前言：与其他可再生能源如风能和太阳能相比，生物质能不仅十分稳定，易于存储，且应用领域非常广泛，不仅可以直接产电、供热、热电联产，还可以产生生物甲烷并入天然气管道，在交通领域也大显身手，是唯一可以直接替代传统化石燃料的可再生能源。除此之外，通过对垃圾和废料的再利用，对生态环保也做出了巨大贡献，同时还可以参与农村分布式能源建设并振兴地方经济。生物质能产业本身就具有很强的能源综合利用特点与优势，因此本期综合能源关键技术系列将对全能的生物质能展开详细介绍。
关键词：综合能源 生物质能
一、原理简介
1.1 生物质原材料分类
生物质能是指所有来自植物、动物和人类的有机物质，从农耕时期开始就作为常见的热能被使用，随着科技的发展在发电和燃料动力领域也有了用武之地。综合来看，生物质能大体可以分为三大类：木材生物质能、 农业生物质能以及垃圾废物。
1）木材生物质能
木材通常被认为是一种气候友好型燃料，常以木柴、木制颗粒和木屑三种形式使用。
表1 . 木材生物质能分类 【1】
2）农业生物质能
除了食品和饲料之外，农业产品也可作为工业原料以及能源材料使用。
表2. 农作物生物质能分类【1】
3）垃圾废物生物质能
垃圾废物不仅能提供肥料，也可作为能量材料使用，且不会带来严重的生态和社会经济风险。
表3. 垃圾废物生物质能分类 【1】
1.2生物质能能源生产设备
为了将上述三大领域的生物质能源材料转化为能源的终端形式，即电、热和燃料，需要各种各样的能源生产设备（见表4），综合来看，热电联产是生物质能领域常见的供能技术，这也侧面反映了生物质能作为一种可再生能源的高效性。
表4. 生物质能各领域所使用的能源生产设备 【2】
1.3生物质能相关技术
综合来看, 目前世界上较为成熟且能够实现规模化开发利用的生物质能技术主要包括生物质能的发电产热、生物液体燃料、沼气和生物质成型燃料等。除此之外, 还包括很多生物质能转化技术如直接燃烧技术、致密成型技术、气化技术、 裂解、 植物油酯化技术、城市垃圾填埋气发电和供热、生物质发酵乙醇技术、炭化技术、沼气发电技术等。从生物质能产品的角度划分，还可以分为固体生物燃料（常用于直接发电 / 供热 ）、气体生物燃料（常用于生产沼气与车用甲烷、生物制氢等）以及液体生物燃料（常用于生产燃料乙醇、生物柴油、BTL）以及其他衍生品等。目前，欧盟国家已经形成了从生物质能原料收集、储藏、预处理到燃料生产、配送和应用的整个成熟产业链，其技术体系也相对成熟完善。【3】。这里将对以下几种常见的生物质能技术做一些简要的介绍。
1）热电联产技术
热电联产是利用热机或发电站同时产生电和热的一种技术，扩展应用版本还包括冷热电三联产，在之前的系列文章中也有过专题介绍。通过对废热的再利用，热电联产设备的能源效率可以达到90%以上。热电联产设备可以分为电导系统和热导系统，电导系统优先满足了电需求，热导系统则相反，相较之下，由于热损失相对较少，因而热导系统的能源利用率会更高一些。以一个典型的小型热电联产设备为例，其工作原理如下图所示。内燃机燃烧燃料所产生的动力会推动发电机运作从而产生电能，此外通过利用这个过程中产生的废热借助热交换可以对水进行加热从而起到供热的功能。
图 1. 热电联产设备工作原理【4】
2）沼气生产技术
气体生物质能沼气的原料主要有动物粪便、能源作物、 有机残留物或食品工业中的废料或副产品，因而农村是沼气生产的主要地区。原料在温度在 32 到 42 摄氏度之间的密闭发酵罐中借助细菌发酵，最终形成由约三分之二的甲烷、大于三分之一的二氧化碳以及微量的氮气、氢气、氧气等组成的混合气体，即沼气。通过提炼加工处理后，还可以得到纯度高于96%的生物甲烷（图中步骤1），最终直接进入天然气管道（图中步骤3）。而甲烷提炼过程中捕集到的二氧化碳部分也可以用于电转气技术的甲烷化过程或其他用途（图中步骤2）。
图 2. 沼气生产应用链条【5】
除上文中沼气生产用到的生物发酵法外，还有其他很多生产生物质气体燃料的技术，例如高温热解法、等离子体热解法、熔融金属气化法、超临界水气化法等。其中，无气化剂的气化反应称为热解气化，有气化剂的气化可分为氧气气化、水蒸气气化、空气气化和复合气气化。【3】
3）其他技术
除此之外，还有固体生物质能燃料技术，包括生物质成型燃料和生物炭技术，其中生物质成型燃料技术又分为生物质颗粒、生物质块及成型设备的制造技术。而液体生物质能又包括生物柴油和燃料乙醇两种技术。其中，生物柴油有常规碱（酸 ）催化技术、高压醇解技术、酶催化技术、超临界（ 或亚临界）技术。而燃料乙醇则包括木薯乙醇、甜高粱乙醇和纤维素乙醇。
二、生物质能的优势
有关生物质能的优势在交能 最新推出的生物质能系列第一篇：生物质能——未来能源战略的支柱产业 中已经有过详细的介绍，这里只给出总结。
1. 无论是固体生物质如木材垃圾等还是气体生物质如沼气等，相较于风能太阳能都易于储存，
2. 对传统化石燃料如石油天然气等的可替代性高，因而可以有效减少对化石能源的依赖，
3. 生物质能是二氧化碳中性的，温室气体排放少于传统化石燃料，对环境友好，
5. 生物质能产业链为大众创造了新的工作机会。
三、生物质能相关的经济性
表5. 不同沼气生产设备的投资额度【6】
前期高昂投资之后，生物质能相关设备运行的经济效益还是相对可观的。以国内某大型养猪场为例，其生产的沼气可以作为燃料或者直接出售获取一定的收益。但若想获得更高的经济效益往往要通过热电联产的模式，即利用生产沼气发电上 获得政府补贴，同时利用发电机的余热满足日常热能消耗，以此间接提升经济效益。该养猪场的年沼气产量为438万立方米，净化后可以达到9.63GWh的发电量，除去其他辅助设备所自消耗的8%-10% 的电量外，还有8000余MWh可以上 ，创造电能价值为645万元。此外年产冷量为31.5TJ，对应节约电能1335GWh，经济效益为100万元，因而可获得总计为745万元的收益。【7】
四、国内生物质能政策支持
1. 国家发改委修订发布了 《产业结构调整指导目录(2019年本)》将于2020年1月1日起正式实施，其中有数项生物质相关产业列入鼓励类目录，涉及生物天然气、生物质能清洁供热、燃煤耦合生物质发电、非粮生物质燃料，以及相关技术开发与设备制造等多个领域。【8】
2. 2019年国家税务总局发布了《支持脱贫攻坚税收优惠政策指引》，其中一些政策惠及农村电 与生物质能：农村电 维护费免征增值税; 以部分农林剩余物为原料生产燃料电力热力实行增值税即征即退100%;以农作物秸秆及壳皮等原料生产电力等产品实行减按90%计入企业所得税收入总额;沼气综合开发利用享受企业所得税“三免三减半”。【9】
3. 《可再生能源电价附加收人调配暂行办法》包括生物质能在内的可再生能源发电项目的接 费补贴，包括输变电投资和运行维护费。此外，对电 公司全额接受生物质发电企业上 电量也做出了相关规定。【10】
4. 根据《中华人民共和国企业所得税法实施条例》，生物质发电企业享受企业所得税减免，自项目取得第一笔生产经营收入所属纳税年度起，第一年至第三年免征企业所得税，第四年至第六年减半征收企业所得税。【10】
5. 国家发展和改革委员会《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》，确定了全国统一的农林生物质发电标杆上 电价标准。【10】
6. 国家发展和改革委员会《关于完善垃圾焚烧发电价格政策的通知》,明确了垃圾发电上 电价标准。【10】
7. 生物天然气被列入国家能源发展战略，国家能源局向各省及九家央企下发了“国家能源局综合司关于请编制生物天然气发展中长期规划的通知”(以下简称“通知”)。【11】
除上述所列生物质能政策以外，我国还有很多其他激励生物质能产业发展的利好政策。“十三五”规划中对我国的生物质能的发展布局与建设重点做出了重要指示，涉及领域涵盖生物天然气，生物质成型燃料供热，生物质发电与生物液体燃料。即将到来的“十四五“，也会迎来我国生物质能产业的大发展。此外，国家发改委和国家能源局正在收集各方意见修改《中华人民共和国能源法》，在各方努力谏言下，相信未来会有更多的生物质能利好政策和法律法规相继出台。
五、国内外案例介绍
国内：雄安新区的绿色能源
国内：部分生物质能项目汇总
除以上三个项目外，还有非常多的生物质能项目，例如在《2019年中国生物质发电工程新建项目汇编》【17】中也对全国该领域相关的项目案例进行了汇总。
欧洲：航空生物燃料工厂
美国：来自动物园垃圾的清洁能源
密歇根州立大学团队用底特律动物园的粪便和食物垃圾通过厌氧消化池变身为清洁能源，为动物园的运营提供部分动力。有机废物在高温的厌氧消化密封罐中会发生降解产生沼气，利用沼气产电可以为动物医院提供电力，不仅可以降低电力成本，也可以减少温室气体排放。【19】
德国：生物天然气工厂
参考资料：
【1】 Biomasse, Arten der Nutzung, Energie-Atlas Bayern,
https://www.energieatlas.bayern.de/thema_biomasse/nutzung.html
【2】 NUTZUNGSPFADE VON BIOMASSE, ENERGIEHOLZ, ENERGIEPFLANZEN UND RESTSTOFFEN，
https://www.unendlich-viel-energie.de/mediathek/grafiken/nutzungspfade-von-biomasse-energieholz-energiepflanzen-und-reststoffen
【3】 袁惊柱,朱彤，《生物质能利用技术与政策研究综述》,中国社会科学院工业经济研究所
【4】 Philipp Hermann，Funktionsweise des BHKW: Gekoppelte Energieproduktion，heizung.de
【5】 Die Energiezukunft f?ngt im Alltag an, gaz energie
【6】 Leitfaden Biogas von der Gewinnung zur Nutzung
https://biogas.fnr.de/gewinnung/wirtschaftlichkeit/
【7】 李利，《生物质沼气发电的利用模式即效益分析》，中国华电科工集团有限公司
【8】
http://www.cnenergy.org/xny_183/swz/201911/t20191112_757591.html
【9】
http://www.cnenergy.org/yw/zc/201908/t20190823_756789.html
【10】
http://www.cnenergy.org/xny_183/swz/201903/t20190327_753756.html
【11】
http://www.cnenergy.org/xny_183/swz/201812/t20181212_750858.html
【12】
http://www.cnenergy.org/xny_183/swz/201909/t20190919_757099.html
【13】
https://newenergy.in-en.com/html/newenergy-2366917.shtml
【14】
http://www.cnenergy.org/xny_183/swz/201811/t20181122_740558.html
【15】
http://www.cnenergy.org/gj/201908/t20190829_756868.html
【16】
http://www.wri.org.cn/Site_Tour_Distributed_Renewable_Energy_Dacheng
【17】
http://www.indodo.com/news.asp?id=7336
【18】
http://www.cresp.org.cn/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=13&id=48
【19】
http://www.cnenergy.org/xny_183/swz/201807/t20180730_670141.html
【20】
https://www.stadtwerke-merzig.de/energiewende/bioerdgasanlage.html
【21】
https://waste-management-world.com/a/in-depth-waste-to-aviation-fuel-time-for-take-off
【22】
https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/bioenergie#Reststoffe
【23】
https://www.unendlich-viel-energie.de/mediathek/grafiken/nutzungspfade-von-biomasse-energieholz-energiepflanzen-und-reststoffen
【24】
https://www.businesstraveller.com/business-travel/2019/08/20/british-airways-and-shell-plan-europes-first-commercial-waste-to-jet-fuel-plant/
栏目负责人 | 晋羽华琛
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