一、原理简介

1.1生物质原材料分类

生物质能是指所有来自植物、动物和人类的有机物质，从农耕时期开始就作为常见的热能被使用，随着科技的发展在发电和燃料动力领域也有了用武之地。综合来看，生物质能大体可以分为三大类：木材生物质能、农业生物质能以及垃圾废物。

1）木材生物质能

木材通常被认为是一种气候友好型燃料，常以木柴、木制颗粒和木屑三种形式使用。

2）农业生物质能

除了食品和饲料之外，农业产品也可作为工业原料以及能源材料使用。

3）垃圾废物生物质能

垃圾废物不仅能提供肥料，也可作为能量材料使用，且不会带来严重的生态和社会经济风险。

1.2生物质能能源生产设备

为了将上述三大领域的生物质能原材料转化为能源的终端形式，即电、热和燃料，需要各种各样的能源生产设备（见表4），综合来看，热电联产是生物质能领域常见的供能技术，这也侧面反映了生物质能作为一种可再生能源的高效性。

1.3生物质能相关技术

综合来看,目前世界上较为成熟且能够实现规模化开发利用的生物质能技术主要包括生物质能的发电产热、生物液体燃料、沼气和生物质成型燃料等。除此之外,还包括很多生物质能转化技术如直接燃烧技术、致密成型技术、气化技术、裂解、植物油酯化技术、城市垃圾填埋气发电和供热、生物质发酵乙醇技术、炭化技术、沼气发电技术等。从生物质能产品的角度划分，还可以分为固体生物燃料（常用于直接发电/供热）、气体生物燃料（常用于生产沼气与车用甲烷、生物制氢等）以及液体生物燃料（常用于生产燃料乙醇、生物柴油、BTL）以及其他衍生品等。目前，欧盟国家已经形成了从生物质能原料收集、储藏、预处理到燃料生产、配送和应用的整个成熟产业链，其技术体系也相对成熟完善。这里将对以下几种常见的生物质能技术做一些简要的介绍。

1）热电联产技术

热电联产是利用热机或发电站同时产生电和热的一种技术，扩展应用版本还包括冷热电三联产，在之前的系列文章中也有过专题介绍。通过对废热的再利用，热电联产设备的能源效率可以达到90%以上。热电联产设备可以分为电导系统和热导系统，电导系统优先满足了电需求，热导系统则相反，相较之下，由于热损失相对较少，因而热导系统的能源利用率会更高一些。以一个典型的小型热电联产设备为例，其工作原理如下图所示。内燃机燃烧燃料所产生的动力会推动发电机运作从而产生电能，此外通过利用这个过程中产生的废热借助热交换可以对水进行加热从而起到供热的功能。

2）沼气生产技术

气体生物质能沼气的原料主要有动物粪便、能源作物、有机残留物或食品工业中的废料或副产品，因而农村是沼气生产的主要地区。原料在温度在32到42摄氏度之间的密闭发酵罐中借助细菌发酵，最终形成由约三分之二的甲烷、大于三分之一的二氧化碳以及微量的氮气、氢气、氧气等组成的混合气体，即沼气。通过提炼加工处理后，还可以得到纯度高于96%的生物甲烷（图中步骤1），最终直接进入天然气管道（图中步骤3）。而甲烷提炼过程中捕集到的二氧化碳部分也可以用于电转气技术的甲烷化过程或其他用途（图中步骤2）。

除上文中沼气生产用到的生物发酵法外，还有其他很多生产生物质气体燃料的技术，例如高温热解法、等离子体热解法、熔融金属气化法、超临界水气化法等。其中，无气化剂的气化反应称为热解气化，有气化剂的气化可分为氧气气化、水蒸气气化、空气气化和复合气气化。

3）其他技术

除此之外，还有固体生物质能燃料技术，包括生物质成型燃料和生物炭技术，其中生物质成型燃料技术又分为生物质颗粒、生物质块及成型设备的制造技术。而液体生物质能又包括生物柴油和燃料乙醇两种技术。其中，生物柴油有常规碱（酸）催化技术、高压醇解技术、酶催化技术、超临界（或亚临界）技术。而燃料乙醇则包括木薯乙醇、甜高粱乙醇和纤维素乙醇。

二、生物质能的优势

有关生物质能的优势在交能网最新推出的生物质能系列第一篇：生物质能——未来能源战略的支柱产业中已经有过详细的介绍，这里只给出总结。

1.无论是固体生物质如木材垃圾等还是气体生物质如沼气等，相较于风能太阳能都易于储存，

2.对传统化石燃料如石油天然气等的可替代性高，因而可以有效减少对化石能源的依赖，

3.生物质能是二氧化碳中性的，温室气体排放少于传统化石燃料，对环境友好，

4.可以为生物质能的主要供应商农林业创造新的收入来源，振兴农村经济，

5.生物质能产业链为大众创造了新的工作机会。

三、生物质能相关的经济性

生物质能能源应用领域的经济性取决于很多因素，以德国的沼气热电联产厂为例，除了相关的技术与设备的高昂投资外，还需要考虑到诸如农作物的储存量，来源，如何分配热需求，能源价格高低等等其他问题，因此需要针对每个项目进行仔细的经济可行性规划。沼气厂收入来源主要是靠可再生能源法（EEG）产生的电费，如果是自用的话，还可以产生额外的收入或者通过节约成本来提升经济性。下表分别给出了电功率为75kW,150kW与250kW三种不同装机量的沼气设备，并从不同的角度比较了其经济性。这里可再生原料指来自农林业的有机原料,而液体肥料指的是由尿液和农场动物的粪便组成的天然肥料。

前期高昂投资之后，生物质能相关设备运行的经济效益还是相对可观的。以国内某大型养猪场为例，其生产的沼气可以作为燃料或者直接出售获取一定的收益。但若想获得更高的经济效益往往要通过热电联产的模式，即利用生产沼气发电上网获得政府补贴，同时利用发电机的余热满足日常热能消耗，以此间接提升经济效益。该养猪场的年沼气产量为438万立方米，净化后可以达到9.63GWh的发电量，除去其他辅助设备所自消耗的8%-10%的电量外，还有8000余MWh可以上网，创造电能价值为645万元。此外年产冷量为31.5TJ，对应节约电能1335GWh，经济效益为100万元，因而可获得总计为745万元的收益。

四、国内生物质能政策支持

1.国家发改委修订发布了《产业结构调整指导目录(2019年本)》将于2020年1月1日起正式实施，其中有数项生物质相关产业列入鼓励类目录，涉及生物天然气、生物质能清洁供热、燃煤耦合生物质发电、非粮生物质燃料，以及相关技术开发与设备制造等多个领域。

2.2019年国家税务总局发布了《支持脱贫攻坚税收优惠政策指引》，其中一些政策惠及农村电网与生物质能：农村电网维护费免征增值税;以部分农林剩余物为原料生产燃料电力热力实行增值税即征即退100%;以农作物秸秆及壳皮等原料生产电力等产品实行减按90%计入企业所得税收入总额;沼气综合开发利用享受企业所得税“三免三减半”。

3.《可再生能源电价附加收人调配暂行办法》包括生物质能在内的可再生能源发电项目的接网费补贴，包括输变电投资和运行维护费。此外，对电网公司全额接受生物质发电企业上网电量也做出了相关规定。

4.根据《中华人民共和国企业所得税法实施条例》，生物质发电企业享受企业所得税减免，自项目取得第一笔生产经营收人所属纳税年度起，第一年至第三年免征企业所得税，第四年至第六年减半征收企业所得税。

5.国家发展和改革委员会《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》，确定了全国统一的农林生物质发电标杆上网电价标准。

6.国家发展和改革委员会《关于完善垃圾焚烧发电价格政策的通知》,明确了垃圾发电上网电价标准。

7.生物天然气被列入国家能源发展战略，国家能源局向各省及九家央企下发了“国家能源局综合司关于请编制生物天然气发展中长期规划的通知”(以下简称“通知”)。

除上述所列生物质能政策以外，我国还有很多其他激励生物质能产业发展的利好政策。“十三五”规划中对我国的生物质能的发展布局与建设重点做出了重要指示，涉及领域涵盖生物天然气，生物质成型燃料供热，生物质发电与生物液体燃料。即将到来的“十四五“，也会迎来我国生物质能产业的大发展。此外，国家发改委和国家能源局正在收集各方意见修改《中华人民共和国能源法》，在各方努力谏言下，相信未来会有更多的生物质能利好政策和法律法规相继出台。

五、国内外案例介绍

中国华电科工集团研发了位于雄安新区的国内首个生物质秸秆与畜禽养殖废弃物混合进行干式厌氧发酵的项目。其生物质来源是该地区分布面积最大、最典型的水生植物芦苇。为了解决芦苇腐化造成水体污染问题，同时对其资源化利用产生一定的经济效益，采用了干式厌氧发酵技术，将芦苇和当地畜禽养殖废弃物生态处理成为绿色能源，未来或参与垃圾焚烧发电，实现芦苇利用的资源化、无害化。这其中生成的沼气可用于发电、供热和供气，发酵后的沼渣也可用于有机肥生产。具有原料适应性强、处理过程能耗低、无废水排放、管理方便等诸多优势，是生态农业与清洁能源综合利用的典型示范。据悉，该项目已于2019年9月6日顺利产气，所产沼气甲烷浓度达到55%，产气速度、品质均达到设计值，平均日处理原料4吨，日产沼气280标立方、沼渣3.6吨，年节约标煤约60吨、减排CO2约900吨，未来将是我国生物燃气（天然气）产业发展的一座里程碑。

除以上三个项目外，还有非常多的生物质能项目，例如在《2019年中国生物质发电工程新建项目汇编》中也对全国该领域相关的项目案例进行了汇总。

壳牌联手英国航空公司和可再生燃料技术公司Velocys打算建造欧洲第一座大型航空生物燃料工厂，其燃料来源为家庭和商业垃圾，目的是通过对清洁燃料的使用，减少全球化带来的航空业务增长所导致的温室气体排放量。通过计算，每替换一吨传统化石燃料，可以减少70%的温室气体排放。该项目有望于2021年开工，2024年投入商业化生产，每年将接收超过50万吨不可回收的垃圾固体废料。最终投资金额预计数亿英镑，可创造约130个永久性就业岗位。

密歇根州立大学团队用底特律动物园的粪便和食物垃圾通过厌氧消化池变身为清洁能源，为动物园的运营提供部分动力。有机废物在高温的厌氧消化密封罐中会发生降解产生沼气，利用沼气产电可以为动物医院提供电力，不仅可以降低电力成本，也可以减少温室气体排放。

位于德国梅尔齐格（Merzig）的生物天然气工厂，于2011年投入运营，天然气年产量为9240000 Nm³,输送天然气管道年总量为4620000立方米，输送速度大约为每小时550立方米，覆盖了大约2400户家庭的供暖需求。其生物质的来源是该地区农业生产提供的草，玉米和整株青贮饲料，最终通过发酵反应产生沼气（甲烷纯度55%）并经过提炼生成生物甲烷天然气（纯度96%）。