生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析

第31卷第10期太陽(yáng)能學(xué)報Vol 31. No 10010年10月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA0et,,210文章編號:054009%6(2010)10124605生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析歐訓民12,張希良2,常世彥2,郭慶方(1.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,北京10004;2.清華大學(xué)中國車(chē)用能源研究中心,北京10004)摘要:使用清華大學(xué) Tsinghua-CA3EM模型中的We-o-Whes模塊對玉米、木薯、甜高粱制取燃料乙醇和大豆麻風(fēng)果、地溝油制取生物柴油共6條技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行了基于案例的全生命周期計算。結果表明:除木薯制乙醇路線(xiàn)外,其它各路線(xiàn)的化石能源投入都大于所產(chǎn)燃料所含的能量;與汽油、柴油路線(xiàn)相比,各生物燃料路線(xiàn)所需的化石能源減少溫室氣體排放增加;導致此狀況的原因主要為燃料生產(chǎn)能耗高原料種植過(guò)程中肥料消耗多等。綜合考慮,對于窩煤貧油國情而言,現有生物燃料路線(xiàn)具有可行性。關(guān)鍵詞:中國;全生命周期分析;能耗;溫室氣體;生物燃料中圖分類(lèi)號:X382.1文獻標識碼:A0引言氣體排放增加;導致該狀況的原因主要為燃料生產(chǎn)能耗高、原料種植過(guò)程中肥料消耗多。對于我國相近10年來(lái)在促進(jìn)農業(yè)發(fā)展、保障能源安全、應對“富煤貧油”的國情而言現有各路線(xiàn)的發(fā)展仍具對氣候變化和保護生態(tài)環(huán)境等目標驅動(dòng)下,眾多國有可行性。研究結論為我國促進(jìn)生物液體燃料產(chǎn)業(yè)家制定積極戰略和政策,推動(dòng)生物液體燃料產(chǎn)業(yè)的規?；l(fā)展進(jìn)行戰略規劃和政策制定提供了決策基快速發(fā)展以大規模替代傳統石油基燃料12,但是各礎。種生物液體燃料路線(xiàn)是否能夠起到能源替代和溫室氣體 greenhous∞ege,cHG)減排的效果,成為學(xué)術(shù)界1研究方法討論焦點(diǎn)4。從20世紀90年代開(kāi)始文獻[5,6]開(kāi)本研究運用清華大學(xué) Tsinghua-CA3EM模型中整發(fā)了車(chē)用燃料全生命周期( life-cycle-analysis,CA)合了國際上廣泛應用的車(chē)用燃料的能源使用和污染評價(jià)模型LEM、CRET,為各國研究機構和學(xué)者物排放的微觀(guān)分析模型 Greet的能耗及污染物所利用,進(jìn)行了包括生物液體燃料在內的多鏈條對WTw( Well-to-Wheels,從礦井到車(chē)輪)分析模塊進(jìn)行比分析,得出了眾多基于地域特點(diǎn)的結論。國內生分析。GREE已分別應用到北美、歐洲等地區的車(chē)物液體燃料路線(xiàn)的LCA工作主要由清華大學(xué)、同濟用傳統及替代燃料的多條路線(xiàn)LCA分析,其有效性大學(xué)和上海交通大學(xué)的研究人員開(kāi)展,主要還是進(jìn)已被驗證1,在本研究中進(jìn)行了模型結構和數據的行個(gè)別鏈條的對比研究…9-。本地化調整。WW模塊包括WP( Well-to-本文在上述研究的基礎上基于我國國情,進(jìn)一Pm甲p,從礦井到加油機)和Fw( Pump-to-Wheels步采集數據,構建系統模型,通過(guò)循環(huán)迭代計算,開(kāi)從加油機到車(chē)輪)兩個(gè)主要階段前者的研究對象是展基于案例的多路線(xiàn)能源平衡和CHG排放LCA綜上游生產(chǎn)階段(包括資源開(kāi)采/原料種植資源原料合評價(jià),對各種影響因素進(jìn)行定量分析,提出今后的運輸燃料生產(chǎn)、燃料運輸、分配和儲存以及燃料加努力方向。研究表明:目前我國各條生物液體燃料注過(guò)程),后者的研究對象是下游使用階段(即汽車(chē)路線(xiàn)的化石能源投入都大于所產(chǎn)燃料所含的能量;行駛的燃料燃燒和污染物排放過(guò)程)但與傳統石油基燃料相比,所需化石能源減少,溫室H中國煤化工收稿日期:200901-20基金項目:國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)基金(9040016);國家能源局資助項CNMHG土論文資助基金項目(20093)通訊作者:歐訓民(1978-),男,博士、助理研究員,主要從事車(chē)用燃料全生命周期方面的研究。mm@ tsinghua.edu.an10期歐訓民等:生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析12472基本數據耗分別為0.16、1.13M;柴油路線(xiàn)化石能耗為1.30MJ,其中煤、石油能耗分別為016、1.12M),替本研究將玉米、木薯和甜高粱制取乙醇和大豆、代燃料路線(xiàn)的化石能耗有所減少,其中煤炭消耗增麻風(fēng)果和地溝油制取生物柴油( bio-diesel,BD)共6加、石油消耗減少。條路線(xiàn)分別命名路線(xiàn)1~6,與汽油、柴油路線(xiàn)進(jìn)行對3.2 WTW GHG排放情況比研究基于案例的基本參數如表1所示;相關(guān)各種得到并利用1M燃料所帶來(lái)的GHCG排放量情常規能源及GHG排放數據參考文獻[2]。況如表3所示,對比傳統石油基燃料(汽油、柴油路表1基本參數線(xiàn)排放量分別為10392、10259g),除地溝油制取BDTable 1 Basic parameters的路線(xiàn)6僅微增0.38%外,其它都導致1820%~路線(xiàn)序號40.18%的大幅增排。原料玉米木薯甜高粱大豆麻風(fēng)果地溝油表3 WTW GHG排放情況燃料乙醇乙醇乙醇 BD BDBDTable 3 WTW GHG emission原料產(chǎn)量/tk65025008000180500路線(xiàn)種植能耗CJkm240050053049.480N肥投入1如m216.235.053.0509.7排放量/g143.012.81145.6812.43123.46102.98P肥投入/tkm213.312.01403.327增排量/g39.1018941.7619.8420.870.39K肥投入/km213.113.002.71.8增排率/%37.6318.2040.1819.3420.340.38收集半徑km120201001502050注:1.CHG排放量為得到并利用1M燃料導致的排放量(即轉化率/原料包括車(chē)輛運行階段排放量);2.因路線(xiàn)1~5的原料為種植類(lèi)燃料-127016.06.03.320.0生物質(zhì),考慮到植物生長(cháng)過(guò)程吸收CO2,故車(chē)輛運行階段的提煉能耗/GJt1251420353CO2量不計入。輸配距離/km500400300200300100副產(chǎn)品分攤比例%3020203040033化石能耗因素分解替代燃油類(lèi)型汽油汽油汽油柴油柴油柴油表4所示為各路線(xiàn)能源消耗因素分解情況。為注:1.根據文獻[4,9~14]、專(zhuān)家訪(fǎng)談及實(shí)地調研(文獻[2]);得到1MJ燃料,各路線(xiàn)燃料階段消耗量占比為45%2.地溝油收集能耗:從散戶(hù)到收集點(diǎn)30MJt;從收集點(diǎn)到加77%,是最后能源凈值為負數的主因;利用生物質(zhì)工廠(chǎng)135Mt種植獲取原料的路線(xiàn)1~5中,化肥投入耗能是原料3結果分析階段乃至全過(guò)程能耗較高的重要原因,其占總能耗比例為12%~33%(與文獻[3]測算的美國玉米乙醇3.1WTP階段能耗情況路線(xiàn)中肥料(包括農藥)能耗占總能耗的比例28%WTP階段為得到1M燃料所需的各類(lèi)一次能源饔4能源消耗因素分解(%消耗量(包含燃料本身熱值)情況如表2。目前除路Tahe4 Fossil energy consumption factor decomposition(%)線(xiàn)2外的其它路線(xiàn)能源凈值(能源凈值=燃料熱值所需化石能源投入)均為負值。但對比傳統石油基合計100100100100100100燃料(汽油路線(xiàn)化石能耗為1.34M,其中煤、石油能1原料階段4647395523衰2wTP能耗情況1.1種植能耗62202Table 2 WTP12化肥投人22293315121.2.1氮投人1926311212路線(xiàn)23561.2.2磷投入12化石能耗M1.280.961.211.201.231.151.23鉀投人210減少比例/%50628.219.4579055312.101.3農藥投人0070煤能耗M0.930.621.02071078064中國煤化工935增加比例/%464.0378.15189349.73975305.145765石油消耗M0.290.130100360320402.CNMHG 44 74 59減少比例/%74.5488.979107679271.7663.902.2燃料輸配1248太陽(yáng)能學(xué)報31卷相比,目前我國該數值偏高),而肥料投入中,又以氮能達到平衡;對路線(xiàn)13,還可以分別通過(guò)減少肥料肥投入量大為特點(diǎn);種植能耗農藥投入和原料運輸消耗9654%和5461%以達平衡;對路線(xiàn)4還可以也是導致原料階段能耗較多的重要原因;燃料生產(chǎn)降低種植能耗8274%以達平衡。在燃料階段能耗中比例較大而輸配耗能比例較小。相對傳統汽柴油路線(xiàn),各路線(xiàn)不增排GHG時(shí)各34GHG排放因素分解種因素的變動(dòng)情況如表7所示,其中提高單位產(chǎn)量表5所示為各路線(xiàn)GHG排放因素分解情況。方面(3075%~6459%)和減少提煉能耗方面得到并利用1M燃料,各路線(xiàn)原料階段排放量占比(37.04%~79.30%)都能有效影響各路線(xiàn)GHG排為33%-58%,是最后相對傳統汽油、柴油路線(xiàn)放;減少氮肥方面,分別減少9165%、36.09%GHG增排的主因;路線(xiàn)1~5的肥料投入是GHG排63.73%、61.54%和71.63%,可以達到不增排;對路放的重要因素,占比達到24%~46%,其中氮肥投入線(xiàn)4還可以降低91.58%的種植能耗以達到不增排占比24%~45%;由于氮肥施用導致NO排放帶來(lái)對路線(xiàn)5還可以通過(guò)減少運輸能耗60.18%以達到的CHG排放效果,占比約為氮肥使用對GHG總效不增排。果的一半,占比為12%-21%;種植過(guò)程、農藥投入表6凈能源平衡點(diǎn)各因素需要變動(dòng)情況(%和原料運輸也是導致原料階段cHG排放較多的重d6 The factors changing rates for energy balance(%)要原因;燃料階段的GHG排放主要在燃料生產(chǎn)過(guò)程路線(xiàn)序號中產(chǎn)生,輸配過(guò)程中GHG排放占比例較小。提高單位產(chǎn)量54.6948.8347.889.30表5GHG排放因素分解(%)減少種植能耗82.74Table 5 CHG factor decomposition(%減少肥料能耗96.545461減少提煉能耗410030.1338.1825.19路線(xiàn)123456減少運輸能耗合計100100100100100100注:-代表“無(wú)法達到”。1原料階段5158496233337GHG不增排下各因素需要變動(dòng)情況(%1.1種植過(guò)程1.2化肥投人34Table 7 The factors'changing rates for GHG reduction(%)1.2.1氮投入3043452624路線(xiàn)序號121.1N2O效應1821181412提高單位產(chǎn)量59.0330.7560.28364954.631.2.2磷投入減少種植能耗1.23鉀投入減少肥料9734.286245566169.483農藥投入0060氮9165360963.7361.5471.6314原料運輸2燃料階段4942513867672.1燃料生產(chǎn)41493846減少提煉能耗56.7937.765899428737.042燃料輸配1120216減少運輸能耗60.1835各種因素變化對能源平衡、GHG排放影響注:-代表“無(wú)法達到”。如果增產(chǎn)不增肥將減少單位能源產(chǎn)出的肥料投入、運輸能耗因而減少化石能耗總投入;或者減少4結論種植能耗、肥料消耗、提煉能耗和運輸能耗均叮使得1)目前,基于案例所研究的6條生物燃料路線(xiàn)各路線(xiàn)的化石能耗和GHG排放量減少。對各路線(xiàn)與傳統石油基燃料相比均增排GHG;除木薯制乙醇達到能源投入產(chǎn)出平衡(即制得燃料所含熱值等于路線(xiàn)外的其它路線(xiàn)的能源投入都大于所產(chǎn)燃料所含制取過(guò)程的化石能耗)時(shí)各種因素的變動(dòng)情況如表的能量,但與傳統石油基燃料相比各路線(xiàn)所需化石6所示,其中提高單位產(chǎn)量方面和減少提煉能耗方能源中國煤化工少石油消耗;對于面都能有效影響各路線(xiàn)的能源平衡點(diǎn):路線(xiàn)1~4提中國CNMH現有生物路線(xiàn)高約0.5倍單位產(chǎn)量,路線(xiàn)5提高約1倍單位產(chǎn)量,仍具有可行性;就達到平衡;各路線(xiàn)降低30%~40%的提煉能耗,就2)種植類(lèi)路線(xiàn)能耗高GHG排放大的兩大主因期歐訓民等:生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析是肥料消耗和燃料生產(chǎn)。對種植類(lèi)路線(xiàn),農業(yè)生產(chǎn)and powertrains[R]. London: EUCAR, CONCAVE, JRC中習慣使用較多肥料,尤其是氮肥,加之中國超過(guò)IEC,2006半的氮肥以煤炭為原料制得,導致LCA能耗較高;〖8】 Brinkman N,Mhew. Well-to-Wheel analysis of advanced再加上氮肥N2O排放效應,使得 LCA GHG排放量劇fuel/vehicle systems: A north american study of energy use增;燃料生產(chǎn)與提煉過(guò)程能耗較高,且主要以煤炭為[A]. GM Research and Development Center[c],Warren動(dòng)力燃料,導致了LCA的能耗高、GHG排放量大;3)通過(guò)提高單位產(chǎn)量、降低物耗可以改善現有9]柴沁虎生物質(zhì)車(chē)用替代能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[D].北生物燃料路線(xiàn)的LCA表現。京:清華大學(xué),2008,5-95[參考文獻][10]胡志遠,譚不強,樓狄明,等.不同原料制備生物柴油生命周期能耗和排放評價(jià)[門(mén)].農業(yè)工程學(xué)報,200[1] Zhang Xiliang, Lx Wen, et al. Chinese forestry energy[M]2(11):141-146Beijing: China Agriculture Press, 2008[1]張成.木薯燃料乙醇的生命周期3E評價(jià)[D].上海:[2]Ou Xunmin, Zhang Xiliang, Chang Shiyan. Life-cycle analy上海交通大學(xué),2003sis of biofuel pathways in China[ A]. Beijing: Center of Auto- [12] Ou Xunmin, Zhang Xiliang, Chang Shiyan. 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China AutEnergy Research Canter, Tsinghua University, Beijing 100084, ChinaAbstract: For the comprehensive analysis of energy consumption (EC)and greenhouse gas( GHG)emissions of Chinasbio-liquid fuel pathways, the life-cycle- analysis(LCA)of 6 pathways, which are com-, cassava-, and sweet sorghum-de-rived ethanol(EtOH) and soybean -, jatropha fruit-, and waste cooking oil( WCO)-derived bio-diesel( BD) is analyzedThe tool utilized is the WTw( Well-to-Wheels )module of Tsinghua-CA3EM model covering all stages including raw mate-rials cultivation (or feedstock collection), fuel production, transportation and distribution, and application inautomotiveengines, accompanied with comparison with Conventional Petroleum-based gasoline and diesel Pathways( CPP). The re-sults based on case-study show: 1)the fossil energy inputs are larger than the energy contained in the fuel obtained inthese pathways except making ethanol from cassava pathway: 2)compared with CPP, the fossil energy correduced, but the GHc emissions can be increased to some extent; 3)the main factors induced high EC and GHG emis-sion include high EC level during the fuel production stage and high fertilizer application rate during the raw feedstockplantation. The results show that these bio-fuel path ways is fuitable to the country with rich coal and poor oilKeywords: China; LCA; energy consumption; greenhouse gas; biofuel中國煤化工CNMHG