5.3.4 加快可再生清洁能源的开发利用
我国可再生能源的利用率一直较低，从维护能源安全和控制环境污染双重目标考虑，必须加大可再生清洁能源开发利用的力度。按照国家制定的可再生能源长期发展战略，我国将重点发展水能、风能、生物质能和太阳能等可再生能源，计划到2020年，可再生能源利用占能源消费总量的比重达到18%，2030年达到30%。下面仅简要介绍生物质能和太阳能的开发利用问题。
一、生物质能的开发利用
从能源消费变化来看，人类最终将要过渡到可再生能源的持久利用上，生物质被认为是目前最容易进行商业开发的可再生能源资源。欧盟委员会在其发布的《欧盟能源发展战略白皮书》中指出，到2015年，生物质能的消费将达到总能源消费量的15%；到2020年，生物质燃料将替代20%的化石燃料。美国计划到2020年使生物质能的消费量达到能源总消费量的25%，2050年达到50%。
生物质转换技术可以分成三种基本类型：直接燃烧过程、热化学过程和生物化学过程。
1.生物质的直接燃烧
直接燃烧是目前把生物质转换成热能所通用的基本过程。采用传统的炉灶直接燃烧生物质，资源利用率低，对环境污染较大。现在已设计出各种适合烧木质废物和其他生物质的燃烧炉和锅炉。但由于生物质的含水量较高、组分复杂，生物质燃烧炉和锅炉的热效率仍不及常规锅炉。
2.生物质的热化学转化
热化学过程即高温分解过程，分解后通常形成混合气体（气化）、油状液体（液化）和纯焦炭（炭化）。这些产品的比例取决于原料、反应温度和压力、在反应区停留的时间和加热速度等。
气化是在高温状态下（如1000℃）发生的热解过程。根据普林斯顿大学的研究结果，不管是在工业化国家还是在发展中国家，由集成式生物质气化器和蒸汽-喷射式燃气轮机构成的组合装置，都有希望与常规的煤炭发电、核能发电和水力发电竞争。
生物质炭化可以提高单位质量的能量密度，从而有效降低运输费用。由于木炭燃烧时不冒烟，因此成为一种适合家庭使用的燃料。在工业方面，可用于需要含碳量高和含硫量低的部门。
3.生物质的生物化学转化
生物质的生物化学转化是利用生物化学方法，将生物质进行发酵或水解获取甲烷和乙醇的过程。
（1）沼气发酵。沼气是利用城市垃圾、人畜粪便、作物秸秆和杂草等有机废物，经过好氧分解和厌氧分解两个阶段而得到的混合气体。其中含55%～65%的甲烷（CH4）、35%～45%的CO2、0～3%的N，以及H、O和H2S（各0～1%）等气体。沼气的热值视其中的甲烷（CH4）含量而定，一般为2×107～2.6×107 J/m3。
沼气的形成过程需要4～30天。其中好氧分解在产酸菌的作用下，把复杂的大分子有机物变成较简单的小分子物质，进而在甲烷菌的作用下经厌氧分解产生沼气。因此，要使沼气的产量高，就必须适时地从好氧分解转入厌氧分解，控制好产酸菌与甲烷菌的比例。实验测定，发酵系统的氧化还原电位低于200～400 mV时最有利于甲烷菌进行厌氧分解。
此外，沼气的产量还受其原材料的影响。表5-3列出了几种生物质的沼气产率。理论上，每吨湿纤维素可生产沼气量400 m3，但实际中一般只能达到理论产气率的1/4左右。
表5-3 几种生物质的沼气产率比较(https://www.daowen.com)
资料来源：何强、井文涌、王翊亭编著的《环境学导论》（第3版），清华大学出版社2004年出版。
我国沼气产业开始于1980年，其开发利用在国际上处于领先地位。目前我国沼气的利用不局限在点灯做饭，已经发展到乡村集中供气和沼气发电，形成了以沼气为纽带的生态家园富民工程。
（2）燃料乙醇。水解发酵制取乙醇的原料有三大类：一是富含糖类的生物质，如甘蔗、甜菜、菊芋、甜高粱等；二是富含纤维素类的生物质，如农作物秸秆、木材加工剩余物、速生纤维能源植物（如桉树、桤木、柳树、杨树、含羞草、乳草属植物、莎草、沼泽草等）；三是富含淀粉类的生物质，如禾谷类、甘薯、木薯、马铃薯等。利用上述生物质，通过水解发酵得到乙醇溶液，然后经过简单的精馏即可得到95%的乙醇，或者利用共沸精馏方法获得无水乙醇（燃料乙醇）。燃料乙醇可以代替交通运输业所需要的液体燃料汽油，尽管它的热值（2.4×1010 J/m3）低于汽油（3.9×1010 J/m3），但它在燃烧方面的其他优越性能足以弥补其热值较低的不足。
巴西是利用能源甘蔗生产乙醇作为汽车燃料最为成功的国家，2006年巴西生产的燃料乙醇已经取代了该国40%以上的汽油消费，成为世界上唯一不供应纯汽油的国家，其乙醇在交通燃料中的使用量位居世界第一。
我国的燃料乙醇研发工作始于20世纪末期。“十五”期间，在河南、安徽、吉林三省建设了四套年产3×105 t的燃料乙醇生产装置，主要利用陈化粮等为原料生产乙醇。我国是一个人口众多、人均耕地资源不足的国家，因此，燃料乙醇未来的发展必须坚持“不与人争粮，不与粮争地”的原则，充分利用非粮农林产品和废物资源，如富含纤维素的农作物秸秆（每年的资源量约7×108 t）。还可通过引进栽植速生能源植物，如柳枝稷、束状草、象草、芒草、杨树等，将能源植物种植计划与生态工程林网建设和荒山荒地绿化相结合，扩大生物质来源，为我国能源乙醇的可持续健康发展提供物质保障。
4.生物柴油的开发利用
生物柴油的生产是一个化学精炼过程，而不是纯粹的生物技术产物。生物柴油最大的优点是可以直接使用，不需要改造发动机，并且可以同传统柴油以任何比例混合。研究表明，生物柴油燃烧时排放的有害物质少，特别是它所含的多环芳香化合物和亚硝酸多环芳香化合物很低。
制取得到的生物柴油的原料有油菜、大豆、棕榈等油料植物及其他油脂物质。目前生物柴油的大型生产厂家主要集中在欧洲，利用的主要原料是油菜籽。美国生物柴油的商业应用始于20世纪90年代，生产原料主要是大豆。日本1995年开始研究生物柴油，主要以煎炸废油为原料。巴西以蓖麻、大豆、向日葵、油棕榈等油脂类作物为主要原料生产生物柴油。我国主要以废食用油和工业废油为原料。
自然界中另有一类富含类石油成分（烃类）的植物，这些植物油脂很容易被改造为生物柴油，是极具开发前景的能源植物。如大戟科植物膏桐（俗称麻风树），其种子含油量高达33%～64%，种子油经改性制取得到的生物柴油的16烷值为44.81，与矿物柴油十分接近，可适用于各种柴油发动机，在关键技术指标上甚至优于国内零号柴油。类似的植物还有蓖麻、油楠、续随子、绿玉树、古巴香胶树等。发展和培育高产能源树种，对解决我国石油替代能源问题具有重要的战略意义。目前，科研人员正在积极研发利用小桐子、黄连木、光皮树、油楠等木本油料植物制取生物柴油的技术。我国规划到2020年生物柴油产量达到1.9×107 t。
二、太阳能的开发利用
我国太阳能总辐射量在0.6 MJ/cm2以上的地区占幅员的2/3，沿海、华北、东北地区能量密度相对较低，而内陆高原地区能量密度相对较高。西藏地区的太阳能资源最为丰富，能量密度在6.3×105～1×106 J/（cm2·a）范围内，其余地区为4.6×105～5.9×105 J/（cm2·a）。
直接利用太阳能的主要设备有太阳能集热器、蓄热水箱、太阳灶、太阳屋、太阳能热电转换系统和光电转换系统等。太阳炉、太阳灶、太阳房等已在我国能源短缺的某些地区获得较广泛应用。太阳能低温热水系统也在全国许多地方的食堂、住宅等场所应用。最简便的家用太阳能热水装置，使用更为普遍。未来太阳能的开发重点将是太阳能发电技术的规模化应用。
（1）太阳能热电系统：它是将太阳能通过热转换生成电能的系统，核心部件是太阳能集热器。太阳能集热器一般由涂上黑色的金属板和金属管，加上玻璃盖，底层由绝热材料保温而组成。固定式集热器能收集到的热能，最高可达150℃，若再采用选择性表面涂层或用聚光装置，可以获得更高的温度。其中线性聚光集热器经聚焦后温度可达300℃，而点聚焦集热器温度能达600℃以上。将多个点聚焦集热器组合在一起，即可组成太阳能热电系统。一座典型的10万千瓦太阳能热电发电系统，大约由12500个定日镜组成，每个反射镜的面积为40 m2。在最佳条件下，50 hm2的反射镜组可以产生100 MW电力。据专家测算，太阳能热电系统的运行成本低于核电厂或以石油为燃料的火电站。
（2）太阳能光电系统：它是将太阳能直接转换成电能的系统，核心部件是光电池。太阳能光电系统的理论基础是光电效应。光电池俘获太阳能，通过将电子与其母体原子分离并使其加速通过由两种不同类型半导体材料连接形成的静电屏蔽通道，从而将太阳能直接转化为电流。光电池具有设备简单，维修成本小，不会产生污染，与传统化石燃料或核电厂的寿命相当等优点。目前光电池在野外俘获太阳能的效率在10%以上，实验室条件下则可达到75%以上。
太阳能光电发电系统相对于其他发电系统而言，具有以下主要优点。①没有动力机械，是安静的清洁能源。由于从光能到电能的转换应用的是半导体特有的能量效应，不用火力发电和原子能发电时必须具有的汽轮机、发电机等动力机械，因此，不存在噪声、放射性污染或爆炸的危险。②维修方便，容易自动化。因为没有动力机械和高温高压部分，也就不存在摩擦损耗，不需要润滑油。③不论规模大小，均按一定的效率发电。太阳能电池的转换效率，不论所用系统的规模大小，几乎是一定的。④由于采用模块结构，容易实现大批量生产，规模效益大。随着需求的扩大，可以通过连续自动化生产线降低生产成本。
