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科技中国 2023年8月 第8期34专题：发展生物技术 建设生物经济强国应对全球气候变化背景下的生物能源发展趋势文/王超（中国科学技术发展战略研究院）生物能源是由农作物、木质生物质和其他有机废物等生物材料产生的能源，广泛应用于烹饪、供暖、工业、发电和运输等领域。生物能源是目前最大的可再生能源类型，约占全球能源终端需求量的12%，是能源系统的重要组成部分。近年来，巴西、中国、欧盟和美国等国家/地区的生物能源用量显著增长。在应对全球气候变化背景下，生物能源发展将有效推动全球能源结构低碳化转型。一、全球生物能源产业发展现状（一）全球生物能源装机容量稳步增加，地区间存在差异化20132022年间，全球生物能源装机容量由84879MW增至148912MW，增幅75.44%（见图1）。同期，我国和印度增速较快，增幅分别达到432.7%和155.2%。与此同时，欧盟整体呈现“早期上升、近期平稳”趋势，20132020年间增幅24.2%，20202022年间趋于平稳，出现小幅下降，降幅0.84%。美国自2015年后呈下降趋势，降幅为12.9%。（二）生物能源领域专利数量近年呈下降趋势基于国际可再生能源署对生物能源领域专利数据统计可知，20002020年全球生物能源专利整体呈现“稳步增长快速增长趋于平稳快速下降”四个阶段（见图2）。其中，20112016年为平稳阶段，生物能源领域专利年新增数约为9000件。20162020年生物能源领域新增专利数量呈下降趋势，由9724件/年降至4740件/年。二、生物能源的战略意义及其发展方向（一）战略意义生物能源的终端应用包括传统利用和现代利用两方面，前者主要为居民利用木柴、木炭进行烹饪和取暖，后者指更高效地利用生物燃料用以供热和发电，例如：建筑/工业供热领域的沼气和生物甲烷，运输领域的液体生物燃料以及工业原料的生物质基材料。生物能源的现代利用约占全球终端用能总量的6%，超过水电和其他可再生能源。生物能源在全球能源转型中扮演重要角色。国际可再生能源署对全球净零1.5情景的预测指出，2050年生物能源在全球一次能源供应占比预计达25%（约为2018年的3倍），生物能源占终端科技中国 2023年8月 第8期35能源消费总量预计约为17%。应用场景方面，生物能源未来将由建筑领域向电力和运输领域转移。预计至2050年，电力将成为生物能源应用的最大领域，占生物能源供应总量的比重将由2018年的13%增加至32%，交通和工业领域占比也分别由7%和15%增加至15%和17%。与此同时，生物能源在建筑领域的占比将由2018年54%降至2050年6%。（二）发展方向生物能源传统利用的发展趋势是逐步淘汰效率低下、污染较大的传统烹饪方式，转向采用沼气、生物能源灶等清洁烹饪方式。生物能源现代利用的发展趋势因应用场景的差异而不同。在工业领域，生物质能一方面可取代焦炭、煤炭作为供热原料，亦可取代化石燃料作为化工原料。在运输领域，液体生物燃料将成为重载运输业（航空、航运）脱碳的重要技术路径之一，同时可补充电动汽车等领域的可再生能源部署。在电力领域，基于生物能源的热电联产在未来电力系统中的占比将大幅增加。三、生物能源未来应用场景分析（一）清洁烹饪目前，全球约有三分之一的人口仍以传统方式利用生物燃料取暖和烹饪。2018年，生物能源的传统利用约占全球生物能源消费总量的一半。生物能源传统利用通常为低效率和高污染，亦会诱发呼吸道疾病等潜在健康风险。因此，采用清洁烹饪方式取代生物能源传统利用已成为全球共识，具体方式包括使用高效炉图1 20132022年全球生物能源装机容量统计图图2 20002020年全球生物能源领域新增专利统计科技中国 2023年8月 第8期36专题：发展生物技术 建设生物经济强国灶和现代固体生物燃料。研究揭示：相较传统炉灶，高效炉灶可减少40%的生物燃料用量。孟加拉国和肯尼亚等国将炉灶改造纳入国家发展战略，推动高效炉灶部署。（二）建筑供暖2020年建筑部门占全球终端能源消费总量的31%，其主要用能领域为建筑供暖。目前化石燃料（煤炭、天然气）仍为主要供暖燃料，随着全球碳中和进程推进，基于生物能源的供热系统将成为未来建筑供暖主力军。国际可再生能源署预计，2050年建筑供暖所需的生物能源消费量将为现在的3倍。此外，中国、印度和欧盟预计在2026年前成为全球建筑供暖领域的主要国家/地区。关键技术方面，研发重点聚焦于现代生物质锅炉、小型/大型沼气池、生物甲烷管网等领域，同时应加大区域供暖网络、天然气管网等基础设施建设。（三）绿色电力2020年可再生能源发电占全球发电总量的29%，以水力发电、风力为主，分别占全球发电总量的17%、6%，生物能源仅占发电总量的3%左右。值得注意的是，生物能源发电自2009-2019年增长近一倍，主要增长地区/国家为中国、巴西、印度、英国、美国和欧盟。生物质发电按原材料可分为甘蔗渣、沼气、可再生城市垃圾、液体生物燃料和其他固体生物燃料几类。其中，沼气类生物发电国家主要为德国、美国、英国，液体生物燃料发电国家主要为意大利和瑞典。生物能源发电对推动电力系统绿色低碳转型具有重要意义。一是提供可调度电力。生物能源发电将以低成本、可持续的生物残渣为原料，在电力系统低碳转型过程中提供可调度电力。二是生物质共燃作为逐步淘汰燃煤电厂的过渡选择。现有生物质共燃技术可划分为直接共烧、间接混烧和平行共烧三种类型。三是与工业用户或区域供热网络连接，实现热电联产。热电联产可提高生物质发电或生物质共燃电厂的发电效率和经济性，生物质热电联产的总体效率可达70%90%，是生物质发电厂或共燃厂效率的2倍以上。四是同碳捕获封存技术结合实现电力、工业领域负碳排放。目前，基于BECCS的生物能源发电项目多处于示范阶段，且主要集中在美国，以清洁能源公司BECCS项目为例，其CO2捕获量目标为0.32Mt/年。（四）工业2020年工业占全球终端能源消费总量的38%，其中生物能源占工业终端能源消费总量的7%，主要应用领域为：热电联产、工业过程供热和化工领域的化石燃料替代。目前，生物能源在工业中的应用主要集中在工业过程供热，在造纸、制糖、食品等行业已占有较高比重。例如，2019年生物能源占全球纸浆和造纸行业终端能源消费总量的42%。与之相反，生物质原料在工业中的应用规模有限，2021年全球生物塑料产量仅占全球塑料总产量的1%。国际可再生能源署预计，未来用于工业供热和工业原料的生物能源需求量将大幅增加，主要领域应用为：一是基于生物能源的热电联产。在发展中国家，高效、可持续的生物能源可为工业提供低成本可再生热能，促进经济发展。二是石化化工行业的化石原料替代。石化化工行业是工业部门能源消费和碳排放集中的行业之一，2020年占工业部门能源消耗总量的13%和碳排放总量的15%。为应对全球气候变化，石化化工部门将逐步推进生物原料替代化石原料，用于高价值化学品制备，对生物原料的需求量将大幅上涨。三是工业生产高温供热。目前生物能源在低温工业生产中已占据一定比例，但高温工业生产中供热占比较低。未来将结合CCUS等技术，实现水泥、钢铁等工业生产所需的高温供热。（五）运输业2020年运输业约占全球终端能源消耗的25%，其中公路运输占运输业能源总量的80%，其次是航运（11%）和航空（8%）。目前，化石燃料仍为运输业主体能源，生物能源占比仅3%左右，且主要集中在公路运输领域。20142019年全球液体生物燃料年增幅达5%，集中在欧洲、北美和南美地区。生物乙醇是运输部门最主要的液体生物燃料，约占全球运科技中国 2023年8月 第8期37输部门液体生物燃料消费总量的61%，美国和巴西是全球主要的生物乙醇产地和消费地。基于生物质的运输燃料包括生物乙醇、生物柴油、生物甲烷和生物甲醇。鉴于液体生物燃料的可持续风险性，生物能源将同其他可再生能源协同实现运输部门脱碳。具体而言，在道路运输领域，电动汽车将占据主导地位，生物能源将作为短中期内的过渡燃料。在航空领域，生物能源将是航空业脱碳的重要技术路径之一。四、生物能源产业发展瓶颈（一）供应链脆弱是生物能源产业发展的最大障碍生物能源产业链涵盖原料种植、收集获取、原料预处理、终端产品制备等环节，生物能源系统需要可靠、稳定的原料供应。但受季节性供应等因素影响，以农业残留物为基础的生物质发电和液体生物燃料等产业仍面临原料供应不稳定的问题。此外，生物能源产业链跨度大，上游原料供给涉及林业、农业等部门，下游能源利用涉及工业、电力、运输等部门，多部门协调增加了产业链稳定性风险。（二）生物能源技术成熟度较低且基础设施规模较小，难以匹配产业发展需求在航空、航海等重载运输领域，液体生物燃料有着巨大的市场需求和应用前景，但因木质纤维素乙醇等关键核心技术成熟度较低，终端产品价格较高且尚未达到大规模生产阶段。在工业领域，生物能源现仅满足造纸等低温产业的能源替代需求，尚未满足钢铁等高温产业的能源替代需求。此外，配套基础设施规模较小，尚未解决生物燃料产地同市场的空间错位问题，限制了生物能源规模化利用。（三）高成本现状抑制了生物能源产业发展速度和规模化石燃料的主导地位扭曲了全球能源市场供应格局，化石燃料政策补贴进一步拉大了化石能源与生物能源之间的成本差异，抑制了生物能源在内的可再生能源产业发展。国际货币基金组织指出，2020年全球化石燃料补贴约占全球国内生产总值的6.8%，间接导致生物甲醇的成本是化石燃料的1.37.7倍，航空生物燃料是航空化石燃料的36倍。此外，生物质原料供应不稳定和技术成熟度偏低，使得生物能源产业较难获得大规模资金支持，亦阻碍其产业大规模发展。（四）政策不确定性是生物能源发展的主要障碍之一现代生物能源技术和产业整体仍处于早期培育阶段，部分产业发展和技术攻关存在不确定性，需要长期、稳定的政策支持和研发投入。此外，生物能源应用场景广泛，涉及交通、工业、建筑等多部门，不同部门对生物能源发展政策的不一致性成为生物能源产业发展的主要瓶颈之一。五、政策建议（一）积极发展非粮生物燃料，实现原料供应标准化推进非粮生物燃料发展一方面可有效避免对粮食安全的影响，同时可有效利用废弃资源，稳固生物能源原料供应，促进节能减排。推进生物原料的质量控制和标准化，提高生物原料加工、处理运营效率。（二）持续推进关键核心技术攻关和基础设施建设聚焦生物能源关键核心技术，持续开展技术攻关，降低产品成本。此外，聚焦应用场景，积极推进生物能源产业基础配套设施建设，扩大生物能源需求总量。（三）加强生物能源金融支持力度，探索生物能源减排量的碳市场优先交易通过财政政策激励社会资本对生物能源产业投资，促进产业发展，同时鉴于生物能源碳减排效益远高于其他可再生能源的特征，应使之优先进入碳市场交易，促进生物能源产业良性发展。（四）完善国家层面生物能源产业发展战略规划明确生物能源在保障国家能源安全、推动能源体系转型、助力乡村振兴中的定位和目标，确保产业发展战略的长期一致性，明确相关部门工作职责和责任主体，建立共同推进生物能源产业发展的工作协调机制，系统构建支持生物能源产业发展政策体系。