解读德国生物质能的长期前景和角色

Nora Szarka, Marcus Eichhorn, Ronny Kittler, Alberto Bezama, Daniela Thran

(Deutsches Biomasseforschungszentrum, Helmholtz Centre for Environmental Research,Leipzig, Germany)

1 引言

德国一直致力于发展和实施高效和环境友好型的能源系统，其特色是竞争性的能源价格。与此同时，德国努力保持高水平生活和经济繁荣。可再生能源在德国能源结构中的比例不断增长：可再生电力从2010年的16.4%上涨到2014年的26.2%,减少了1.57亿吨二氧化碳排放量。

2011年日本福岛发生核泄漏事件以后，德国政府对核能的态度发生了转变，通过了一项核能法修正案，德国议会也通过一项法案，计划到2022年淘汰所有核能。2011年，德国通过一系列法律，支持实行《能源方案》，通过提供必要的手段和方法，实现德国能源系统的过渡(又称为“能源转型”)。

因此，德国能源系统开始了中短期的转型，有望到2050年实现100%可再生电力。尽管政治层面希望实现上述目标，但存在一些意见分歧，特别是在以下几个方面：1)未来能源系统的构成方式；2)各种可再生能源在整个结构中的比重；3)为了到达预期目标需要推动何种技术的发展。

为了阐明这些问题，探讨广泛的发展选择，德国政府、环境组织、以及能源领域的利益相关者们发起了各种独立的能源前景研究。从总体上看，这些前景描述了未来的发展潜力，特别在以下方面是有用的工具：1)在具体假设下评估能源领域或能源系统的发展；2)讨论不同的能源未来；3)整合不同学科的知识和利益相关者；4)指导和监督政治决策。

与探索性前景一样，能源前景能够评估广泛的未来能源选择，从而支持政策目标的发展。在政治决策过程中，会运用另一种类型的前景，即目标前景，分析如何实现一系列目标，以及在具体时间节点上目标的实现率。因此，可以从主要问题、目标、方法和细节等角度分析任何具体前景的特征。

在各种可再生能源中，生物质能，即通过生物质转化产生的能源，在德国扮演着关键性角色，占德国可再生能源的三分之二。生物质能够转化成所有最终能源形式—电、热、和生物燃料。这也意味着生物质资源、转化技术和路径多种多样。生物质能的特点是关于它的政策多元且变化多样，决策框架和利益相关者众多。

近年来，大规模使用生物质已经成为国家生物质利用政策的重要财富，目标是对生物质进行阶梯式高值化利用。在这一背景下，这些前景中的另一个要素就是现有生物质的总量、质量和分布。德国国家级生物经济战略和路线图中都体现了要推动生物质阶梯式高值化利用。生物质能的角色转向高值化利用对战略、基础设施和技术发展具有重要影响，但具体是什么样的影响尚不清晰，这一转变应该纳入长期能源规划中。

由于多种因素，深刻理解和直接解读现有前景研究中得出的结论很难。国际能源署可再生能源技术部署机构的执行委员会(IEA-RETD)承认需要特定的指导框架来解读能源前景。最近该机构公布了一项能源前景指导，旨在提高决策者们理解、评估和解读模式的能力，包括每个前景背后的动力、价值以及结论。

因此，本论文回顾分析了的8个在德国展开的研究，描述、分析、比较和阐释生物质能在国家能源系统中的地位，目标是更好地理解能源前景，提高其透明度，解读2050年生物质的角色。

2 方法

对重点关于德国能源转型和《能源方案》目标(减少二氧化碳排放和提高可再生能源的比重)的能源前景进行综述研究。另外，对国际能源前景进行综述研究，旨在与国内研究进行对比。这些经过筛选的研究发表于2007年至2012年期间。然后进行二次筛选，从时间框架(到2050年即长期)、科学可信度(应用的分析工具和假设)、生物质能领域的比较信息等方面评估这些研究。为了考虑不同的动机背景，我们包括了公共机构、研究机构、非政府机构和能源行业自身展开的研究。因此，我们从8个研究中选取了18个常规和探索性能源前景，包括以下：

(1)《信号和路标：壳牌能源前景研究2050》-壳牌(Shell)2011，旨在从能源行业的角度评估世界能源系统。壳牌率先开展基于可行性的前景研究，讨论了过去40年的复杂性和不确定性，把前景发展成为支持企业决策的工具，并且根据合理的假设和量化，分析长期趋势，研究中的大多数参数能在德国获得。

(2)《能源技术展望—2050前景和战略》-国际能源署(IEA)2008，这是第二个国际参照，值得一提的是该研究包含了关于生物质能技术和运用的详细且有区别的数据，还包含德国的具体数据。

(3)《2050能源目标：100%可再生能源发电》-德国联邦环境署(UBA)2010和《通向100%可再生电力系统》-德国环境咨询委员会(SRU)2011，这两个研究代表电力领域，我们能分析不同动机背景的国内机构展开的前景研究。

(4)选择4个研究代表整个能源系统。《从欧洲和全球发展情况看德国可再生能源长期前景和战略-先锋研究2011》-德国宇航中心(DLR)和《德国政府能源政策方案》- 德国联邦经济和能源部(BMWi)。这两个研究旨在探索达到德国政府和《能源方案》目标的不同方式。该研究的委托机构是德国联邦环境、自然保护和核安全部(BMU)和德国联邦经济和能源部(BMWi)。

(5)分析两个最具影响力的环境组织世界自然基金会(WWF)和绿色和平组织(Greenpeace)开展的研究。政府研究的重点为是达到特定目标，而世界自然基金会和绿色和平组织则为能源转型描绘了更具野心的蓝图。世界自然基金会发起了《蓝图德国—2050年气候安全战略》-世界自然基金会2009，探讨了进一步节约能源，减少温室气体排放的能源政策方案。

(6)此外，由于政治和社会层面对德国碳捕获和储存技术(CCS)的热烈讨论，本研究分析了使用碳捕获和储存技术和未使用该技术的前景。绿色和平组织发布了最雄心勃勃的能源系统研究，名为《气候保护：计划B—2050国家能源方案》- 绿色和平组织2009。基于能源政策方案和其它的官方研究，绿色和平组织提出了一项前景，计划逐渐淘汰核能和煤电厂。

表1总结了选定的各前景，包括它们的规模、范围、前景类型(探索型或目标型)、使用的模式和主要目标。

通过选择、确定、量化、解释四个与生物质能相关的指标和五个典型的能源系统指标对选定的前景进行比较研究，也考虑否能获得高质量数据。

文章为了重点讨论生物质能系统，并列出比较分析的结论和选择的能源系统指标。

生物质能发展的关键是能否获得生物质资源撑未来的能源需求。由于德国致力于不依赖进口生物质，所以应该考虑德国国内资源的潜力。因此，选择“国内生物质潜力”这一指标用以区分各前景中的国内生物质总量。

另外，本研究的主要目标之一是展示和分析生物质在各种最终能源形式中的角色(即电、热、交通)，所以本研究也选择了“生物质占最终能源消耗中的比重”这一指标。由于其他领域的数据不充足分，所以重点放在交通领域，代表指标是“交通领域中的生物燃料”。最后，“最终能源领域中的生物质分布”这一指标，描绘出未来生物质在电、热和交通领域的使用情况。

表1 选取前景的特征

最后分析这些指标、假设和研究框架，并为前景使用者提供建议。

3 结论

3.1 长期能源前景中生物质能系统的现状和发展

3.1.1 总体分析

目前，在德国和欧洲生物经济和生物质能的讨论中，生物质能系统对于对减少温室气体排放和需求驱动型供应的潜力一直都是讨论的焦点。直到20世纪90年代，德国的能源系统几乎完全建立于化石燃料和核能之上。从那时起，几项法案开始生效，例如1991年的强制上网制(FIL)《可再生能源法》(EEG)和其修正案。该法案的结果之一是提高了生物质能源的使用。2010年生物质能占总体能源消耗的7.7%，占德国最终可再生能源消耗的70%。图1显示了自1990年以来德国生物质能使用的发展。

图1 1990～2010年德国生物质能利用的发展

生物能原料丰富多样(能源作物、废弃物和副产品)，转化技术也多种多样，包括热化学、生物化学、物理化学等技术，因此生物质能有潜力支持所有用途(电、热、交通)。生物质能在电力领域的主要潜力是稳定电力系统。生物质能可以灵活使用，弥补发电来源波动的系统，例如风能和光电能。此外，通过使用热电联产(CHP)，生物质能能够同时产生热和电。提高热电联产能大大提高效率，特别是提高家庭微型热电联产工程的效率。在交通领域，可再生燃料可能会在航空扮演重要角色。国际意愿和监管机制是发展的关键动力。例如，国际航空运输协会(IATA)的目标是到2050年，国际航空排放将比2005年减少50%。从这方面来说，生物燃料的作用至关重要，因为在欧盟欧洲碳排放交易体系下，生物燃料飞机为零排放。另外，《欧盟燃料质量指令》的目标是到2020年减少所有交通运输领域的温室气体排放6%(与2010年水平相比)。另一方面，德国计划到2050年10%的飞机燃料为生物燃料。

在《2030国家生物经济研究战略》和《国家生物经济政策战略》中，德国政府列出了生物质将来的应用领域。把生物质运用于生物行业产品中，例如平台化合物和肥料很具前瞻性。

3.1.2 具体分析《信号和路标：壳牌能源前景研究2050》

在壳牌(Shell)的信号和路标研究中，没有涉及全球生物质潜力，但是涉及了主要的生物质能源需求：在攀登前景中，到2050年，初级能源将达到131000拍焦(人均14.6吉焦)，在蓝图前景中，生物质将达到57000拍焦(人均6.3吉焦)。研究没有详细区分使用的生物质类型，但预测了生物质将来的地位，认为生物燃料将得到大力发展，特别是作为液体燃料应用于交通运输。第一代生物燃料(主要从粮食作物中获得例如谷物、甜菜、油籽中获得)与食物生产发生冲突，导致食物价格上涨。此外，欧盟粮食作物短缺，增加进口，又会加剧出口国的森林砍伐和退化。为了应对这一情况，第二代生物燃料(从非食物生物质中获得的生物燃料例如木质纤维素)技术得到推广，这将改善2020年之后的情况，特别对于经济合作与发展组织成员国来说更是如此。与此同时，更多使用废弃物和农业废渣意味着新的生物质作物认证系统即将出现。

3.1.3 具体分析《能源技术展望—2050前景和战略》

国际能源署(IEA)的研究《能源技术展望2008》预计生物质的潜力在90艾焦和150艾焦之间。在行动地图前景中，预计对生物质的需求将达到每年120艾焦，BLUE Map前景中将达到150艾焦，每年的底线是90艾焦。在蓝色地图前景中，到2050年，生物质将成为最重要的可再生能源，其使用量将翻两番，占世界初级能源的23%(每年3604百万吨油当量)。其中一半的生物质来源于作物和森林废弃物，另一半则来源于专门种植的能源作物。为了满足蓝色地图前景中预测的生物质需求，需要3.75亿公顷至7.5亿公顷土地(假设平均每公顷土地的产干物质生物质产量5到10吨)，这大概占总共60亿公顷农业用地的3%～4%。其中，大约1.6亿公顷将用于生物燃料(蓝色地图前景)。生物燃料主要用于商业道路交通、航运和航空领域等燃料选择有限的领域。国际能源署预测到2050年生物航空燃料将占27%，或6.5艾焦(蓝色地图前景)。预计航空业将率先发展和试用生物航空燃料混合，这也将纳入欧盟排放交易体系。

个人交通领域，蓝色地图前景预计替代性系统将有很强的市场渗透力。到2050年，会有约10亿燃料电池或电动车。700百万吨油当量将转化成每年2450太瓦时电。在使用的生物质中，21%将会被混合燃烧，其余的会用在其他途径。总体上看， 这意味着两个版本的前景研究都预计到2050年生物质将占全球电力生产的5%～6%。如果碳捕获和储存技术不在全球范围内运用，那么生物质的占比将更高(大约10%)。剩余的每年2200百万吨油当量将会用于生物化学生产(例如生物润滑油)、供热(或在工业中处理热)和炊事。

生物质发电和运输燃料成本将有望下降，但供暖的成本可能和目前持平。先进的燃烧技术，例如循环流化床锅炉(CFB)、混合燃烧(生物质和煤)、热电联产供热的100兆瓦蒸汽涡轮等将与其他技术竞争价格。生物质气化技术的成本有望下降50%，因此它将会扮演重要角色。生物质气化只有成为一项成熟和高性价比的技术，才能满足费托合成柴油和生物质能电厂对生物质的需求。

3.1.4 具体分析《2050能源目标：100%可再生能源发电》

在《2050能源目标：100%可再生能源发电》研究中，“潜力”一词指的是技术生态潜力，即生态限制的情况下的最佳转化技术。因此，到2050年，只有废渣和废弃物才是能源生物质的来源，其中不包括进口生物质。在这个前景研究中，只有沼气被用于灵活发电，以平衡风能和光伏能等不稳定的可再生能源的波动。据推测，装机容量为23.3吉瓦的沼气工程在高峰时最多能提供11太瓦时电(人均0.5吉焦)。

3.1.5 具体分析《通向100%可再生电力系统》

在该前景中，只有废渣和废弃物用于产生能源；在热电联产工程中，固体生物质的潜力每年为42太瓦时,沼气每年为27太瓦时。如果使用热电联产技术，生物质发电的使用率最高。每年500太瓦时的发电能力可与其他国家交换能源；能获得的生物质(固体和沼气)中只有一半用于发电，而且与热电联产技术一起使用。在前景1a和1b中(完全自给自足)，所有生物质都没有使用热电联产技术，大部分用于减轻高峰期的负荷。三分之一生物质用于满足电力需求，三分之二用作供热和生物燃料。农作物、能源作物、粪便和其他生物废渣和废弃物将分散地产生沼气。

3.1.6 具体分析《从欧洲和全球发展看德国可再生能源的长期前景和战略》

在该研究中，各个前景的中生物质的生产和使用都是一致的：不包括进口生物质(尽管《能源方案》中包含每年进口的500拍焦)。另外，国内生物质潜力为每年1550拍焦，其中800拍焦来源于废渣，使用率为100%。生物质转化后主要用热电联产工程(每年1100拍焦)中供热，因为它效率更高，能够减少温室气体排放。生物乙醇和生物可再生天然气(例如木质气化后并入电网)在热电联产发挥重要作用。此外，到2050年，生物质将会产生60太瓦时电，并且灵活发电的作用也会日趋突显。

用于供热的生物质下降到100太瓦时。固体生物质在热电联产中的作用有所减弱，在供热领域的增长也十分有限。生物质气化后用在热电联产的市场将成熟。在交通运输领域，所有前景中使用的生物资源最高为300拍焦，需要230万公顷农业用地种植能源作物。该研究只预测了第二代生物燃料沼气、生物乙醇、生物质液化(BtL)。废渣厌氧发酵后生产生物柴油和乙醇是另一种选择，并没有涉及技术运用的细节。

3.1.7 具体分析《德国政府能源政策方案》

该研究预计生物质能源化利用的潜力将达到2200拍焦或人均29.8吉焦。到2050年，固、液、气形式的生物质将成为最重要的可再生能源。因为一部份生物质将用在交通运输领域替代化石燃料，所以用于发电的生物质有限。大概人均2127kWh，人均7.7吉焦。生物质发年电量将达到约40太瓦时。到2050年，约20%生物质依靠进口(469～489拍焦)。能源化利用的生物质的价格到2020年将上涨到43欧元·兆瓦-1时-1, 到2050年将上涨到50欧元·兆瓦-1时-1。

3.1.8 具体分析《德国蓝图-2050气候安全战略》

该研究把能源化利用生物质仅限于国内和可再生生物质。这个“安全扶手”确保粮食和能源作物不发生冲突，也不会发生计算遗漏。关于德国生物质的潜力，该研究参考著名机构例如柏林生态研究所、德国宇航中心(DLR)、德国全球变化咨询委员会(WBGU)等先前展开的研究。到2050年，生物质总量预计为每年1200拍焦，假设有4百万公顷土地用于种植能源作物，主要的能源产量在415到522拍焦之间，从各种废渣中产生能源700拍焦，则生物质发电最大潜力为41.3太瓦时。

尽管用生物质发电的能效最高，但《德国蓝图》预计，由于交通运输领域缺乏可替代能源，生物质在交通领域的第二代生物燃料中发挥重要作用。在创新前景中，987拍焦的生物质转化为生物燃料，7拍焦转化为沼气，主要替代天然气，满足居民的能源需求。创新前景预计个人交通领域将实现“电化”，替代性能源例如燃料电池、混合动力、电子移动和液化气等将成为完整的市场。在参考的前景中，到2050年生物燃料产量仅达到340拍焦，因为常规能源将继续占据主要位置。沼气年产量将达到60拍焦。其中三分之二用于居民消耗。在这两个前景中，到2050年，生物质发电量将在41.3到44.7太瓦时之间。居民采暖的生物质能源消耗将下降到1242拍焦(参考)，315拍焦(创新)，如果主要是木质生物质，那么这个数据为342拍焦(参考)和90拍焦(创新)。在参考前景中的生物质需求稍低于德国国内1200拍焦的潜力(1090拍焦)，而在创新前景中生物质需求是1.2倍。即使采取一些提高效率的措施、减少交通，仍然不能弥合差距，为了满足需求，约80%生物质需要进口。

3.1.9 具体分析《气候保护：计划B—2050年国家能源方案》-绿色和平组织2009年

该研究推测，当今生物质能源化利用的潜力已经大力开发，剩下的能够能源化利用的生物质已经不多。为了限制由于进口生物质引起的食物和能源且竞争，该研究仅涉及德国国内的生物质潜力。

图2 2050国内生物质潜力和进口生物质

到2050年能源作物的种植土地面积仅为410万公顷。为了可持续地提高生物质能的利用，该研究前景预测会综合利用各种形式的废渣，例如粪便，充分利用使用率低的土地。这些相当严格的安全标准导致到2030年可用的生物质增长平缓。到2050年，随着可持续种植能源作物的耕地面积增长，生物质将会翻一番。由于能源作物种植的潜力有限，因此生物质在热电联产中的总量限制在45太瓦时，占热电联产的33%，占总电力需求的约10%。

3.1.10 总结

总的来说，分析现有的各个前景显示，各方对于德国生物质发展的潜力看法不一，特别是对于生物质能否支撑生物质能系统颇具争议。另外，除了国际能源署，其他前景都没有考虑新的生物经济战略决定的战略等级(即相比于生产替代性能源，更倾向于高附加值应用和产品)。这将会导致生物质的能源用途和食物用途发生冲突。因此，需要进一步分析，生物质的阶梯式使用，以阐明新型生物经济对生物质的影响。

3.2 分析生物质能相关指数

3.2.1 国内生物质潜力

图2总结了国内生物质潜力这一指标。为了避免不可持续的影响转移到其他地区，一些前景没有包括进口生物质(例如绿色和平组织的前景)。相比之下，联邦经济和能源部(BMWi)和世界自然基金会(WWF)的前景考虑进口生物质，因为他们预计欧洲境内的可持续生产和贸易问题将会得到解决。从图表中可以看到，2050年，国内生物质潜力在250拍焦(SRU)到1760拍焦之间(BMWi)。为了理解这些研究结果，作出以下深入分析。

3.2.1.1 《通向100%可再生电力系统》的具体方面

德国环境咨询委员会(SRU)的研究仅涉及使用热电联产技术的生物质发电潜力。为了确保可持续利用，德国环境咨询委员会把生物质的类型严格限定为有机废渣和废弃物，仅开发50%的潜力。德国环境咨询委员会通过比较所有可再生能源的价格，阐释未能开发的潜力：每千瓦时固体生物质发电的成本最高，其次是沼气。

3.2.1.2 《2050能源目标：100%可再生能源发电》的具体方面

在计算国内生物质潜力方面，德国联邦环境署(UBA)研究使用与德国环境咨询委员会(SRU)相似的方法计算国内生物质潜力：为了确保生物质的可持续利用，避免任何冲突，技术生态潜力(使用最高效的转化技术，坚持严格的可持续安全标准)仅限于有机废渣和废弃物。国内可再生生物质潜力总量为726拍焦。生物质潜力全部用于生产能源和原料。德国联邦环境署限定生物质在发电的应用潜力为143拍焦沼气，剩余的583拍焦固体生物质用作交通运输能源或工业原料。鉴于2011年用于供热、发电和生产生物燃料的生物质达到大约730拍焦，德国联邦环境署的研究认为到2050年生物质使用量不会增长。

3.2.1.3 《从欧洲和全球发展看德国可再生能源的长期前景和战略-先锋研究2011》的具体方面

该研究基于之前关于德国生物质潜力的研究，强调土地和生物能产量的比率不佳，种植生物质的土地上限为420万公顷。该研究认为可再生生物质的潜力上限为每年1550拍焦，其中800拍焦来源于有机废渣和废弃物。研究强调了在2011年50%种植生物质的土地已经被使用，几乎全部用于生产生物燃料。另外，2011年60%的有机废渣已经被利用。因此生物质能源化利用可能会平缓增长，但到2030年，国内可再生的潜力将全部开发。为了提高能效，国内生物质潜力将会(每年1100拍焦)用于静态供热技术或热电联产技术。假设第二代生物燃料将会渗透市场，到2050年，每年将会有300拍焦生物质用于生产生物燃料。

3.2.1.4 《蓝图德国-2050气候安全战略》的具体方面

该研究由世界自然基金委托，也运用安全标准计算国内可持续生物质潜力。该研究参考了柏林生态研究所、德国宇航中心(DLR)和德国全球变化咨询委员会(WBGU)先前的研究。假设有400万公顷土地可种植能源作物(略少于先锋研究)，初级能源生产量在每年415拍焦到522拍焦之间，不同废渣年产能源量为700拍焦，到2050年生物质总量为每年1200拍焦。尽管生物质的发电能效很高，但仅有148拍焦将用于发电。该研究认为生物质将在生产第二代和第三代生物燃料中面发挥更大的作用，因为这一领域缺乏替代性能源。

在创新前景中，987拍焦的生物质转化为生物燃料。创新前景估计交通运输领域的电化以及燃料电池、混合动力、电子移动和液化气等替代性技术将完全渗透，参考前景预计，由于常规能源将继续占主要地位，到2050年生物燃料产量仅达到340拍焦。相反，沼气年产量将达到60拍焦，其中三分之二用于居民消耗。这两个前景估计到2050年生物质发电量将在41.3到44.7太瓦时之间。用于居民供热的生物质能源消耗将分别下降到1242拍焦(参考)和315拍焦(创新)，木质生物质分别为342拍焦(参考)和90拍焦(创新)，是主要生物质。在参考前景中的生物质需求稍低于德国国内1200拍焦的潜力(1090拍焦)，剩下约9%的潜力未开发。在创新前景中，生物质需求超过了国内的可再生潜力。即使采取进一步提高效率的措施，减少交通，也不能弥合520拍焦的需求差额，需要依靠进口。

3.2.1.5 《气候保护：计划B—2050年国家能源方案》的具体方面

绿色和平组织的目标前景推断德国的生物质能源化利用潜力已经大量开发，只剩下有限的生物质能被能源化利用。该研究计算国内生物质潜力，以避免进口生物质时会发生能源和食物的竞争。为了可持续发展，该研究的目标前景预计粪便等各种废渣将会被综合利用，并将在利用率低的土地上种植能源作物。这些严格的安全标准导致2030年能利用的生物质有限。在2050年，随着可持续耕种能源作物的土地扩张，生物质潜力将翻一番，预计可达到1180拍焦。种植能源作物的潜力有限，因此生物质在热电联产中的发电量上限为45太瓦时,占热电联产中的33%，占总用电需求的10%。

3.2.1.6 《德国政府能源方案前景》的具体方面

最后，联邦经济和能源部(BWMi)的前景认为生物质将会是2050年最重要的可再生资源，占所有可再生资源的大约五分之三。在目标前景中，气体、液体和固体生物质占能源消耗的28%～29%。所有前景预计总可持续生物质潜力(包括进口)为2200拍焦，80%来自德国，20%为进口。在电力领域，生物质能仅贡献40太瓦时(144拍焦)，因为一部分生物质能用在了交通领域。生物质在减少温室气体排放方面有重要作用，占终端能源消耗的约56%。

3.2.2 生物质占最终能源消耗的比重

这一指标比较了1个国际研究和4个国内研究中生物质能在最终能源消耗中的比重(见图3)。所有的前景都预测到2050年，生物质能将增长到9% ～25%(2010年水平为8%)，除了德国联邦环境署的研究(5%)。这可能是由于德国联邦环境署各前

图3 2050年生物质占最终能源消耗的比重

景中的不同假设：①生物质潜力仅限于废渣，进口生物质不纳入其中; ②生物质发电成本最高，因此仅用于用电高峰期或平衡电力; ③生物质用作原料的经济价值最高，即生物产品和平台化合物。

联邦经济和能源部、世界自然基金和德国宇航中心所有的目标和探索性前景都预测生物质能在最终能源消耗的比重远高于20%。所有的前景中都认为到2050年生物质能将成为成熟的可再生能源。在世界自然基金和联邦经济和能源部的参考前景中，生物质能作的贡献相对较低，但仍高于2011年水平。常规燃料仍然占主要地位，因此影响生物质用于燃料和发电的进一步发展。比较这些研究中预期最终能源消耗可以得出以下结论:

(1)关于生物质能领域的数据不充分，8个研究中仅有4个包含了这一信息。

(2)预测的人均生物质能消耗量不确定性更高，导致出现最大和最小比率(即能源为2.4，生物质能为12.9，后者几乎为前者的4倍)。第4部分将进一步讨论这个问题。

3.2.3 交通领域的生物燃料

图4显示2050年交通领域的生物燃料用量，人均在1～5吉焦之间。5个国内和国际研究都预计生物燃料的使用会增加，且到2050年，第二代生物燃料将被大规模生产并渗透市场。联邦经济和能源部的目标前景预测生物燃料将占交通领域能源的85%。世界自然基金的创新前景预测除了航空领域，其他交通领域的化石燃料将全部被生物燃料替代。先锋研究、世界自然基金参考前景和联邦经济和能源部预测生物燃料不会大幅增长，相反，电动汽车的普及会导致对生物燃料的需求降低。参考前景预测化石燃料仍将是交通领域的主要能源。绿色和平组织的前景预测生物燃料的比重低，这是因为公共交通更加便利，商业道路转变成轨道交通，并且私人出行转变成电动交通，导致汽车数量大幅下降。在这个背景下，生物燃料将会应用于替代化石燃料最困难的领域(例如重型车)。绿色和平组织的分析没有包括航空领域。

图4 2050年交通领域的人均生物燃料

图5 2050年最终能源领域生物质的分布

3.2.4 最终能源领域中的生物质分布

图5显示了三大终端领域中生物质利用的组成情况，根据人均生物质用量计算。

图5强调尽管各前景对于生物质的未来作用看法不一，但都预测到2050年三大终端领域都会有生物质。另外，预测电动交通占比高的前景(绿色和平组织)，生物质在交通领域的比例就低。世界自然基金预测生物质在供热中使用率低是由于该研究假设建筑的能效很高。认为由于生物质使用将增加，对资源的竞争也将加剧，在最终能源领域也是如此。这就要求详细分析每一领域的过程。

4 结论和政策建议

本研究旨在以科学全面的方式，讨论分析各能源前景研究的背景和结论，提高这些研究的透明度。为了达到这一目的，我们从量化和常规角度分析了8个德国2050年能源前景的描述性研究。这些前景根据类型分为两种，即目标前景(实现目标的路径或战略)和探索前景(显示某种决策的影响)。这些研究在有关德国能源领域总体情况的社会经济框架条件、假设和结论等方面都有相似性(例如最终能源需求和能源转化技术组合)。

几乎所有的德国国内研究预测的初级能源需求与国际水平相比较低。这是由于高估各种措施提高能效的能力，例如建筑隔热技术，这直接影响国家能源需求。

另外，所有的研究都预测生物燃料将比现有水平提高4%～14%，并且生物燃料将在所有领域使用(电、热、交通)。然而，当涉及整个生物质能的发展路径时，各研究观点相差甚远。例如，生物质潜力在350拍焦到1700拍焦之间不等，生物质能占能源系统的比重在5%到28%之间不等(见图3)。这导致国内研究中关于生物质和可再生能源占最终能源的比重的数据差异很大，如图6显示。

图6 最终能源消耗中的生物质和可再生能源

根据研究的结论做出以下推荐，为研究者和决策者比较和解读生物质能的长期前景提供支持。一方面，透明和质量保证对于选择前景来说很重要，包括以下方面：

(1)透明和可追溯的方法和数据。应该公布研究前景的结论，并包含透明的方法和有迹可循、真实可靠的官方数据。对于不同使用者，应该说明研究的敏感度和不确定性。另外，对于具体的生物质能问题，应该使用包含生物质能转化和供给的详细信息和数据的研究。透明的假设。研究的假设应该来源于中立全面的科学方法，基于清晰的数据和方法。可追溯的结论。研究的结论应该可追溯，即研究的结果应该能够解释和支撑研究结论。此外，应该清楚地展示模型结论、解读、结论来源之间的联系。另一方面，应该根据具体情况解读能源前景。为了以上目的，应该考虑以下方面：

(2)发表年代。应该考虑研究发表的年代，因为生物质能领域的技术成熟度、经济数据和政策目标是动态发展的。

(3)研究目标。研究的主要目的(例如可再生能源的比例或减少二氧化碳排放)影响技术(低排放技术)。通常目的只包含具体的能源使用领域(例如电)。

(4)前景研究的委托机构。考虑委托研究的目的以及背后的机构。

研究类型。考虑不同研究类型的特点。目标前景往往只包含一些事先选定的技术，旨在监督目标的达成。相反，探索性前景研究更倾向于研究更广泛的未来选择，因此技术的评估也更广泛。

(5)供应链。生物质能领域的研究应该涉及整个供应链，包括生物质供应到最终能源使用。从这一方面来说，计算生物质的潜力应该是分析和解读研究结论的主要内容。

最后，解读和分析前景研究结果应该综合考虑其背景，包含以上所有方面。

建议前景使用者重视透明度(用于选择合适的前景)和背景(用于解读前景)。如果将来要开展透明度更高的前景研究，还建议引入定义标准和方法标准或数据质量的最低要求。

5 对比分析长期能源前景的指标

为了比较不同能源系统，我们选择4个能代表能源系统的指标，即人均初级能源消耗、人均最终能源消耗、人均二氧化碳排放、可再生能源占能源领域的比重。

5.1 人均初级能源消耗

初级能源消耗指直接使用能源，或不经过改变或转化直接提供给用户，包括可再生和不可再生的初级能源。这一指标用于计算人均消耗，比较国内和国际研究的结果(见图7)。

图7 2050初级能源消耗总览

所有的德国前景研究都预测初级能源消耗与2011年基准相比将有所下降。下降的原因有以下两个：私人住宅中使用供热泵等创新措施，服务业和工业领域采取提高能源生产率的措施；在混合能源中可再生能源的比例增大，这减少了化石燃料的使用，减少了交通和传输过程中的能耗(分散式能源供应)。

至于能源效率的年增长率，所有的研究都预测能源效率将大大提高。例如，世界自然基金的创新前景研究预测年能效提高率为2.7%，联邦经济和能源部的所有前景都预测能源生产率将提高2.5%(1990到2011年之间德国电力生产率的年均增长率为1%)。各研究前景关于人均初级能源消耗的数据相差甚远，绿色和平组织最低(人均62吉焦)，联邦经济和能源部的参考研究最高(人均126吉焦)。差异的原因是对以下方面的预测不同：德国和欧洲提高供热效率的政策的数量和质量、电热领域可再生能源的占比、热电联产和供热泵的技术的市场渗透率；家用电器、办公用品和汽车的设计是否高效。

另外，在交通领域用可再生能源(电动交通、氢能、生物燃料)替代化石燃料对于初级能源消耗的影响很大。与国内的前景研究相反，几乎所有的国际前景研究都预测初级能源消耗将上升。中国和印度等非经合组织成员国的国内生产总值继续保持高速增长，将消耗大量能源，而经济合作组织成员国增长放缓，能源消耗有所下降，但却并不能弥补差额。

图8 2050最终能源消耗总览

5.2 人均能源消耗

图8总结了15个前景研究中2050年的人均最终能消耗，比较基准是2010年的国际参考水平和2011年德国的参考水平。该图显示了未来电力领域人均消耗相对接近，因为到2050年，交通领域的能源节约率较低。另外，图8展示了能源和生物质能的概况。除了预测在全球范围内初级能源消耗将上升，全球人均能源消耗也将上升。

图9再次强调了生物质能领域的不确定性远高于能源领域。能源领域最低和最高值的值域是1.6，而生物质能领域的最低和最高值的值域是其9倍。

考虑到亚洲国家人口众多，经济发展需要扩大国家现代能源和服务覆盖面积，导致额外的电力消耗。德国的前景研究分为3组，有的显示最终能源消耗趋于平稳或稍有上升，增长范围在人均22.3吉焦(绿色和平组织的目标前景)到人均24.2吉焦之间，有的展示了最终能源消耗稍有下降，范围在人均16.5吉焦(世界自然基金)到20.6吉焦(联邦经济和能源部)之间。所有预测最终能源消耗将不会大幅下降的参考研究都属于第一类。第二类包括德国联邦环境署的能源目标前景和绿色和平组织气候保护计划B(绿色和平组织目标前景)。在这两个研究中，最终能源消耗几乎维持在2011年水平，因为交通领域的化石燃料将被电取代(德国联邦环境署72太瓦时, 绿色和平组织99太瓦时)。两个前景中的最终能源消耗相对较高的第二个原因是空间供热和冷却燃料的转变。特别是在私人和服务领域，电力(太阳热能或热电联产技术)将代替化石燃料。第三类研究(联邦经济和能源部、世界自然基金、德国宇航中心研究)预测最终能源消耗将下降。这是因为电动交通在交通领域的市场渗透率降低，或者是额外技术的市场成熟度不足(氢能技术)，工业的能源效率提高，过度消纳了电力需求的增长。图10展示了5个前景中人均电动能耗的差异。

图9 比较分析的前景中预测的人均最终能源消耗和生物质发电

图10 各前景研究预测的2050年人均电动交通能耗

5.3 人均二氧化碳排放

图11展示了5个前景研究中人均年二氧化碳排放量，计量单位是吨。为了更好地比较，只包含直接的二氧化碳排放，不包含二氧化碳对等物和其他的温室气体。德国联邦环境署、德国环境咨询委员会和壳牌的研究排除在外，因为它们的研究范围仅限于发电领域。根据不同的前景类型和二氧化碳减排目标和政策，各前景研究的预测的2050年二氧化碳排放量相差甚远。除了德国宇航中心的先锋研究，其他研究把二氧化碳/二氧化碳当量归于低目标和高目标。相应地个前景之间的人均二氧化碳排放的差异远大于前景内部的差异。就德国而言，高目标前景预测人均排放每年为1.09吨(绿色和平组织)至1.9吨·年-1(联邦经济和能源部)。其他保守的前景预测二氧化碳排放量低于当前水平每年9.78吨。因此，所有的前景都认为大幅降低二氧化碳排放在技术上是可行的。

图11 各前景研究预测的2050年二氧化碳排放量

图12 各前景研究预测的2050年能源领域中可再生能源的比重

5.4 可再生能源占电力领域的比重

图12展示了德国的前景研究中可再生能源和化石燃料在电力领域的比重，比较基准为2011年。德国联邦环境署(UBA)、德国环境咨询委员会(SRU)和绿色和平组织(Greenpeace)目标前景的研究都是根据已经设立的目标计算的，即到2050年实现100%可再生能源发电。其他前景预计可再生能源将占36%(世界自然基金参考前景)到86%(绿色和平组织参考前景)之间。除了世界自然基金的参考前景，其他前景强调技术方面有能力实现到2050年提高可再生能源在混合电力中的比例2.5至4倍。每个分析的研究中至少有一个前景能达到《德国能源政策方案》目标的80%。

比较世界自然基金的使用和未使用碳捕获和储存技术的创新前景。在德国使用碳捕获和储存技术会导致煤的用量每年上升750拍焦(不使用碳捕获和储存技术为80拍焦)，并且会稍微提高发电领域天然气的用量。与此同时，可再生能源的比重将下降20%(减少约700拍焦地热能和250拍焦风能)。

(农业农村部沼气科学研究所 程静思 译自：Interpreting long-term energy scenarios and the role of bioenergy in Germany[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 68, 1222-1233.)