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林業和農業都可以為能源系統生產生物質。在二氧化碳負排放的成本最優的歐洲能源系統中，生物質主要用于補充工業、航空和航運的燃料和化學品供應。一小部分生物質也被用作電力生產的靈活儲備，以加強供應可靠性。僅電力部分來看，風力發電占54%，太陽能占40%。（圖片來源：Unsplash/Christian Löwhagen/Chalmers University of Technology）
生物質能目前是歐盟最大的可再生能源，但氣候戰略往往側重于其他能源。由瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）領導的一項綜合分析表明，生物質對歐洲實現其氣候目標的能力至關重要，因為它可以用來生產非化石燃料和化學品，還可以從大氣中去除二氧化碳。如果將生物質能排除在歐洲能源系統之外，每年將額外花費1690億歐元——與排除風能的成本大致相同。
生物質，如能源作物、伐木殘留物、谷物秸稈和木材廢料，是一種多功能的可再生能源，許多行業都希望利用它來減少溫室氣體（GHG）的排放。
例如，在鋼鐵和水泥工業以及為家庭提供電力和區域供熱的發電廠，生物質能可以取代化石燃料。它還可以在塑料和化學品的生產中取代石油和化石天然氣，以及為汽車、船舶和航空業生產燃料。
此外，生物質可以在氣候轉型的一個日益重要的部分中發揮關鍵作用：通過碳捕獲和儲存（CCS）從大氣中去除二氧化碳（CDR）。
生物質中的碳原子是通過植物光合作用從空氣中吸收的。通常，當生物質被用作能源時，碳原子會以二氧化碳的形式釋放回空氣中。
但是當生物能源與CCS（生物能源與碳捕獲和儲存—BECCS）相結合時，這些二氧化碳的排放就被避免了。因此，BECCS提供了可再生能源以及來自大氣的CDR，這被稱為負排放。
概述生物質、電力和化石燃料的選擇，以滿足對空間和水加熱、電力、過程熱量、化學品以及運輸的需求。基于生物質的選擇可以與碳捕獲相結合，與直接空氣捕獲競爭，為燃料和化學品的生產或負排放提供非化石碳。所有這些選擇的使用都是成本優化的，以實現歐洲能源系統的排放目標。圖片中，能量流被顯示出來，除了虛線，它顯示了捕獲的碳的質量流（這是每個過程的可選）。捕獲的碳可以用于碳氫化合物生產（CCU）或封存（CCS）。縮寫：AD=厭氧消化，CCU=碳捕集與利用，CCS=碳捕集與封存，DAC=直接空氣捕集，EV=電動汽車，SMR=蒸汽甲烷重整，SNG=替代天然氣，V2G=汽車到電網（改編自Millinger等人的圖形，CC BY 4.0由查爾姆斯理工大學提供）。
如果生物質減少，成本會迅速增加
隨著對非化石能源替代品需求的不斷增長，對可再生能源的競爭也愈演愈烈，這促使政策制定者和工業界著手解決有關政策和對資源和技術的投資問題，以有效地支持能源部門的氣候轉型。
由于生物質能有如此多的用途，科學家們正在努力解決有關生物能源在能源系統中的作用問題。生物質可獲得性的變化如何影響能源部門的氣候轉型？如何以及在哪里最好地利用生物質？
在《自然能源》雜志上發表的一篇題為《實現歐洲能源系統排放目標的生物質能利用途徑的多樣性》的論文中，查爾姆斯理工大學、瑞典Rise研究所和德國柏林理工學院Universität的研究人員進行了全面的分析，并展示了未來歐洲能源系統的樣子——包括電力、供暖、工業和運輸。
研究人員調查了能源系統的兩個排放目標：一個是二氧化碳零排放，另一個是負排放（與1990年相比減少110%）。
該系統中的生物質主要由來自歐洲林業和農業的廢料組成，加上可以進口的更昂貴的部分。
該研究的主要作者馬庫斯·米林格博士（Markus Millinger）指出，生物質在能源轉型中扮演著意想不到的重要角色。他在進行這項研究時是查爾默斯大學的一名研究員，現在是萊斯大學的一名研究員。
“令我們驚訝的是，如果我們減少能源系統中生物質的可用性，由于替代品的高成本，它會很快變得非常昂貴。如果完全排除生物質，與具有成本最優生物質水平的相同系統相比，負排放能源系統的成本每年將增加1690億歐元。”Markus Millinger博士說，這是20%的增長，與排除風力發電的成本大致相當。
如果生物質的可用性被限制在歐洲能源系統中目前的生物質的使用水平，那么與成本最優水平相比，額外的成本是5%。
但財政部分或許不是最大的問題。最大的困難可能是擴大替代方案的規模。即使系統中有生物質能，將無化石能源擴大到所需的程度也是一個真正的挑戰。對生物質供應的進一步限制將使能源轉型變得非常困難，因為將需要更大量的其他類型的非化石能源。此外，我們將錯過利用生物質提供的負排放機會。為了在能源部門實現負排放，直接從空氣中捕獲碳將不得不在很大程度上擴大。Markus Millinger博士說，這是一項非常昂貴的技術，需要能量輸入而不是提供凈能量輸出。
歐洲能源系統中的生物質利用：實現二氧化碳凈負排放（與1990年相比減少110%）的可行解決方案空間。陰影區域表示可能的空間，y軸為每年的生物質使用量，x軸為成本增加（與最低可能成本相比）。該圖還顯示了在系統成本僅增加1%的情況下，生物質數量在一段時間內的變化幅度。以前類似的研究通常集中在單一的成本最優解決方案上，但這在實踐中很難實現。因此，在這項新研究中，研究人員提供了一個靈活的解決方案空間，其中生物質的數量幾乎是成本最優的（改編自Millinger等人的圖形，CC BY 4.0由查爾姆斯理工大學提供）。
捕獲二氧化碳是最重要的
這項研究的一個中心結論是，生物質在能源系統中的價值主要與它含有碳原子這一事實有關。
生物質作為一種能源就不那么重要了。目前利用生物質能量的大規模技術，例如在發電廠燃燒生物質，可與在煙道氣中捕獲生物源性二氧化碳的技術相結合。
然后，這種生物二氧化碳可以永久儲存在地下，也可以作為燃料和化學品等產品的原材料重新使用。
因此，生物質可以提供能源，同時實現負排放或取代化石原料。后兩個機會現在已被證明對氣候轉型最為重要。
因此，捕獲碳原子以便有效地儲存或再利用是至關重要的，但如何利用生物質的能量含量則不那么重要。
只要利用了碳原子，在哪個部門使用生物質并不重要，除了使用一小部分生物質作為電力生產的靈活儲備以加強供應可靠性是一種優勢。因此，區域條件和現有技術基礎設施等因素對于確定什么是最有利的是很重要的。馬庫斯·米林格博士說，這意味著各國如果想利用生物質能實現負排放，可以選擇不同的途徑——例如，通過生產電力、熱能或生物燃料。
擴大政策制定的知識庫
研究人員使用了一種先進的模型，與以前的類似研究相比，它包含了更多的技術和更高層次的細節。該模型還顯示了能源系統中所有社會部門是如何相互影響的。
因此，這項新研究為政策制定提供了一個擴大的基礎知識庫，尤其是與生物質和負排放技術相關的部分。
例如，通過生產先進燃料來捕獲、儲存或再利用二氧化碳，需要大量投資才能啟動，并且需要建立長期、可持續和可靠的價值鏈。與目前主要受重視的能源相比，無化石燃料二氧化碳市場將大大增加此類投資的機會。但這需要決策者創造穩定的政策工具，以實現無化石碳原子在氣候轉型中的巨大價值，馬庫斯·米林格博士說。
技術發展和政策刺激了歐盟生物能源利用的增加。
但也有一些政策工具以各種方式限制其使用，這是基于對食品價格上漲、森林砍伐和生物多樣性喪失等可能產生的負面影響的擔憂。
“生物能源部門是在農業和林業正在滿足日益增長的可持續性要求的背景下發展的。鑒于氣候轉型預計將增加對森林和農業用地的壓力，重要的是要有監管制度，引導發展朝著積極的方向發展。與此同時，生物能源系統的設計可以有助于更有效地利用資源和減輕目前土地使用對環境的負面影響。如果政策工具的設計是為了獎勵土地所有者和其他行為者'做正確的事情'，這本身就可以推動發展遠離對環境有害的活動，”該研究的合著者、Chalmers生物質能和土地利用教授Göran Berndes說道。
（素材來自：Chalmers University of Technology 全球生物質能源網、新能源網綜合） |
