程序教授：生物质独特的负碳排放作用(一） -凯发k8天生赢家一触即发

生物质能是全生命周期分析意义上的碳“零排放”能源，国际气候变化界对包括负排放在内的生物质温室气体总体减排效应寄予很大的、甚至被称为控制全球温升1.5℃愿景“唯一”的希望。

本文阐述了生物质负碳排放效应发生的机制，全球和中国的理论潜力；探讨了生物质负碳排放的几种切实可行途径；指出生物（性）碳存留远远优于地质碳封存（ccs）且现实可行。

生物质能是全生命周期分析（lca）意义上的碳“零排放”能源，其负排放作用是迄今为止任何一种温室气体减排手段都不具备的，但迄今生物质独特的负碳排放作用在国内几乎未被人们认识和谈及。

国际气候变化界公认，如果要实现《巴黎协定》的“1.5℃温升愿景”，即到本世纪末，把全球因温室气体浓度升高而引发的温度升高值控制在1.5℃以下，负排放技术（nets）不可或缺，这些负排放技术也是实现碳中和和实现零排放的关键。

一、生物质负碳排放的重要意义

生物质可以通过植物和某些微生物吸收空气中的co2，而后生物残体进入土壤，碳即能以腐殖质形式长期保留于土层之中；也可以能源利用排放的co2被捕获（收集）后，用于种植植物和养殖藻类被吸收，存在于生物质中；或以物理方式捕获后在地层中存留。

这些生物存留做法最终将大气中已存在的碳“吸出”，而后长期（或永久）封存起来，是任何非生物性碳减排措施所不具备的功能。

避免生物质分解释放沼气甲烷，也具有温室气体负排放作用，如果完全实现所有净零碳排放承诺，并且签约国履行“全球甲烷承诺”，可以让世界将全球变暖限制在1.8℃以内。

1.生物性碳捕获存留技术

生物性碳捕获存留（beccs）是一类典型的负碳排放技术，能将co2从大气中“吸除”并存留起来，从而降低大气中co2的浓度。

在ipcc（联合国政府间气候变化专门委员会）为将本世纪末全球co2浓度控制在0.043%~0.048%范围、以确保本世纪末全球温升控制在2℃乃至1.5℃而提出的116个设想情景中，绝大多数均要依靠beccs等碳净负排放技术。

ipcc在2018年《全球升温1.5℃》特别报告中模拟了4种温室气体减排的途径，唯有大力推行beccs等碳净负排放技术的途径，才能够实现到2100年累计减排12180亿t的co2当量（co2eq）。

2.生物质的负碳排放潜力

全球beccs“吸/存”co2当量（co2eq）的能力估测可达80~100亿t/年，相当于当今全球年co2排放总量的1/4左右，其中非co2温室气体的年负排放量达35亿tco2eq。

专家分析认为，中国要想实现碳中和目标，必须依靠大规模实施负排放，加上碳直接捕获（dac），合计每年减少40亿tco2eq排放。

二、生物质负碳排放的机制和主要方式

1.生物质负碳排放的机制

应用生物质产生负碳排放效应，主要有2种机制。

其一是避免或减少生物质在自然状态分解腐烂时形成的ch4和co2，并加以利用。

有机废弃物的分解过程中碳形态变化

另一类机制则是生物（质）碳存留，通过植物光合作用从大气中吸收co2，以碳水化合物为主的形态贮存在生物中，它们死亡后在土壤中转化为腐殖质或加工成为生物炭，以有机肥和土壤改良剂形态存在土壤中。

2.生物质负碳排放——生物性碳存留的主要方式

负碳排放途径包括：beccs、造林、生物质制生物炭并用作土壤改良剂、改良农业种植方式、通过工程措施从空气中直接从空气中捕捉co2后加以利用（ccus）或封存在深层废矿井中、增强矿物碳化、向海洋施（铁）肥以增加海生生物活动多吸碳、向海洋中添加碱以从大气中吸收碳，前4种属于生物质存留，而后4种则是地质性封存（ccs）。

物理方式的co2捕获加地质封存是迄今讨论最多的，但实际可行性很差，另外3种地质性封存途径目前仍停留在文章讨论中。而生物性碳存留的4种途径则是切实可行的负碳排放途径。

（1）beccs

迄今最为成熟的beccs之一、负碳排放体量潜力最大的，是生物质直接/与煤耦合发电而后捕获发电过程产生的碳加以利用和存留。

在中国，燃煤发电和供热取暖，运输用油以及生物质分解排放ch4是碳排放的4大源头，其中又以煤电为最。

煤电大规模碳减排的唯一可行途径是生物质与煤耦合发电，用的生物质包括用废弃农、林生物质加工的压缩颗粒和种植的能源植物，前者能直接产生负碳排放效应，后者只是“零碳排放”燃料。

用废弃农、林生物质耦合发电加co2捕获和存留，可获得累加的负碳排放效应。

专家测算，当往煤中掺混35%生物质量时，生物质耦合煤发电再加上碳捕获封存（cbeccs）系统，即可实现我国电力生产全生命周期的零碳排放。

（2）生物质制生物炭生物封存碳

生物质在某些特定温度、氧含量和压力条件下，会转化为生物炭。

碳的状态极稳定，可以数百年不分解，生物炭携带的有机碳则通过有机肥或土壤改良剂形态进入土壤深层，能将碳长期甚至永久固定。

整个生产-利用过程呈典型的负碳排放特征，受到国际气候变化界的高度重视。

（3）植树和种植能源植物

植树是生物质固碳的重要方式，其负碳排放的作用在不同的环境下有差异，如植树在寒带地区有明显的碳负排放效应，在温带效果差，在热带则基本无效。

中国今后将主要通过“边际土地”（包括沙化土地、沙地、荒漠和荒山等）拓展来增加植被面积，但这些地区绝大部分年降水量低于乔木树生长的阈值。

一些豆科的灌木和草类具有强大的根系，高度耐旱，而且根、蘖的再生能力很强，在北方频发的春旱条件下能照常萌发，能够自生固氮，是“退耕”的优选品种和主力。

同时，对植树的固碳作用也要有客观、科学的估计；不能忽视其他方面的生物质固碳潜力。

（4）废弃有机物和能源植物制沼气-生物天然气

ch4是重要的温室气体，其大气增温效应占全部温室气体的20%~25%。当前中国的各种有机废弃物的丢弃和随便堆埋的情况仍比较普遍，而这些都是ch4的重要来源。

沼气的主要成分是ch4，其次是co2，通过提纯可制得ch4含量90%以上的生物天然气。

沼气-生物天然气在减排温室气体和负碳排放方面有着多重效应：利用有机废弃物制造的沼气，可在很大程度上避免未经处理的有机废弃物在自然堆埋状态下发酵产生的ch4；有机废弃物厌氧发酵在生产沼气的同时，还会产生相当量的沼液和沼渣，作为肥料进入土壤后可长时间不分解，把所含碳生物性存留于土壤中；规模化利用沼气作气体和液体生物燃料时，必须对沼气进行提纯，即分离出其内的co2。

这就为集中处理利用co2提供了前提条件；在所有的生物燃料中，沼气经提纯而得的生物天然气具有最低的co2足迹。

(信息来源:科技导报，作者程序，中国农业大学农学院、生物质工程中心，教授，研究方向为生物质能源，可持续农业与农村发展)