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林業(yè)和農(nóng)業(yè)都可以為能源系統(tǒng)生產(chǎn)生物質(zhì)。在二氧化碳負(fù)排放的成本最優(yōu)的歐洲能源系統(tǒng)中，生物質(zhì)主要用于補(bǔ)充工業(yè)、航空和航運的燃料和化學(xué)品供應(yīng)。一小部分生物質(zhì)也被用作電力生產(chǎn)的靈活儲備，以加強(qiáng)供應(yīng)可靠性。僅電力部分來看，風(fēng)力發(fā)電占54%，太陽能占40%。（圖片來源：Unsplash/Christian Löwhagen/Chalmers University of Technology）
生物質(zhì)能目前是歐盟最大的可再生能源，但氣候戰(zhàn)略往往側(cè)重于其他能源。由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）領(lǐng)導(dǎo)的一項綜合分析表明，生物質(zhì)對歐洲實現(xiàn)其氣候目標(biāo)的能力至關(guān)重要，因為它可以用來生產(chǎn)非化石燃料和化學(xué)品，還可以從大氣中去除二氧化碳。如果將生物質(zhì)能排除在歐洲能源系統(tǒng)之外，每年將額外花費1690億歐元——與排除風(fēng)能的成本大致相同。
生物質(zhì)，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(yè)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(yè)以及為家庭提供電力和區(qū)域供熱的發(fā)電廠，生物質(zhì)能可以取代化石燃料。它還可以在塑料和化學(xué)品的生產(chǎn)中取代石油和化石天然氣，以及為汽車、船舶和航空業(yè)生產(chǎn)燃料。
此外，生物質(zhì)可以在氣候轉(zhuǎn)型的一個日益重要的部分中發(fā)揮關(guān)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(zhì)中的碳原子是通過植物光合作用從空氣中吸收的。通常，當(dāng)生物質(zhì)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(dāng)生物能源與CCS（生物能源與碳捕獲和儲存—BECCS）相結(jié)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(fù)排放。
概述生物質(zhì)、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(xué)品以及運輸?shù)男枨蟆；谏镔|(zhì)的選擇可以與碳捕獲相結(jié)合，與直接空氣捕獲競爭，為燃料和化學(xué)品的生產(chǎn)或負(fù)排放提供非化石碳。所有這些選擇的使用都是成本優(yōu)化的，以實現(xiàn)歐洲能源系統(tǒng)的排放目標(biāo)。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(zhì)量流（這是每個過程的可選）。捕獲的碳可以用于碳?xì)浠衔锷a(chǎn)（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(wǎng)（改編自Millinger等人的圖形，CC BY 4.0由查爾姆斯理工大學(xué)提供）。
如果生物質(zhì)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(yè)界著手解決有關(guān)政策和對資源和技術(shù)的投資問題，以有效地支持能源部門的氣候轉(zhuǎn)型。
由于生物質(zhì)能有如此多的用途，科學(xué)家們正在努力解決有關(guān)生物能源在能源系統(tǒng)中的作用問題。生物質(zhì)可獲得性的變化如何影響能源部門的氣候轉(zhuǎn)型？如何以及在哪里最好地利用生物質(zhì)？
在《自然能源》雜志上發(fā)表的一篇題為《實現(xiàn)歐洲能源系統(tǒng)排放目標(biāo)的生物質(zhì)能利用途徑的多樣性》的論文中，查爾姆斯理工大學(xué)、瑞典Rise研究所和德國柏林理工學(xué)院Universität的研究人員進(jìn)行了全面的分析，并展示了未來歐洲能源系統(tǒng)的樣子——包括電力、供暖、工業(yè)和運輸。
研究人員調(diào)查了能源系統(tǒng)的兩個排放目標(biāo)：一個是二氧化碳零排放，另一個是負(fù)排放（與1990年相比減少110%）。
該系統(tǒng)中的生物質(zhì)主要由來自歐洲林業(yè)和農(nóng)業(yè)的廢料組成，加上可以進(jìn)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(zhì)在能源轉(zhuǎn)型中扮演著意想不到的重要角色。他在進(jìn)行這項研究時是查爾默斯大學(xué)的一名研究員，現(xiàn)在是萊斯大學(xué)的一名研究員。
“令我們驚訝的是，如果我們減少能源系統(tǒng)中生物質(zhì)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(zhì)，與具有成本最優(yōu)生物質(zhì)水平的相同系統(tǒng)相比，負(fù)排放能源系統(tǒng)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(fēng)力發(fā)電的成本大致相當(dāng)。
如果生物質(zhì)的可用性被限制在歐洲能源系統(tǒng)中目前的生物質(zhì)的使用水平，那么與成本最優(yōu)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(kuò)大替代方案的規(guī)模。即使系統(tǒng)中有生物質(zhì)能，將無化石能源擴(kuò)大到所需的程度也是一個真正的挑戰(zhàn)。對生物質(zhì)供應(yīng)的進(jìn)一步限制將使能源轉(zhuǎn)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(zhì)提供的負(fù)排放機(jī)會。為了在能源部門實現(xiàn)負(fù)排放，直接從空氣中捕獲碳將不得不在很大程度上擴(kuò)大。Markus Millinger博士說，這是一項非常昂貴的技術(shù)，需要能量輸入而不是提供凈能量輸出。
歐洲能源系統(tǒng)中的生物質(zhì)利用：實現(xiàn)二氧化碳凈負(fù)排放（與1990年相比減少110%）的可行解決方案空間。陰影區(qū)域表示可能的空間，y軸為每年的生物質(zhì)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(tǒng)成本僅增加1%的情況下，生物質(zhì)數(shù)量在一段時間內(nèi)的變化幅度。以前類似的研究通常集中在單一的成本最優(yōu)解決方案上，但這在實踐中很難實現(xiàn)。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(zhì)的數(shù)量幾乎是成本最優(yōu)的（改編自Millinger等人的圖形，CC BY 4.0由查爾姆斯理工大學(xué)提供）。
捕獲二氧化碳是最重要的
這項研究的一個中心結(jié)論是，生物質(zhì)在能源系統(tǒng)中的價值主要與它含有碳原子這一事實有關(guān)。
生物質(zhì)作為一種能源就不那么重要了。目前利用生物質(zhì)能量的大規(guī)模技術(shù)，例如在發(fā)電廠燃燒生物質(zhì)，可與在煙道氣中捕獲生物源性二氧化碳的技術(shù)相結(jié)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(xué)品等產(chǎn)品的原材料重新使用。
因此，生物質(zhì)可以提供能源，同時實現(xiàn)負(fù)排放或取代化石原料。后兩個機(jī)會現(xiàn)在已被證明對氣候轉(zhuǎn)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(guān)重要的，但如何利用生物質(zhì)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(zhì)并不重要，除了使用一小部分生物質(zhì)作為電力生產(chǎn)的靈活儲備以加強(qiáng)供應(yīng)可靠性是一種優(yōu)勢。因此，區(qū)域條件和現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)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(zhì)能實現(xiàn)負(fù)排放，可以選擇不同的途徑——例如，通過生產(chǎn)電力、熱能或生物燃料。
擴(kuò)大政策制定的知識庫
研究人員使用了一種先進(jìn)的模型，與以前的類似研究相比，它包含了更多的技術(shù)和更高層次的細(xì)節(jié)。該模型還顯示了能源系統(tǒng)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(kuò)大的基礎(chǔ)知識庫，尤其是與生物質(zhì)和負(fù)排放技術(shù)相關(guān)的部分。
例如，通過生產(chǎn)先進(jìn)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(xù)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(jī)會。但這需要決策者創(chuàng)造穩(wěn)定的政策工具，以實現(xiàn)無化石碳原子在氣候轉(zhuǎn)型中的巨大價值，馬庫斯·米林格博士說。
技術(shù)發(fā)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(chǎn)生的負(fù)面影響的擔(dān)憂。
“生物能源部門是在農(nóng)業(yè)和林業(yè)正在滿足日益增長的可持續(xù)性要求的背景下發(fā)展的。鑒于氣候轉(zhuǎn)型預(yù)計將增加對森林和農(nóng)業(yè)用地的壓力，重要的是要有監(jiān)管制度，引導(dǎo)發(fā)展朝著積極的方向發(fā)展。與此同時，生物能源系統(tǒng)的設(shè)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(huán)境的負(fù)面影響。如果政策工具的設(shè)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(fā)展遠(yuǎn)離對環(huán)境有害的活動，”該研究的合著者、Chalmers生物質(zhì)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(zhì)能源網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合） |
