, 分别较汽油减少了79.63%和6.25%。

原料种植和秸秆收储运是化石能耗最大的两个过程，氮肥和柴油是导致该阶段高能耗的主要因素。在燃料生产阶段，预处理过程的生命周期化石能源消耗最大。降低能耗的具体措施包括：提高农机的柴油使用效率；减少煤基氮肥的生产，改用天然气为原料的氮肥生产；提高预处理效率，减少石灰和硫酸的使用量等。

玉米秸秆基乙醇的净能量输出、化石能效比均好于汽油，E100化石能效比高达 3.653。与汽油相比，玉米秸秆基乙醇可显著减少温室气体排放，E100和E10的净排放减少率达53.98%和6.69%。乙醇工厂中，电力生产过程温室气体排放最多，提升生产技术可以明显减少温室气体排放。本文基于生命周期评价理论对纤维素乙醇的能耗与温室气体排放进行了分析,下一步将对纤维素乙醇的其他环境影响进行评价。

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Life cycle assessment of energy consumption and greenhouse gas emissions of cellulosic ethanol from corn stover

Wang Tian1,2, Cuiping Liao2, Li Li2, and Daiqing Zhao2
1 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
2 Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China

Received: October 10, 2010; Accepted: January 6, 2011

Supported by: Knowledge Innovation Project of The Chinese Academy of Sciences (No. 0907y11001), Energy Foundation (No. G-0911-11745).Corresponding author: Daiqing Zhao. Tel: +86-20-87057601; Fax: +86-20-87057761; E-mail: zhaodq@ms.giec.ac.cn

中国科学院知识创新工程重大项目 (No. 0907y11001)，美国能源基金会 (No. G-0911-11745) 资助。