上海交通大学 生物技术与人类论文 ANGHAI JIAO TONG UNIVERSTT w 院（系) 软件学院 专业 软件工程 姓名 卢秋旻 学号5100379057 生物能源的起源、发展、现状与展望 卢秋旻 (上海交通大学软件学院，F1003703,5100379057)
生物技术与人类论文 院（系） 软件学院 专业 软件工程 姓名 卢秋旻 学号 5100379057 生物能源的起源、发展、现状与展望 卢秋旻 （上海交通大学软件学院，F1003703，5100379057）
摘要：随着石油等传统能源的日益减少，新型能源越来越成为近年来广大科学工作者的研究重点。本文 通过对国内外相关研究文献的综合分析，阐述了生物能源这一新能源中具有广阔发展前景与应用范围的技 术的由来，现状介绍以及未来应用等问题，并对各项技术的未来研究方向做了详细评述。 关键词：生物能源：展望：研究成果 Origin,development,current situation and outlook of bioenergy Lu Qiumin Abstract:With the petroleum and other traditional energy decreases day by day,renewable energy becomes more and more important point in recent scientific research.In this paper,by a comprehensive analysis of domestic and foreign relative research literature,explains the origin of the broad prospects for development and the range of applications in this new energy in the bio-energy,future research directions of technology above are pertinence discussed. Key Words:bio-energy;outlook,research. 0引言 的。更原始一点的生物能源就是烧木取暖， 这与人类的历史一样久远。生物能源之所以 生物能源既不同于常规的矿物能源，又有别 可以再生是因为生物，特别是植物和微生物， 于其他新能源，兼有两者的特点和优势，是 能够把太阳能转化成有机能源并储存起来， 人类最主要的可再生能源之一。 随着生物的再生，生物能源也就再生了。 生物能源的主要来源出自于各种生物质，包 生物能源怎么好像消失了？原因是传统的生 括动物，植物及其排泄物，另外还有微生物 等。简而言之，就是各种有机物质。其最初 物能源抵挡不住矿物能源的冲击。20世纪初， 电灯的出现把宝洁公司弄惨了，因为蜡烛不 来源均来自于植物等通过光合作用生成的 再是生活日用品。传统的对生物能源的应用， 有机物，因此生物能源的能量的最初来源来 其实就是对于农业产品的一种使用方式，也 自于太阳能。四 就必然会具有传统农业在效率上的一些问 从某种意义上来说，煤炭石油等矿物能源也 题，比如对于土地与人力资源的需求，难以 是由生物能源转化而来的，其唯一的区别就 扩大规模，能量的转化率不高等等。大多数 是这些矿物能源的转化时间太过漫长，由人 传统生物能源都具有杂质过多的问题，很难 类的时间观念来看待己经是属于不可再生 用于工业生产，在成本与产量上也与采矿就 的矿藏。而相比之下，生物能源是一种“活” 能使用的矿物能源相比劣势极大，甚至还有 的能源，是一种可以不断培育的能源，其具 影响粮食生产的问题。因此在工业发展中逐 有可再生性，没有必要担心其会枯竭。 渐被矿物能源所取代。 1起源 2分类 说起来生物能源似乎是一个很时髦的词，还 2.1制品分类) 会给人一种印象：这是一种高新技术。但真 2.1.1燃料酒精 的说起来的话，生物技术的起源是非常古老 燃料酒精又称变性燃料乙醇。根据燃油中酒 的。人类从古至今所使用的各种燃料可以说 精含量的多少，燃料酒精的市场可分为替代 也是生物能源的一种，比如柴木，油脂之类。 燃料（添加高比例乙醇的汽油醇）和燃料添 古代中国人就己经用棉花籽油来点灯。生物 加剂两种。其中燃料酒精作添加剂可起到增 能源作为工业己经有很长的历史。在19世 氧和抗爆的作用，以替代有致癌作用的甲基 纪诞生的美国宝洁公司(Proctere&Gamble)就 叔丁基醚(MTBE)。就目前中国的汽油消耗 是靠用棉花籽油来生产蜡烛和肥皂而起家 量来分析，如全面推广使用汽油醇，所需的 燃料酒精量可达1000×104t。参照国外 情况，如考虑在其他燃料油中添加燃料酒精
摘 要：随着石油等传统能源的日益减少，新型能源越来越成为近年来广大科学工作者的研究重点。本文 通过对国内外相关研究文献的综合分析，阐述了生物能源这一新能源中具有广阔发展前景与应用范围的技 术的由来，现状介绍以及未来应用等问题,并对各项技术的未来研究方向做了详细评述。 关键词：生物能源；展望；研究成果 Origin,development,current situation and outlook of bioenergy Lu Qiumin Abstract: With the petroleum and other traditional energy decreases day by day, renewable energy becomes more and more important point in recent scientific research. In this paper, by a comprehensive analysis of domestic and foreign relative research literature, explains the origin of the broad prospects for development and the range of applications in this new energy in the bio-energy ,future research directions of technology above are pertinence discussed. Key Words: bio-energy; outlook; research. 0 引 言 生物能源既不同于常规的矿物能源，又有别 于其他新能源，兼有两者的特点和优势，是 人类最主要的可再生能源之一。 生物能源的主要来源出自于各种生物质，包 括动物，植物及其排泄物，另外还有微生物 等。简而言之，就是各种有机物质。其最初 来源均来自于植物等通过光合作用生成的 有机物，因此生物能源的能量的最初来源来 自于太阳能。[1] 从某种意义上来说，煤炭石油等矿物能源也 是由生物能源转化而来的，其唯一的区别就 是这些矿物能源的转化时间太过漫长，由人 类的时间观念来看待已经是属于不可再生 的矿藏。而相比之下，生物能源是一种“活” 的能源，是一种可以不断培育的能源，其具 有可再生性，没有必要担心其会枯竭。 1 起源 说起来生物能源似乎是一个很时髦的词，还 会给人一种印象：这是一种高新技术。但真 的说起来的话，生物技术的起源是非常古老 的。人类从古至今所使用的各种燃料可以说 也是生物能源的一种，比如柴木，油脂之类。 古代中国人就已经用棉花籽油来点灯。生物 能源作为工业已经有很长的历史。在 19 世 纪诞生的美国宝洁公司(Procter&Gamble)就 是靠用棉花籽油来生产蜡烛和肥皂而起家 的。更原始一点的生物能源就是烧木取暖， 这与人类的历史一样久远。生物能源之所以 可以再生是因为生物，特别是植物和微生物， 能够把太阳能转化成有机能源并储存起来， 随着生物的再生，生物能源也就再生了。[2] 生物能源怎么好像消失了?原因是传统的生 物能源抵挡不住矿物能源的冲击。20 世纪初， 电灯的出现把宝洁公司弄惨了，因为蜡烛不 再是生活日用品。传统的对生物能源的应用， 其实就是对于农业产品的一种使用方式，也 就必然会具有传统农业在效率上的一些问 题，比如对于土地与人力资源的需求，难以 扩大规模，能量的转化率不高等等。大多数 传统生物能源都具有杂质过多的问题，很难 用于工业生产，在成本与产量上也与采矿就 能使用的矿物能源相比劣势极大，甚至还有 影响粮食生产的问题。因此在工业发展中逐 渐被矿物能源所取代。 2 分类 2.1 制品分类[3] 2.1.1 燃料酒精 燃料酒精又称变性燃料乙醇。根据燃油中酒 精含量的多少, 燃料酒精的市场可分为替代 燃料(添加高比例乙醇的汽油醇) 和燃料添 加剂两种。其中燃料酒精作添加剂可起到增 氧和抗爆的作用, 以替代有致癌作用的甲基 叔丁基醚(MTBE) 。就目前中国的汽油消耗 量来分析, 如全面推广使用汽油醇, 所需的 燃料酒精量可达 1 000 ×104t 。参照国外 情况, 如考虑在其他燃料油中添加燃料酒精
其需求总量可达2000×104t,具有广阔的 个门中，有能源利用价值的主要分布于被子 市场前景。 植物门。被子植物又称为硬木植物 2000年7、8月出版的美国《未来学家》 (hardwood),与裸子植物相比，其再生性 杂志刊登了美国乔治·华盛顿大学专家的预 (resprout)较强，易于去木质化 计：未来10年内，以植物为原料大量生产 (delignification)而有利于转化。 乙醇用于燃料等市场将形成一个大工业，目 2.2.2以光合途径分类 前正处于类似当年石油化工工业准备蓬勃 根据植物的光合途径，能源植物主要属于 发展和石油取代煤成为主要能源的阶段。 C3和C4类型，迄今为止未见有景天酸循 2.1.2生物制氢 环(CAM)）类型的能源植物的报导。一般地， 氢是主要的工业原料，也是最理想的未来能 与C3植物相比，C4植物的光补偿点低， 源，其中氢燃料电池被世界公认为是今后燃 而光饱和点高，在相同的光照辐射强度下 料电池的主导。 C4植物的光合速率较大，水分利用率也较 生物制氢过程可以在常温常压下进行，且不 高，所以C4能源植物有更好的应用前景。 需要消耗很多能量。生物制氢过程不仅对环 但是，C4植物达到其最大的光合速率要求 境友好，而且开辟了一条利用可再生资源的 的温度比C3植物高，说明在低温环境更适 新道路。此外，生物制氢过程可以和废物回 合种植C3类型。欧洲多年研究表明，C3 收利用过程耦合。 光合途径的根茎植物较C4植物在生物量 生物制氢过程可以分为5类： 上表现有明显的差距，在水分、养分利用效 率上也只能达到C4植物的一半。然而，在 (1)利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法； 高纬度地区光合作用受低温和光照影响， (2)有机化合物的光合细菌(PSB)光分解 C3途径的根茎植物却明显优于C4根茎植 法， 物归。 (3)有机化合物的发酵制氢； 2.2.3生活周期分类 (4)光合细菌和发酵细菌的耦合法： 根据植物的生活周期，可将能源植物分为1 (S)酶法制氢。 年生、2年生和多年生植物3类。相当多的 2.1.3生物柴油 能源植物属于1年生植物类，如甘薯、甜高 生物柴油来自于植物油（玉米、棉籽、海甘 梁、菊芋、油菜和续随子(Euphorbia lathyris) 蓝、花生、油菜籽、大豆、向日葵)或动物 向日葵等。2年生类植物能源植物很少，如 脂肪。 甜菜。多年生植物中能源植物较多，又可分 生物柴油的主要优点在于其环境友好性，大 为草本和木本植物2类。草本多年生能源植 气污染小，尤其是硫含量低，是一种优良的 物主要是禾本科根茎类(rhizomatous),如柳 清洁可再生燃料。关于生物柴油的报道首次 枝程、芒草和藕草等，此外，菊芋可通过块 见于1981年南非，1996年世界生物柴油生 茎(stemtuber)繁殖进行多年生生长。木本能 产能力为1263000t。目前国外开始大规模 源植物主要是木质纤维素类（如杨树和柳树 生产生物柴油以适应日益严格的环保要求。 等)和木本油料植物类（如麻疯树和文冠果 等)。 生物柴油的制造方法有以下4种：(1)直接 使用和混合；(2)微乳法：(3)热解，(4)酯交 2.2.4以化学成分组成及其利用分类 换。 能源植物的转化利用与其化学成分组成是 2.2能源植物分类4 密切相关的，其某一组分将是转化利用的主 要原料成分，或者说其主要组分体现着该植 2.2.1植物系统分类 物主要特征，依此将能源植物分为糖料植物 除孢子植物中的少数的藻类植物因其含油 (sugar plant)、淀粉植物(starch plant)、油 率较高、可培养后生产生物柴油外，绝大多 料植物(oil plant)、含油微藻植物(oil 数能源植物属于种子植物。在种子植物的2
其需求总量可达 2 000 ×104t , 具有广阔的 市场前景。 2000 年 7 、8 月出版的美国《未来学家》 杂志刊登了美国乔治·华盛顿大学专家的预 计: 未来 10 年内, 以植物为原料大量生产 乙醇用于燃料等市场将形成一个大工业, 目 前正处于类似当年石油化工工业准备蓬勃 发展和石油取代煤成为主要能源的阶段。 2.1.2 生物制氢 氢是主要的工业原料, 也是最理想的未来能 源, 其中氢燃料电池被世界公认为是今后燃 料电池的主导。 生物制氢过程可以在常温常压下进行, 且不 需要消耗很多能量。生物制氢过程不仅对环 境友好, 而且开辟了一条利用可再生资源的 新道路。此外, 生物制氢过程可以和废物回 收利用过程耦合。 生物制氢过程可以分为 5 类: (1) 利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法; (2 ) 有机化合物的光合细菌( PSB) 光分解 法; (3) 有机化合物的发酵制氢; (4) 光合细菌和发酵细菌的耦合法; (5) 酶法制氢。 2.1.3 生物柴油 生物柴油来自于植物油(玉米、棉籽、海甘 蓝、花生、油菜籽、大豆、向日葵) 或动物 脂肪。 生物柴油的主要优点在于其环境友好性, 大 气污染小, 尤其是硫含量低, 是一种优良的 清洁可再生燃料。关于生物柴油的报道首次 见于 1981 年南非,1996 年世界生物柴油生 产能力为 1263000 t。目前国外开始大规模 生产生物柴油以适应日益严格的环保要求。 生物柴油的制造方法有以下 4 种: (1) 直接 使用和混合; (2) 微乳法; (3) 热解; (4) 酯交 换。 2.2 能源植物分类[4] 2.2.1 植物系统分类 除孢子植物中的少数的藻类植物因其含油 率较高、可培养后生产生物柴油外，绝大多 数能源植物属于种子植物。在种子植物的 2 个门中，有能源利用价值的主要分布于被子 植 物 门 。 被 子 植 物 又 称 为 硬 木 植 物 (hardwood) ，与裸子植物相比，其再生性 (resprout) 较 强 ， 易 于 去 木 质 化 ( delignification) 而有利于转化。 2.2.2 以光合途径分类 根据植物的光合途径，能源植物主要属于 C3 和 C4 类型，迄今为止未见有景天酸循 环(CAM) 类型的能源植物的报导。一般地， 与 C3 植物相比， C4 植物的光补偿点低， 而光饱和点高，在相同的光照辐射强度下 C4 植物的光合速率较大，水分利用率也较 高，所以 C4 能源植物有更好的应用前景。 但是，C4 植物达到其最大的光合速率要求 的温度比 C3 植物高，说明在低温环境更适 合种植 C3 类型。欧洲多年研究表明， C3 光合途径的根茎植物较 C4 植物在生物量 上表现有明显的差距，在水分、养分利用效 率上也只能达到 C4 植物的一半。然而，在 高纬度地区光合作用受低温和光照影响， C3 途径的根茎植物却明显优于 C4 根茎植 物归。 2.2.3 生活周期分类 根据植物的生活周期，可将能源植物分为 1 年生、2 年生和多年生植物 3 类。相当多的 能源植物属于 1 年生植物类，如甘薯、甜高 梁、菊芋、油菜和续随子(Euphorbia lathyris) 向日葵等。2 年生类植物能源植物很少，如 甜菜。多年生植物中能源植物较多，又可分 为草本和木本植物 2 类。草本多年生能源植 物主要是禾本科根茎类(rhizomatous) ，如柳 枝程、芒草和藕草等，此外，菊芋可通过块 茎(stemtuber) 繁殖进行多年生生长。木本能 源植物主要是木质纤维素类(如杨树和柳树 等)和木本油料植物类(如麻疯树和文冠果 等)。 2.2.4 以化学成分组成及其利用分类 能源植物的转化利用与其化学成分组成是 密切相关的，其某一组分将是转化利用的主 要原料成分，或者说其主要组分体现着该植 物主要特征，依此将能源植物分为糖料植物 (sugar plant) 、淀粉植物(starch plant) 、油 料 植 物 (oil plant) 、 含 油 微 藻 植 物 (oil
microalgae)和木质纤维素植物((lignocell 分利用。生物能源的巨大的储存量，使得熵 ulosicplant)5类。 减过程能够以产业化形式得以大规模实现， 3优越性 从而化解能源危机。 3.1生物能源的能源性特点 (3)可储存性与替代性(storable and 目前人类使用的能源绝大部分来自含碳能 substitutive 源，包括煤炭、石油、天然气。其他可再生 生物能源的可储存性是指由于生物能源是 的一次性能源，包括水能、风能、太阳能、 有机资源，所以对于原料本身或其液体或气 地热能、潮汐能都不含碳。生物能源是唯一 体燃料产品可以进行储存。生物能源的可替 的一种含碳可再生能源。生物能源的这种特 代性是指生物质能的载体是以实物的形式 点称之为能源性特点，这种特点使它可以像 存在的，是一种可储存和可运输且不受天气 其他能源一样可以消耗和转化，除了转化为 和自然条件的限制的能源。生物能源的可储 电力外，还可生成油料、醇类、燃气或固体 存性与替代性的特点，使得熵减过程能够以 燃料，特别是它可以在不必对己有的工业技 产业群和产业链的形式得以大规模实现，化 术作任何改进的前提下即可以替代常规能 解能源危机。 源，因而能够满足动态能量循环守恒定律的 (4)碳平衡性(carbon neutral.) 条件，这使得生物能源在解决能源危机方面 生物能源的碳平衡性表现在全球的碳收支 能够发挥重要作用。 中，生物能源燃料释放出来的CO2可以在 3.2生物能源的生物性特点 再生时重新固定和吸收，可有效地减轻温室 绿色植物通过光合作用从太阳能中吸取负 效应，不会破坏地球的CO2平衡。同时生 熵流，维持其生命。生物能源的生物性主要 物质的硫含量、氮含量低，因而污染低。生 表现在生物能源转化的过程是通过绿色植 物能源碳平衡性的特点，使得熵减过程以清 物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质， 洁产业形式得以实现，减少环境污染，化解 使太阳负熵流中有一部分被固定在植物体 能源危机。总之，生物能源的生物性就是具 内，有一部分消耗在维持生命系统有序的过 有和生物相同的熵减性，能够复制和再生， 程中。这种增长的秩序与造成混乱两者在数 因而能够满足动态能量循环守恒定律的熵 值上相互抵消后，其能量实现了平衡。生物 减条件，保持能量守恒，能够在解决能源危 能源的生物性具体体现在以下方面： 机方面发挥重要作用。 (1)可再生(renewable) 4总结 生物能源由于通过植物的光合作用可以再 生物能源具有非常良好的特性，在环境友好 生，和太阳能等同属可再生能源，资源丰富， 度与能量转化率上都具有难以替代的优越 可保证能源的永续利用。只要有太阳，绿色 性，对于未来解决能源危机具有重要的意义。 植物的光合作用就不会停止，生物质能就不 [参考文献] 会枯竭。生物能源可再生特点，使得熵减过 [1] 纪占武，郑文范.关于发展生物能源化解能 程得以实现，能够保持能量守恒，化解能源 源危机的思考，2009,11：492： [2] 袁凌生物能源：一个不断更新的老概 危机。 念，2012.12.25 (2)巨大的储存量(abundant) [3] 杨艳，卢滇楠，李春，曹竹安面向21世纪的生 物能源，化工进展，2002年第21卷第5期 生物能源的巨大的储存量表现在由于地球 [4] 谢光辉.能源植物分类及其转化利用，中国 上生物数量巨大，这些物质所蕴藏的能量相 农业大学学报2011,16(2)：1-7 当惊人。据专家估计，全球每年产生的生物 [51 纪占武，郑文范.关于发展生物能源化解能 源危机的思考，东北大学学报（社会科学 质能的储量为1800亿吨，其总量换算 版)第11卷第6期，2009年11 成能量接近世界能源年消耗量的10倍。 月 生物能源还存在于世界上所有国家和地区， 而且廉价、易取，其生产简单，可以被充
microalgae) 和 木 质 纤 维 素 植 物 (lignocell ulosicplant)5 类。 3 优越性 [5] 3.1 生物能源的能源性特点 目前人类使用的能源绝大部分来自含碳能 源，包括煤炭、石油、天然气。其他可再生 的一次性能源，包括水能、风能、太阳能、 地热能、潮汐能都不含碳。生物能源是唯一 的一种含碳可再生能源。生物能源的这种特 点称之为能源性特点，这种特点使它可以像 其他能源一样可以消耗和转化，除了转化为 电力外，还可生成油料、醇类、燃气或固体 燃料，特别是它可以在不必对已有的工业技 术作任何改进的前提下即可以替代常规能 源，因而能够满足动态能量循环守恒定律的 条件，这使得生物能源在解决能源危机方面 能够发挥重要作用。 3.2 生物能源的生物性特点 绿色植物通过光合作用从太阳能中吸取负 熵流，维持其生命。生物能源的生物性主要 表现在生物能源转化的过程是通过绿色植 物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质， 使太阳负熵流中有一部分被固定在植物体 内，有一部分消耗在维持生命系统有序的过 程中。这种增长的秩序与造成混乱两者在数 值上相互抵消后，其能量实现了平衡。生物 能源的生物性具体体现在以下方面： （１） 可再生（renewable） 生物能源由于通过植物的光合作用可以再 生，和太阳能等同属可再生能源，资源丰富， 可保证能源的永续利用。只要有太阳，绿色 植物的光合作用就不会停止，生物质能就不 会枯竭。生物能源可再生特点，使得熵减过 程得以实现，能够保持能量守恒，化解能源 危机。 （２） 巨大的储存量（abundant） 生物能源的巨大的储存量表现在由于地球 上生物数量巨大，这些物质所蕴藏的能量相 当惊人。据专家估计，全球每年产生的生物 质能的储量为１ ８００ 亿吨，其总量换算 成能量接近世界能源年消耗量的１０ 倍。 生物能源还存在于世界上所有国家和地区， 而且廉价、易取，其生产简单，可以被充 分利用。生物能源的巨大的储存量，使得熵 减过程能够以产业化形式得以大规模实现， 从而化解能源危机。 （３ ） 可储存性与替代性（ storable and substitutive） 生物能源的可储存性是指由于生物能源是 有机资源，所以对于原料本身或其液体或气 体燃料产品可以进行储存。生物能源的可替 代性是指生物质能的载体是以实物的形式 存在的，是一种可储存和可运输且不受天气 和自然条件的限制的能源。生物能源的可储 存性与替代性的特点，使得熵减过程能够以 产业群和产业链的形式得以大规模实现，化 解能源危机。 （４） 碳平衡性（carbon neutral） 生物能源的碳平衡性表现在全球的碳收支 中，生物能源燃料释放出来的 CO２ 可以在 再生时重新固定和吸收，可有效地减轻温室 效应，不会破坏地球的 CO２ 平衡。同时生 物质的硫含量、氮含量低，因而污染低。生 物能源碳平衡性的特点，使得熵减过程以清 洁产业形式得以实现，减少环境污染，化解 能源危机。总之，生物能源的生物性就是具 有和生物相同的熵减性，能够复制和再生， 因而能够满足动态能量循环守恒定律的熵 减条件，保持能量守恒，能够在解决能源危 机方面发挥重要作用。 4 总结 生物能源具有非常良好的特性，在环境友好 度与能量转化率上都具有难以替代的优越 性，对于未来解决能源危机具有重要的意义。 [参 考 文 献] [ 1 ] 纪占武, 郑文范.关于发展生物能源化解能 源危机的思考,2009,11:492; [ 2 ] 袁凌.生物能源：一个不断更新的老概 念,2012.12.25 [ 3 ] 杨艳,卢滇楠,李春,曹竹安.面向 21 世纪的生 物能源,化工进展, 2002 年第 21 卷第 5 期 [ 4 ] 谢光辉. 能源植物分类及其转化利用，中国 农业大学学报 2011 ,16(2):1-7 [ 5 ] 纪占武,郑文范. 关于发展生物能源化解能 源危机的思考, 东北大学学报（ 社会科学 版）第１１卷第６期, ２００ ９ 年１ １ 月