【摘要】實現(xiàn)碳中和不僅是大國責(zé)任，而且是中國經(jīng)濟發(fā)展“換道超車”和突破資源、環(huán)境瓶頸約束的機遇。推動新能源革命，依托自主創(chuàng)新技術(shù)，發(fā)展生物燃料與生物基材料產(chǎn)業(yè)，讓綠水青山變金山銀山。僅利用我國現(xiàn)有秸稈的40%和5000萬畝青貯玉米地、2億畝鹽堿地資源，對1億畝壓采地下水耕地進行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，生產(chǎn)乙醇、氫等生物燃料和聚乳酸等生物基材料，就能替代1.5億噸汽柴油和1億噸石油基塑料和化纖，使紡織服裝業(yè)重獲新生，進而有望使國家逐步實現(xiàn)從石油經(jīng)濟向生物經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型，提供5000萬個就業(yè)崗位，引領(lǐng)全球碳中和之路。
【關(guān)鍵詞】新能源 “兩山”理論 碳中和 生物基 生物經(jīng)濟
【中圖分類號】F426.2/X24 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.14.005
李十中，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授，北京市生物燃料工程技術(shù)研究中心主任，香港科技大學(xué)兼職教授，聯(lián)合國發(fā)展計劃署UNDP中國氫能項目顧問。研究方向為先進生物能源與化工。主要著作有《中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究叢書：生物質(zhì)能卷》（編著）、《Distinct Structural Modulation of Photosystem I and Lipid Environment Stabilizes Its Tetrameric Assembly》（論文）等。
碳達(dá)峰、碳中和已經(jīng)成為關(guān)系國家戰(zhàn)略實現(xiàn)的重要工作與目標(biāo)。2021年4月30日召開的中央政治局會議強調(diào)，要有序推進碳達(dá)峰、碳中和工作，積極發(fā)展新能源。在諸多新能源中，唯有生物能源與農(nóng)業(yè)密切相關(guān)[1]。通過利用秸稈和調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、利用邊際土地種植能源作物、生產(chǎn)清潔燃料與合成材料可帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展、增加農(nóng)民收入，讓綠水青山變金山銀山；作物生長的同時還會吸收CO2，實現(xiàn)負(fù)碳排放。石油不僅是交通燃料，而且是最主要的化工原料，還是塑料、橡膠、化纖三大合成材料的原材料。我國要在2060年前實現(xiàn)“碳中和”，就必須在交通和工業(yè)原料方面不再依賴化石能源，從石油經(jīng)濟向建立在生物技術(shù)和產(chǎn)品之上的生物經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。因此，用生物質(zhì)替代石油是一場新能源革命。
新能源革命是國家從石油經(jīng)濟向生物經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必經(jīng)之路
實現(xiàn)油氣行業(yè)的碳中和，是人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。既要保障燃料和材料產(chǎn)品的供應(yīng)，又要把對環(huán)境的影響降到最低。如何解決？開發(fā)與利用生物能源是目前最有潛力的人類從根本上改善環(huán)境、提供燃料和材料產(chǎn)品的發(fā)展方向。生物能源的優(yōu)勢不僅在于可再生、植物自身吸收CO2[2]，還在于其“物質(zhì)性”特質(zhì)使其可替代化石能源提供人類所需的燃料和材料，拓寬農(nóng)產(chǎn)品市場，使綠水青山變成金山銀山[3]。我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源豐富，大力發(fā)展生物能源符合國情，在保證糧飼供應(yīng)的前提下，通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和在邊際土地上種植能源作物、利用秸稈生產(chǎn)清潔燃料與合成材料，既可減少石油進口，又可帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興。
用生物質(zhì)替代石油生產(chǎn)人類必須的燃料和材料是目前石油化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的唯一途徑。從能源安全和氣候變化的角度考慮，各國都把減少化石能源消耗、發(fā)展可再生能源、保護人類共同家園作為首要任務(wù)，發(fā)達(dá)國家已把用生物質(zhì)替代石油作為國家能源戰(zhàn)略[4]。生物燃料和生物基材料是以可再生的生物質(zhì)為原料，利用生物化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)的材料和燃料，其原料源自“生物”，轉(zhuǎn)化過程是能耗低的“生物過程”。新能源革命推動了生物和化工領(lǐng)域的技術(shù)進步，促進了燃料與材料變革，使化石燃料逐步向乙醇、氫等生物燃料以及電、合成燃料轉(zhuǎn)變；石化材料逐步向生物基材料轉(zhuǎn)變。
根據(jù)國際能源署（International Energy Agency，簡稱IEA）發(fā)布的《Energy Technology Perspectives 2020》，在交通領(lǐng)域，電替代了1%的化石燃料，而生物燃料（燃料乙醇和生物柴油）則替代了3%的化石燃料[5]。歐盟在本月（2021年7月）發(fā)布的“Fit for 55”計劃中承諾，2030年比1999年減排55%的溫室氣體，在交通領(lǐng)域，其實現(xiàn)主要還是依靠以基于作物的乙醇為代表的生物燃料[6]。雖然車輛電動化掀起熱潮，但在難以實現(xiàn)電氣化和降低碳密度的商用車、海運和航運領(lǐng)域，則只能依靠生物燃料替代化石燃料[7]。航運方面，歐盟確定了2050年實現(xiàn)航空碳中和的目標(biāo)[8]。法國最新立法規(guī)定2022年生物航煤（bio-jet fuels）要占航煤的1%，到2025年和2030年該比例要分別提升至2%和5%，2050年實現(xiàn)航空碳中和[9]。道達(dá)爾[10]、殼牌、英國石油等石油巨頭紛紛開始生產(chǎn)生物航煤[11]；亞馬遜的航空貨運公司已訂購600萬加侖殼牌生物航煤[12]；航空發(fā)動機巨頭羅爾羅伊斯（Rolls Royce）已在下一代發(fā)動機上測試生物航煤，并認(rèn)為到2050年全球生物航煤需求將達(dá)到5億噸／年[13]。海運方面，國際海事組織制定了到2050年海運排放比2008年減少50%的目標(biāo)[14]；物流公司DHL已在集裝箱船上使用船用生物燃油[15]；鹿特丹港早在2018年就開始為荷蘭內(nèi)河航線提供船用生物燃油，與化石燃料相比可減排90%的二氧化碳、100%的硫[16]。由于生物柴油以油脂為原料，其生產(chǎn)規(guī)模受到資源制約，目前歐洲生產(chǎn)的生物柴油或氫化生物柴油（航煤）原料中的34%來自中國的地溝油、19%是東南亞的棕櫚油[17]。2019年全球1.3億噸生物燃料產(chǎn)量中，生物柴油不到4000萬噸，而燃料乙醇達(dá)9143萬噸[18]，64個國家和地區(qū)使用乙醇汽油。
用生物質(zhì)替代石油生產(chǎn)的塑料、橡膠、纖維三大合成材料，稱為生物基材料，主要包括生物基聚烯烴、生物基聚酯、生物基尼龍（聚酰胺）等。2020年，全球生物基材料產(chǎn)量為210萬噸，并將在未來5年內(nèi)增長36%[19]。生物基材料具有優(yōu)秀的減排能力，其CO2排放量只相當(dāng)于傳統(tǒng)石油基高分子的20%。根據(jù)多倫多大學(xué)生物材料與復(fù)合中心的研究成果[20]：每噸生物基聚合物可減排3.2噸CO2?？缮锝到饩埘ヮ惒牧辖鉀Q了石油基塑料造成的污染問題，其中聚乳酸在價格和可供性方面前景最好，價格最貼近石油基產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣，性價比高，占據(jù)可生物降解塑料市場份額的80%以上。烯烴是石化行業(yè)的基礎(chǔ)原料，用生物乙醇可以生產(chǎn)聚烯烴、順丁橡膠等。巴西Braskem公司正在將年產(chǎn)20萬噸乙醇脫水制乙烯工廠擴建到26萬噸的規(guī)模[21]，該公司還在世界上首次推出可再生聚乙烯石蠟，用乙醇生產(chǎn)可再生乙烯比傳統(tǒng)石油基乙烯節(jié)能80%[22]；國內(nèi)的安徽豐原集團、中石化等公司亦有生物基乙烯生產(chǎn)裝置在運轉(zhuǎn)之中。發(fā)酵生產(chǎn)的乳酸還可脫水轉(zhuǎn)化為丙烯酸，作為重要的有機合成原料及合成樹脂單體，用于環(huán)保油漆、涂料的制備。
生物燃料和生物基材料產(chǎn)業(yè)具備戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的全部特征，有利于解決我國農(nóng)產(chǎn)品價格和市場波動問題，聚焦每年進口5億多噸石油和2百多萬噸牛肉的巨大市場，可培育“三農(nóng)”的自身“造血”功能與成長機制，進而顯著增加農(nóng)民收入，解決數(shù)千萬農(nóng)民工就業(yè)問題，促進鄉(xiāng)村振興，讓綠水青山真正成為金山銀山。
生物燃料和生物基材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成。第一，生物燃料有利于溫室氣體、顆粒物減排，帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展。首先，生物燃料產(chǎn)業(yè)在能源安全、環(huán)保、控制氣候變化領(lǐng)域作用巨大。全球64個國家和地區(qū)使用了乙醇汽油，摻混比例從5%（慣稱E5，體積百分比）到85%（慣稱E85，體積百分比）不等，其中美國生產(chǎn)了4740萬噸燃料乙醇，占美國汽油消耗總量的10.12%，減少原油消耗5億桶[23]。以乙醇為燃料的汽車尾氣中顆粒物僅為汽油車的1／10[24]，可顯著改善大氣環(huán)境。根據(jù)歐洲數(shù)據(jù)，插電式電動車平均產(chǎn)生的CO2為92克／公里，而巴西用含27％乙醇的汽油做燃料，其平均產(chǎn)生的CO2僅為87克／公里，因此乙醇汽油減排效果優(yōu)于插電式電動車[25]。哈佛大學(xué)等單位2021年2月發(fā)布最新研究成果[26]證明，美國的玉米乙醇可比汽油減排46%的溫室氣體；美國能源部阿貢實驗室研究發(fā)現(xiàn)，2005～2019年間，美國玉米乙醇累計減排溫室氣體5億噸[27]。
其次，發(fā)展生物燃料產(chǎn)業(yè)還擴大了農(nóng)產(chǎn)品市場、增加農(nóng)民收入。美國在20世紀(jì)70年代為了解決農(nóng)業(yè)和農(nóng)民問題，用玉米加工乙醇替代汽油以保持玉米價格穩(wěn)定，并就地創(chuàng)造就業(yè)崗位，保障農(nóng)民收入，“歪打正著”地同時解決了能源、環(huán)境、玉米價格三個棘手問題，使美國在主導(dǎo)全球氣候變化方面有了資本。2019年，美國玉米產(chǎn)量3.7億噸，其中1.42億噸用于生產(chǎn)4740萬噸乙醇，創(chuàng)造了430億美元GDP、35萬個就業(yè)崗位[28]；使玉米價格長期維持在3.6美元／蒲式耳以上，2020～2021年度，玉米平均價格為5.7美元／蒲式耳，保證了農(nóng)民收入。美國農(nóng)業(yè)部剛在本月（2021年7月）宣布，在60天內(nèi)為生物燃料生產(chǎn)商提供7億美元援助，彌補新冠肺炎疫情給行業(yè)造成的損失[29]。
我國生物燃料乙醇生產(chǎn)和車用乙醇汽油使用試點均始于本世紀(jì)初，已建成生物燃料乙醇產(chǎn)能規(guī)模約296萬噸／年，并在11個試點?。▍^(qū)）的31個地市基本實現(xiàn)車用乙醇汽油的封閉推廣，初步奠定了生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，成功探索了適應(yīng)國情的發(fā)展模式，取得了顯著的社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益。2018年8月，國務(wù)院批準(zhǔn)實施《全國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)總體布局方案》（發(fā)改能源〔2018〕1271號），該方案要求到2020年全國范圍內(nèi)基本實現(xiàn)車用乙醇汽油全覆蓋，推廣使用E10車用乙醇汽油（10%乙醇與90%汽油混合）。
第二，生物基材料性能優(yōu)異，可生物降解塑料還解決了石油基塑料造成的污染問題。生物基高分子材料具有優(yōu)異的性能。聚羥基脂肪酸酯系列材料有非常好的生物相容性和可降解性，廣泛應(yīng)用于骨釘、縫合線、藥物載體等醫(yī)藥材料及塑料、纖維領(lǐng)域；生物基聚氨酯環(huán)保無毒，性能比石油基產(chǎn)品更優(yōu)異，用其生產(chǎn)的人造革、油漆涂料等具有透氣、無毒的特點（Adidas與Allbirds公司已合作生產(chǎn)出1萬雙無臭味的生物聚氨酯運動鞋，每雙鞋減排2.94公斤CO2）[30]；生物基聚碳酸酯通過利用二氧化碳與生物發(fā)酵產(chǎn)生的二元醇催化聚合制備而成，不再使用有毒的雙酚A，因此環(huán)保無毒；聚乳酸無毒，既可用于一次性餐飲用具、食品包裝材料等以解決石油基塑料造成的污染問題，又因親膚、抑菌、抗螨、防臭、阻燃等特性可替代化纖，且在服裝、床上用品等方面的應(yīng)用效果優(yōu)于棉織品。
《科學(xué)美國人》和世界經(jīng)濟論壇把可生物降解塑料排在2019年全球十大新興技術(shù)的第1位。在生物基可降解材料中，聚乳酸產(chǎn)業(yè)化最成熟，其成本可與以70美元／桶的石油制造的石油基塑料、化纖相當(dāng)，具備了替代石油基塑料、化纖的經(jīng)濟競爭性，并且性能優(yōu)良。目前，國際上有兩家公司生產(chǎn)聚乳酸，一家是美國的嘉吉公司，年產(chǎn)量15萬噸；另一家是歐洲的道達(dá)爾-科碧恩公司，其在泰國建有年產(chǎn)7.5萬噸的聚乳酸工廠，并占據(jù)了丙交酯（聚乳酸中間體）全球市場的60～70%。國內(nèi)現(xiàn)有四家企業(yè)生產(chǎn)聚乳酸，除其中一家具有從乳酸到丙交酯，再聚合成高分子的全產(chǎn)業(yè)鏈制備技術(shù)和裝備外，另外三家都是以進口丙交酯為原料生產(chǎn)聚乳酸。例如，吉林中糧生物材料有限公司的聚乳酸生產(chǎn)線，因原料供應(yīng)商道達(dá)爾-科碧恩公司停止供貨而被迫停車18個月，直到有了國產(chǎn)丙交酯供應(yīng)后，才于2021年6月正式恢復(fù)投產(chǎn)運營。
中國在技術(shù)上取得突破，具備了“換道超車”條件。大規(guī)模用玉米生產(chǎn)乙醇，會影響糧飼安全，而利用秸稈等木質(zhì)纖維素生產(chǎn)的第二代生物燃料——纖維素乙醇尚不能商業(yè)化。相較而言用高粱生產(chǎn)乙醇則優(yōu)勢明顯。高粱原產(chǎn)于非洲，具有耐旱、耐澇、耐鹽堿、生長期短等特性，可在全球范圍內(nèi)種植。甜高粱是高粱的一個品種，適應(yīng)性強，哪都能種，在南方還可“一種三收”；對農(nóng)民而言，種植甜高粱無需高深的技術(shù)，誰都會種。甜高粱莖稈和甘蔗的蔗糖含量一樣，達(dá)到10%～15%，是能同時提供糧食、飼料和能源的多功能作物。我國自主創(chuàng)新的“連續(xù)固體發(fā)酵生產(chǎn)甜高粱稈乙醇技術(shù)”[31]日臻成熟，已示范成功。甜高粱稈乙醇發(fā)酵時間僅為24小時（玉米乙醇發(fā)酵時間為50小時），乙醇收率達(dá)91%；其生產(chǎn)過程無發(fā)酵廢水排放；分離乙醇后的酒糟營養(yǎng)成分與青貯玉米相同，替代青貯玉米喂牛可日增重1.08公斤。每生產(chǎn)1萬噸甜高粱乙醇可帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)新增經(jīng)濟效益4.3億元、提供2000個就業(yè)崗位，使農(nóng)民種植收入增加1倍以上，既可提供清潔燃料和飼料，又可推動鄉(xiāng)村振興，讓綠水青山變金山銀山。
氫能被認(rèn)為是未來能源系統(tǒng)的重要組成部分。但是，氫氣不好儲存和運輸，極易爆炸，存在安全隱患，并且占地面積大、基建成本高，這些都制約了氫燃料電池汽車的發(fā)展。目前，其發(fā)展面臨兩個瓶頸：一是加氫站成本高，我國還須進口高壓加氫站裝備；二是氫主要來自化石能源。在低成本的甜高粱乙醇基礎(chǔ)上，用46%乙醇水溶液在線重整制氫解決了可再生氫源和加氫基礎(chǔ)設(shè)施問題。利用現(xiàn)有加油站，僅把汽、柴油換成46%乙醇，車載重整反應(yīng)器即可在線制氫供燃料電池發(fā)電，這樣就無需像日本車那樣背負(fù)著700kg／cm2高壓氫氣罐行駛，安全無憂，更無需建設(shè)昂貴、復(fù)雜的加氫站和貯運設(shè)施；用自主創(chuàng)新技術(shù)生產(chǎn)的46%甜高粱乙醇可使車的燃料成本與用汽、柴油相同。因此，集成甜高粱乙醇重整制氫和氫動力系統(tǒng)（電堆或氫發(fā)動機[32]），有可能使我國汽車產(chǎn)業(yè)后來居上。
在生物基材料方面，國家發(fā)改委發(fā)布的《增強制造業(yè)核心競爭力三年行動計劃（2018-2020年）》中所確定的重點化工新材料關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目就包括新型可降解材料；中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會在《石油和化學(xué)工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃指南》中將可生物降解材料作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)列入優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，立足自主創(chuàng)新，鼓勵企業(yè)推進科技成果轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)我國已開發(fā)出從玉米到聚乳酸，再到下游可生物降解塑料和纖維的全產(chǎn)業(yè)鏈新材料制備技術(shù)，成為與美國、荷蘭并駕齊驅(qū)掌握核心技術(shù)與裝備的三個國家之一。安徽豐原集團年產(chǎn)5萬噸的聚乳酸工廠已于2020年10月成功運行，預(yù)計到2021年底，其聚乳酸產(chǎn)量將達(dá)到40萬噸／年，成為全球最大的聚乳酸生產(chǎn)企業(yè)，而其50萬噸乳酸、30萬噸聚乳酸模塊是世界上單體最大的乳酸、聚乳酸生產(chǎn)線。此外，聚酰胺（尼龍）廣泛應(yīng)用于紡織、汽車、電子電器、機械設(shè)備、建筑等行業(yè)，當(dāng)前我國生物尼龍已實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，如用生物基戊二胺可以分別與生物基乙二酸、生物基丁二酸合成制備尼龍52、尼龍54。聚氨酯也實現(xiàn)了從石油基向生物基的轉(zhuǎn)變，我國已打通從乳酸制備多元醇，再與生物基異氰酸酯聚合生產(chǎn)聚氨酯工藝，首批產(chǎn)品已經(jīng)用于粘合劑、涂料的生產(chǎn)。
用生物質(zhì)替代石油是“換道超車”、大規(guī)模發(fā)展生物經(jīng)濟需具備的條件
歐美具有上百年開發(fā)地下石油資源的歷史，而我國遵循“綠水青山就是金山銀山”理念，“換道超車”，開發(fā)地上生物質(zhì)資源，自主研發(fā)出國際領(lǐng)先的技術(shù)、裝備，支撐生物燃料和生物基材料產(chǎn)業(yè)，解決能源與農(nóng)業(yè)問題。我國每年約有9億噸秸稈，如利用其中40%就能生產(chǎn)1億噸聚乳酸，替代石油基塑料和化纖；再利用8000萬畝鹽堿化耕地、1.2億畝成片連方鹽堿荒地[33]、1億畝需壓采地下水的耕地、5000萬畝青貯玉米地，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，種植耐鹽堿、耐干旱作物甜高粱，則可生產(chǎn)1.5億噸乙醇。因此，我國大規(guī)模發(fā)展生物經(jīng)濟有技術(shù)和原料保障，可以使綠水青山成為金山銀山，形成具有中國特色、引領(lǐng)全球的碳中和之路。
依托自主創(chuàng)新技術(shù)生產(chǎn)的乙醇、聚乳酸經(jīng)濟性較強。甜高粱耐貧瘠，水肥用量是玉米的一半。采用國際領(lǐng)先的連續(xù)固體發(fā)酵技術(shù)[34]，16噸含糖13～14%的莖稈可生產(chǎn)1噸乙醇；蒸餾分離乙醇后的酒糟除了替代青貯玉米喂牛（羊）外，還可用于機械法造紙，能耗比現(xiàn)行機械磨漿工藝低31%，或可用于改良重度鹽堿地，每畝施用2～4噸酒糟，2～3年即可將其改造成良田；通過蒸餾時加堿破壞甜高粱秸稈結(jié)構(gòu)，節(jié)省預(yù)處理能耗，可經(jīng)濟地生產(chǎn)纖維素乙醇[35]、乳酸或納米纖維素，并副產(chǎn)木質(zhì)素，而每公斤木質(zhì)素可治理20平方米沙漠[36]。由于甜高粱得到充分利用，沒有廢水處理問題，所以乙醇成本能與油價50美元／桶的汽油相競爭。乙醇可先滿足全國使用E10乙醇汽油的需求，再擴大產(chǎn)量為氫燃料電池或氫發(fā)動機汽車提供燃料。我國開發(fā)的過渡金屬催化劑乙醇重整制氫技術(shù)居國際領(lǐng)先水平，氫收率高達(dá)90%[37]，再結(jié)合低成本的甜高粱乙醇，有望在綠氫領(lǐng)域先撥頭籌。
我國不僅是三個掌握聚乳酸全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)技術(shù)、裝備的國家之一，而且我國聚乳酸生產(chǎn)成本比國外產(chǎn)品低20%。2.2噸玉米可生產(chǎn)1噸聚乳酸，當(dāng)玉米價格為2800元／噸時，聚乳酸成本為17000元／噸；3.5噸玉米秸稈生產(chǎn)1噸聚乳酸，秸稈收購價600元／噸時，聚乳酸成本為20000元／噸，而目前國際市場聚乳酸價格在30000元／噸左右。盡管生物基材料比石油基高分子成本高，但是碳中和需要減少石油消耗，更重要的是聚乳酸能解決傳統(tǒng)石油基塑料所造成的環(huán)境污染問題。全球限塑、禁塑已達(dá)成共識。我國從2020年起，將率先在部分地區(qū)、部分領(lǐng)域禁止、限制部分塑料制品的生產(chǎn)、銷售和使用。政策法規(guī)保障加之聚乳酸環(huán)保、無毒、阻燃等優(yōu)點，可以使民眾接受以聚乳酸替代一次性塑料制品；聚乳酸纖維成本已低于天絲、莫代爾等天然植物纖維，與棉花相近，但性能優(yōu)于棉織品，具備一定的市場競爭優(yōu)勢，因此有望使傳統(tǒng)的輕紡工業(yè)重獲新生。
用甜高粱生產(chǎn)乙醇和牛羊飼料相得益彰。目前，我國主要以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇，因臨儲玉米消耗殆盡和價格上漲，導(dǎo)致乙醇原料供應(yīng)受限和成本升高，2020年全國使用E10乙醇汽油的目標(biāo)沒有實現(xiàn)。當(dāng)前，我國肉奶消費水平只有發(fā)達(dá)國家的1／3[38]，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了《推進肉牛肉羊生產(chǎn)發(fā)展五年行動方案》，而肉牛肉羊生產(chǎn)的發(fā)展則意味著對飼料需求的提高。甜高粱和連續(xù)固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)可以同時解決乙醇原料和牲畜飼料兩個難題，乙醇替代汽油還可減排CO2。
調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，將青貯玉米改為甜高粱，可提高飼料供給能力。根據(jù)北京大學(xué)蘇都莫日根教授的研究成果[39]，用甜高粱替代青貯玉米可在不增加種植面積的前提下增加1倍的青貯飼料供應(yīng)量，這意味著3000萬畝青貯玉米改種甜高粱后，飼養(yǎng)肉牛數(shù)量可從1500萬頭提高到3000萬頭；農(nóng)民種植收入提高1倍；同時，利用甜高粱稈中的糖可生產(chǎn)至少1000萬噸乙醇，能彌補全國使用E10乙醇汽油的乙醇市場缺口，進而使國務(wù)院批準(zhǔn)的《關(guān)于擴大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》得以落實。
甜高粱已被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部納入《糧改飼工作實施方案》和《2017年推進北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整工作方案》之中。預(yù)計到2030年，全國將種植1億畝青貯玉米，如果改種甜高粱，可飼養(yǎng)6000萬頭牛、副產(chǎn)3300萬噸乙醇。再通過種植甜高粱改造8000萬畝鹽堿化耕地、利用1.2億畝鹽堿荒地、調(diào)整1億畝壓采地下水耕地種植結(jié)構(gòu)，又可以生產(chǎn)1.1～1.2億噸乙醇，副產(chǎn)飼料、土壤改良劑、紙漿、纖維素乙醇或乳酸等產(chǎn)品。每噸甜高粱乙醇替代汽油能減排2噸CO2，1.5億噸乙醇就可減排3億噸CO2。
用玉米和秸稈生產(chǎn)聚乳酸帶動一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。可生物降解聚乳酸塑料能夠推動農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，使農(nóng)業(yè)減排CO2成為現(xiàn)實。聚乳酸是可生物降解高分子，能替代塑料、化纖，解決塑料污染問題。2.2噸玉米能生產(chǎn)1噸聚乳酸，約2.75噸秸稈又可生產(chǎn)0.8噸聚乳酸和90公斤木質(zhì)素，按目前聚乳酸市場價格3萬元／噸計，1.8噸聚乳酸價值5.4萬元。保守估算鐮刀彎地區(qū)（包括東北冷涼區(qū)、北方農(nóng)牧交錯區(qū)、西北風(fēng)沙干旱區(qū)、太行山沿線區(qū)及西南石漠化區(qū)）的玉米產(chǎn)量為500公斤／畝，則每畝玉米可創(chuàng)造價值1.2萬元?；谖覈?dāng)前玉米15753萬噸飼用、8152萬噸深加工用的現(xiàn)狀，通過發(fā)展聚乳酸產(chǎn)業(yè)來調(diào)整玉米加工業(yè)結(jié)構(gòu)，拉動玉米市場、維持玉米的高價位，激發(fā)農(nóng)民種糧積極性，提高農(nóng)民收入，既能達(dá)到保障糧飼供應(yīng)的目的，又能滿足全球限塑、禁塑需求，還能帶動輕紡、服裝工業(yè)，形成產(chǎn)業(yè)集群，進而新增萬億元GDP經(jīng)濟規(guī)模，實現(xiàn)新時代東北振興、形成西部大開發(fā)新格局。
同時，聚乳酸還能和甜高粱乙醇聯(lián)產(chǎn)。甜高粱耐鹽堿、耐干旱，適合在邊際土地上生長，高粱米可為糧飼，并可采用自主研發(fā)技術(shù)把甜高粱稈中的蔗糖轉(zhuǎn)化為乙醇，用剩余的秸稈生產(chǎn)乳酸，再聚合為聚乳酸。1噸鮮甜高粱稈可生產(chǎn)65公斤乙醇、50公斤聚乳酸和8公斤木質(zhì)素。由于玉米、秸稈和甜高粱稈全部轉(zhuǎn)化為聚乳酸材料和木質(zhì)素，使玉米、甜高粱生長過程吸收的CO2都被固定，不再經(jīng)過糧飼利用后釋放到大氣中，因此可產(chǎn)生顯著的CO2減排效果。1噸玉米聚乳酸能固定8.24噸CO2、1噸甜高粱聚乳酸可固定11.22噸CO2[40]。
推廣以乙醇為動力的農(nóng)業(yè)機械，促進石油農(nóng)業(yè)向生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大量使用以石油產(chǎn)品為動力的農(nóng)機和以石油制品為原料的化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品，被稱為“石油農(nóng)業(yè)”。歐盟在“Fit for 55”計劃中強調(diào)要提高土壤固碳能力[41]，美國也正考慮調(diào)整相關(guān)政策，發(fā)揮玉米吸收和儲存CO2的優(yōu)勢，讓農(nóng)民種植玉米和生產(chǎn)乙醇，并從固碳中獲得收益[42]。
我國農(nóng)機每年消耗1468萬噸柴油，既排放CO2，又增加農(nóng)民負(fù)擔(dān)。農(nóng)機亦屬于難以電動化的領(lǐng)域。落實2021年中央一號文件“強化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技和物質(zhì)裝備支撐”的要求與部署，可利用我國在國際上領(lǐng)先的“壓燃式高辛烷值燃料發(fā)動機”技術(shù)[43]，開發(fā)乙醇替代以柴油為動力的農(nóng)機，使農(nóng)業(yè)不僅可以通過光合作用吸收CO2，而且可提供農(nóng)業(yè)自身生產(chǎn)過程所需能源，實現(xiàn)“負(fù)碳”排放。種植甜高粱生產(chǎn)飼料和乙醇，再把“壓燃式高辛烷值燃料發(fā)動機”裝備農(nóng)業(yè)機械，熱效率大于50%。乙醇的辛烷值為113，“壓燃式高辛烷值燃料發(fā)動機”用乙醇做燃料，熱效率會更高。構(gòu)建“甜高粱種植／低成本飼料和燃料／乙醇農(nóng)機／優(yōu)質(zhì)肉奶”低碳農(nóng)工生態(tài)產(chǎn)業(yè)，可“一舉多得”地解決糧食和飼料、農(nóng)民增收、低成本農(nóng)機用油、農(nóng)業(yè)減排CO2等多重問題，引領(lǐng)世界農(nóng)業(yè)從石油農(nóng)業(yè)向生態(tài)農(nóng)業(yè)過渡。
加快以生物質(zhì)替代石油帶動鄉(xiāng)村振興、改善生態(tài)環(huán)境意義重大
2020年，我國自產(chǎn)原油1.95億噸、進口原油5.42億噸；塑料表觀消費量約1億噸／年，化纖產(chǎn)量約5000萬噸／年，汽柴油消耗約3億噸；牛肉進口達(dá)212萬噸；2021年，900多萬高校畢業(yè)生需要就業(yè)崗位。在上述背景下，發(fā)展生物經(jīng)濟既可減少石油進口，又可帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興，創(chuàng)造就業(yè)機會，更能促進石化行業(yè)的碳中和，意義重大。
有利于解決“三農(nóng)”問題，規(guī)避石油斷供風(fēng)險。用生物質(zhì)替代石油與“三農(nóng)”問題的解決密切相關(guān)，既能保證糧飼供應(yīng)，又能從根本上解決農(nóng)產(chǎn)品市場出路問題，顯著增加農(nóng)民收入，帶動鄉(xiāng)村振興。同時，減少進口石油，能有效規(guī)避石油斷供風(fēng)險，從國際地緣政治角度看，可改變因石油進口受制于人的局面，增加外交主動權(quán)；從軍事角度看，可避免為石油保供而發(fā)生武裝沖突的風(fēng)險。
有利于實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，消除大氣污染。一方面，生物質(zhì)在生長過程中吸收CO2，利用邊際土地改善生態(tài)環(huán)境，替代石油生產(chǎn)的燃料與材料又可減排CO2；另一方面，汽車尾氣是造成霧霾等大氣污染的主要原因之一，使用乙醇燃料，尾氣排放顆粒物僅是使用汽油的1／10，而氫作為燃料時尾氣排放顆粒物更是低為“零”。
有利于經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)造就業(yè)機會。利用現(xiàn)有資源生產(chǎn)生物燃料和生物基材料，可替代1.5億噸汽柴油和1億噸石油基塑料、化纖，并使傳統(tǒng)的紡織服裝行業(yè)獲得新生，形成50萬億元級生物經(jīng)濟鏈，提供5000萬個就業(yè)崗位。同時，有利于培育“三農(nóng)”的自身“造血功能”和“成長機制”，增加農(nóng)民收入，進而維系社會公平與穩(wěn)定。
有利于全球減排，落實“一帶一路”倡議。從石油經(jīng)濟向生物經(jīng)濟轉(zhuǎn)型是全球發(fā)展需要，中國“換道超車”輸出生物燃料和生物基材料技術(shù)、裝備，可以引領(lǐng)全球碳中和，幫助沿線國家發(fā)展經(jīng)濟、改善民生，應(yīng)對美歐提出“重返更好世界倡議”（Build Back Better World），更好地落實“一帶一路”倡議。
盡管發(fā)展生物燃料和生物基材料產(chǎn)業(yè)與國計民生密切相關(guān)、意義重大，但當(dāng)前我國還存在發(fā)展瓶頸。首先，缺乏國家統(tǒng)一部署和集中投入，且因涉及“三農(nóng)”，帶動面廣、產(chǎn)業(yè)鏈長、環(huán)節(jié)多，單個政府部門和企業(yè)也無法協(xié)調(diào)。其次，相關(guān)配套政策及產(chǎn)業(yè)發(fā)展體制機制不完善，例如，2018年國務(wù)院批準(zhǔn)的《全國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)總體布局方案》未能落實；2020年全國使用E10乙醇汽油的目標(biāo)落空；禁塑措施落實不到位；用可生物降解塑料替代一次性塑料產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)缺失，生物基材料進入市場困難；生物燃料和生物基材料在國家科技計劃中未予重點支持等。上述問題導(dǎo)致處于起步階段的新興生物燃料和生物基材料產(chǎn)業(yè)舉步維艱。
幾點建議
“力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”是中國對世界的承諾。發(fā)展生物燃料和生物基材料產(chǎn)業(yè)是履行諾言、“換道超車”引領(lǐng)全球碳中和、關(guān)乎國運的大事，應(yīng)當(dāng)采取強力措施盡快推進，具體建議如下。
制定國家長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。建議將發(fā)展生物經(jīng)濟作為“十四五”經(jīng)濟社會發(fā)展工作的重點，在“碳達(dá)峰碳中和工作領(lǐng)導(dǎo)小組”下設(shè)“生物燃料與生物基材料產(chǎn)業(yè)辦公室”，協(xié)調(diào)各部門、行業(yè)做好產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和布局，制定扶持政策，籌措資金支持；設(shè)立國家科技專項，通過重點研發(fā)計劃，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，建立產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈集群式快速發(fā)展。
出臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展引導(dǎo)性扶持政策。建議相關(guān)部門出臺引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持性政策，包括補貼、土地、專項資金、稅收等，調(diào)動農(nóng)民、相關(guān)企業(yè)、科研機構(gòu)、各級政府的積極性。例如，恢復(fù)燃料乙醇的免稅政策；提供聚乳酸等生物基材料享受增值稅、所得稅減免優(yōu)惠；加大固定資產(chǎn)投資獎勵及銀行低利息長期貸款政策支持力度。在產(chǎn)業(yè)起步前期，可適時增加玉米進口配額和降低玉米進口關(guān)稅稅率。對使用秸稈等農(nóng)林廢棄物為原料的生產(chǎn)企業(yè)，增加秸稈收儲運補貼，給予其更加優(yōu)惠的相關(guān)補貼和稅收政策。鼓勵并支持專業(yè)學(xué)會和行業(yè)協(xié)會制定相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)。
做好區(qū)域全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉?。建議在海南、吉林兩個不同資源條件的省份試點發(fā)展生物燃料和生物基材料產(chǎn)業(yè)，包括建設(shè)生物乙醇及乙醇制氫、聚乳酸材料示范工廠，實現(xiàn)從農(nóng)林廢棄物和邊際土地利用、乙醇與聚乳酸加工、可生物降解材料產(chǎn)品及乙醇動力農(nóng)機或氫動力（燃料電池或氫發(fā)動機）車船的全產(chǎn)業(yè)鏈綜合示范應(yīng)用，取得經(jīng)驗后再向全國推廣。
注釋
[1][3][33]石元春：《決勝生物質(zhì)》，北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2010年，第58～60、280～283頁。
[2][40]李春喜、駱婷婷、閆廣軒等：《河南省不同生態(tài)區(qū)小麥-玉米兩熟制農(nóng)田碳足跡分析》，《生態(tài)環(huán)境學(xué)報》，2020年第5期；周陶、高明、謝德體等：《重慶市農(nóng)田系統(tǒng)碳源/匯特征及碳足跡分析》，《西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》，2014年第1期。
[4]徐東：《新一代高級生物燃料正成為歐洲國際大石油公司低碳轉(zhuǎn)型利器》，《中國石油報》，2021年4月13日，第6版。
[5]International Energy Agency (IEA), "Energy Technologies Perspectives 2020", available from http://www.iea.org.
[6][41]European Commission, 'Fit for 55': Delivering the EU's 2030 Climate Target on the Way to Climate Neutrality, Brussels, 2021-07-14, COM(2021) 550 final.
[7]徐東：《新一代高級生物燃料正成為歐洲國際大石油公司低碳轉(zhuǎn)型利器》，《中國石油報》，2021年4月13日，第6版；European Commission, 'Fit for 55': Delivering the EU's 2030 Climate Target on the Way to Climate Neutrality, Brussels, 2021-07-14, COM (2021) 550 final。
[8]"Aviation Industry Proposes New Framework for Net Zero by 2050", Biofuels International, 2021-02-12, available from https://biofuels-news.com/news/ aviation-industry-proposes-new-framework-for-net-zero-by-2050/.
[9][10]"Total Ramps up SAF Production at French sites", Biofuels International, 2021-04-09, available from https://biofuels -news.com/news/total-ramps-up-saf-production-at-french-sites/.
[11]"Shell's Rhineland Refinery to Produce SAF", Biofuels International, 2021-03-03, available from https://biofuels-news.com/news/shells-rhineland-refinery-to-produce-saf/; "Air bp Delivers 210 Tonnes of Sustainable Aviation Fuel", Biofuels International, 2020-09-29, available from https://biofuels-news.com/ news/air-bp-delivers-210-tonnes-of-sustainable-aviation-fuel/.
[12]"Amazon Air Takes off with Sustainable Aviation Fuel", Biofuels International, 2020-07-13, available from https://biofuels-news.com/news/amazon-air-takes-off-with-sustainable-aviation-fuel/.
[13]"Sustainable Aviation Fuel to Partly Power Heathrow Jets as Airport Moves to Reduce Emissions", Business Green, 2021-06-03, available from https://www.businessgreen.com/news/4021070/heathrow-ceo-aviation-priority-access-sustainable-biofuels.
[14]"Researchers Probe Greater Usage of Marine Biofuels", Biofuels International, 2021-05-18, available from https://biofuels-news. com/news/researchers-probe-greater-usage-of-marine-biofuels/.
[15]"DHL adds Sustainable Marine Fuel Option for Container Shipments", Biofuels International, 2021-06-16, available from https://biofuels-news.com/news/dhl-adds-sustainable-marine-fuel-option-for-container-shipments/.
[16]"Marine Biofuels for Port of Rotterdam and Netherlands' Inland Shipping Routes, Biofuels International, 2018-01-26, available from https://biofuels-news.com/display_news/13358/_marine biofuels_for_port_of_rotterdam_and_netherlands_inland_shipping_routes/.
[17]"Europe's Surging Demand for UCO Raises Supply Concerns, Report Finds", Biofuels International, 2021-04-21, available from https://biofuels-news.com/news/europes-surging-demand-for-uco-raises-supply-concerns-report-finds/.
[18]IEA(2020), Renewables 2020: Analysis and Forecast to 2025, IEA, Paris.
[19]European Bioplastics, "Market Update 2020: Bioplastics Continue to Become Mainstream as the Global Bioplastics Market is Set to Grow by 36 Percent Over the Next 5 Years", Berlin, 2020-12-02.
[20]Pervaiz, M.; Sain, M., "Biorefinery: opportunities and barriers for petro-chemical industries", Pulp & Paper Canada, 2006, 107(6), pp. 31-33.
[21]Sapp, M., "Braskem to Spend $61M on Renewable Polymer Expansion", Biofuels Digest, 2021-02-24, available from https://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2021/02/24/braskem-to-spend-61m-on-renewable-polymer-expansion/.
[22]"Braskem Developed World's First Renewable-Source Polyethylene Wax", 2021-06-14, available from https://www.braskem.com.br/usa/news-detail/braskem-developed-worlds-first-renewable-source-polyethylene-wax.
[23]Renewable Fuels Association (RFA), Industry Statistics, available from https://ethanolrfa.org/statistics/annual-ethanol-production/.
[24]Wallin, S., "Biofuels Public Transportation Emissions in Stockholm", Sino-Japan Symposium on Advanced Biofuels 2014, Beijing, 2014-12-17.
[25]Argus Biofuels, "Brazil's Ethanol Producers Push Back on EVs", 2021-03-22, available from https://www.argusmedia.com/en/news/2198324-brazils-ethanol-producers-push-back-on-evs.
[26]"University Research Reveals Benefits of Corn Ethanol", Biofuels International, 2021-02-17, available from https://biofuels-news.com/news/university-research-reveals-benefits-of-corn-ethanol/.
[27]Lee, U.; Hawkins, R. T.; Yoo, E., et al, "Using Waste CO2 from Corn Ethanol Biore?Neries for Additional Ethanol Production: Life-Cycle Analysis", Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2021, 15, pp. 468–480.
[28]"US Ethanol Industry Generated $43 Billion in 2019, Despite Policy Challenges", Biofuels International, 2020-02-14, available from https://biofuels-news.com/news/us-ethanol-industry-generated-43-billion-in-2019-despite-policy-challenges/.
[29]"USDA Approves €577 Million Grants to Hard-Hit Biofuel Producers", Biofuels International, 2021-06-16, available from https://biofuels-news.com/news/usda-approves-e577-million-grants-to-hard-hit-biofuels-producers.
[30]"Peter Verry, Allbirds and Adidas Will Raffle 100 Pairs of Their Sustainable Shoe Before Releasing 10,000 Pairs This Fall", Footwear News, 2021-05-12, available from https://footwearnews.com/2021/business/sustainability/allbirds-adidas-futurecraft-footprint-shoe-release-info-1203139355/.
[31][34]Li, S. Z.; Li, G. M.; Zhang, L., et al, "A Demonstration Study of Ethanol Production from Sweet Sorghum Stems with Advanced Solid State Fermentation Technology", Applied Energy, 2013, 102, pp. 260-265; Li, S. Z., "The Process and Device for Producing Ethanol by Continuous Solid State Fermentation with Automatic Control System: PCT/CN2014/071580", AU2016100122, 2016-05-25; Li, S. Z., "Continuous Solid State Separation Process and Device for Producing Ethanol", PCT/CN2014/071587, US 10239806 B2, 2020-03-26.
[32]Weiss, C. C., "Tiny Single-Piston Hydrogen Engine Repackages Internal Combustion", 2021-05-20, available from https://newatlas.com/automotive/aquarius-single-piston-hydrogen-engine/.
[35]Li, J. h.; Li, S. Z., et al, "A Novel Cost-Effective Technology to Convert Sucrose and Homocelluloses in Sweet Sorghum Stalks into Ethanol", Biotechnology for Biofuels, 2013, 6, pp. 174-185; Yu, M.; Li, S. Z, et al, "Optimization of Ethanol Production from NaOH Pretreated Solid State Fermented Sweet Sorghum Bagasse", Enerigies, 2014, 7, pp. 4054-4067; Yu, M.; Li, J. h.; Li, S. Z., et al, "Bioethanol Production Using the Sodium Hydroxide Pretreated Sweet Sorghum Bagasse without Washing", Fuel, 2016, 175, pp. 20-25.
[36]魯小珍、金永燦、楊益琴等：《木質(zhì)素固沙材料應(yīng)用于沙漠化地區(qū)植被恢復(fù)的研究》，《林業(yè)科學(xué)》，2005年第4期。
[37]Liu, H.; Li, S. Z., "Ni-Hydrocalumite Derived Catalysts for Ethanol Steam Reforming on Hydrogen Production", International Journal of Hydrogen Energy, accepted, https://authors.elsevier.com/tracking/article/details.do?aid=33000&jid=HE&surname=Li.
[38][39]蘇都莫日根：《充分利用有限的農(nóng)田實現(xiàn)我國畜牧業(yè)的第二次增長》（內(nèi)部交流資料）。
[42]蘇萬華：《高效率壓燃汽油技術(shù)》，中國第6屆汽車與環(huán)境創(chuàng)新論壇，上海，2018年12月，第7～8頁。
[43]Perkins, J., "Corn Farmers Captured, Stored Carbon Before it was Cool, Industry Leader Says", Successful Farming, 2021-07-15, available from https://www.agriculture.com/news/crops/corn-farmers-captured-stored-carbon-before-it-was-cool-industry-leader-says.
責(zé) 編／桂 琰
Promoting the New Energy Revolution and Achieving the Goal of Carbon Neutrality
Li Shizhong
Abstract: Realizing carbon neutralization is not only the responsibility of large countries, but also an opportunity for China's economic development to "overtake" and remove the bottleneck constraints of resources and environment. China need to promote the new energy revolution, rely on independent innovative technologies, develop biofuels and bio-based materials industry, and turn the lucid waters and lush mountains into invaluable assets. If we utilize 40% of China's existing straws, 33,333 hectares of silage corn land and 133,333 hectares of saline alkali land resources, adjust the planting structure of 666,667 hectares of cultivated land irrigated with groundwater, and produce biofuels such as ethanol and hydrogen and bio-based materials such as polylactic acid, we can reduce consumption of 150 million tons of gasoline and diesel and 100 million tons of petroleum-based plastics and chemical fiber, so as to revitalize the textile and garment industry. Furthermore, China is expected to gradually realize a transformation from the oil economy to the bio-economy, provide 50 million jobs and lead the global carbon neutralization efforts.
Keywords: new energy, "Two Mountains" Theory, carbon neutralization, bio-based, bio-economy
