农村生物质清洁能源发展及应用分析——以四川农村为例

（达州职业技术学院，四川达州 635001）

能源的利用种类随着社会的发展发生着不断的变化，从工业革命开始煤炭逐步成为主要的能源，到二十世纪二十年代，煤炭消费量占世界商品能源的87%[1]；二十世纪后期，石油、天然气、电力和煤炭一起成为了世界的主体能源。但是地球上的化石能源储量是有限的，研究表明全球已经探明的煤炭资源仅能满足110余年的开采，石油和天然气资源仅能满足50余年的开采[2]。虽然水电、风电等电力资源是可再生的，但是其资源储量和空间分布都非常不均匀，无法满足人民日益增长的能源需求。

石油、天然气、煤炭等化石能源的大规模使用，给全球经济社会发展带来了一系列的革命，但也带来了温室气体的大量排放，全球气候变暖已经成为当今世界人们关注的主要问题[3]，同时也带来了生物多样性破坏、酸雨、光化学烟雾等严重的环境污染问题[4-5]。经济社会的高速发展，对能源需求日益增加，加速利用其它类型的能源是社会发展的必然趋势。如今，世界能源消费出现了巨大的变化，向低碳化趋势进行发展，以太阳能、风能、核能、生物质能、地热能、潮汐能等为代表的新能源的开发和利用规模和范围都在不断的扩大，新型能源的消费份额也在不断提高，能源消费的格局也从化石能源为主导的能源结构，逐步向多种能源供给的格局转变[6]。能源利用低碳化转型就是要实现清洁、可持续的高效利用，而开发利用可再生清洁能源是解决能源利用转型发展过程中遇到的供需矛盾问题的关键路径之一。

1 生物质能源的特点

生物质能是一种特殊的可再生能源，是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，也是在可再生能源中唯一一种方便收集、储存和运输的最接近化石燃料的能源。生物质能是世界上排位在煤炭、石油和天然气之后的第四大能源，生物质能原料资源是水电的2倍，是风电的3.5倍[7]。据统计，中国清洁能源（不含太阳能）资源量为21.5亿tce/年，其中生物质能占半壁江山，约为54.5%[8]。作为传统的农业大国，我国的农业生产产生了大量的生物质资源，这些资源具有量大、可再生性强等特点，具有较高的开发潜力。结合我国农村的特点，开发农村生物质能源，用生物质能代替或部分代替化石能源可以避免农村废弃秸秆焚烧带来的局部严重环境污染问题，也可以弥补其他可持续能源面临的间歇性弊病等问题，对于优化和调整能源的结构和布局，缓解能源紧缺具有重要的意义[9]。

2 四川农村生物质能的现状

四川是农业大省，是全国生物质原料最丰富的省份之一，四川农村的生物质资源潜力巨大，可以利用的主要包括农作物的秸秆、人畜粪便、农村生活垃圾和能源植物等4个方面[10]。秸秆是作物的伴生品，秸秆占农作物的51%以上，其用途非常广泛，主要用作燃料、饲料、肥料等。根据国家统计局数据显示，四川的粮食产量全国排名第九，主要的粮食作物是水稻和小麦，主要的油料作物是油菜，2019年四川的粮食产量为3498.5万吨，同比增长0.1%，油料作物产量367.4万吨，同比增长1.3%。综合各地气候的差异，各地草谷比也呈现相应的差异，据估算，四川省2019年产生的粮食秸秆近3000万吨，油料秸秆超过900万吨。随着城市化进程的加快和农村经济社会的发展，秸秆被直接用作生活燃料的需要已经逐渐减少，剩余秸秆往往被直接焚烧用于田地基肥，但这种焚烧方式既浪费了生物质能源，又引起严重的空气污染，影响民航飞行。近几年，为减轻对空气的污染，很多地区已经出台相关的政策，禁止在农田里直接焚烧秸秆。2018年2月，党中央、国务院在《关于实施乡村振兴战略的意见》中明确指出要推进农村可再生能源开发利用，同年7月，国务院在《打赢蓝天保卫战三年行动计划》中提出要加快调整我国的能源结构，构建清洁低碳高效的能源体系，今年十月底《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中明确提出在“十四五”期间要“推动能源清洁低碳安全高效利用”。

四川农村已经实现整体脱贫，但是城市和农村的能源利用差距还很大，特别是农村清洁能源的利用发展严重滞后，与美丽乡村的要求还有很大的差距，如果这些问题在“十四五”期间得不到解决，就无法实现能源清洁低碳安全高效利用，也很难实现我国的碳减排和碳中和目标[11]。由于生物质在燃烧过程中排放的二氧化碳是植物生长时通过光合作用吸收的二氧化碳，不会增加大气中的二氧化碳总量，并且在燃烧过程中二氧化硫和氮氧化合物的排放量很低，生物质能在国际上被称为二氧化碳零排放（又称碳中和）[12]，满足国家对环保和清洁能源的要求，具有较大的发展潜力。因此，在农村发展清洁能源是生态文明建设和美丽乡村建设的重要组成部分，对改善农村人居环境、推进美丽乡村建设、促进乡村振兴具有重要的作用[13]。

3 农村生物质能源利用的现状和存在的问题

当前，我国生物质能源的发展与新能源产业的发展相比相对滞后，生物质材料在很多地方往往是采取焚烧的方法进行处理，生物质能源的平均利用率不到20%。生物质能源化利用最多的是农村沼气和生物质秸秆发电。由于农村大多采取分散居住模式，传统的农村沼气池往往是每家每户单独建造，容积较小，只能满足家庭照明和日常生活需求，但是这种模式带来设备维护困难，特别是设备使用寿命到期后容易造成环境污染等问题，如沼液泄漏后会造成地下水污染，秸秆气化产生的煤焦油没有专业人员进行处理也会造成环境污染[14]。

秸秆用于发电是能源化利用的又一途径，但是遇到的第二个问题就是收集半径大，运输成本高，收、储、运服务体系尚未建立。没有形成从农作物种植、收集、运输及加工利用的完整产业链，秸秆加工利用企业布局不合理，缺乏龙头企业带动，产业链经营和综合利用产业化发展缓慢。同时，由于生物质发电的高上网电价，导致农民放弃选择用电，而重新选择使用煤炭，这种结果只是用农民焚烧烧煤的方式替代电厂集中烧煤，仍然没有减轻对环境的污染[15]。

生物质能在推广的过程中，出现推广困难等问题。根据农业部对8个省的调查研究发现，秸秆离田综合利用成本较高[16]，农村清洁能源设施和技术开发利用成本也较高，当前农村大多数是老年人或留守妇女、儿童，文化层次往往不高，新技术的推广比较困难，尤其是从事生物质能源的专业人员缺乏，没有形成较为有效的推广网络和推广体系。因此，如何从农村实际出发，坚持因地制宜的原则，从根本上构建和完善推广网络，将技术和设备有效地落地到农村是生物质能源发展的基础性问题[17]。

生物质能源的配套和扶持政策有待进一步完善。虽然国家已经对秸秆的综合利用制定了一系列的政策，但是这些政策往往只是针对生产的某一个特定的环境，没有按照产业链的发展形成系统的配套支持政策，政府在生物质燃料的收集、储存和运输等关键环节缺乏相应的政策支持，让社会力量参与农村生物质能源建设的激励力度还不够，影响了秸秆的综合利用。财政补贴存在补贴作物种类、补贴区域有限等特点，需要进一步激发农民参与秸秆综合利用的积极性[18]。

4 农村生物质能源利用的发展前景分析

秸秆能源化利用的主要方法为燃烧、热化学处理法、生物化学法和物理化学法等，可转化为电能和固体、液体、气体燃料等二次能源。

一是秸秆发电。我国农村电网存在电力结构不完善和设备发展水平落后等问题，往往无法满足农村日益增长的用电需求[19]。利用秸秆替代煤炭为燃料进行发电，由于秸秆的含硫量只有煤炭的1/5-1/4，可以减少二氧化硫的排放量，为农村用电和节能减排开辟了一条新的途径。发电前先将秸秆进行预处理，将秸秆碎化，然后压制固化成体积小、便于储存、热值高的高密度固体燃料，作为发电厂生物质发电燃料，在燃烧过程中生产蒸汽带动蒸汽轮机和发电机发电。

二是秸秆气化。秸秆气化的传统方式是秸秆生物发酵制沼气。San等对柬埔寨农村地区使用的4种能源进行了经济和环境成本的分析，结果表明使用沼气的家庭能源成本较低，沼气是农村最为合适的能源消费结构[20]。Wang Xiaohua等通过对比分析有沼气农村家庭和无沼气农村家庭的用能结构，结果显示生物质能有助于改善农村的能源结构，使用沼气的家庭人均能源消耗量明显下降，每户家庭年均减少了163.5 kgce[21]。由于秸秆生物质主要是碳氢化合物组成，新型的秸秆生物质气化技术是以秸秆为原料，通过在厌氧环境下，采用干馏热解法等化学方法，秸秆在气化过程中经过热解、还原等反应，转化成一氧化碳和氢气等可燃气体，生成品味较高、易于输送的气体燃料，该方式能源利用率高，比直接燃烧秸秆的热效率高3倍多，综合热效率可达40%以上[22]。

四是秸秆液化。由于秸秆的主要成分是大分子多糖化合物纤维素，可以将秸秆直接粉碎进行生物发酵生产乙醇，进一步生产乙醇汽油，达到节约石化燃料或者替代汽油的目的。Liu等分析了日本生物乙醇项目的环境负荷指标，结果表明生物乙醇的环境负载率、环境影响比等具体指标均低于石化燃料，有利于环境保护和可持续发展[23]。德国、日本等国家都在积极开发生物质液体燃料，利用不同比例的废弃木材、农作物秸秆和其他废弃生物质混合，生产生物合成柴油和石脑油，生物质液化技术是生物质能源转化的最新方向。