近年來,隨著能源轉型進程進一步加快,作為世界公認的繼煤、油、氣后第四大能源庫,生物質能的應用呈持續增長趨勢。我國也提出在“十四五”期間穩步發展生物質發電,積極發展生物質清潔供暖,加快發展生物天然氣,大力發展非糧生物液體燃料。
生物質能直接或間接地來源于綠色植物光合作用,以化學能形式貯存太陽能,是重要的能源載體,也是唯一的可再生碳資源。它具有可再生、環境友好、清潔低碳等獨特優勢,以固、液、氣等多種形態將能源、材料和化學品緊密聯系在一起,廣泛應用于工業、農業、交通、生活等多個領域。
在現代能源體系中發展生物質能,不僅有利于促進農業規?;l展,還將為應對氣候變化、能源短缺和環境污染等難題起到積極作用。
在交通運輸領域內發展的生物質能主要是燃料乙醇、生物柴油和生物航煤等生物質液體燃料。未來,隨著生物質能產業發展的政策環境進一步完善,技術水平進一步提高,生物質能多元化開發利用或將迎來蓬勃發展新機遇。
燃料乙醇是綠色交通重要支撐
燃料乙醇是目前消費量最大的生物質液體燃料。根據美國可再生燃料協會數據,2015年以來,燃料乙醇產量持續增加,2019年達到8672萬噸,混配出約6億噸乙醇汽油,超過同期車用汽油消費總量的60%。
全球共有66個國家和地區推廣使用乙醇汽油,各國根據自身的資源稟賦等條件發展燃料乙醇產業。美國、巴西是燃料乙醇產業規模最大的國家,約占燃料乙醇總產量的83%。其中,美國以玉米為主要原料生產燃料乙醇,成為世界第一大燃料乙醇生產國,2020年產量約占世界總產量的53%,E10乙醇汽油(含有10%的燃料乙醇)在美國已基本實現全境覆蓋。近期,地緣政治緊張導致能源價格上漲,為降低工薪家庭成本、抑制能源價格增長,美國有意增加乙醇汽油的使用量,銷售E15乙醇汽油(含有15%的燃料乙醇)。
巴西平均年產甘蔗6億多噸?;谪S富的甘蔗資源,巴西已發展成為全球第二大燃料乙醇生產國和消費國,2020年產量約占世界總產量的30%。目前,巴西是世界唯一不使用純汽油作汽車燃料的國家,燃料乙醇摻混比例已提高到27%。
在我國,生物燃料乙醇已實現部分汽油替代,為綠色交通提供了支撐。根據統計,2020年我國燃料乙醇產量達到274萬噸,表觀消費量約為277萬噸。2021年7月,國家能源局印發《2021年能源工作指導意見》明確提出,要加快推進纖維素等非糧生物燃料乙醇產業示范,指出了發展纖維素燃料乙醇將是生物燃料乙醇的重點方向。
生物柴油市場供需前景兩旺
生物柴油幾乎不含硫和芳烴,十六烷值高,是廣泛認可的清潔低碳燃料。2021年以來,受到原油價格上漲、歐洲油脂產量下滑、需求增高等因素影響,生物柴油價格持續上漲,同比上漲35%,最高時超過1.1萬元/噸。
與化石燃料相比,生物柴油的二氧化碳排放量減少50%至90%。市場上銷售的生物柴油包括傳統的酯型生物柴油(主要是脂肪酸甲酯,FAME)和加氫脫氧型生物柴油(HVO)。
2020年全球生物柴油產量約為4290萬噸,同比增長2.8%。生產生物柴油的關鍵原料是動植物油脂,主要包括大豆油、棕櫚油、菜籽油、廢棄食用油等。其中,棕櫚油是生物柴油最主要的原料,占比約39%;大豆油和菜籽油占比分別為25%和15%;廢棄油脂原料約占10%。
美國、歐盟、巴西、印度尼西亞等基于豐富的油脂資源成為生物柴油的主要產地。其中,印度尼西亞主要以棕櫚油為原料生產生物柴油,生物柴油產量約占全球總產量的19%,是最大的生物柴油生產國。
歐盟把生物燃料作為主要替代能源開發和使用。在一系列相關政策法規鼓勵和要求下,歐盟已經成為全球最大的生物柴油生產和消費區,生物柴油產量約占全球總產量的30%。在政策和市場需求的驅動下,歐盟生物柴油產量和消費量逐年增加,但總體仍處于“供小于求”的狀態,需要進口生物柴油以滿足消費市場。
數據顯示,2015年以來,歐盟生物柴油的進口量迅速攀升,2018年以后,生物柴油年進口量超過260萬噸。受疫情影響,2020年歐洲生物柴油進口量約273萬噸,同比降低14%。其中從阿根廷進口量約90萬噸,占比33%,主要為大豆油基生物柴油;從中國進口約85萬噸,占比31%,主要為廢棄油脂基生物柴油,較2019年提高15%;從印度尼西亞與馬來西亞合計進口約63萬噸,占比23%,主要為棕櫚油基生物柴油,較2019年降低25%。根據2021年7月歐盟《可再生能源指令(RED II)》修訂后的指令,到2030年,可再生能源在歐盟能源消費總量中的份額將上升到40%,其中可再生燃料在運輸部門的占比達到26%。由此可見,包括生物柴油在內的可再生能源又將迎來新的發展機遇。
我國油脂資源相對匱乏,主要用廢油脂為原料制備生物柴油,并從2010年開始商業化供應B5生物柴油(柴油中添加5%的生物柴油)。到目前為止,上海已有231座加油站供應由地溝油制備的B5生物柴油。2021年,我國生物柴油產量約150萬噸,同比增長16.8%,出口量約130萬噸,同比增長45%,幾乎全部出口到歐洲。
生物航煤是航空業減碳關鍵
根據國際清潔交通委員會(ICCT)的統計數據,2019年全球客運和貨運航班共排放二氧化碳9.2億噸,約占全球溫室氣體排放量的3.5%。雖然占比較低,但是航空業產生的溫室氣體主要排放在平流層,對氣候變化影響更大。早在2016年10月,國際民航組織(ICAO)第39屆大會就通過了有關建立國際航空碳抵消及減排機制(CORSIA)的決議,成為全球第一個行業性減排市場機制,強力推行航空業減排計劃。CORSIA提出,2025年國際航班生物航煤使用量達500萬噸,2050年國際航班生物航煤使用比例將達到50%的目標。
受新冠肺炎疫情影響,2020年國際航班驟減,因此ICAO要求以2019年航空碳排放量為基準(原基準是2019-2020年的平均值),2021-2035年保持零增長。航煤燃燒排放的二氧化碳約占航空業排放總量的96%以上,是最大的排放源。以生物質為原料生產的生物航煤,具有與化石航煤組成相似、性能接近、減排貢獻大、與發動機和燃油系統兼容性好等優點,因此使用生物航煤被認為是實現航空業二氧化碳減排最有效的手段。
自2009年以來,生物航煤制備技術持續進步,相關產業快速發展。歐美發達國家在技術研發、標準認證等方面走在前列。美國、加拿大、挪威、芬蘭等國已經建立了從原料到應用的完整產業鏈,初步形成了生物航煤規?;M市場。盡管2020年航空燃料使用量急劇下降,但生物航煤市場仍然保持發展。國際航空運輸協會(IATA)批準使用的生物航煤種類已擴大到了7種。截至2020年,有45家航空公司使用了生物航煤,有7家航空公司積極參與投資生物航煤的生產。
2021年,歐盟就其在航空運輸領域減排55%(取代此前減排40%的目標)并擴大生物航煤使用的計劃草案舉行了公開磋商,包括強制摻混指令、拍賣機制、資金和監督等議題。挪威于2020年開始要求所有航空燃料中添加0.5%的生物航煤。荷蘭從2022年開始為所有阿姆斯特丹出港航班的燃料摻混0.5%生物航煤。法國正在立法,要求從2022年開始使用至少1%的生物航煤,到2025年增加到2%,到2030年增加到5%,2050年增加到50%。德國計劃將生物航煤的使用量在2025年增加到0.5%,2028年增加到1%,2030年增加到2%。瑞典也在計劃出臺航空減排措施,要求航空燃料在2030年減排27%。
為響應航空業碳抵消和減排計劃,滿足國內外生物航煤市場需求,我國早在2009年之前就陸續布局開展生物航煤相關研究。中國石油在2011年完成了國內首次生物航煤驗證飛行,儲備了具有自主知識產權的生物航煤制備技術,并且持續推動生物航煤技術研發以降低生產成本。中國石化2014年完成了生物航煤適航評審,2020年在鎮海煉化建成我國首套10萬噸/年生物航煤工業化裝置,隨后啟動了生物航煤生產和可持續性認證工作,并于2021年4月獲得RSB可持續認證。(張家仁 中國石油石油化工研究院)
歐盟將生物質能納入能源轉型框架
近年來,歐盟將綠色低碳能源轉型作為其經濟和產業發展的重要方向,各種傳統化石能源的替代能源都被納入其能源轉型框架,并在能源整體發展戰略以及具體政策上都加以推進,共同構建了歐盟能源轉型“多點開花”“多路并進”的局面。
所謂生物質能,從廣義層面講,是指生物來源材料制成的可再生能源。狹義上講,則是生物柴油等生物燃料。國際可再生能源署將生物質能分為“傳統”和“現代”兩類,傳統生物質能是指木材、動物糞便和傳統木炭等燃料,而現代生物質能包括液體生物燃料、沼氣、木質顆粒燃燒供熱系統等。歐盟委員會則將生物質能定義為將農林副產品、城市垃圾、能源作物等轉化為電、熱、燃料等能源,利用方式可包括生物質發電、生物氣體和生物燃料等。當前,歐盟的生物質能消費已經占可再生能源總消費的近60%。同時,鑒于歐盟處于后現代發展階段以及新一輪能源轉型的先鋒地位,其生物質能事實上更多以“現代”利用方式為主,成為歐盟去化石能源體系中的重要組成部分。
歐盟生物質能產業的發展路徑有著成體系、具有連續性等特點。首先,歐盟構建了生物質能發展的頂層設計框架。自歐盟單一市場構建以來,其共同能源政策就一直在探索中發展,而隨著生物質能逐漸被視作替代化石能源的可行選項之一,歐盟就不斷與時俱進地構建相關政策框架和制度。2003年,歐盟提出了機動車使用生物燃料框架指令,提出生物燃料是應對氣候變化的重要一環,同時制定了2020年生物燃料占歐盟汽柴油消費20%以上的目標。2005年,歐盟委員會發布《生物質能行動計劃》,就生物質能政策目標、燃料標準、產品貿易規則、燃料作物生產用地標準等設計了發展路徑,并且將生物質能發展定位為擴大可再生能源消費及應對化石能源價格上漲的重要方式之一,構建了歐盟生物質能發展的基石。2006年,歐盟發布《歐盟生物燃料戰略》,提出將生物燃料作為交通領域替代燃料之一加以推廣。此后,歐盟在其制定的能源政策全面性政策框架,以及各版可再生能源指令、交通運輸能源指令等具體領域能源法規中,均提及了生物質能的相關發展目標。
近期,隨著歐洲能源安全局勢不斷緊張,加之歐盟對實現碳中和目標的堅持,生物質能在能源版圖中“補充性作用”的定位日漸清晰。2021年7月,歐盟在Fit55氣候能源一攬子計劃中提出,應制定最清潔的生物燃料標準,預計其生物質能消費總量將增加。同時指出,應考慮木材等生物質能的“最優利用”和“可持續性”。2022年5月,歐盟委員會發布REPowerEU能源保障計劃,提出鼓勵包括生物質能在內的可再生能源生產,計劃到2030年使歐盟生物甲烷產量提升至350億立方米,使實現目標的相關投入達到370億歐元,并在創新、伙伴關系、基礎設施等方面加以支持。
其次,歐盟持續采取行動,推動生物質能行業規則的塑造。長期以來,歐盟在生物質能領域強調產業發展與環保效果的有機結合,意圖以相應標準規范內部市場以及相關國際貿易等。在航空領域,歐盟委員會與空客公司以及歐洲多家大型航空公司和生物質能公司在2011年創立了“生物燃料飛行路徑”倡議,共同推動航空業應用生物燃料的進程及相關標準的制定,并促進投融資、公眾宣傳等活動的推進。在道路交通領域,歐盟劃定不同生物燃料等級,將經濟作物以及廢棄食用油脂或動物脂肪等不同原料生產的生物燃料進行分類,還根據“廢物和殘留物的乘數”評估其碳排放影響。在生產的環境影響方面,歐盟在可再生能源指令2008年修訂版和燃料質量指令2009年修訂版中引入“間接土地利用變化”(ILUC)準則,即考慮因生物質能原料種植擴大而造成土地碳儲存能力降低和潛在溫室氣體排放等,將全球部分地區評估為“不適合開發生物質能原料種植”。此后,歐盟分別在2015年和2019年建立“減少生物燃料間接土地利用變化的指令”和“間接土地利用變化授權條例”,進一步規范行業標準,并對加拿大、澳大利亞、克羅地亞等國生物燃料油菜籽生產進行評估。此外,2010年歐盟在ILUC原則基礎上還建立了生物燃料認證計劃,并推動成員國制定與歐盟規則一致的生物燃料標準來約束市場。
在長期多措并舉推動能源轉型以及擴大可再生能源消費量和比重的背景下,歐盟生物質能在過去數十年中總體處于穩步發展的態勢,年消費量從2006年的192拍焦升至2021年的681.9拍焦,占全球的16.1%。2020年歐盟生物質發電量達163.2太瓦時,占歐盟可再生能源發電的15.4%,甚至高于光伏發電的144.2太瓦時。未來,隨著歐盟應對能源地緣政治挑戰以及推進能源轉型的政策導向更為明晰,生物質能特別是沼氣、生物質發電等對化石能源替代性強的領域將有望進一步發展。
需要注意的是,鑒于生物質能本身的性質以及當前國際地緣政治的復雜性,歐盟發展生物質能也面臨不小的挑戰。首先,生物質能毋庸置疑具備“可再生”的特性,但其發展利用是否“低碳”仍飽受質疑。事實上,生物質中的能量轉化為電、熱、光等,通常需要經過燃燒及排放二氧化碳等溫室氣體的過程。而燃燒生物質(木柴)獲得同等規模能量所排放的二氧化碳遠高于煤、石油、天然氣等,其碳能轉換效率偏低仍是不爭的事實。此外,沼氣還會出現甲烷泄漏等問題。因此,有分析認為,生物質能利用很可能與歐盟激進的碳中和目標背道而馳。
其次,生物燃料很大一部分是以甘蔗、玉米等食用作物為原料制造,在當前全球糧食危機不斷加劇的背景下,擴大生物燃料使用無疑面臨越來越大的道德壓力和成本負擔。此外,在全球運輸行業不斷推進電力化和氫能化的趨勢下,歐洲多國進入燃油車淘汰倒計時,這也對生物燃料形成越來越大的擠壓。總體而言,生物質能在歐盟乃至全球的未來能源格局中更可能扮演一種補充性角色,其發展規模和前景將有明顯上限。(董一凡 中國現代國際關系研究院)