木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)

第38卷第10期上海交通大學(xué)學(xué)報Vol 38 No, 102004年10月JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITYoct.2004文章編號:1006-2467(2004)10-1715-04木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)胡志遠,戴杜,浦耿強,王成燾(上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200030)摘要:利用生命周期評價(jià)理論,建立了木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)模型.以總體能源消耗、化石燃料消耗、石油消耗、凈能源產(chǎn)出和能源綜合利用率為評價(jià)指標,對木薯燃料乙醇進(jìn)行了生命周期能源效率評價(jià),結果表明:與汽油相比,木薯燃料乙醇生命周期整體能源消耗增加2%,化石燃料消耗降低54%,石油消耗降低96%,凈能源產(chǎn)出偏低45%,能源綜合利用率偏低8%.木薯燃料乙醇是潛力巨大的綠色燃料關(guān)鍵詞:木薯;燃料乙醇;能源效率;生命周期中圖分類(lèi)號:TE09文獻標識碼:ALife Cycle Energy Efficiency Assessment ofCassava-Based Fuel EthanolHU Zhi-yuan, DAl Du, PU Geng-qiang, WANG Cheng-tao(School of Mechanical Eng, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200030, China)Abstract: A life cycle energy assessment model of cassava-based fuel ethanol was established based on lifecycle theory. The life cycle total energy, fossil fuels, and petroleum consumption, net energy yield, andoverall energy utilization degree of cassava-based fuel ethanol were assessed. Compared with conventionalgasoline, the life cycle total energy consumption of cassava-based fuel ethanol is higher about 22%, whilethe fossil fuels consumption, petroleum consumption, net energy yield, and overall energy utilization de-gree are lower about 54%,96%,45% and 8% respectively. The cassava-based fuel ethanol is a potentialn fuel for automobileKey words: cassava; fuel ethanol; energy efficiency life cycle預計到2020年,我國的原油需求量約為3.66開(kāi)始乙醇汽油應用試點(diǎn)廣西石油供需缺口到2005億t,供求缺口約為1.8億t,石油自給率僅為2020年將達到191~303萬(wàn)t,急需接替資源60%左右,1999年,我國汽油終端消耗總量為因此,結合我國的燃料乙醇政策和西部大開(kāi)發(fā)戰略,3379.63萬(wàn)t,其中交通運輸行業(yè)消耗1265.52廣西壯族自治區政府正在進(jìn)行利用當地豐富的木薯萬(wàn)t2,占總消耗量的37.4%隨著(zhù)汽車(chē)保有量的持資源生產(chǎn)燃料乙醇可行性研究本文的研究目標是續增加,由交通運輸導致的石油消費增加將不容忽從生命周期角度出發(fā),對木薯燃料乙醇進(jìn)行能源效視我國于2001年頒布了“變性燃料乙醇”和“車(chē)用率評價(jià),為廣西壯族自治區政府提供決策依據乙醇汽油”兩個(gè)國家標準,在河南、吉林、黑龍江等省中國煤化工收稿日期:2003-0904基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50175070CNMHG作者簡(jiǎn)介:胡志遠(1970-),男,河北安國人,博土生,主要研究方向為綠色設計生命周期評價(jià)等.王成(聯(lián)系人),男,教授,博士生導師,HB iE(Tel ) 021-62932905:E-mail, trib@sjtu. edu. cr1716上海交通大學(xué)學(xué)報第38卷1研究方法Er、化石燃料消耗(E)、石油消耗(E)、EN和生命周期能源綜合利用率(R),它們組成評價(jià)指標矩陣:1.1生命周期框架木薯燃料乙醇的生命周期是從“木薯種植”到其中:“燃燒/車(chē)輛使用”的系統過(guò)程由“原料生產(chǎn)”、“燃料E7=∑∑En,E1=∑∑E,E=∑生產(chǎn)”和“燃燒/車(chē)輛使用”三個(gè)子過(guò)程組成.具體包括木薯種植、木薯干片加工及運輸、木薯乙醇生產(chǎn)EN=EG燃料輸配、燃燒/車(chē)輛使用等階段,如圖1所示Er為生命周期i階段j類(lèi)能源消耗量(電、煤、汽太阻能電煤汽油、榮油“化學(xué)品其他油、柴油等);E包括煤(固態(tài)化石燃料)、汽油、柴油原料生產(chǎn)(液態(tài)化石燃料)及發(fā)電和化學(xué)品生產(chǎn)消耗的固態(tài)燃料生產(chǎn)木薯種液態(tài)化石燃料;EE,為生命周期i階段j類(lèi)化石燃料木薯乙醇生產(chǎn)消耗量;E為生命周期i階段石油消耗量木薯干片以汽油或木薯燃料乙醇在發(fā)動(dòng)機氣缸中燃燒釋加工及運輸料輸配放1MJ內能為研究對象,以汽油生命周期相應能源效率指標為基準,對木薯燃料乙醇生命周期能源效率進(jìn)行評價(jià)能源輸出1.3數據收集圖1木薯燃料乙醇生命周期框架(1)數據來(lái)源生命周期評價(jià)數據一般包括測Fig. 1 Life cycle framework of cassava-based fuel ethan算數據(統計和未統計)模擬數據、非測算數據(如估計的)等.木薯燃料乙醇生命周期數據包括:化在木薯燃料乙醇生命周期過(guò)程中,“原料生產(chǎn)”學(xué)品(化肥、農藥)生產(chǎn)能源消耗數據;木薯種植、管子過(guò)程中木薯種植階段吸收太陽(yáng)能(E,),通過(guò)光合理及收獲階段化學(xué)品能源需要量數據;某種特定乙作用轉化成木薯中的淀粉,同時(shí)消耗化學(xué)品、汽油、醇生產(chǎn)工藝能源消耗數據;柴油、煤、天然氣等燃料柴油等能源和材料(En).鮮木薯被加工成木薯干片生命周期能源消耗數據;燃料乙醇生命周期系統中后運輸到乙醇生產(chǎn)廠(chǎng)·在“燃料生產(chǎn)”子過(guò)程中,消耗“運輸”過(guò)程能源消耗數據所涉及的數據類(lèi)型和來(lái)電、煤、或天然氣、重油等能源(En2),把木薯轉化成源如表1所示乙醇,即把“原料生產(chǎn)”子過(guò)程中吸收的太陽(yáng)能轉化表1燃料乙醇生命周期數據類(lèi)型及來(lái)源成木薯燃料乙醇的內能EG,并輸配到加油站.在“燃Tab1 Data type and source of cassava- based fuel ethanol燒/車(chē)輛使用”子過(guò)程,木薯燃料乙醇在發(fā)動(dòng)機氣缸during its life cycle中燃燒,釋放內能,轉換為工質(zhì)的熱能,再通過(guò)工質(zhì)數據類(lèi)型數據來(lái)源的膨脹轉換為驅動(dòng)汽車(chē)行駛的機械能,與生命周期學(xué)品生產(chǎn)測算數據企業(yè)數據、報告、顧問(wèn)總能源消耗(Er)比較,產(chǎn)出凈能源(EN)如圖2平均數掘相關(guān)的LCI所示如 GREET)調整數據雜志、論文、書(shū)太陽(yáng)能木薯種植、管理及收獲測算數據報告、顆問(wèn)原料生產(chǎn)燃料生產(chǎn)燃燒/車(chē)輛使用調整數據雜志、論文、書(shū)醇生產(chǎn)工藝(能源消耗)測算數據企業(yè)數據、報告、顧問(wèn)調整數據雜志、論文、書(shū)能源消耗集合數據參考書(shū)圖2木薯燃料乙醇生命周期能源轉化電、煤、柴油等能源生產(chǎn)調研數據行業(yè)聯(lián)合會(huì )Fig. 2 Life cycle energy conversion of cassava-based平均數據相關(guān)的LCI中國煤化工實(shí)驗1.2評價(jià)方法CNMHG行業(yè)聯(lián)合會(huì )木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)指標包括運輸方式及距離調研數據顧問(wèn)第10期胡志遠,等:木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)17172)數據質(zhì)量評價(jià)按一定的規則把數據的質(zhì)根據質(zhì)量得分對所收集的數據進(jìn)行可靠性、完備性、量等級分為1~5級如表2所示根據質(zhì)量等級對精確度、代表性等指標進(jìn)行定性和定量評價(jià),確定其所收集的數據進(jìn)行打分,每一個(gè)數據質(zhì)量評價(jià)指標是否滿(mǎn)足要求.設定數據的每項質(zhì)量得分≥3為可將對應一個(gè)質(zhì)量評價(jià)分,分數越高表明數據的質(zhì)量接受的合格數據,當數據的某項質(zhì)量得分<3時(shí),則越好,不同的質(zhì)量評價(jià)得分組成數據質(zhì)量評價(jià)矩陣.認定數據為不合格,進(jìn)行及時(shí)替換表2數據質(zhì)量評價(jià)Tab 2 Data quality evaluation質(zhì)量得分評價(jià)指標可靠性已驗證測量數據已驗證假設數據未驗證假設數據經(jīng)專(zhuān)家評估數據未經(jīng)專(zhuān)家評估數據未驗證測量數據完整性合適期限合適期限較短期合適期限較短期限充足樣本點(diǎn)少量樣本點(diǎn)合適樣本點(diǎn)較少樣本點(diǎn)少量樣本點(diǎn)時(shí)間相關(guān)性<2a<4a<8a<12a地理相關(guān)性研究地域包含研究地域相似地域部分相似地域未知地域技術(shù)相關(guān)性研究工藝和原材料研究工藝和原材料研究工藝和原材料不同工藝和原材料不同工藝和原材料研究企業(yè)不同技術(shù)相同技術(shù)不同技術(shù)(3)數據收集及確認.木薯種植及木薯乙醇生出的關(guān)鍵因素是開(kāi)發(fā)新的木薯燃料乙醇生產(chǎn)工藝產(chǎn)相關(guān)數據通過(guò)在廣西實(shí)地調研、咨詢(xún)相關(guān)專(zhuān)家等提高木薯乙醇生產(chǎn)過(guò)程中能源轉化效率方式獲得;化肥、汽油、柴油、煤等材料或能源輸入數2.2化石燃料消耗據根據美國能源部阿岡國家實(shí)驗室發(fā)表的 GREET汽油和木薯燃料乙醇生命周期化石燃料消耗如模型;代入中國化邊界條件計算得到;部分數據來(lái)圖4所示,由于木薯燃料乙醇是由太陽(yáng)能轉化而成自公開(kāi)出版的文獻資料-經(jīng)檢驗,這些數據滿(mǎn)足的綠色能源,在“燃燒/車(chē)輛使用”子過(guò)程中釋放1每項質(zhì)量得分≥3的數據質(zhì)量要求MJ內能中包含的化石燃料能源為零.因此,雖然木薯燃料乙醇生命周期“燃料生產(chǎn)”子過(guò)程的化石燃料2評價(jià)結果消耗比汽油高108%,其生命周期化石燃料消耗仍2.1整體能源消耗比汽油低54%.可見(jiàn),在廣西推廣木薯燃料乙醇,可汽油和木薯燃料乙醇生命周期整體能源消耗如以降低對化石燃料的消耗圖3所示.可見(jiàn),生產(chǎn)1MJ木薯燃料乙醇生命周期汽油整體能源消耗比生產(chǎn)相同能量的汽油高22%顯口乙醇然,導致木薯燃料乙醇生命周期整體能源消耗高的主要原因為木薯燃料乙醇“燃料生產(chǎn)”子過(guò)程的高能源消耗(比汽油高107%).所以,降低木薯燃料乙醇生命周期整體能源消耗、提高其生命周期凈能源產(chǎn)原料生產(chǎn)燃料制造燃燒/車(chē)生命周期輛使用圖4生命周期化石燃料消耗Fig 4 Life cycle fossil fuels consumption2.3石油消耗原料生產(chǎn)燃料制造燃燒/車(chē)生命周期輛使用中國煤化工期石油消耗如圖5CNMHG燃料生產(chǎn)”和“燃圖3生命周期整體能源消耗以m消耗比汽油低,其生Fig, 3 Life cycle total energy consumption命周期石油消耗比汽油低96%.因此,在廣西推行1718上海交通大學(xué)學(xué)報第38卷木薯燃料乙醇可以替代部分石油資源,降低石油消生命周期整體能源消耗升髙、凈能源產(chǎn)出和能源綜耗由于木薯燃料乙醇“原料生產(chǎn)”子過(guò)程需要比“原合利用率較低的主要原因油生產(chǎn)”更多的運輸過(guò)程(例如種莖、鮮木薯、木薯干(3)雖然木薯燃料乙醇的生命周期能源綜合利片等),其“原料生產(chǎn)”子過(guò)程的石油消耗比汽油高用率比汽油低,但隨著(zhù)能源轉化效率高的乙醇生產(chǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā),木薯燃料乙醇的生命周期能源綜合利用率將隨之升高,同時(shí)考慮到其凈能源產(chǎn)出的可再四汽油生性,木薯燃料乙醇更充分地利用太陽(yáng)能資源,是潛0口乙醇力巨大的綠色燃料4)對木薯燃料乙醇進(jìn)行系統的生命周期能源效率評價(jià),可為廣西自治區政府充分利用當地豐富木薯資源,進(jìn)行木薯燃料乙醇燃料決策提供依據原料生產(chǎn)燃燒制造燃燒/生命周期輛使用參考文獻:圖5生命周期石油能源消耗[1]周總瑛,張抗,王駿.21世紀初中國石油需求分Fig 5 Life cycle petroleum consumption析[].中國地質(zhì),2000,27(8):38-4ZHOU Zong-ying, ZHANG Hang, WANG Jun. Chi-24凈能源產(chǎn)出及能源綜合利用率na petroleum demand analysis at beginning of 21 cen從生命周期角度出發(fā),木薯燃料乙醇的凈能源tury[J]. Geology in China, 2000,27(8):38-40.產(chǎn)出為0.37MJ/MJ,比汽油的凈能源產(chǎn)出(0.67[2]林賢郁中國能源統計年鑒(2001)[M].北京:中國統MJ/MJ低45%.同樣,木薯燃料乙醇“燃料生產(chǎn)”階計出版社,2001.82-395.段的高能源消耗是導致其生命周期凈能源產(chǎn)出低的[3]黃朝關(guān)李志紅廣西石油資源可供性預分析[]廣主要原因.綜合評價(jià)木薯燃料乙醇和汽油的生命周西地質(zhì),2001,14(3);30-32期能源消耗及產(chǎn)出,木薯燃料乙醇的生命周期能源綜合利用率為0.16,比汽油(0.17)低約8%.但是nce on supply condition of petroleum resources of值得注意的是木薯燃料乙醇的凈能源產(chǎn)出是可再生uangxi[J]. Guangxi Geology, 2001,14(3):30-32.[4]鄧南圣,王小兵.生命周期評價(jià)[M].北京:化學(xué)工業(yè)能源,這一點(diǎn)是汽油無(wú)法比擬的.因此,雖然木薯燃出版社,2003.2-73料乙醇的生命周期能源綜合利用率比汽油低,隨著(zhù)[51 Wang m Q.GRET1.5- transportation fuel-cycle乙醇生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,木薯燃料乙醇的凈能源產(chǎn)出model volume 1t methodology, development, use,和能源綜合利用率將隨之升高.因此,木薯燃料乙醇andresults[eb/ol].http://greet.anl.gov/publica-的生命周期能源綜合利用率有提高的空間,同時(shí)考tion. html, 1999-08慮到汽油的不可再生性,木薯燃料乙醇是潛力巨大[6] Wang M Q. GREET1.5 transportation fuel-cycle的綠色燃料之一.model volume 2: appendices of data and results[EB/Olj.http://greet.anl.gov/publication.html,1999-3結論[7]黃潔,林雄,李開(kāi)綿,等.木薯施肥效應研究[冂(1)與汽油比較,木薯燃料乙醇生命周期整體廣西熱作科技,2000,23(3):1-3.能源消耗增加22%化石燃料和石油消耗分別降低HUANG Jie, LIN Xiong, LI Kai-mian, et al. Study54%和96%.在廣西推廣木薯乙醇燃料可以在生命of fertilizers'effect on cassava growth [J]. Guangxi周期整體能源消耗一定程度提高的條件下顯著(zhù)降低Science Technology of Tropical Crops, 2000, 23化石燃料和石油消耗,增強當地燃料系統的獨立性及能源安全性[8]中國電力年鑒編委會(huì ),中國電力年鑒(2001)[M].北(2)與汽油比較,木薯燃料乙醇生命周期凈能京:中國電力出版社,2001.12-14源產(chǎn)出和能源綜合利用度分別偏低45%和8%,木「91厘統計局,中國統計年鑒(2010M.北京:中國統薯燃料乙醇“燃料生產(chǎn)”階段的高能源消耗是導致其中國煤化工CNMHG