生物质炭的应用有哪些(生物炭有哪些用途)

生物质能是全生命周期分析意义上的碳“零排放”能源,国际气候变化界对包括负排放在内的生物质温室气体总体减排效应寄予很大的、甚至被称为控制全球温升1.5℃愿景“唯一”的希望。本文阐述了生物质负碳排放效应发生的机制,全球和中国的理论潜力;探讨了生物质负碳排放的几种切实可行途径;指出生

生物质炭的应用有哪些(生物炭有哪些用途)

生物质能是全生命周期分析意义上的碳“零排放”能源,国际气候变化界对包括负排放在内的生物质温室气体总体减排效应寄予很大的、甚至被称为控制全球温升1.5℃愿景“唯一”的希望。

本文阐述了生物质负碳排放效应发生的机制,全球和中国的理论潜力;探讨了生物质负碳排放的几种切实可行途径;指出生物(性)碳存留远远优于地质碳封存(CCS)且现实可行。

生物质能全生命周期分析LCA)意义上的碳“零排放”能源,其负排放作用是迄今为止任何一种温室气体减排手段都不具备的,但迄今生物质独特的负碳排放作用在国内几乎未被人们认识和谈及。

国际气候变化界公认,如果要实现《巴黎协定》的“1.5℃温升愿景”,即到本世纪末,把全球因温室气体浓度升高而引发的温度升高值控制在1.5℃以下,负排放技术(NETs)不可或缺,这些负排放技术也是实现碳中和和实现零排放的关键。

生物质负碳排放的重要意义

生物质可以通过植物和某些微生物吸收空气中的CO2,而后生物残体进入土壤,碳即能以腐殖质形式长期保留于土层之中;也可以能源利用排放的CO2被捕获(收集)后,用于种植植物养殖藻类被吸收,存在于生物质中;或以物理方式捕获后在地层中存留。

这些生物存留做法最终将大气中已存在的碳“吸出”,而后长期(或永久)封存起来,是任何非生物性碳减排措施所不具备的功能。

避免生物质分解释放沼气甲烷,也具有温室气体负排放作用,如果完全实现所有净零碳排放承诺,并且签约国履行“全球甲烷承诺”,可以让世界将全球变暖限制在1.8℃以内。

  • 生物性碳捕获存留技术

生物性碳捕获存留(BECCS)是一类典型的负碳排放技术,能将CO2从大气中“吸除”并存留起来,从而降低大气中CO2的浓度。

IPCC联合国政府间气候变化专门委员会)为将本世纪末全球CO2浓度控制在0.043%~0.048%范围、以确保本世纪末全球温升控制在2℃乃至1.5℃而提出的116个设想情景中,绝大多数均要依靠BECCS等碳净负排放技术

IPCC在2018年《全球升温1.5℃》特别报告中模拟了4种温室气体减排的途径,唯有大力推行BECCS等碳净负排放技术的途径,才能够实现到2100年累计减排12180亿t的CO2当量(CO2eq)。

  • 生物质的负碳排放潜力

全球BECCS“吸/存”CO2当量(CO2eq)的能力估测可达80~100亿t/年,相当于当今全球年CO2排放总量的1/4左右,其中非CO2温室气体的年负排放量达35亿tCO2eq。

专家分析认为,中国要想实现碳中和目标,必须依靠大规模实施负排放,加上碳直接捕获(DAC),合计每年减少40亿tCO2eq排放。

生物质负碳排放的机制和主要方式

  • 生物质负碳排放的机制

应用生物质产生负碳排放效应,主要有2种机制。

其一是避免或减少生物质在自然状态分解腐烂时形成的CH4和CO2,并加以利用

生物质炭的应用有哪些(生物炭有哪些用途)

有机废弃物的分解过程中碳形态变化

另一类机制则是生物(质)碳存留,通过植物光合作用从大气中吸收CO2,以碳水化合物为主的形态贮存在生物中,它们死亡后在土壤中转化为腐殖质或加工成为生物炭,以有机肥和土壤改良剂形态存在土壤中。

  • 生物质负碳排放——生物性碳存留的主要方式

负碳排放途径包括:BECCS、造林、生物质制生物炭并用作土壤改良剂、改良农业种植方式、通过工程措施从空气中直接从空气中捕捉CO2后加以利用(CCUS)或封存在深层废矿井中、增强矿物碳化、向海洋施(铁)肥以增加海生生物活动多吸碳、向海洋中添加碱以从大气中吸收碳,前4种属于生物质存留,而后4种则是地质性封存(CCS)。

物理方式的CO2捕获加地质封存是迄今讨论最多的,但实际可行性很差,另外3种地质性封存途径目前仍停留在文章讨论中。而生物性碳存留的4种途径则是切实可行的负碳排放途径。

  • BECCS

迄今最为成熟的BECCS之一、负碳排放体量潜力最大的,是生物质直接/与煤耦合发电而后捕获发电过程产生的碳加以利用和存留。

在中国,燃煤发电和供热取暖,运输用油以及生物质分解排放CH4是碳排放的4大源头,其中又以煤电为最。

煤电大规模碳减排的唯一可行途径是生物质与煤耦合发电,用的生物质包括用废弃农、林生物质加工的压缩颗粒和种植的能源植物,前者能直接产生负碳排放效应,后者只是“零碳排放”燃料。

用废弃农、林生物质耦合煤发电加CO2捕获和存留,可获得累加的负碳排放效应。

专家测算,当往煤中掺混35%生物质量时,生物质耦合煤发电再加上碳捕获封存(CBECCS)系统,即可实现我国电力生产全生命周期的零碳排放

  • 生物质制生物炭生物封存碳

生物质在某些特定温度、氧含量和压力条件下,会转化为生物炭

碳的状态极稳定,可以数百年不分解,生物炭携带的有机碳则通过有机肥或土壤改良剂形态进入土壤深层,能将碳长期甚至永久固定

整个生产-利用过程呈典型的负碳排放特征,受到国际气候变化界的高度重视。

  • 植树和种植能源植物

植树是生物质固碳的重要方式,其负碳排放的作用在不同的环境下有差异,如植树在寒带地区有明显的碳负排放效应,在温带效果差,在热带则基本无效。

中国今后将主要通过“边际土地”(包括沙化土地、沙地、荒漠和荒山等)拓展来增加植被面积,但这些地区绝大部分年降水量低于乔木树生长的阈值。

一些豆科的灌木和草类具有强大的根系,高度耐旱,而且根、蘖的再生能力很强,在北方频发的春旱条件下能照常萌发,能够自生固氮,是“退耕”的优选品种和主力。

同时,对植树的固碳作用也要有客观、科学的估计;不能忽视其他方面的生物质固碳潜力。

  • 废弃有机物和能源植物制沼气-生物天然气

CH4是重要的温室气体,其大气增温效应占全部温室气体的20%~25%。当前中国的各种有机废弃物的丢弃和随便堆埋的情况仍比较普遍,而这些都是CH4的重要来源。

沼气的主要成分是CH4,其次是CO2,通过提纯可制得CH4含量90%以上的生物天然气

沼气-生物天然气在减排温室气体和负碳排放方面有着多重效应:利用有机废弃物制造的沼气,可在很大程度上避免未经处理的有机废弃物在自然堆埋状态下发酵产生的CH4;有机废弃物厌氧发酵在生产沼气的同时,还会产生相当量的沼液和沼渣,作为肥料进入土壤后可长时间不分解,把所含碳生物性存留于土壤中;规模化利用沼气作气体和液体生物燃料时,必须对沼气进行提纯,即分离出其内的CO2。

这就为集中处理利用CO2提供了前提条件;在所有的生物燃料中,沼气经提纯而得的生物天然气具有最低的CO2足迹。

充分发挥生物质在负碳排放上的独特作用

应在新的生物性碳存留观念指导下,制定激励政策,确保生物质原料经济、可靠的供给,以有力地推动经实践验证的负碳排放工程在中国的示范推广。

  • 挖掘生物性碳存留的巨大潜力

生物圈”是个巨大的碳库(碳汇),所携能量远远超过化石能源的年消耗量,生物性碳封存潜力巨大,且远比地质碳封存CCS切实可行。

毛乌素生物电厂在沙荒地上种植沙柳,建起了4万hm2能源灌木基地,以平茬的沙柳枝条供6×12 MW发电厂作原料,每年可产生36万t生物质燃料、发电2.1亿kW·h、碳减排量达25.6万t。

此外,该厂每年可捕集15万t发电产生的CO2,用于大面积(大棚)养殖螺旋藻,加上沙柳地下部的固碳量,每年可实现CO2吸收50万~60万t。

这种集减碳、固碳和用碳于一身的“三碳经济模式”,获得2012年联合国环发大会“20年防沙治沙特别贡献奖”。

  • 大力推广燃煤耦合生物质发电

燃煤发电在中国仍要在相当长时段内起到电力“压舱石”作用,然而当前燃煤发电的碳减排已进入“瓶颈”阶段,而且经过多轮改造,燃煤电厂的单位发电量煤耗率已降到接近顶点。

燃煤耦合生物质发电则将推动煤电向可再生能源发电的过渡,还可以保障风、光电加速与可靠发展。

制定相应政策,推动煤电在高效低煤耗基础上的耦合混烧生物质发电,是煤电低碳转型的重要举措。

  • 充分利用有机废弃物,扩大生物质的资源基础

发挥生物质的负碳排放作用,既可以从有机废弃物的利用着手,也可以通过种植植物(包括养殖微生物)实现。

中国有机废弃物资源十分丰富,但当前的利用率很低,需要找准原因并尽快解决,同时对有机废弃物进行分类利用

1)排除制约沼气产业发展的障碍

作为沼气的主要原料之一的农作物秸秆,年产出逾10亿t,但目前能源利用率不足3%,相关沼气企业普遍不景气,其他制造沼气的原料也都存在处理利用率低的问题。

沼气-生物天然气产业在中国发展受到多种因素制约,最关键的是缺乏落地政策的支持

一方面,城市有机废弃物被归结为“市政垃圾”,有专项处置经费,农村产生的有机废弃物则无部门负责,而沼气企业得不到处置费且需要购买原材料,普遍亏损;另一方面,作为新兴产业,国家对沼气-生物天然气行业的财政补贴始终没有到位。

有机废弃物总体上可分为干、湿2大类。处理湿态有机废弃物最经济有效的方式是厌氧发酵附产沼气和沼渣/剩余污泥,干态有机废弃物的理想方式则是加工压缩成型后与煤炭耦合发电,或替代锅炉散煤供热供暖。

为了获得更大的负碳排放效应,还要通过种植灌木、草类和林木,扩大生物质的资源基础

2)种植林、灌木和草类

中国边际土地面积远大于耕地,适宜种植能源植物的3类边际土地即,灌木林、疏林地和低覆盖度草地面积的精确测算结果是1.79亿hm2。

如果种植代表性的能源灌木柠条和芒草,可年产12.5亿~17.9亿t生物质原料。

  • 加大纳入碳排放权交易的甲烷减排份额

人类活动的CH4排放占总量的60%左右,其中40%来自农业生产,20%来自有机垃圾农林废弃物生活垃圾的减排潜力很大。

碳排放权交易是国家以市场手段对企业的碳排放额度进行调配,既控制碳排放总量,又鼓励企业通过优化能源结构、提升能效等手段实现减排。

2021年,全国性的碳排放权交易市场启动,覆盖的年排放量超过40亿t。然而首批纳入碳排放交易系统的均为年综合能耗在1万t标准煤以上的火力发电企业,未涉及其他行业和领域。

此外,《关于深化生态保护补偿制度改革的意见》中虽然明确将林业、可再生能源、甲烷利用等领域的自愿减排量(CCER)项目纳入全国碳市场,但只覆盖了有限的试点省市,且规定冲抵配额占碳排放配额的比例过低,农业领域列入的项目过少。

1)CH4减排受国际气候变化界高度重视

CH4的温室效应强度远超CO2,其20年全球变暖潜能值(GWP)为82.5,100年的GWP为29.8,减排的力度很大

凭现有的技术措施,就可以免费或低成本地将人为CH4排放量每年减少20%左右,如果实施更广泛的措施,则可以将人为CH4排放量再减少约45%。

生物质源CH4减排措施即属于效益显著、技术现成、成本低廉的范畴,值得通过采取加大纳入碳排放权交易的CH4减排份额等政策措施加以推进。

2)沼气项目纳入碳排放交易案例

类似排放权交易的CH4减排在中国早有先例。

山东民和牧业公司以鸡粪为原料、年产2万m3沼气用于发电的工程,该项目是中国在联合国气候变化框架公约清洁发展机制执行董事会注册的第一个特大型沼气工程“清洁发展机制”(CDM)项目。

该沼气工程的CDM项目买方为世界银行,购买期限10年,排放权年收益达630万元,但迄今它仍是农业领域仅有的CDM项目。

结 论

在“双碳”目标已成为国策的背景下,如何践行中国对国际社会的庄严承诺,是个严肃的课题。需要更新观念,探索各种切实、有效的温室气体减排的途径。

负碳排放是受到国际气候变化界高度重视的途径,CH4减排也已排上优先的议事日程。

在中国,生物质独特的碳中和特性和负碳排放功能,以及生物质碳存留尚未被广泛认识,需要更新观念,吸取国际成功经验,珍视国内仅有的成功案例,确定适合国情的途径并制定相应的规划及激励政策,建立示范基地,使生物质在碳中和和负碳排放的伟大事业中大放异彩。

作者简介:程序,中国农业大学农学院、生物质工程中心,教授,研究方向为生物质能源,可持续农业与农村发展。

论文全文发表于《科技导报》2022年第7期,原标题为《生物质独特的负碳排放作用是碳减排的利器》

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