岳国君院士：“双碳”背景下燃料乙醇走向氢经济的新机遇
摘要：本文概述了我国落实碳达峰碳中和（以下简称“双碳”）承诺的形势，对比国际多国实施“双碳”目标，指出我国任务的艰巨性和紧迫性，及由此带来的严峻形势，对于燃料乙醇产业既是挑战又是机遇。在分析本产业特征的基础上，估算了燃料乙醇产业的减碳效果，最后就如何发挥好这一优势，提出若干建议，供参考。
（为方便读者阅读，在不影响文章本义情况下，编辑对本文进行了删减）
2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上向世界宣布了中国的碳达峰目标与碳中和愿景。从各国宣布的时间节点看，我国承诺实现从碳达峰到碳中和的时间远远短于发达国家，相应要付出的努力也更加艰巨。
为实现“双碳”目标承诺，我国正在掀起绿色发展的浪潮，带动从能源生产到末端治理的全行业领域的转型升级。在“双碳”引领的绿色发展浪潮下，生物质能源凭借清洁、低碳、可持续等优势，必将成为我国能源变革转型的重要选项。
本文在概述国内外碳排放及“双碳”目标的基础上，指出实施“双碳”目标为发展我国燃料乙醇开辟了高质量发展的转型之路，介绍了国内外燃料乙醇产业对减碳的具体贡献，并提出若干政策建议，供参考。
一、国外碳排放及“双碳目标”
根据IEA预测，在全球CO2排放净零情境下，化石燃料的占比将从2020年的80%下降到2050年的20%。
至2020年，全球已经有54个国家实现碳排放达峰，占全球碳排放总量的40%。1990、2000、2010和2020年碳排放达峰国家的数量分别为18、31、50和54个，大部分为发达国家。2020年，排名前十五位的碳排放国家中，美国、俄罗斯、日本、巴西、印度尼西亚、德国、加拿大、韩国、英国和法国已经实现碳排放达峰，中国、墨西哥、新加坡等国家承诺在2030年以前实现达峰。从宣布时间看，部分欧洲国家（如德国）在20世纪就实现了碳达峰，其从碳达峰到碳中和有超过50年的时间，美国43年，但作为世界最大的碳排放国，我国是30年。在陡峭的碳排放量下降曲线背后，是规模化的经济结构转型，这意味着我国当前经济结构下相当规模的存量资产将失去原有功能。
二、我国碳排放、“双碳目标”与生物液体燃料
2020年，中国在全球碳排量总量中的份额增加至31%，其中化石能源占比92%，达到95亿吨。不同于欧美“先污染、后治理”，我国“碳达峰、碳中和”目标采取低碳或者零碳的绿色技术和产业体系，同时实现高生产率，力争减碳和增长双赢。在控制全球气温升高不超过1.5℃情景下，碳中和需要持续投入约150万亿美元资金，将创造大量商业机会。化石能源（煤炭、石油、天然气）中短期内依旧是我国主要能源，碳排放压力巨大。
长期以来，世界“糖经济”正面临着新的发展机遇，化学品和相关产品的原料由碳氢化合物向碳水氧化合物转变的研发受到高度重视，以生物质为基础原料正向能源、化工、汽车电力、动力电池等领域渗透。而“双碳”背景下，以石化能源、资源为基础、主要依靠化石能源生产能源、材料和化学品面临转型，催生以绿色低碳为特征的新一轮技术创新蓬勃兴起。许多国家正在积极推进生物质资源中最丰富的含糖类物质的商业化应用，加大糖平台转化。可以预见，大力促进发展“糖经济”，将成为我国实现“双碳”承诺的一个政策着力点，可再生能源利用的一个重要方向。
“双碳”目标的提出为我国生物液体燃料行业节能减碳提出了更高的要求，根据相关研究测算，未来我国乘用车市场将进一步增长，预计到2030年实现每千人汽车保有量300辆，对应4.2亿汽车保有量。
图1：我国2020年不同燃料类型乘用车平均单位里程碳排放
我国一次能源以化石能源为主体，石油、天然气对外依存度不断攀升，煤炭资源利用作为最大排放源，逐步减用已成定局；铜、铝、镍、钴和锂是电动车制造所需5种金属，钴、锂作为电池材料是电池生产不可或缺的原材料，未来5年分别增长500%和700%，减少对进口金属的依赖是一项重大挑战；生物能源是掌握自己的手中应对或缓解严峻能源、资源安全挑战的一项重要选择，100%利用相当于3.7亿吨标煤。生物质资源通过植物固碳，利用太阳能光和水，吸收大气中的CO2，再将生物质能转化液体生物燃料投用于交通运输是碳中和的手段之一。未来燃料乙醇行业需要通过转变商业模式、引导全产业链节能减排等方式降低生物能源碳排放，提高燃料乙醇在减碳方面的竞争力，抓住双碳战略重要发展机会，提高自身产业发展格局。
生物液体交通燃料一直是交通燃料重要组成部分。全球能源供应总量在2030年预计达到72EJ，2050年达到102EJ，其中先进生物质原料份额由2020年的27%上升到2030年的85%，并在2050年达到97%。欧盟修订的可再生能源法案（REDII）提出，可再生能源将占运输能源需求的14%，其中3.5%来自纤维素原料生产的先进生物燃料。全球农作物秸秆、林业废弃物、生活垃圾和畜禽粪便的能源化利用潜力高达3.7亿吨标煤/年，将在2050年前累计贡献130亿吨的碳减排。利用农业废弃物原料的先进液体生物燃料生产技术在未来10年净零情景中迅速发展，其对液体生物燃料的贡献率从2020年的不到1%跃升到2030年的近45%和2050年的90%，到2030年，产量达到270万桶油当量/天，到2050年将超过620万桶油当量/天。
三、生物液体燃料领域的低碳转型之路
1、生物液体燃料产业现状
2019年，世界燃料乙醇产量达到8692万吨，同比增长约3%；2020年遭受新型冠状病毒流行影响，产量下滑至7740万吨，同比下降约11%。其中，美国和巴西始终是最大的燃料乙醇生产国，2020年总量合计约6500万吨，占全球产量的83.8%。
通过十几年的发展，我国的燃料乙醇产业增加了国内农产品加工出路，对稳定粮价，提高农民的种粮积极性做出了重要的贡献；作为粮食安全调节器和蓄水池，是一种动态的积极的灵活的补充性质的低成本的粮食储备方式；对保障粮食安全、消化陈化粮、超标粮发挥了重要作用。此外，燃料乙醇作为可再生燃料，减少温室气体排放和大气污染物排放，以及减少原油进口也发挥了重要作用。
2020年，我国生产生物燃料乙醇290.5万吨，较创纪录的2019年增长2.9%。期间，各生物燃料乙醇生产企业积极内涵挖潜，通过技术改造，着力提高乙醇和联产高附加值产品收率，推进节能降耗，使蒸汽单耗、综合能耗等能耗指标走低，均创历史最好水平。
2、生物乙醇的减排贡献
国内外的测算研究表明，燃料乙醇是液体燃料减排的一个有效工具。
在国外，美国、欧洲均有系统研究，低碳燃料标准政策模式在美国加州已经实施10多年。在该计划下，燃料乙醇对碳减排的贡献占到40%以上，以其他任何低碳燃料都多。另据美国阿贡实验室数据，美国燃料乙醇产业随着生产效率提高和能源利用清洁化，美国玉米燃料乙醇全生命周期CO2排放强度由58 g/MJ降至45 g/MJ，与汽油相比，CO2减排可超过50%。
据国内有关研究，我国玉米燃料乙醇的全生命周期CO2排放强度与汽油相比，减少30%以上。中美两国在玉米生产效率、乙醇生产能源类型等指标的差异较大，是导致两国生物乙醇上游CO2排放差异的主要原因。我国玉米平均亩产与美国相比低40%，这导致中国种植能耗和化肥/农药生产能耗显著高于美国，此外中国玉米乙醇生产能源以煤为主，美国则以天然气为主，同样热值天然气CO2排放比煤低40%
图2： “伴生工厂”模式示意图
生物能源与碳捕获和储存（BECCS）技术是未来负排放技术主要方案。该技术从生物质中提取能量，捕获过程释放的CO2，并将其储存。微藻具有光合速率高、繁殖快、适应环境性强等优点，单位面积产量在高等植物的10倍以上。每生产1吨微藻，可以消耗由燃烧化石燃料所排放的CO2约1.8吨。将现有生物乙醇工厂与纤维素乙醇和BECCS技术结合，建立生物综合炼制产业园，利用生物质电厂提供乙醇生产过程所需能源，实现热量和能源利用最优，在自给自足条件下输出中压蒸汽供产业园，可大幅降低乙醇生产过程的CO2排放，达到“负碳生产”。
2022年，国投生物在营乙醇产能将达220万吨/年。今年国投生物与中创碳投共同研究了乙醇工厂项目碳排放，如表1所示，结果表明，目前乙醇项目与汽油相比减排69%，1吨乙醇可减排1.58吨CO2eq ，220万吨生物乙醇年减排量约348万吨CO2eq，减排贡献占国投集团碳排放的7%。
表1：在营乙醇项目碳减排量核算表
3、纤维素乙醇助力碳中和
纤维素乙醇，是以玉米秸秆、麦秆、稻草等农林废弃物为原料生产的先进生物燃料。纤维素乙醇是构建纤维素糖平台生产化学品的产业基础，引领“烃经济”向“糖经济”转型的重要突破口；相比石油、柴油等化石燃料以及现有燃料乙醇，纤维素乙醇的低碳排放特性更为突出，随碳减排政策的落地深化，纤维素乙醇市场发展将提速。纤维素乙醇作为农村秸秆综合利用的重要去向，一方面可显著降低秸秆焚烧量、助力乡村低碳发展。我国是农业生产大国，也是农业秸秆资源大国，每年约有2亿吨秸秆被直接焚烧，发展纤维素乙醇全国年平均可利用秸秆量超过1亿吨。另一方面可直接贡献乡村区域增收，并间接带动秸秆收储、运输、农机制造等协同产业的发展，同时产业发展劳动力需求将大量吸纳就业，并带来显著经济效益，在收储运环节每吨秸秆可增加农民收入200-250元。到2030年，若每年能利用1亿吨秸秆，农民可实现增收200-250亿元。
纤维素乙醇采用生物质供汽供电的醇-电-汽联产模式，全生命周期平均减排效果在90%以上，相当于每使用1吨乙醇减排3.8吨CO2，考虑BECCS技术，减排量则分别达到117%、4.5吨。推广使用纤维素乙醇使用量达到2000万吨，可减排CO2当量7000万吨以上，相当于2020年排放的0.7%。使用二代生物乙醇还能减少机动车尾气中颗粒物、CO、碳氢化合物等有害物质排放。与普通汽油相比，E10车用乙醇汽油的初级颗粒物（PM）减排量为6%-6.6%，E20车用乙醇汽油的初级颗粒物（PM）减排量可提高到29.4%-41.8%。
通过国投生物与中创碳投共同研究乙醇工厂项目碳排放，结果如表2所示，纤维素乙醇与汽油相比减排151%，1吨乙醇可减排3.47吨CO2eq，以400万吨计，年减排量1388万吨CO2eq ，贡献占国投集团的28%。
表2：纤维素乙醇项目碳减排量核算表
4、融入面向未来的氢经济
通过生物质转化而成的有机化学品的贮氢方式是最成熟的成本最低的方法,不仅解决了氢的绿色来源问题，还有望用低成本的方式解决了产业链供应问题。生物质氢气的热值（140.4MJ/kg）是同质量焦炭、汽油等化石燃料热值的3-4倍，通过燃料电池可实现综合转化效率90%以上。现有制氢路线中，煤炭和天然气来源的氢成本低，但减排效果差；绿氢成本高，CO2减排效果明显。在氢燃料电池车中，煤炭氢的排放量为210 gCO2eq/km，天然气氢的排放量为130 gCO2eq/km，可再生能源氢的排放量为20 gCO2eq/km[13]。各种制氢技术的对比如表3所示。
表3 不同制氢技术对比
目前国内已建成遍布各地的生物液体燃料加注设施，且便于长期储存，运输安全，成本低廉。用46%乙醇水溶液、64%甲醇水溶液可以较低的储运成本送达至应用地，通过化学转化制氢，可同时实现氢气来源绿色化和降低储运成本两个目标。挪威船级社近日发布的《能源转型展望2021—技术进步报告》中显示，甲醇/乙醇的应用已获得国际海事组织《燃料电池安装条例》批准，可作为新型船用燃料。
2020年我国生物燃料乙醇已建成能力达到517.5万吨/年，且有大量大型食用酒精产能作为产业基础。可再生能源制氢与有CCS的化石能源制氢相比，成本基本相当。同样200公里运距，采用高压气体运输，运输成本为9.3元/千克氢气；生物质甲烷采用天然气管网输送，运输成本为0.28元/千克氢气；采用槽车运输，甲醇约0.42元/千克氢气，乙醇为0.30元/千克氢气。
利用生物基化学品作为氢载体，在成熟的应用终端（如加氢站、分布式能源站、加油站）通过安装的逆转化设施获得氢气的综合成本比氢气的直接存储与运输更低。因此以生物质为原料生产的甲烷、甲醇和乙醇有望成为可实现产业化的储氢载体，在未来将有可能成为实现氢燃料电池“绿色化”的一种经济可行的方式。
四、政策建议
一是深入调研，及时制定生物负碳排放技术研发与产业化的激励政策。当前先进生物能源技术和生物制造技术仍处于产业化前期，包括对纤维素乙醇“负碳”工程等重大工业示范项目与新技术孵化进行资助，以加速产业成长。
二是对燃料乙醇产品补贴和税收减免。现阶段交通能源与材料行业还未被纳入碳市场。通过产品补贴和税收减免降低成本，可提高市场接受度，促进于循环经济的发展。
三是在石化行业被纳入碳市场后，及时建立生物产品减排认证机制。出台生物能源与生物材料LCA方法的减排量计算标准，基于计算标准对生物产品进行减排认证，经核准的减排量可用于下游行业核减温室气体排放数量及碳排放交易。
四是从长计议，建立生物技术碳减排国家重点实验室，从事相关行业低碳转型的相关生物制造技术创新与集成，以及产业模式开发。
五是推动燃料乙醇等生物液体燃料作为交通能源达峰重点措施。交通领域作为我国温室气体四大排放源之一，而生物燃料乙醇是液体交通燃料有效的温室气体减排工具，应坚持继续推广应用。
作者及简介：
岳国君：国投集团首席科学家，国投生物科技投资有限公司董事长、党委书记，全国人大代表，中国工程院院士。
刘劲松：国投生物科技投资有限公司副总经理、副总工程师
王梦：国投生物科技投资有限公司生产技术部业务经理
