全球能源转型需要多种可再生能源组合,森林生物量正被公认为是多能和丰富的贡献者。 从森林生态系统有机材料中衍生出来的生物量提供了使供热、发电和运输脱碳的途径。 其潜力在于其更新性和提供基准负荷发电的能力,而风能和太阳能等更时断时续的能源不同。 然而,实现这一潜力需要严格的可持续性标准、先进的转化技术以及平衡能源需求与生态完整性的综合政策框架。

森林生物量是什么?

森林生物量包括森林生态系统内所有原产于树木和木本植物的有机物,包括锯灰、树皮、树枝、顶部和商业采伐后留下的叶子,以及在退化或闲置的林地上种植的专用能源作物,并非所有生物量都是平等的;其能量、水分水平和灰烬构成因物种和部分树木而异。 可持续来源至关重要:生物量应来自稀疏、虫害爆发或易燃林木,以及现有林业作业的残留物,而不是来自原始森林的清除。

转换技术

将森林生物量转化为有用的能源需要若干成熟和新兴的技术,每种技术都适合不同的终端用途和规模。

直接燃烧

最常见的方法是,直接燃烧燃烧锅炉中的生物质,以生产蒸汽,驱动涡轮机发电或为工业过程提供热量. 现代流体化的床燃机通过将燃料颗粒与沙或床材料混合,实现高效和低排放. 共同燃烧将生物质与现有发电厂的煤炭混合,在没有重大资本投资的情况下减少排放.

气化

气化通过在低氧环境下加热将固体生物量转化为可燃合成气体(氢,一氧化碳和甲烷的混合物),该合成气体可以燃烧供热和动力,或者升级为合成柴油和喷气燃料等先进生物燃料. 气化综合循环(IGCC)工厂可以达到35%-40%的电效率,高于仅燃烧的系统.

热解

热解在缺乏氧气的情况下分解生物量,以产生生物油、生物炭和不可凝固气体。 生物油可以取代锅炉中的重燃料油,而生物炭则会固碳,并在添加到农田后改善土壤健康。 快速热解的生物油分量高达75%的重量,使其成为分散能源生产的有希望的途径。

厌氧消化和发酵

虽然对粪肥等湿润原料来说更为常见,但森林生物量可以进行预处理和发酵,以生产乙醇或甲烷。 产自木材结构成分的利格诺细胞醇避免与粮食作物竞争,其寿命周期排放量低于玉米乙醇。 第二代生物精炼厂正在扩大这些技术,其动力是先进生物燃料的任务。

环境和气候惠益

森林生物量在以负责任的方式来源和管理时,可以支持气候减缓和生态系统服务。 碳中性论点基于生物源碳循环:燃烧过程中释放的二氧化碳在几十年的周期内通过树木的再生而重新吸收。 研究表明,利用伐木残余物和废柴进行生物能源生产的净排放量比让它们分解在森林底部,释放甲烷要低。

除了碳之外,生物质能还减少对化石燃料的依赖,加强能源安全。 对农村社区来说,它提供了支持电网稳定的当地、可调度的电力来源。 使用稀释和减少危险燃料处理方法还可以通过清除过度储存的森林中的多余木材材料来降低灾难性野火的风险。

挑战和风险

森林生物量的可持续性取决于对生命周期的审慎管理,必须处理若干风险。

森林砍伐和生境损失

过度收获生物物质可以降解生态系统,减少生物多样性,并造成野生动物栖息地的碎裂。 全树收获可以消除场地上的营养,从而可能限制长期场地生产力。 森林管理理事会(FSC)和森林认证认可方案(PEFC)等认证计划要求保留粗木质废弃物和枯木以支持生物多样性。

空气质量和排放

生物量燃烧释放出颗粒物、氧化氮和挥发性有机化合物。 现代过滤系统可以大幅减少排放,但小规模、无控制的燃烧仍然是一个令人关切的问题。 生命周期分析必须考虑到运输和加工排放,如果生物量被拖得远,碳效益可能会受到侵蚀。

碳回报期

专门收获整棵树的能源可以产生碳债务,燃烧产生的排放量在重新生长之前超过化石燃料的排放量达数年到数十年,直到重新生长碳。 政策应优先考虑整个树木的残留物和低级木材,并确保回报时间与气候目标相一致。 政府间气候变化专门委员会(气专委)指出,如果收获水平不超过重新生长,可持续生物量可以保持碳中和。

土地使用竞争

扩大生物量生产可以与粮食作物、森林养护和常年森林碳储存竞争。 综合景观规划对于分配土地以实现生物多样性、水保护和娱乐等多重目标至关重要。

政策和监管框架

有效的治理对于在减少风险的同时利用森林生物量的好处至关重要。 欧盟的《可再生能源指令三》规定了森林生物量的可持续性标准,包括土地使用变化保障、温室气体排放的节省以及优先在能源回收之前优先使用高价值木材产品的连带使用原则。 同样,美国环境保护局也修订了生物量政策,承认残余物碳中性,但要求获得全树收获的认证。

碳定价、可再生能源组合标准和绿色能源证书等市场机制可以激励生物量的高效使用。 支持先进转化技术的研发,以及森林地主的技术援助,有助于扩大可持续供应链。 公私伙伴关系正在形成,以建设集集集收、加工和分配于一体的区域生物能源中心。

未来展望和创新

技术进步有望提高森林生物量的活力和环境性能。 生产多种产品——热、动力、生物燃料和生化产品——的综合生物精炼能提高经济回报和减少浪费。 适用于生物量燃烧或气化的碳捕获和储存可产生负排放,是实现巴黎协定目标的关键工具。

遥感、机器学习和地理信息系统等数字工具能够精确地绘制生物量可用性和可持续收获水平图,改进的弹丸化和折叠技术可以提高能源密度,并能够进行长途运输,而不会造成过高的费用,在运输部门,木材式落地燃料正在接受商业航空认证,为难以电动的部件提供了可伸缩的解决方案。

国际能源机构生物能源技术合作方案和粮食及农业组织森林能源[ 方案等合作倡议提供了数据、最佳做法和政策指导,诸如《气候变化》[期刊等机构的研究人员继续完善生命周期模型,帮助监管机构设计出奖励真正减排的细微规则。

森林生物量不是银弹,而是多样化可再生能源系统的战略组成部分。 如果与强有力的治理、技术创新和生态系统管理相结合,它就能提供基础负荷,支持农村经济,并有助于深度的去碳化。 前进的道路需要严格的科学评估、透明的供应链以及适应性管理,以应对不断变化的气候和生态知识。