清华大学核研院新能源所教授李十中：先进生物燃料与中国特色燃油车取代之路
2018-11-01 16:07:35
摘要：北京市生物燃料工程技术研究中心主任李十中在“生物质能专业论坛”上讲解了生物质怎么解决替代燃油车怎么才能实现这个目标。
能源新闻网讯2018年10月30-31日，由全国工商联新能源商会与大同市人民政府共同主办，以“多能互补”为主题的第十二届中国新能源国际高峰论坛（NEX2018）在北京国家会议中心隆重召开。清华大学核研院新能源所教授、副所长、中美生物燃料联合研究中心执行主任、北京市生物燃料工程技术研究中心主任李十中在“生物质能专业论坛”上讲解了生物质怎么解决替代燃油车怎么才能实现这个目标。
以下为李十中发言文字实录：
今年是2018年IEA出的报告，生物燃料是叫被忽视的“巨人”，我是讲现代生物质能，这个已经是所有可再生能源加起来，是和我们生物质能源一样多，风电加4倍光伏，加上光伏，都加起来才和生物质能一样，我们生物质一个是用在供热、热体发电上。重点讲一下怎么解决替代燃油车怎么才能实现这个目标，一会儿我跟大家分享一下。
我们中国讲绿色发展，国际上讲可持续发展这个目标都是一致的，刚才我已经实际上已经介绍这是最新版的数据，大家看率的那个这一半全是现代生物能源，不是烧柴火那个，大家要有相信，现在不仅国际上重视了，而且我们国家国务院也重视了8月22日就是国务院批准和全国使用乙醇汽油2020年全国使用乙醇汽油的方案，刚才我这个题目讲叫先进生物质燃料，现在生物能源里面有一个是供热、发电还有液体生物燃料，液体生物燃料还有叫先进生物燃料，因为这个先进生物燃料定义给大家说一下，这个就是小布什在下台前签的最后一个法案就是美国《能源自主与安全法案》，它的定义就是说你减排20%的温室气体就叫常规生物燃料，能减排60%的温室气体叫纤维素生物燃料，减排50%，就叫先进生物燃料，这个定义说一下，为什么用。
这里边我们全球的生物燃料去年大约是1亿吨多一点，乙醇美国就是4700万吨，巴西是2118万，这个我就不细说了。而且都在提高比例，就是美国要从10%提高到15%。它的好处实际上年年都在说，瑞典斯德哥尔摩的公交已经在用乙醇燃料了，整个不用柴油了，2900万吨的柴油一年少用。乙醇烧一升乙醇排0.02克的颗粒物，烧国3汽油排量是10倍，这个就是为什么要使用乙醇解决这个问题。
这个是15号才出来的新闻，现在乙醇只是和汽油混合，奥地利TUW科技大学，他们开发出来的柴油机可以和乙醇混合，他用70%的乙醇和30%的柴油，我们国家汽柴比是1：1.3，实际上就是说我们1亿3千多万吨的汽油还有差不多1亿7千万吨的柴油，柴油更多，而且都是大车，卡车，公交车，你像就是说公交车因为固定线路可以用电动、电池，你拉货的肯定不行，你是拉电池还是拉货，柴油如果解决了这个肯定就清洁多了，就解决了雾霾的问题。这个是22日克强总理已经批了，我们从2018年今年就15个省主要是东部，2019年就是云贵川山甘宁加上重庆还有新疆和青海的部分地区都要使用乙醇汽油，2020年全国都要使用乙醇汽油，那么市场缺缺口就有1100多万吨，为什么要搞乙醇呢？不仅仅是解决环境的问题，还是要解决扶贫的问题，农村发展问题。
我就举美国的例子，其实美国一年的玉米产量是3亿7千万吨，但是它用了1亿4千万吨生产了4740万吨的乙醇，就占到它汽油消费的10.2%，它卖多少呢？卖了2.3亿吨，它保持了它玉米的高价，都是3.6美元，10年前大家查也是这个价，中国现在农业最大的问题就是多了多了，少了少了，多了大家都种最后卖不出来，前年粮改饲也是因为玉米卖不上价。我给王洋同志写了一个报告，我们每年近口4亿多吨的油，这么大一个市场我们完全可以解决。
右下角这个图，这个图美国怎么解决？现在不是跟美国打贸易战吗，因为美国要从乙醇从10%提高到15%，但是它有一个挺奇怪的规定，就是从6月份到9月份这4个月不能加到15%还是10%，川普就把这个限制给取消了，如果美国把10%的乙醇提高到15%，就要多消耗5千万吨的玉米，就解决了农民卖玉米的问题了。因为中国不买它的了，不买它的了它自己想折，我们是不是也可以想折？看上面，刚才我跟任主任就说了，杨元（音）那么好的地方都给装上光伏板了，就这点光伏板能发多少电？而且搞光伏的大部分还都是农民出身的，最起码是农村出身的，我就觉得这是ridiculous，我就不多说了，反正大家就知道这个，就是我们怎么解决，中国是农业大国，不是穿上西服把棉袄脱了，现在那么多人还吃不上饭呢。通过调整种植结构，比如说因为后边要讲到甜高粱，农业部把粮改饲的文件，就是把5月份一个粮改饲的文件，7月份一个镰刀湾（音）调整种植结构都把甜高粱写到粮改饲的文件里，我们刚才讲了乙醇这是国家支持的，有市场了，因为这是一个大的产业量，农业部也支持。
现在好多都是政策在炒，就是我们要取代燃油车，怎么取代？我们上周二，德国中心搞了一个汽车的圆桌会，德国一个公司讲了智能汽车，不管怎么智能讲的特别好，你得用燃料，最后我们用什么，怎么解决，怎么替代，刚才肖主任就说了，你煤发了电，电再去替代煤供暖，如果煤发了电，电动车有什么意义？我们不就是这么几条路线嘛，中间这个是烧油，上边这个是烧电，就是用电动驱动，下边就是氢，还有用乙醇制氢的，那边就是“皇帝的新车”，你一百度就能看出来，国际上人家都有这个定论，就是说电动车怎么回事，技术也不是环保，材料也不环保，用的是煤发的电，骗谁呢？我们就讲怎么解决，电动是可以电动，用什么呢？如果我们用乙醇，刚才讲的乙醇发动机，我们可以大车的框架有了，小汽车有了，这是美国的，我们都可以烧乙醇了，我们能不能把这个结合起来，就是叫增程式电动车。沈阳已经搞出来公交车了是用柴油发电的，我们如果用乙醇发电不就100%都是可再生的，绿色目标就实现了，大家看我们用乙醇这不是发动机吗？我们用乙醇小的，大的都有，我们发了电，接着去驱动电动机，不是再给电池充电了，这个最现实。你说充电咱们现在我这个手机春天刚换的，原来两天充一次电，现在一天充一次，几百，上亿辆的车怎么能解决，这个是最起码的一个科学道理。
而且我们进步也在进步，这是天大的苏万华院士他搞内燃机，这个已经能达到热效率51%了，而且我们联系汽油机能达到，乙醇发动机也能达到，只要我们有这些个，不就可以解决充电？一个是增度式，这个我们比较容易现在实现的，就是说跟我们生物燃料结合起来，这个我们是100%绿色。另一个就是克强总理5月份到丰田Mirai看的这个车，大家看网上反响挺大，其实Mirai这个车什么呢？因为查了一下，大家注意看，它是122.4升，两个700公斤的段，700公斤压力，因为这是碳纤维的，氢是最不好的，氢是元素周期表排第一，分子量是第一，如果你想运输它必须给它高压，700公斤压力，大家看它跑多远，大家看的可能是504公里，122.4升的叶片，700公斤的氢，那么就要说你这个氢从哪里来呢？我们有一个表，水电解制氢，它的能效是17.6%，煤制氢37.3%的能效，天然气制氢是70.5%，如果我们用乙醇重整制氢是84.8%，制了以后还得压缩，目前我们都是进口的，而且电最便宜的风电是5毛7一度。氢的基础设施问题，就是你要加氢700公斤加氢现有的加油站没有办法用，这是美国能源部的，我们不是说美国不好，咱们客观的说，我们看看美国怎么着，我们有我们的路线图，也看看人家的路线图，它近期就是天然气制氢，还有电解水，那么它的中期就是近中期实际上就是业态生物原料去重整，这样不也是可再生的吗？也能重整制造氢，在长期的人工光和作用，就是二氧化碳和水反映是直接得到氢，不经过（英）这一步。
他也定了乙醇重整制氢，就是我生物的是最大产量的燃料，而且它也比较方便大家都认可，喝的酒不就是乙醇吗？它的指标都有。我们用乙醇如果用乙醇重整制氢和水反映，就可以利用现有的基础设施，那就是说我们现在加油站里面加的是气柴油将来我们可以加45度酒，而且现在在巴西35000多个加油站既能加汽油又能加乙醇。如果把乙醇的水溶液加到油箱里也是加，在这里边有一个重整反应器，在线的制氢，不就解决了氢的基础设施问题吗？这个就是说我们后边图就是这个有个分子式一讲就明白了，乙醇的分子量是46，水的分子量是18，三个18，54+46，不就是100吗？46%的水溶液，就是1某尔乙醇（音）和3某尔水反应，得到6某尔的氢，因为要向正反应进行，就是反应物就要过量，谁过量？水便宜当然就水过量，换句话说将来我们用45度酒就可以开车了，把丰田Mirai的车把它拿来，把它那个氢罩给它扔了，装上我们的重整反应器再拿一桶45度的酒，我们就可以开车，而且这个技术也是可行的。中间这个图是什么呢？是甲醇重整制氢，但是甲醇是煤来的，能量密度低，大家看乙醇是46%的水溶液，甲醇要64%的水溶液，肯定是乙醇能量密度高，它又无毒，可再生，又减排二氧化碳，它是碳中和的，这个是可行的，不是不可行的，就是技术水平再高一点，因为甲醇反应一氧化碳相对来说产生的少，乙醇反应它就会有十大反应。这个车实际上日本的日厂尼桑已经出来这个车，但是它也有负反应，一氧化碳含量比较高，如果我们要用质子交换膜（音）电池就是Mirai那种的，它的催化剂是铂，铂最怕一氧化碳，超过20个PPM催化剂就中毒了，他们不用质子交换膜电池，就是一个（英），它的工作温度是900度，也可能现在等降到800、900度，但是它是发电，如果你要用在车上，就是遇到一个红灯你起步停车这个问题你就不好办了，所以丰田到2020年东京奥运会有多少氢电池车，而且尼桑现在就没有这么说。这个就是10几个反应，因为有负反应。
我们现在怎么解决呢？我们解决其实你一氧化碳我完全可以控制住，乙醇和水反应变成氢气和二氧化碳，还有大约有4%-5%的一氧化碳，一氧化碳我们可以通过水煤气反应降低到1%以下，就是可以控制在10个PPM以下，这样我们就可以用质子交换膜电池了，就是丰田Mirai的车完全不要氢罐了，就是我的重整制氢，我出来的我就是10个PPM以下，我不会毒化催化剂，我完全可以把燃料电池发电，就是我这个电动车就开起来了，这不就实现我们的目标了吗？将来我们没有油了，我也不用找加油站，反正都喝酒，就抓两瓶可以对付10几公里就能找到加油站，就能解决这个问题了。
燃料电池，它的成本大家看，其实主要还是电堆，刚才我说的是能源问题解决燃料供应的问题，氢怎么来，我们同事搞这个，他们实验室搞出来国产化的质子交换膜燃料电池，电堆1000瓦成本就是2000人民币1000瓦，现在进口是要2000美元1000瓦，而且这个性能比较低，这个已经有样车我就不说了。同样跑100公里，我们就用45%的乙醇和用柴油，用柴油大家看要100多块钱，如果用45%的乙醇水溶液，45度酒，那么大约就94.1元，那么差不多低了三分之一，这样就是说我又环保我又有经济，它为什么不用？这不就解决现在老说，我们的东西那么贵，国家拿那么多补贴，其实现在坐车到底是为了拿补贴，还是为了做车，这个只有天知道，自己天地良心。
最后，我们在讲几分钟乙醇从哪里来？刚才袁主任评估了，有200多万吨的乙醇，怎么解决？一个是玉米乙醇都属于淀粉质的，先要把淀粉液化就是加水然后加热到120度，然后再降温，降温以后加淀粉酶、糖化酶把淀粉变化葡萄糖，然后再发酵蒸馏乙醇再处理废水，这个过程就比较复杂，其实这是一个传统工艺，你在降低成本空间已经不大。甘蔗乙醇巴西真很自豪的，确实比玉米乙醇好，因为蔗糖就是可以发酵的，但是它要把它榨出来，但是要榨6遍。玉米乙醇实际上成本是高的，这是在今年9月份美国一家玉米市场已经关门了，因为它降低成本的可能已经不大了，什么是甜高粱呢？通俗点就是高粱的一个品种，高粱米可以吃，高粱秆和甘蔗一样，就是用糖我们用它来做乙醇，它的特点就是说从南到北都可以种，因为它原产地非洲，中国东北大豆、高粱是特产，现在我们乙醇规划全国都要用乙醇，主要是玉米多，玉米都在东北和内蒙，江浙一带没有怎么办？你不可能把玉米运过去，这样就达不到减排的目的了，甜高粱是可以种了，生产期短，在种甘蔗的地方，甘蔗一年收一次，它可以种三季，其实印尼他们种四季，这样土地利用率也高了这不就对农民有好处吗？还有它能盐碱地上长，就是耐盐碱、耐干旱。右下角那个图就是2015年到2016年美国的高粱种植面积增加了38%，主要因为它耐旱，它的种子成本是高粱的一半，水肥用量也是玉米的一半，我们用液体发酵刚才讲了要榨6遍所以能耗是很大的，一个榨机是4000千瓦，榨6遍一小时2400度电就没了。
印度人也想搞，这种土榨机就更不行了，国内也搞这个，生产一吨乙醇用23吨水，24吨蒸汽，4232度电，生产一顿乙醇，你想象，你一吨煤发多少电咱们大家都知道，因为都是搞能源的。比如说在内蒙种甜高粱你收下来，现在这个天正好收了以后水分政法，你怎么去榨汁？你不得加水再去把糖萃取出来，所以这个是行不通的。那么固体发酵，像我们说老祖宗酿酒这个也不行，效率太低，这样就是说我们就研究现代的发酵技术，我们从500毫升的摇平实验（音），10升发酵罐，50升发酵罐，250升发酵罐，5立方米，127立方米，一直到550立方米，就是55米长3米6直径，完全是自动化的，我们要解决传统固体发酵它的传质传热问题，你得控制它的反应，因为我们埋到地底下，你是什么也控制不了了，这个55米长，3米6直径，我的发酵停留时间，因为是连续发酵，停留时间是24小时，玉米乙醇发酵时间是多少？50个小时，木薯乙醇是60个小时，而且它都是间歇发酵，我们这个就是一头进一头出是连续发酵。出来的成品是什么？一个是乙醇，另一个就是酒糟没有污水处理问题非常简单，这样我们就可以解决农民的问题了，解决农产品的出路问题，农民就可以致富，而且我们可以大量提供清洁能源。而且酒糟它的营养成分和青贮玉米是一样的，而且我们做的实验用50%替代青贮玉米，75%、100%替代，100%替代青贮玉米喂肉牛一天长1.08公斤的肉。非常简单就是收割机收来以后粉碎了，然后进到我这个反应器，反应器里边停留时间24小时，出来的糖都变成了乙醇，蒸馏以后乙醇进到气象，然后酒糟就拉走喂牛，一天涨1.08公斤的肉，这个多好？大家都能赚钱，农民也能赚钱，而且喂羊肉质还好，有一个指标叫PUFA，喂青贮玉米的3.02，喂酒糟的3.89，营养价值也高。像像的工厂我们可以3-5公里的运输半径，基本上就1万吨一个工厂投资大约就是5980万，我们的生产成本就是16吨秆生产一吨乙醇，这个秆250块钱一吨，收购价。一亩地能产5-6吨，基本上是五吨半，这样就是我们算下来的成本是4185，而且人工费是200，财务费用200，都是打的比较高的，设备折旧是278。
这样我们农民的收入大家看比种玉米、种小麦、种水稻、种棉花至少高一倍，一般就是高两倍，农民收入是增加的。我们做的酒糟不仅可以给牛喂羊，还可以造纸，因为现在不让用减法造纸（音）了，因为它破坏木质素把它变成本地米（音）耐庵非（音）是很难处理的，现在用机械法木（音），机械法木浆你要常压墨就耗电，一般要到木质素软化点，一定要加热才行。我们刚才看，我这个蒸酒出来的温度是90度，正好我就可以趁热墨浆，墨成70木（音），我就可以给造纸厂了。就是我们要解决一个产业链的问题，才能让这个产业发展，你酒糟卖不出钱，肯定工厂赚不了钱，工厂赚不了钱这个产业就没法做，农民种高粱卖给谁？就赚不起来。还可以改良盐碱地，像滨海盐碱地，一般一亩地用四五百立方米的水可以治，但是如果像我们内蒙、新疆还有吉林的内部，它没有水怎么办？现在有用电厂脱硫石膏的，大家可以看右下角那个表，脱离石膏只是酸碱中和，你加的越多，那么它的有机质就越少，速效林（音）都降低了，你种地还得有有机质，还得有营养。那我们这个酒糟就正好解决了这个问题，因为酒糟它本身PH值是4.5-5，它又是有机质，还有就是它有氮磷钾，酵母不就是氮磷钾吗？都在酒糟里面，我们也做了实验，白花花的盐碱地什么都不长，基本上两年三年就是可以把它改造好，那是重度盐碱地了，不是轻度的。其实简单水稻能吸收重金属，高粱也能吸收，而且我生物量还大，我们这个一亩地产10吨，最高美国能源部跟我们合作一亩地产10吨，我们就通过能源利用，就看右边这个图就能看出来。
我种甜高粱，我吸收了重金属，先把高粱秆里的糖变成了乙醇，酒糟就不能喂牛，喂羊了也不能改良盐碱地了，我就把它烧了发电，垃圾发电、秸秆发电不都是国家支持的吗？都是成熟的技术，我们再从灰里面回收重金属，而且因为高粱都3、4米以上的高，高粱米都是安全的，我们就形成了一个产业链。刚才我也讲了，我高粱米可以做人吃做饲料，可以酿酒，乙醇可以制氢，可以和汽油混合，可以直接燃烧，那么酒糟关键是酒糟我们可以一系列的利用，我们可以喂牛，喂羊，可以改良盐碱地，可以造纸，可以生产沼气，可以发电，可以做纤维素乙醇，这些就形成一个完整的产业链。我们老说中国特色，我们要解决农民的问题跟农民结合起来，他们现在说的这些氢的路线跟农民有关系吗？就是电动车跟农民有关系吗？真正从国家战略上讲要解决农民问题，农村问题，这个是最好的。别进口了，自力更生不就解决了吗？我们做了一个潜力分析，就是用20%的盐碱地搞2000万吨的乙醇没有问题，我们都做了，从南到北，这个就不多说。可能这个也是，我们喂羊用青贮发酵的技术，这个好像也没有视频那就算了。
怎么叫中国特色？我们把传统的农业和未来的新经济结合起来，大家看这个示意图，我种甜高粱，种甜高粱然后青贮，青贮以后我们加上菌，或者我们用我们的反应器，我们来生产乙醇，我就蒸到45度酒就行，因为我们不是氢燃料电池吗？我们解决的是制氢问题，这样我一蒸酒45度乙醇我就去开车了，剩下的酒糟我就养牛了，这个才是我们中国的特色，别的说了半天都是讲故事，这个我们确实是我们问心无愧的说，我们通过农民，你生产出来的最先进的氢燃料，这个我们是国际可以领先，这个绝对是我们自主创新的，大家一起努力吧。
谢谢大家。
注：本文系能源新闻网整理自清华大学核研院新能源所教授、副所长、中美生物燃料联合研究中心执行主任、北京市生物燃料工程技术研究中心主任李十中在“生物质能专业论坛”上论坛所作发言，未经其本人审阅。
