生命周期能值分析法与生物质能源研究

王红彦，毕于运，王道龙，高春雨，李建政，王亚静

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

生命周期评价法和能值分析法是生物质能源研究的两种重要方法，主要用于生物质能源生产系统能量投入产出分析、能源经济效益分析、系统能耗构成分析、生物质能节能减排研究等方面，对推进生物质能源技术进步和节能减排效益发挥了积极作用。该文主要综述了国内外生命周期评价法、能值分析法以及生命周期能值分析法 (两种方法结合)在生物质能源研究方面的进展，并提出相应的研究建议。

1 能值分析法与生物质能源研究

能值是一种流动或贮存的能量中所包含的另一种类别能量的数量，进一步解释能值为产品或劳务形成过程中直接和间接投入应用的一种有效能量，就是其所具有的能值，其实质是包含能量［1］。能值理论的基本思想是:把投入系统的不同资源种类、不同形态和单位的物质、能量，甚至信息、劳务等转换成统一的衡量形式进行处理和分析。能值分析法的核心内容是:综合分析系统中各种生态流 (能量流、货币流、人口流和信息流)，得出一系列能值综合指标，如能值自给率、环境负载率、能值投资率、净能值产出率、购买能值率等，用来定量分析系统的结构功能特征与生态经济效益。

能值分析法广泛应用于农业系统、工业系统、复合生态经济系统、土地利用等系统的分析研究，尤其是在能源生态经济系统方面的研究，能值分析法已经取得丰硕的研究成果，近年来又作为很好的方法借鉴在生物质能源研究领域得到应用。

1.1 国外学者对生物质能源的能值分析

能值分析方法已广泛应用于天然气、石油、煤炭等不可再生能源利用和地热、水能、风能、生物质能等可再生能源系统的能源效率和环境效率评价等方面。就生物质能源研究而言，Richard［2］等利用能值分析方法，对台湾小型塞流式厌氧沼气池处理畜禽粪便的可持续性和环境影响进行了分析，并分别对畜禽粪便沼气生产、沼气发电进行了能值分析，得出了将沼气转换成电能会降低系统可持续性的结论。Liu［3］等基于能值方法，对日本生物乙醇和石油燃料生产的可持续性进行比较，表明燃料乙醇比石油燃料具有较好减排效果。

1.2 国内学者对生物质能源的能值分析

1.2.1 国内学者能值理论方法研究

国内能值理论与方法的研究主要包括能值转化率的计算问题、多产品或复合产品系统的能值流计算问题、能值价值论与市场价值论结合问题、能值与可持续发展研究问题等几个方面。例如:在多产品或复合产品系统的能值流计算问题方面，冯霄［4］等提出了共生能值转化率的概念，并对多产品工业系统和单产品工业系统的生产情况进行了评价。张芳怡［5］等将能值分析进一步与生态足迹结合，提出了新的生态足迹模型。陆宏芳［6］等对系统可持续发展的能值评价指标进行拓展研究，提出了新的评价可持续发展能力的能值指标 (ESID)等。李晓刚［7］对农业生态经济系统的能值投入及产出结构进行了研究，认为环境负载率和能值投资率两个能值指标在计算和对比中还存在较大差别，需要进一步深入研究。卢远、王娟［8］提出区域农业循环经济的能值评价指标体系，并以吉林西部为例进行了实证研究。刘圣［9］等在对生物柴油生产体系的能值分析中，构建了能值补益率、可再生能值率和温室气体能值率3个新的能值指标，以更加科学地评价生物柴油生产体系。

1.2.2 国内学者对生物质能源的能值分析

在国内，能值分析方法已经广泛应用于生物质发电、沼气生态系统、生物质燃料乙醇、生物柴油、生物质致密成型等能源系统的评价。就沼气生产系统能值分析而言，国内研究较多地集中于规模化畜禽养殖场沼气工程和垃圾处理沼气工程。例如，林聪［10］等对北京郊区某猪场沼气工程进行能值分析，表明沼气工程生态农业模式具有更小的经济成本，较高的能值利用效率、可再生能力和可持续能力。楼波［11］采用能值分析方法对垃圾填埋沼气发电、垃圾焚烧发电和垃圾堆肥等几种垃圾处理方式进行分析，得出填埋沼气发电、焚烧发电的能值产出率偏低的结论，明确指出垃圾能源化处理系统的运行离不开政府的支持与新技术的应用。在规模化沼气工程能值分析应用研究方面，国内不少学者开展了以沼气为纽带的农业复合生态系统的能值分析研究。例如，钟珍梅［12］等应用能值分析方法对规模化牛场“肉牛—沼气—牧草”循环农业模式进行了能值投入、产出分析，李艳春［13］等应用能值分析方法探讨了“奶牛—沼气—牧草”循环型农业模式的结构功能和生态经济效益。两项研究表明，与单一的肉牛养殖或奶牛养殖相比，以沼气为纽带的循环农业模式都具有较强的自组织能力，有利于降低环境压力，并提高系统的可持续性。与此同时，部分学者开展了以户用沼气为案例的能值分析。例如，Wei［14］等运用能值分析方法对北京平谷“四位一体”太阳能温室种植桃树的生态经济系统与传统的太阳能温室桃树种植进行比较，前者能值产出率是后者的2.24倍，且环境压力较小，经济效益和农业资源利用效率更高。另外，杨谨［15］等以广西恭城县为例，进行了区域性的以沼气为纽带的农业复合生态经济系统能值分析。

在燃料乙醇研究方面，杨慧［16］、张军［17］、夏训峰［18］等分别以木薯和甘薯为案例，进行了燃料乙醇的多方案、多指标能值分析，并提出了相应的优化建议。在生物质发电研究方面，刘华财［19］等利用能值分析方法对1MW气化发电、5.5MW气化发电和25MW直燃发电3种典型生物质发电系统的可持续性进行了评价。罗玉和［20-21］等应用能值分析理论，对生物质直燃发电CDM(清洁发展机制)项目的可持续发展评价进行定量分析，结果表明，引入CDM项目后，不仅可获得额外的减排收益，还能增强系统的竞争性和可持续性。在生物质致密成型研究方面，梁伟、许金花［22］对年产万吨的木质成型颗粒生产系统的可持续性进行能量和能值分析，表明该系统对减少化石能源消耗发挥重要作用，与作为参考的沼气系统相比，具有更好的可持续性。在生物柴油研究方面，Ju和Chen［23］对麻风树制备生物柴油的整个生产链进行了能量、能值和CO2排放等方面的研究，并与河南小麦燃料乙醇和意大利玉米燃料乙醇进行比较研究。

2 生命周期评价法与生物质能源研究

生命周期评价 (Life Cycle Assessment，LCA)，又称为“从摇篮到坟墓”分析、“资源和环境状况分析”等，它始于20世纪60年代末，源于美国开展的针对包装品的分析和评价［24］。LCA就是针对一种特定的产品，从其整个生命周期过程，即从其原材料的采集，到其加工、生产、包装、运输、消费，再到其回收利用及最终处理等等，对其资源消耗尤其是能源消耗，及其各种消耗对环境影响的分析与评价。生命周期评价的总体框架包括目标和范围的定义、清单分析、影响评价和结果解析4个部分。

2.1 国外生物质能源的生命周期评价

在生物质能源研究领域，国外生命周期评价主要应用于沼气、生物燃料乙醇、生物柴油等替代燃料的生产系统，并对其生命周期内的能量投入、产出以及环境排放和经济性等方面进行分析。

国外有学者对不同发酵原料的沼气系统进行生命周期内能量消耗和温室气体排放的比较分析。Berglund和Brjesson［25］从生命周期角度对基于8种不同原料的沼气系统的能量平衡进行分析，大型沼气厂的能量投入总计占沼气产出的20%～40%，当畜禽粪便原料运输距离超过200km时，或屠宰厂污水运距超过700km时，净能量产出为负值。Ishikawa［26］等采用生命周期评价方法，对北海道两个养殖场沼气发电工程进行了比较分析，并估测了沼气发电系统对温室气体的影响。Blengini［27］等运用同样的方法，对意大利皮埃蒙特地区不同能源作物和粪便为发酵原料的沼气发电系统进行了分析研究，其能量产出投入比约为3～5，能源环境效益显著。在生物柴油研究方面，Kumar［28］等采用复合生命周期法对不同情景 (灌溉情景和雨养情景)麻风树制备生物柴油的能量、温室气体排放以及可再生性进行评价，表明两种情景均具有良好的能量效益和减排效果。在生物燃料乙醇研究方面，Von Blottnitz和Curran［29］用生命周期评价方法，对车用燃料乙醇的净能量、温室气体排放以及环境影响进行了分析评价。Nguyen［30－32］等运用生命周期方法对泰国木薯燃料乙醇能源平衡、温室气体减排成本和经济性进行评价，对泰国甘蔗糖蜜生产燃料乙醇进行了类比分析。Kim和Dale［33］对玉米燃料乙醇进行了全生命周期评价，指出与汽油相比，E10燃料可减少不可再生资源的投入量和温室气体排放。

2.2 国内生物质能源的生命周期评价

国内有关生命周期评价的研究主要集中在方法以及相关软件、数据库的开发应用方面［34］，而对生物质能源的生命周期评价实证研究几乎涵盖了生物质能源的各个方面，包括生物质燃料乙醇、生物柴油、秸秆致密成型燃料、生物质发电、沼气等等。

2.2.1 国内生命周期评价方法研究

国内生命周期评价方法研究主要集中于两个方面:一是生命周期清单分析，包括清单数据的获取、清单数据不确定性分析、清单数据计算等;二是生命周期影响评价的模型分析，即应用不同特征化模型探索适于我国国情的生命周期影响评价方法。

我国对于生命周期评价相关软件、数据库的开发研究起步较晚。张亚平［35］等基于ISO14040生命周期评价系列标准，构建了生命周期评价的数据库系统。刘洋［36］等基于多种生命周期评价模型，设计了面向网络的生命周期评价数据管理系统，以满足复杂、动态的生命周期评价的需要。目前，我国的LCA系统软件和数据库设计及开发还未达到产业化阶段。

2.2.2 国内生物质能源的生命周期评价

国内生物质能源的生命周期评价几乎涉及国内生物质能源的各个方面，具体包括生物质厌氧发酵(沼气)、生物质致密成型燃料、生物柴油、生物燃料乙醇和生物质发电。而有关生物质干馏即炭气油联产的生命周期评价文献还较为少见。

国内生物质能源的生命周期评价的研究主要包括如下5个方面:一是生命周期评价模型的构建。胡志远［37－39］等利用生命周期评价理论，建立了木薯燃料乙醇生命周期能源效率评价模型，计算结果表明，从平衡生命周期能源消耗、环境排放和经济性角度出发，木薯乙醇具有很好的推广应用价值。田宜水［40］等构建了全生命周期分析模型，对内蒙古地区甜高粱乙醇生命周期能耗、温室气体排放及其影响因素进行分析，从能源角度来看甜高粱茎秆生产燃料乙醇可行。戴杜［41］等建立了混合生命周期评估模型，对E10燃料的生命周期进行评估。朱金陵［42］等以年产5 000t秸秆成型燃料的生产厂为例，建立了秸秆成型燃料的生命周期能源消耗、环境排放分析模型，评价其生命周期能耗和环境排放。刘黎娜［43］初步建立了可再生能源建设项目生命周期评价模型，并以生物质直燃发电系统建设项目为案例进行实证分析，验证了所构建的生命周期评价模型的可行性。林琳［44］等、崔和瑞和艾宁［45］、王伟［46］等，分别以25MW的秸秆直燃发电系统、2MW的秸秆气化发电系统、1MW的流化床谷壳气化发电系统为研究对象，通过建立生命周期评价模型和背景数据库，对系统边界、环境影响指标、决定系统环境性的重要参数进行讨论，并对系统运转的生命周期进行完整地清单分析和效应分析，以系统、全面地评价各发电系统对生态环境显见的和潜在的影响。二是清单分析。董进宁和马晓茜［47］应用生命周期评价方法，对大豆的种植、豆秆发电、豆油炼制、生物柴油制取、各段运输和生物柴油燃烧排放等6个子过程进行了清单分析，并分别计算出其能耗和对环境的影响。冯超和马晓茜［48］应用生命周期评价方法，对秸秆的种植、运输、粉碎干燥和燃烧发电等4个过程进行了清单分析，并分别计算出4个过程的能耗及其对环境的影响。三是各类生物质原料及其产品的生命周期评价，具体包括用于沼气生产的畜禽粪便，用于生物质发电、沼气生产、致密成型燃料生产的秸秆，用于生物柴油生产的大豆、油菜子、光皮树、麻风树、废弃食用油 (地沟油)，用于燃料乙醇生产的玉米、小麦、木薯、甜高粱，等等。例如，胡志远［49］等对大豆、油菜子、光皮树和麻风树4种原料制备生物柴油进行了生命周期能源消耗和排放评价。但现有研究，对林木废弃物尤其是园艺业废弃物，以及农产品加工废弃物及其产品的生命周期评价较少。四是各类生物质能源生产工艺及其产品的生命周期评价比较分析。Ou［50］等对玉米乙醇、木薯乙醇、甜高粱乙醇、大豆生物柴油、麻风树生物柴油、废弃食用油制备生物柴油等6种生物液体燃料，由原料种植、燃料生产、运输和分配，直到汽车燃用，进行全生命周期内的能耗和温室气体减排定量计算和比较分析。董丹丹［51］等进行了新、旧工艺的木薯乙醇生命周期能耗评价，结果表明，利用新工艺可使系统的能源效率提高42.8%。张艳丽［52］对4家燃料乙醇生产企业的全生命周期能源消耗、环境影响和经济成本进行了定量评价，结论是:甜高粱和木薯等非粮乙醇可行，优于玉米乙醇。赵红颖和刘俊伟等利用生命周期评价模型，分别对生物质 (秸秆)直燃发电与燃煤发电进行了比较分析。赵红颖［53］的研究表明，生物质发电的环境负荷指数比火力发电减少了98%。刘俊伟［54］等对秸秆直燃发电与燃煤发电进行生命周期评价，表明，秸秆直燃发电氮氧化物的排放量有所增加，但减少了温室气体及硫氧化物的排放;并明确指出，秸秆预处理是能量消耗的主要阶段。五是生物质能源生命周期评价的目标研究，主要包括系统能耗和环境影响 (温室气体、有害气体、固体和液体废弃物等有害物质排放)两个方面。就现有的生物质能源生命周期评价研究而言，大多涉及这两个方面的内容，也有不少文献涉及复合生态经济效益或单一经济效益的评价。例如，霍丽丽［55］等对北京地区玉米秸秆固体成型燃料进行全生命周期分析，结果表明，生物质固体成型燃料的净能量平均为13 243.5MJ/t，能量产出投入比高达10.8，CO2当量排放量为11.13g/MJ，节能减排效果十分明显。

沼气生产系统一直是生命周期评价研究的重点，且取得不少有价值的研究成果。该方面的研究可分为农村户用沼气研究和规模化沼气工程研究。就农村户用沼气而言，生命周期评价研究主要集中在沼气池的建设、运行、减排效果等方面。例如，陈豫［56］等分别采用生命周期评价法和生命周期成本法，对中国农村8m3户用沼气池全生命周期的环境影响和经济效益进行了定量评价，明确指出，沼肥利用不充分和沼气池建设材料选择不当，是影响户用沼气池减排效果和经济效益的主要因素。另外，我国现行的三大户用沼气发展模式，在其生命周期评价方面，南方“猪—沼—果”和北方“四位一体”都有较多的案例分析，而对西北“五配套”模式的研究相对较弱。在规模化沼气工程研究方面，先期的生命周期评价主要应用于单项工程的环境影响分析，而现阶段越来越多的学者，针对规模化沼气工程，开展了不同原料、不同工艺和不同生态模式的生命周期评价研究。例如，张艳丽［57］等对国内7个典型养殖场沼气工程进行全生命周期过程的能源消耗、经济效益评价，经比较得出4种效益较好、宜在全国推广的沼气工程模式。

3 生命周期能值分析法与生物质能源研究

生命周期能值分析法即生命周期评价法与能值分析法相结合的方法。生命周期能值分析法有别于传统能值分析方法，它是以产品生产全过程为研究对象，以能值为量纲，把任何资源、产品或劳务的价值用其在形成过程中所需直接和间接消耗的太阳能之量来衡量;实现了以同一的度量标准来宏观评价自然环境生产与人类经济活动，从而实现了对所关注系统的结构功能与效益的定量分析［58］。Sergio Ulgiati［59］等指出全生命周期评价和能值分析的结合 (简称能值生命周期评价)为输入和输出系统的各种物流以及系统的环境负荷提供了信息，为实现零排放提供了决策依据。

生命周期能值分析法虽然在工农业生产系统尤其是农业复合生态经济系统得到不少应用，但就生物质能源研究而言，无论是在国外还是在国内，该方法的应用研究尚处于起步阶段，有待于多方面的深入研究。

3.1 国外生物质能源的生命周期能值分析

在方法研究方面，Antonino［60］等设计了基于生命周期清单的SCALE软件 (Software for CALculating Emergy based on life cycle inventories)，首次实现了能值评价方法与标准化的生命周期清单数据库结合，用软件工具用来精确计算产品能值，并用两个案例论证了该软件的特点。在生物质能源研究领域，国外已有报道将生命周期能值分析法应用于燃料乙醇、生物柴油、生物质发电等方面的研究。例如，Francesco［61］等通过对生物质能源系统生命周期的能源消耗和温室气体分析，指出相同农业生态系统的评价结果存在较大差异，主要影响因素包括原料预处理方式、能源转换技术、终端使用技术、系统边界等。

3.2 国内生物质能源的生命周期能值分析

国内有关生物质能源的生命周期能值分析，以张军［58］等的研究较具代表性。该学者在生命周期理论框架下，引入能值分析方法，对燃料乙醇系统的3个阶段进行了能耗分析，并把燃料乙醇生命周期过程中的社会、经济、自然3个系统有机统一起来，定量分析自然和人类社会经济的真实价值。该研究结果表明:木薯燃料乙醇生命周期能值转换率为1.10E+06seJ/J，能值产出率为1.03，环境负载率为40.9，能值投资率为32.6。

总体而言，国内生物质能源的生命周期能值分析，从理论研究、方法研究，再到应用研究，都还十分薄弱。就案例研究所涉及的生物质能源类别，包括原料类别和产品类别等，都有待丰富，且系统性研究更有待提高。以沼气工程为例，林妮娜［62-63〛等利用能值方法，对山东省淄博市大中型秸秆沼气工程和养殖场沼气工程的能值投入和产出进行了计算和分析，认为两种沼气工程均具有很高的生态经济价值，且在生态经济效益、环境效益和可持续发展能力方面，养殖场沼气工程要优于秸秆沼气工程。但作者在秸秆沼气工程的能值分析中，未考虑秸秆原料收集和运输阶段的能值投入，生命周期不够完整。

4 结论与讨论

综上所述，目前在国内外学者对生物质能源研究方面，单一的能值分析和生命周期评价都取得大量的研究成果，包括理论研究、方法研究和应用研究，尤其是在模型构建方面已经取得可喜的研究突破。在生物质能源类别及其产品类别研究方面，除了个别的原料类别如园艺业废弃物和部分农产品加工废弃物，以及个别产品类别如炭气油联产产品之外，都有所涉及。尤其是在生物质能源目标研究方面，已经取得不少可喜研究成果，对生物质能源生产实践起到有益的指导作用。

为进一步完善生物质能源能值分析及其生命周期评价，建议今后应加强如下方面的研究:在理论方法研究方面，一要开展能值分析与生命周期评价相结合的生物质能源研究，即生物质能源生命周期能值分析法研究，并将这种综合的分析方法应用到各个生物质能源类别;二要构建单一生物质能源的能值分析通用模型和生命周期评价通用模型，并在此基础上构建多能源的通用模型和生命周期能值分析综合模型，使生物质能源的生命周期能值分析在方法研究上达到一个新水平;三要完善清单分析法，在系统研究的基础上，制定单一生物质能源的清单分析规范和多种生物质能源可类比的清单分析规范。在应用研究方面，一要更多加强类比分析，包括各种生物质能源之间和生物质能源与化石能源之间的比较分析;二要加强生物质能源新技术的生命周期能值分析和评价，从中发现薄弱 (高能耗、高成本)环节，为生物质能源产业可持续发展提供有益借鉴。

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