美国生物质能源战略博弈值得借鉴
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
能源问题是化学工业发展中的重要议题，不仅关系到国家安全、经济发展，也涉及化学工业原料基础的稳定
供应。经过多年世界能源市场的风云变幻，通过多方面研究论证，美国似乎已经认可以生物质（首先是玉米）制
备乙醇逐步替代汽油的路线。2007年布什总统国情咨文中宣称将降低20%的汽油用量，并用生物燃料作替代品。
从此关于生物质能源的呼声日渐高涨，相关的研发投资不断增加，乙醇的产能和产量大幅提升。但关于乙醇问题
仍然存在着不同的意见，有些意见互相对立，相当尖锐。2007年12月17日美国《化学与工程新闻》以封面文章
形式发表了长篇报道，分别介绍了双方的观点和依据。在此，摘译其观点性内容，希望对我国能源可持续发展战
略的制定和实施以借鉴。
正方观点——生物燃料能量消耗与温室气体排放较汽油低
生物燃料作为化石燃料的替代品要与其他替代品作比较，首先要慎重地选择出比较的指标和方法。
对各种石油替代品来说，有两个关键性指标：一是大幅度减少对石油的依赖性以确保国家能源安全；二是降
低温室气体排放保证气候安全。生物燃料与其他由石油衍生的替代品相比，可以大幅度地减少石油消耗量和温室
气体的产生。因此，生物燃料最理想的比较指标是每公里行程所耗用的油量和所产生的温室气体量，但现在的车
辆性能难以提供这方面可用的信息。目前可以获得的两个较合理的替代性指标分别为：一是在生物燃料整个生命
周期中每单位生物燃料能量所消耗的石油；二是单位生物燃料所产生的温室气体，乙醇在内燃机中替代汽油，因
此将其与汽油作比较（见表1）。
表1 生物乙醇与汽油生产过程能耗及CO2排放对比 MJ
每MJ燃料生产需投入的能量 温室气体
对比项目 石油 天然气 煤 其他 合计 排放①/kg
汽油 1.10 0.03 0.05 0.01 1.19 94
玉米乙醇 0.04 0.28 0.41 0.04 0.77 77
纤维素乙醇 0.08 0.02 0.02 -0.02② 0.10 11
注：①生产和燃烧该燃料时每MJ所产生的CO2公斤数；
②负值表示在该工艺生产中，木质素作燃料替代煤。
生产1MJ汽油要用1.1MJ石油，而用玉米制1MJ乙醇只需0.04MJ石油，因此对于消费者来说，1MJ乙醇比汽
油可降低96.4%的石油消耗。即玉米乙醇替代汽油则单位石油消耗所行驶的里程数可增加26.5倍，如果每加仑汽
油可以行驶30英里，则乙醇可以实现每单位石油消耗行驶800英里，没有其他汽油替代品可以使单位石油消耗
所行驶的里程数取得如此显著的改善。
玉米乙醇在温室气体排放方面的效果也比较显著，相比于汽油，使用玉米乙醇可减少18%的温室气体排放；
如用纤维素乙醇则可降低石油应用93%，减少CO2排放88%。乙醇作为汽油的替代品可达到较好的效果。
玉米乙醇生产技术不断改进，石油的用量也在不断减少。例如，选用新型酶可以降低能耗，而纤维素乙醇生
产技术进步也很快。与此相反，石油的开发、生产和加工均属能源密集型作业，由于石油质量下降（如粘度高、
硫含量高等）而能耗增加，同时产区远、气候条件恶劣。所以从总体趋势来看，石油从储量、开发到消耗的整个
过程对于社会乃至人类的发展的负面影响日益突出，而乙醇则恰恰相反。
关于一些美国专家提出的“净能量”概念，用此否定乙醇用作替代汽油的使用，净能量分析方法简单并且直
观，但是这种方法是完全错误的并且产生了严重误导。所谓“净能量”是指新燃料可供给的能源量减去生产这种
新燃料所消耗的化石燃料能源量的剩余能量。“净能量”的不合理在于它假定所有能源（石油、煤、天然气等）
都具有相同的价值，认为1MJ的煤与1MJ的石油或天然气是相等的，这显然是错误的，煤的热含量根本不能与油
相比。所有能源都不相同，每单位汽油能量比相同数量的煤要有用得多，这就使得汽油更有价值。人们以能源贡
献来评价能源价值，而不是能源本身。因此，各种能源载体的热含量值是不能简单相加的。由于净能量分析造成
误导，乙醇的净能量不能与汽油净能量进行比较。虽然这种比较很容易进行，从表1数字可知乙醇的净能为0.27
（即27%），而汽油的净能是-0.18（即-18%）。因此汽油的净能量大大地低于乙醇，这种结论显然是不可取的。
其他一些指标也是很有意义的，例如生物燃料生产规模和成本是很重要的参数。由谷物和糖类作物为原料生
产乙醇的量可能不会超过美国汽车燃料总需求的10%，这是一个很重要的份额。至于成本问题，目前巴西的甘蔗
乙醇的等能量成本比汽油低。还有一些指标需要进一步的思考，如可利用的土地面积，潜在的环境破坏，与食品
生产的竞争等都是影响和限制生物燃料发展的因素，需要在系统水平层面上加以充分考虑，妥善地解决有关问题，
特别对于纤维素制生物燃料更为迫切。
反方观点——可利用生物质不能确保充足燃料供应
绿色植物经过几百万年的转变形成了石油、天然气和煤，迄至1850年美国的能源消耗中木材占91%，但其人
口不足当前3.01亿人的1/10，而当时木材的短缺非常严峻。现在美国人口约占世界总人口的4.5%，而人均化石
能源的消耗水平却是世界上最高的。由于美国90%的石油已被开采，目前63%的石油需求依赖进口，每年需花费
2000亿美元左右。
面对石油供应的日益减少，许多国家和地区纷纷采取谷物和其他生物质制备乙醇作为石油的替代品，而玉米
或其他生物质的生产需要大量的耕地、水和阳光。美国绿色植物每年聚集的太阳光能仅1018J（约50×1015 Btu），
而与此同时美国人所消耗的化石燃料的能量超过其两倍。热心支持者提出，与其他植物或生物质相比玉米和纤维
素类制乙醇用以替代石油的性价比最高。2006年美国将其玉米产量的20%用于生产乙醇，共计50亿加仑，也只
是替代了当年美国汽油消耗量的1%。如果将全部玉米都用来生产乙醇，也只能替代该国石油消耗量的7%，这并
不能改变美国对进口石油的严重依赖。
最近研究表明，玉米生产过程中包括14项能源投入，其中发酵和精馏操作单元中涉及9项，生产1加仑玉
米乙醇所需的能源要高于乙醇本身能量的40%，而一些研究人员经常忽略玉米生产过程所投入的能源。这些能源
包括农业劳动力、农业机械、玉米种子生产和加工设备等方面所耗能量。忽略一些能源投入则降低了玉米乙醇生
产系统的生产成本，再加之乙醇生产过程中的副产品价值，其替代能源的综合回报率较高。谷物经过发酵和精馏
后所产生的副产品所占比例在10%～60%，它们不是燃料但可用作饲料，因此从能源观点来看，玉米乙醇不是一种
无效益的选择。
美国各州和联邦政府对玉米乙醇的生产纷纷进行补贴，2006年每加仑乙醇的补贴超过每加仑汽油的9倍（汽
油补贴为3美分/加仑），合计补贴达60亿美元。
玉米乙醇对环境的影响很大，包括土地侵蚀、过多使用氮肥和农药等多个方面。由于乙醇生产过程中需要消
耗一定量的化石燃料，从而产生和释放大量的温室气体。而且在发酵过程中，糖和淀粉中25%的碳最终将生成CO2
并释放到大气中。此外，每加仑玉米乙醇需消耗1700加仑水（主要是种植玉米），并向环境排放12加仑有害污
水。目前全球尚有37亿人处于饥饿状态，然而部分国家和地区种植作物只为获得燃料，不仅浪费土地资源、水
资源和能源，也将带来牛肉和家禽、牛奶等日常消费品价格提升的连锁反应，同时将触动整个社会的和谐稳定发
展。
为了替代玉米，有人提出采用美国6亿英亩草地的生长物作为生物质纤维素，用来生产乙醇，假如每英亩草
可生产100加仑乙醇，则美国全国的草都用来制乙醇，也只能替代10%的石油。用纤维素生物质生产乙醇比玉米
乙醇的能耗更多，因为草只含有发酵所需的糖量的50%，因此加工纤维素生物质需要更多的能源投入。按当前技
术，用纤维素生产乙醇所需要的能量与玉米原料相比每加仑要增加50%。而且，如果将美国全部草用来生产乙醇
将对1亿头牛、700万头羊和400万匹马的饲料供应带来严重威胁。
要将各种生物质转变为液体燃料均需消耗很多化石能源、农用土地和新鲜水。即使提高转换工艺效率，可利
用的生物质是否能成为可靠的液体燃料的来源值得商榷。而节约能源和可再生资源的开发如太阳能电池，应当作
为主要研究课题。
正方辩驳——生物质能源战略为农村经济发展提供契机
上述反方意见中的一些分析是不正确的。如提出了乙醇生产中有14项耗能运作，这种分析是不合理的。因
为1MJ煤并不能简单地与1MJ石油相等同，所提出的“净能分析”也是不对的。有如将10美元和10比索、10
卢比相加得到的数值为30，岂不是荒谬！每种能源载体和各种货币一样有各自的质量和单位，不能简单地相加。
反方认为乙醇生产需要消耗大量的水，其实汽油生产用水量比玉米乙醇多10倍。植物的生长需要用水，每
公斤干植物需要200公斤水，这些被植物呼吸吸收的水又作为雨或雪，经过植物纯化后投入大气再次回归大地，
而水与石油接触后就不能改进水的质量。
关于释放大量CO2和污水以及侵蚀土地等问题，实际上所有水的排放都符合当地法规，而近年来美国农用土
地的侵蚀已减少了50%。
业内人士都不会相信纤维素乙醇生产工艺是能源密集型。工艺过程中残渣可以焚烧，并提供蒸汽和电力用以
驱动纤维素乙醇生产设备。多年生杂草可作为能源作物，用于生产纤维素乙醇。目前每英亩草可以生产500加仑
乙醇，计划10年内将其提高到1500加仑，通过提高草亩产量是可以实现的。多年生杂草是土地最好的基础成份，
可以捕集大量的CO2，增加无机氮在土壤中的比例，减少有机氮含量和土地硝化。玉米乙醇和纤维素乙醇生产成
本比汽油低廉，有助于保持燃料价格和食品价格稳定。
当前美国和一些发展中国家的部分土地不用来种植人类所需的粮食作物，而是生产动物饲料，美国6.5亿英
亩土地的90%用于种植肉牛和奶牛饲料。动物和人一样需要两种主要养份，即蛋白质和可消化的能量（热量）。草
可以加工回收适合动物饲养的蛋白质，将草料进行预处理有利于生物转化为乙醇而且有利于饲养牲畜，所以总的
说来这些发展可以提高每亩草的蛋白质和可消化吸收能量的转化率，同时，由于饲料充足和价廉而使食品更便宜。
动物饲料和燃料的联产地将降低生产饲料和燃料的用地面积。据预测，在不增加土地供应而满足食物、饲料和纤
维素生产的情况下，每年可提供纤维素乙醇1000亿加仑。
最后应当指出，纤维素原料供应充足，但不能长距离运输，需在产地附近进行加工，从而也为农村经济发展
提供机会。通过生物燃料的生产优势和持续的研究以及政策上的倾斜，这些都将为全世界农村社会发展提供重要
的契机。种种迈向可持续性发展的道路都需要对替代性能源进行选择，通过合理的比较，生物燃料，特别是纤维
素制生物燃料是最具吸引力的替代物。
反方辩驳——玉米乙醇对天然气等非石油能源消耗不可忽略
对生物燃料进行全面研究十分重要，必须对所有数据和能源投入进行仔细慎重地评价，这对未来国家安全非
常重要，涉及人们赖以生存的自然资源的可持续发展。
正方提出的关于生物燃料有利因素中，只评价了石油的投入并未包括其他能源的投入（如天然气），此方法
不尽科学，天然气在玉米乙醇生产中是很重要的能源。事实上，在美国玉米生产总能源投入的1/3是以天然气为
原料的氮肥，当前的施用量为每英亩施氮肥150磅，可以亩产8700磅玉米，如不施用氮肥则玉米产量仅为1600
磅/英亩。经计算，相当于0.5加仑石油的天然气可以生产1kg氮肥。美国的天然气依靠进口，约50%的氮肥生产
是以进口天然气为原料的。据计算，如果用玉米乙醇替代美国汽油用量的30%，玉米乙醇生产所需要的天然气将
相当于当前家庭取暖用燃料的总和。
玉米生产中所需的石油与拖拉机的应用和生产一样，拖拉机的建造安装和维护所需要的石油不应忽视。农村
劳动力、农业机械、杂交玉米和灌溉等能量的投入也应纳入玉米乙醇的生产能耗评价之中。有些支持者过高估计
玉米乙醇生产中的副产物价值，它们不是能源而是饲料，有原来支持玉米乙醇的科学家现在也发表意见表示：“玉
米乙醇是有明显缺限的”。正因正方没有全面考虑能源的投入，因此低估了CO2释放量。生产1加仑玉米乙醇所
需要的化石能源比1加仑乙醇产生的能量高40%，亦即生产1加仑的玉米乙醇需要1.4加仑的油当量，由于化石
能源用量增加，CO2排放量也随之增大，而且在发酵过程等工艺中也会释放CO2。
纤维素生物质也需要土地和水以及化石能源。与玉米乙醇生产相比，纤维素制乙醇存在严重的缺点：一是其
所含的发酵需淀粉和糖含量仅为玉米的50%，亦生产原料要增加一倍；二是要将纤维素中与木质素共生的淀粉和
糖释放出来，需要用酸或专用酶分解木质素而获得淀粉和糖，因此就会增加能源投入和成本，一般纤维素乙醇每
加仑需要1.5加仑油当量能源投入。
2006年美国用其玉米产量的20%生产了50亿加仑乙醇，相当于石油总用量的1%，如果美国生产的玉米全部用于
制乙醇也只能满足7%的石油需求，这个数字不仅不能改变石油依赖进口的现状，更不能解决国家的能源安全问题。
通过上述情况，可以看出：
1.能源政策是关系到国家安全的重大问题，能源的替代问题是非常复杂的，涉及多个领域和层面，制定相关
政策之前必须要经过认真调查、分析和研究。发动各个领域的相关人士进行讨论，综合考虑各方意见，最后达成
共识，统一行动。即使在有关决策制定后，仍要重视不同意见，组织和发动不同意见的讨论，这对深化认识、改
进不足、推动发展有重大意义。美国的这种做法值得我们借鉴。
2.能源替代（化工原料的替代）是涉及面很广的技术经济问题。要进行多方面多层次的分析和比较，在分析
比较中如何选择比较项目，参考和指标是极其重要的，不同的选择可能会得出不同的评价。