循环经济模式有效提高生物乙醇的技术经济效率
汤亮
中国社会科学院数量经济与技术经济研究所博士后
摘要：本文通过对生物乙醇能源技术经济效率的分析，认为生物乙醇单纯路线虽然可以实现减少化石能源消耗的目的，但是并非最优化的能量利用。通过循环经济模式，实现副产品的精深加工和废水、废渣、余热的循环利用，才能实现优化。在此基础上，生物乙醇可以实现一定的利润水平，未来应逐步减少直至取消对生物乙醇的财政补贴。
关键词：生物乙醇、循环经济、产品链、副产品
Title: Circular Economy
Improve Technical Efficiency of Ethanol
Abstract: This paper analyze the energy technical efficiency of ethanol from corn and wheat Although simple ethanol production may realize the goal of reducing fossil fuel consumption, the process is not totally optimized while the byproducts and waste water, residue, heat are not recycled very well. Were all these be done, ethanol may have certain level of profit, so the government should cut back the subsidy to ethanol and should encourage technological innovation and circular economy of the firms.
Key Words: Ethanol, Circular Economy, Product Chain, Byproducts
生物燃料乙醇，一般是指以植物为最初原料来源，经工业过程制取的，体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。生物燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。制取生物燃料乙醇的作物主要有玉米、甘蔗、甜高粱、小麦、水稻等。同时，各国也积极致力于利用纤维素即作物秸秆和林业剩余物制取乙醇。对生物乙醇燃料的发展一直存在较大争论，主要集中在与粮争地和经济效益不高粮方面。本文通过对能量利用效率分析和应用循环经济模式的效果分析，认为生物乙醇通过循环经济可以获得更高的能量利用效率和经济效益，因此可以作为一种有效的可再生能源。
一、生物乙醇的化石能量效率已经能够满足作为替代能源的要求
对生物乙醇燃料的净能源平衡（全过程能源投入减去能源产出）和温室气体排放的研究有很多，其研究结论也差异较大。对全周期的能源投入与能源产出的分析结果，其净能源有负向的，有中性的，也有正向的。相应的，温室气体排放的估计结果也有很大差异。这些结果上的差异有的是由于新、旧数据的差异造成的，有些则是由于对副产品的不同考虑不同造成的。
加州大学（伯克利）能源和资源研究小组的Alexander Farrell及其同事最近研究了一个生物燃料分析模型（Biofuel Analysis
MetaModel，EBAMM）来研究这些问题。小组首先复制了已经发布的六个EBAMM研究结果，然后在四个方向上调整这六个结果：（a）增加副产品；（b）应用一个一致的系统边界；（c）计算不同的能源类型；（d）计算与政策有关的变化。EBAMM对3个案例给出了结果，包括CO2排放较多情形的乙醇、今天的乙醇、纤维素乙醇和汽油的能效和温室气体排放的对比。结果显示，从传统玉米中制取的乙醇与汽油相比，每单位能源的温室气体排放仅有很小的区别，但是传统玉米乙醇需求的石化产品投入要少得多。另外，从纤维素制取乙醇可以显著地减少温室气体排放和石化产品投入。
国际能源署（IEA）对利用玉米和小麦生产乙醇燃料的能效和温室气体排放的对比见表1。
除玉米路径之外，还有多种其他植物资源可以用于生产乙醇燃料。表2是其他植物资源的化石能源比率。同时，玉米乙醇生产过程中能源投入品种的选择对温室气体排放也有显著的影响。从全生命周期看，生物能源生产过程的能源效率普遍高于化石能源（表2）。
表2 不同植物资源生产乙醇燃料的化石能源比率
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原料、国家 |
化石能源比率 |
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甘蔗，巴西 |
7.9 |
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甜菜，英国 |
2.0 |
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玉米，美国 |
1.4 |
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糖蜜，印度 |
48 |
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糖蜜，南非 |
1.1 |
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玉米秸秆，美国 |
5.2 |
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小麦秸秆，英国 |
5.2 |
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蔗渣，印度 |
32 |
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汽油，美国 |
0.8 |
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电力，美国 |
0.4 |
来源：J.
Sheehan, et al., 1998. An Overview of Biodiesel and Petroleum Diesel Life
Cycles.
我国燃料乙醇工艺生产技术路线以四个大型生产企业为代表，其中又以中粮肇东（黑龙江）的玉米“半干法”生产工艺较为先进。其国产二期乙醇装置（产量18 万吨/年）主要技术指标为：吨无水燃料乙醇（99.5%） 玉米单耗3.3 吨，水耗约8.7吨（主装置），蒸气消耗4.8 吨（主装置），饲料乙醇比为77 %，能量输出输入比为1.09；三期美国产装置产量15万吨/年（美国Delta-T 公司的技术，由康泰斯（Chemtex） 公司设计，采用玉米半干法生产乙醇），吨无水燃料乙醇（99.5 %） 玉米单耗3.18 吨，新鲜水耗仅为1.66 吨（主装置），蒸气消耗3.3 吨（主装置），饲料乙醇比为87 %（岳国君等，2007）。
从以上结果看，生物燃料乙醇的利用可以有效减少化石能源的投入，能够起到推动能源可持续发展的作用。
二、生物乙醇单纯路线没有实现能源最优化利用
从生物乙醇的全周期过程来看，作为最终产品的乙醇只代表了生物质生长过程中集聚的化学能的一部分。目前代表性的生物乙醇生产过程只是把作物中的淀粉、糖类等物质转化为乙醇。除这一过程的能量消耗外，其他生物物质如蛋白质、纤维素、木质素等中含有的化学能没有转化为可用能源。这其实也是目前导致生物乙醇行业利润业绩不佳的重要因素。
从更宏观的角度，生物能源制取是更广泛的生态系统的一部分活动。作为生物能源原来来源的作物，既可以用于能源用途，也可以用于人类食用，和用于饲养牲畜再供人类食用。如果其所生长的土地不被使用，这些土地也可以用作生态用途，即保持不被人类干扰和改变的状态，如森林、草原、湿地等形式。
因此，即使如前所述，作物用于生产生物能源可以产生比化石能源更好的化石燃料效率，即可以节约化石能源的消耗，比直接使用化石燃料减少温室气体的排放，它在这两个方面也可能不如直接作为食物，甚至不如通过牲畜再间接成为食物。
从生态系统能量流动的角度看，粮食用于食用的能量效率明显高于用于能源目的。密歇根州立大学研究人员发表在EST上的最新研究表明[①]，粮食供人们食用的能源利用效率比用来生产乙醇高很多。研究结论：一个人食用玉米吸收的能量（15MJ/kg）远比
从能量利用效率看，用可作为食物的谷物生产乙醇的能源效率是低下的，而用诸如草类的纤维素原料生产乙醇的能源效率更高。但是，由于纤维素乙醇生产过程需要较多的原材料和水资源投入，其转化率目前也比较低，其经济效益还不足以满足规模化生产。
三、通过循环经济模式可以提高能量利用率
如果不采用循环经济模式，只是利用生物质制取乙醇，能源技术效率较低。而在采用循环经济模式之后，考虑到副产品中所携带的能量，整个过程的能源技术效率将会有明显改观。
李胜、路明、杜凤光（2007）利用河南天冠公司（南阳）的数据，研究了小麦制取生物乙醇燃料路线的全生命周期能量平衡。根据对新、旧两种生产工艺的研究对比（新工艺延长了产品流，增加了麸皮和谷朊粉两个子系统，实现饲料、食品与生物质能燃料乙醇联动生产），得出以下结论：
（1）如不考虑副产品能量价值，旧工艺和新工艺的NEV（净能量值）分别为-17022MJ/t燃料乙醇和-11778MJ/t燃料乙醇，R值（能量产投比）分别是0.64和0.72，无论是旧工艺还是新工艺NEV都为负。如考虑副产品能量价值，旧工艺和新工艺的NEV值分别为2271MJ/t燃料乙醇和11249MJ/t燃料乙醇，R值分别是1.05和1.27，新旧工艺NEV都为正值，R值大于1。也就是说，如果不采用循环经济模式拓展产业链，对过程副产品加以循环利用，小麦制取燃料乙醇实际是一个负的能量效益过程。只有通过循环经济模式，小麦制取生物乙醇才是一个能源技术经济学上合理的项目。
（2）采用新工艺可将每吨小麦燃料乙醇转换的能源需求由24563MJ降到18923MJ，同时，副产品综合利用能值则从19293MJ增加到23027MJ。天冠集团小麦燃料乙醇生产的实践证明：采用先进的工艺，燃料乙醇生产不但可以实现更低的能耗，而且在生产小麦燃料乙醇的同时，通过延长农业产业链，提升副产品综合利用能源价值，可以有效提高其能源经济性。
目前，我国燃料乙醇企业也是通过政府补贴保持微利。现在国家发改委对燃料乙醇项目给予的是弹性补贴制。以丰原生化（安徽省）为例，公司2009年实际燃料乙醇补贴标准为2,246元/吨，2008年燃料乙醇补贴标准为2,185元/吨。这种情况的出现与生产企业没有充分利用循环经济模式有关，也与国内企业的技术水平不过关有关系。举例来说，作物生物乙醇重要副产品的DDGS[②]，美国DDGS 产品是重要的牛饲料组分，其经济效益较好，冲抵后可以使燃料乙醇的每升生产成本降低0.1美元。而国内DDGS 产品的质量则是燃料乙醇厂面临的一个难题，可以说其质量一直没有过关。即使美国DDGS产品运送到国内市场销售，也要比国内产品售价每吨低100元左右。
以玉米为原料生产燃料乙醇的典型技术路线在循环经济模式下其内部可以形成5 个产业链，即玉米→乙醇→DDGS；玉米→玉米油→DDGS；废水→沼气→燃料；废水→污泥→燃料；煤→灰渣→建材。据钮劲涛等（2010）的研究，年产40 万吨燃料乙醇的企业每年还可以生产副产品DDGS 32.8 万吨，玉米油2.25 万吨，灰及废渣27.936万吨，CO2 33.173 万吨，沼气0.352 万吨。这些副产品的销售或利用可以有效的降低燃料乙醇的单位生产成本，如2006 年吉林玉米基燃料乙醇生产成本为4988.4 元/吨，但经过副产品折算后降为3921.1元/吨。以国家对燃料乙醇的定向收购价为5000 元/吨计，补贴前企业即可实现盈利。结合企业实际可知，目前该企业生产模式中还有一些不足，倘若再增补CO2回收、有机肥及其他一些下游产业链，则企业内部的循环经济模式将更加完善，乙醇成本将进一步降低，所以从经济效益上分析发展玉米基燃料乙醇也是可行的。那么，生物乙醇行业随着技术的进一步发展，完全可以提高能量利用效率，在不长的时间内摆脱依赖国家补贴的局面。
四、总结
生物乙醇作为一种可再生能源，从一开始出现就伴随着激烈的争论。其焦点之一就是生物乙醇与粮争地，如果大规模发展将威胁到贫困人口的生存和国家的粮食安全；第二个争论就是生物乙醇的经济效益低于化石能源，需要依靠财政补贴。循环经济模式的应用，为生物乙醇提供了可行的技术路径，来缓解与粮争地和经济效益不高的问题。
首先，生物乙醇生产过程的部分副产品仍然可以回食物链之中。作为与粮争地的玉米乙醇路线，由于多数玉米目前都是作为畜牧业的饲料粮，而非直接食用。玉米乙醇生产的副产品DDGS是非常优良的饲料，因此玉米乙醇生产对粮食产量的冲击实际上是被高估了。其他生物乙醇生产路线，如甘蔗、甜高粱、甜菜等路线，基本不与粮争地。在发达国家，食糖已经出现了很多糖分低、甜度的高替代商品，对人的健康是有利的，因此如果适当调整种植结构和食品结构，生物乙醇与粮争地的问题可以大大缓解。
其次，循环经济模式大大提高了生物乙醇生产的经济效益。如果再辅以技术进步等措施，伴随着化石燃料稀缺性增加和价格的提高，在不久的将来生物乙醇实现稳定利润水平是完全可能的。因此，从政策上应逐步减少对生物乙醇的补贴，激励有关企业加大技术创新力度，提高副产品精深加工水平，有效循环利用废水、废渣和余热，通过循环经济模式提高企业利润水平。
参考文献
1. 李胜、路明、杜凤光：中国小麦燃料乙醇的能量收益，《生态学报》第27卷第9期，2007年9月。
2. 钮劲涛、陶梅、金宝丹：玉米基燃料乙醇的综合效益分析，《湖南农业科学》2010年21期（112），105－107页。
3. 岳国君、武国庆、郝小明：我国燃料乙醇生产技术的现状与展望，《化学进展》第19卷第7/8期，2007年8月，1085-1090页。
4. Alexander E. Farrell, Richard J. Plevin, Brian T. Turner, Andrew D. Jones, Michael O’Hare, Daniel M. Kammen （2006）. Ethanol Can Contribute to Energy and Environmental Goals. SCIENCE VOL 311. JANUARY 27 2006.
5.Christopher Pala （2010）. Study finds using food grain to make ethanol is energy-inefficient. Environ. Sci. Technol.， 44 （10）， pp 3648–3648.
6. IEA, Biofuels for Transportation: An International Perspective, 2004.
7. J. Sheehan, et al., 1998. An Overview of
Biodiesel and Petroleum Diesel Life Cycles.
8. Mark O. Barnett （2010）. Biofuels and Greenhouse Gas Emissions： Green or Red? Environmental Science & Technology，44 （14）， May 1：5330~5331.
9. Study finds using food grain to make ethanol is energy-inefficient. Environmental Science & Technology, 2010, May 15:3648.