生物質能，就是太陽能以化學能形式儲存在生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源於綠色植物的光合作用，可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料，取之不盡、用之不竭，是壹種可再生能源，同時也是唯壹壹種可再生的碳源（王德元，2008）。
壹、生物質能的特點
（1）可再生性。生物質能是從太陽能轉化而來，通過植物的光合作用將太陽能轉化為化學能，儲存在生物質內部的能量，與風能、太陽能等同屬可再生能源，可實現能源的永續利用。
（2）清潔、低碳。生物質能中的有害物質含量很低，屬於清潔能源。同時，生物質能的轉化過程是通過綠色植物的光合作用將二氧化碳和水合成生物質，生物質能的使用過程又生成二氧化碳和水，形成二氧化碳的循環排放過程，能夠有效減少人類二氧化碳的凈排放量，降低溫室效應。
（3）具有替代優勢。利用現代技術可以將生物質能轉化成可替代化石燃料的生物質成型燃料、生物質可燃氣、生物質液體燃料等。在熱轉化方面，生物質能可以直接燃燒或經過轉換，形成便於儲存和運輸的固體、氣體和液體燃料，可運用於大部分使用石油、煤炭及天然氣的工業鍋爐和窯爐中。國際自然基金會2011年2月發布的《能源報告》認為，到2050年，將有60%的工業燃料和工業供熱都采用生物質能。
（4）原料豐富。生物質能資源豐富，分布廣泛。根據世界自然基金會的預計，全球生物質能潛在可利用量達350×1018J/a（約合82.12×108t標準油，相當於2009年全球能源消耗量的73%）。根據我國《可再生能源中長期發展規劃》統計，我國生物質資源可轉換為能源的潛力約5×108t標準煤，隨著造林面積的擴大和經濟社會的發展，我國生物質資源轉換為能源的潛力可達10×108t標準煤。在傳統能源日漸枯竭的背景下，生物質能是理想的替代能源，被譽為繼煤炭、石油、天然氣之外的第四大能源（據胡理樂等，2012）。
二、生物質能的利用
生物質能壹直是人類賴以生存的重要能源，在整個能源系統中占有重要地位。有關專家估計，生物質能極有可能成為未來可持續能源系統的組成部分，到21世紀中葉，采用新技術生產的各種生物質替代燃料將占全球總能耗的40%以上。人類對生物質能的利用，包括直接用作燃料的農作物稭稈、薪柴等；間接作為燃料的有農林廢棄物、動物糞便、垃圾及藻類等，它們通過微生物作用生成沼氣，或采用熱解法制造液體和氣體燃料，也可制造生物炭。生物質能是世界上最為廣泛的可再生能源。據估計，每年地球上僅通過光合作用生成的生物質總量就達（1440～1800）×108t（幹重），其能量約相當於20世紀90年代初全世界總能耗的3～8倍。但是尚未被人們合理利用，多半直接當薪柴使用，效率低，影響生態環境。現代生物質能的利用是通過生物質的厭氧發酵制取甲烷，用熱解法生成燃料氣、生物油和生物炭，用生物質制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技術培育能源植物、發展能源農場（魏偉等，2013）。
生物質能的利用主要有直接燃燒、熱化學轉換、物理轉換和生物化學轉換等4種途徑（王久臣等，2007）。生物質的直接燃燒在今後相當長的時間內仍將是我國生物質能利用的主要方式。當前使用較為廣泛傳統的燒柴竈熱改造效率僅為10%左右，而氣化燃燒鍋爐作為壹種效率可達20%～30%的新型節能措施，具有技術簡單、易於推廣、效益明顯等特點，已被國家列為農村新能源建設的重點任務之壹。生物質的熱化學轉換是指在壹定的溫度和條件下，使生物質氣化、炭化、熱解和催化液化，以生產氣態燃料、液態燃料和化學物質的技術（圖4-60）。生物質能物理轉化的最簡單的方法就是將生物質原料進行壓縮。自然堆積的固體生物質原料通常都比較疏松，密度較小，形狀不規則，不便運輸、儲存和使用。將松散的原料進行預加工、預處理後，在外部壓力的作用下，成型設備裏的原料的體積大幅度減小，密度顯著增大，最後成為壹定形狀的產品，例如玉米稭稈顆粒成型燃料（圖4-61）。生物質的生物化學轉換包括生物質—沼氣轉換和生物質—乙醇轉換等。沼氣轉化是有機物質在厭氧環境中，通過微生物發酵產生壹種以甲烷為主要成分的可燃性混合氣體即沼氣。乙醇轉換是利用糖質、澱粉和纖維素等原料經發酵制成乙醇（郭海霞等，2011）。生物質能利用技術主要有以下五種。
圖4-60 立式氣化燃燒換熱壹體化鍋爐圖
（據張洋，2009）
圖4-61 玉米稭稈顆粒成型燃料
（據張洋，2009）
1．直接燃燒
直接燃燒方式可分為爐竈燃燒、鍋爐燃燒、垃圾燃燒和固體成型燃燒等4種方式。其中，固體成型燃燒是新推廣的技術，它將生物質固體化成型或將生物質、煤炭及固硫劑混合成型後使用。丹麥新建設的熱電聯產項目都是以生物質為燃料。使生物質能在轉換為高品位電能的同時滿足供熱的需求，以大大提高其轉換效率。其優點是充分利用生物質能替代煤炭，可以減少二氧化碳和二氧化硫排放量。生物質固體成型燃料制備工藝如圖4-62、圖4-63所示（雷學軍等，2010）。
圖4-62 生物質固體成型燃料制備工藝（據雷學軍，2010）
2．生物質氣化
生物質氣化技術是將固體生物質置於氣化爐內加熱，同時通入空氣、氧氣或水蒸氣，來產生品位較高的可燃氣體。它的特點是氣化率可達70%以上，熱效率也可達85%。生物質氣化生成的可燃氣經過處理可用於合成、取暖、發電等不同用途，這對於生物質原料豐富的偏遠山區意義十分重大，不僅能改變他們的生活質量，而且也能夠提高用能效率，達到節約能源的目的。生物質氣化機理如圖4-64所示。
圖4-63 生物質型煤制備工藝（據雷學軍，2010）
圖4-64 生物質氣化機理示意圖（據雷學軍，2010）
3．液體生物燃料
由生物質制成的液體燃料稱為液體生物燃料。液體生物燃料主要包括生物乙醇、生物丁醇、生物柴油、生物甲醇等。雖然利用生物質制成液體燃料起步較早，但發展比較緩慢。受世界石油資源、價格、環保和全球氣候變化的影響，20世紀70年代以來，許多國家日益重視液體生物燃料的發展，並取得了顯著的成效。我國液體生物燃料發展也取得了很大的成績，以糧食為原料的燃料乙醇生產已初步形成規模，並可以利用菜籽油、大豆油、米糠下腳料等為原料生產生物柴油（魏偉等，2013）。
“十五”期間，我國在河南、安徽、吉林和黑龍江分別建設了以陳化糧為原料的燃料乙醇生產廠，生產能力達到102×104t/a，並從2002年開始，先後在東北三省以及河南、安徽、山東、江蘇、湖北、河北等九省區分兩期進行了車用乙醇汽油試點和示範，取得了良好的效果。據不完全統計，在生物柴油方面，目前全國生物柴油生產廠家有50多家，產能超過105t的生物柴油企業有16家，最大規模為30×104t，山東省為生產企業數量最多的省份，其次為江蘇、河北和廣東，截至2014年底，國內生物柴油裝置總產能在525.5×104t，同比增長64×104t，但長期閑置產能達239.3×104t，占總產能的45%左右。
4．沼氣
沼氣是各種有機物質在隔絕空氣（還原）並處於適宜的溫度、濕度條件下，經過微生物的發酵作用產生的壹種可燃燒氣體。沼氣的主要成分甲烷類似於天然氣，是壹種理想的氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合後即可燃燒。
1）沼氣的傳統利用和綜合利用技術
我國是世界上開發沼氣較多的國家，最初主要是農村的戶用沼氣池，以解決稭稈焚燒和燃料供應不足的問題。大中型沼氣工程始於1936年，此後，大中型廢水、養殖業汙水、村鎮生物質廢棄物、城市垃圾沼氣的建立擴寬了沼氣的生產和使用範圍。
自20世紀80年代以來建立起的沼氣發酵綜合利用技術，以沼氣為紐帶，其物質多層次利用、能量合理流動的高效農業模式，已逐漸成為我國農村地區利用沼氣技術促進可持續發展的有效方法（圖4-65）。通過沼氣發酵綜合利用技術，沼氣用於農戶生活用能和農副產品生產加工，沼液用於飼料、生物農藥、培養料液的生產，沼渣用於肥料的生產。我國北方推廣的塑料大棚、沼氣池、氣禽畜舍和廁所相結合的“四位壹體”沼氣生態農業模式，中部地區以沼氣為紐帶的生態果園模式，南方建立的“豬—果”模式，以及其他地區因地制宜建立的“養殖—沼氣”、“豬—沼—魚”和“草—牛—沼”等模式，都是以農業為龍頭，以沼氣為紐帶，對沼氣、沼液、沼渣的多層次利用的生態農業模式。沼氣發酵綜合利用生態農業模式的建立使農村沼氣和農業生態緊密結合，是改善農村環境衛生的有效措施，也是發展綠色種植業、養殖業的有效途徑，已成為農村經濟新的增長點。
圖4-65 沼氣發酵示意圖（據魏偉，2013）
2）沼氣發電技術
沼氣燃燒發電是隨著大型沼氣池的建設和沼氣綜合利用的不斷發展而出現的壹項沼氣利用技術，它將厭氧發酵處理產生的沼氣用於發動機上，並裝有綜合發電裝置，以產生電能和熱能。沼氣發電具有高效、節能、安全和環保等特點，是壹種分布廣泛且價廉的分布式能源。沼氣發電在發達國家已受到廣泛重視，並得到積極推廣。生物質能發電並網電量在西歐壹些國家占能源總量的10%左右。
3）沼氣燃料電池技術
燃料電池是壹種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續發電。依據電解質的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、質子交換膜（PEMFC）、磷酸（PAFC）、熔融碳酸鹽（MCFC）及固態氧化物（SOFC）等。
燃料電池能量轉換效率高、潔凈、無汙染、噪聲低，既可以集中供電，也適合分散供電，是21世紀最有競爭力的高效、清潔的發電方式之壹，它在潔凈煤炭燃料電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面，有著廣泛的應用前景和巨大的潛在市場（王久臣等，2007）。
5．生物質發電技術
生物質發電技術是將生物質能轉化為電能的壹種技術，主要包括直接燃燒發電、混合燃燒發電、氣化發電和沼氣發電。作為壹種可再生能源，生物質能發電在國際上越來越受到重視，在我國也越來越受到政府的關註和民間的擁護。
生物質發電在我國已有所發展。2005年底，我國生物質發電裝機容量約為2×106kW，其中，蔗渣發電約1.7×106kW，垃圾發電約0.2×106kW，其余為稻殼等農林廢棄物氣化發電和沼氣發電等。2006年《可再生能源法》實施後，我國的生物質能發電產業迅速發展，至2008年底，農林生物質發電項目達170多個，裝機容量為4600×103kW，50個項目並網發電。到2012年底，我國生物質發電累計並網容量為5819×103kW，其中直燃發電技術類型項目累計並網容量為3264×103kW，占全國累計並網容量的56%；垃圾焚燒發電技術類型項目累計並網容量為2427×103kW，占全國累計並網容量的41.71%；沼氣發電技術類型項目並網容量為206×103kW，占全國累計並網容量的3.54%。同其他發電技術相比，我國擁有巨大的農林廢棄物產量，可以為生物質發電產業提供有力的原料支持，保障電力的充足供應（蔣大華等，2014）。
生物質能的利用需要充分考慮利用方向、利用技術及適用場合等多種因素，進行綜合評價，有的放矢並最大化地利用好生物質能資源（表4-9）。
表4-9 生物質利用技術評價壹覽表（據王久臣，2007）
三、需要解決的難題
面對全球性的減少化石能源消耗，控制溫室氣體排放的形勢，利用生物質能資源生產可替代化石能源的可再生能源產品，已成為我國應對全球氣候變暖和控制溫室氣體排放問題的重要途徑之壹。然而受原料收集難、政策補貼不到位等現實問題的制約，生物質能產業的發展規模和水平遠遠低於風能、太陽能的利用，主要存在以下四個難題（王芳，2013）。
（壹）認識不夠
生物質能正處在壹個很尷尬的境地——在可再生能源中生物質能是最重要的，但相比而言，它的產業化程度、發展規模都是最差的。這其中有壹些客觀原因，也有壹些屬於認識問題。
生物質能的重要性體現在以下四點，第壹，我國是地少人多的國家，農林剩余物、城市垃圾等廢棄物是生物質資源的主要來源，以往農民處理稭稈大多是直接燃燒，城市垃圾多是填埋，但廢棄物的處理是個剛性需求，隨著國家對CO2排放限制的提高，生物質的能源化利用成為更為先進和有效的方法。第二，我國化石能源短缺，其中液體燃料是最缺少的，而液體燃料只有利用生物質可以轉化。第三，生物質能的各個生產階段都是可以人為幹預的，而風能、太陽能只能靠天吃飯，發電必須配合調峰，而生物質能則不需要，甚至可以為其他能源提供調峰。第四，生物質原料需要收集，這樣能夠增加農民收入，刺激當地消費，可以有效促進農村經濟的發展。壹個（2500～3000）×104kW的電廠，在原料收集階段農民獲得的實惠約有五六千萬元。“三農”問題解決好了，對於整個社會發展將起到非常重要的作用。
除了客觀上發展規模受限以外，對生物質能的認識各不相同，對其投資的額度與地方的GDP增長是不相符的，資源的分散性導致生物質能在壹地的投資占比較少。這在某些政府官員那來看，生物質能有點像“雞肋”，有的話吃不飽，丟了又有點可惜，並且地方政府還要幫助協調農民利益、禁燒等“麻煩事”。由此導致生物質能整體項目規模較小，技術投入不足，盡管它是利國利農的好事，卻處於發展欠佳的尷尬地位。
（二）補貼門檻過高
對生物質能的支持，國家采取了多種補貼手段。但補貼門檻過高，手續煩瑣、先墊付後補貼也困擾著不少企業。財政部財建〔2008〕735號文件規定，企業註冊資本金要在1000萬元以上，年消耗稭稈量要在104t以上，才有條件獲得140元/t的補助。對此，中國農村能源行業協會生物質專委會秘書長肖明松認為，1000萬元的註冊資金，是國家考慮防範企業經營風險時的必要手段，這對大企業無所謂，但對壹些中小公司則很難達到。而104t稭稈的年消耗量，需要相當規模的儲存場地，由此帶來的火災隱患、成本增加問題也是企業不得不考慮的事情。事實上，如果擴大鼓勵面的話，3000～5000t也是適用的。受制於這些現實難題，財政部的萬噸補貼政策遭遇落地難。
這種現象主要是由於國家制訂政策的初衷並不鼓勵生物質能企業因陋就簡，遍地開花，而是鼓勵企業專門從事生物質能，培養骨幹型企業，這就需要壹定的物質基礎。104t的廠子，固定資產就大概需要400萬元，加上流動資金，1000萬元並不算多。而萬噸規模在能源化利用上，剛稱得上有點規模，只要是同壹個業主，生產點可以分散，如果規模太小，補貼監管成本也太高。對於補貼方式上存在壹定缺陷，整個機制缺乏能源主管部門、技術部門的參與。制度怎樣更有利於監管，公平公開還有待於進壹步完善。而該行業的快速發展，補貼政策功不可沒，但不能因為出現壹些問題而因噎廢食，取消這個補貼政策將會對剛剛起步的生物質能產業造成重大的打擊。因為國家補貼不僅僅是提供資金，還表明國家對該行業的支持態度，對企業和投資具有強力的引導作用。
（三）布局難以把控
到底企業要建多大產能方能最好？可再生能源學會生物質能專業委員會秘書長袁振宏認為，沒有最好，只有最適合的，適合的就是最好的。比如蘇南地區每人只有幾分地，那就沒法收，這些地方就沒法建大廠，但東北墾區就比較適合建大型電廠，有條件上規模，成本才越低，效益才越高。壹定要因地制宜。密集地區可以建氣化發電，做成型燃料，不壹定去建發電廠。
企業要多方考慮，合理布局，否則很容易陷入發展困局。建生物質能電廠首先要考慮可持續發展，原料分散的話就需要分散性利用，要考慮水資源、電力、人文環境是不是可以支撐這個項目。
（四）成本價格難控
受耕作制度的限制，我國農村土地高度分散，給資源的收集、儲存、運輸帶來很大不利因素，在後續的環節上會放大很多倍。生物質能要依賴農業，資源掌握在老百姓手裏，農民的市場意識很好，完全隨行就市。如果收集半徑過大，需要農民花費大量時間收集、運輸，那農民就會要求按外出打工時計算人力成本，如此壹來，企業為原料支出的成本就會大大提高。如果企業堅持不擡價，就可能造成企業吃不飽，縮量生產，影響經濟效益。每度電的原料成本如果超出壹定範圍，無論怎麽發電都是賠錢。加上人工費用近年來的快速增加，成本成了扼住企業脖子的壹道枷鎖。所以準備入行的企業首先要考慮的是原料資源的可獲得性，如果不成熟千萬不要貿然進入。地方政府可以進行協調，比如利用示範效應，鼓勵農民種植稭稈作物，做好企業加農戶的結合，平衡好企業和農戶之間的利益。
此外，在我國現實的社會經濟環境中，還存在壹些消極因素制約著生物質能的發展和應用（李景明等，2010；劉旭等，2014）：
（1）市場環境和保障機制不夠完善。我國生物燃料乙醇發展缺乏明確的發展目標，沒有形成連續穩定的市場需求，還處在“以產定銷、計劃供應”階段。國內生物燃料乙醇從生產到銷售的各個環節都受到了政府部門的嚴格控制，是政策性的封閉運行，尚未形成真正意義的市場化。
（2）資源評價、技術標準、產品檢測和認證等體系不完善。我國於2001年頒布了變性生物燃料乙醇（GB 18350-2013）和車用乙醇汽油（GB 18351-2015）兩項強制性國家標準，在技術內容上等效采用了美國試驗與材料協會標準（ASTM），在現有標準的基礎上及時制訂不同生物質原料來源的生物燃料乙醇相關基礎標準和工藝控制等標準就顯得極為迫切。
（3）資源分散，收集手段落後，產業化進程緩慢，制約著生物質能高新技術的規模化和商業化利用。集中發電和供熱是國際上通行的高效清潔地利用生物質能的主要技術方式。但是，這些技術對應的生產設備需要具有壹定的規模，才能產生經濟效益。
（4）利用裝備技術含量低，研發經費投入過少，壹些關鍵技術研發進展不大。例如厭氧消化產氣率低，設備與管理自動化程度較差；氣化利用中焦油問題未能解決，影響長期應用；沼氣發電與氣化發電效率較低，二次汙染問題沒有徹底解決。
（5）缺乏專門扶持生物質能發展、鼓勵生產和消費生物質能的政策。在當前缺乏壹定的經濟補助手段的條件下，難以實現生物質熱電聯產規模化，競爭能力弱。
（6）生物質能與農業、林業在資源使用上不協調。能源作物已經開始成為不少國家生物質能的主體。但是，我國土地資源短缺，存在能源作物和農業、林業爭奪土地的矛盾。
四、生物質能利用的意義
我國能源面臨著總量不足、石油緊缺、環境汙染嚴重、人均占有量少和能效低等諸多問題，這些問題將長期制約我國經濟的發展和社會進步。因此，改變能源生產和消費方式，大力開發利用生物質能已成為我國發展可再生能源的首要問題。同時，開發利用生物質能既是實行能源戰略多元化、解決我國能短缺問題的有效途徑，又是拓展農民就業領域、促進農民增收的重要渠道（表4-10）。
表4-10 我國生物質能應用規模與發展目標（據魏偉，2013）
在我國各種主要的能源當中，煤炭占據著主導地位，同時，煤炭的大量使用也給環境造成了嚴重的汙染。目前，我國溫室氣體（GHG）的排放已經超過了世界排放量要求13%，僅次於美國，居世界第二位。根據世界銀行公布的數據，預計到2020年我國的溫室氣體排放有可能占到世界排放總量的20%。在沒有切實可行辦法控制礦物燃料使用過程中產生的生態環境汙染的情況下，減少使用量、開發利用潔凈可替代能源是唯壹的解決辦法。截至2010年年底，我國可開發為能源的生物質資源已達3億多噸。通過先進、成熟和高效的轉換技術，將其生產成使用方便、無汙染的氣體燃料、固體燃料和液體燃料，替代化石能源，減少溫室氣體排放，從根本上解決農村普遍存在的畜牧公害和稭稈問題，是我國發展生物質能產業的長期目標。這不但能實現能源消費與環境保護的雙贏，而且能實現能源的可持續發展，從而推進經濟社會的可持續發展（藺雪芹等，2013）。
生物質能高新轉換技術不僅能夠大大加快村鎮居民實現能源現代化進程，滿足農民富裕後對優質能源的迫切需求，同時也可在鄉鎮企業等生產領域中得到應用。由於我國地廣人多，常規能源不可能完全滿足廣大農村日益增長的需求，而且由於國際上正在制定各種有關環境問題的公約，限制二氧化碳等溫室氣體排放，這對以煤炭為主的我國是很不利的。因此，立足於農村現有的生物質資源，研究新型轉換技術，開發新型裝備既是農村發展的迫切需要，又是減少排放、保護環境、實施可持續發展戰略的需要。