生物柴油全生命周期资源和能源消耗分析

摘要：针对以菜籽油、麻疯树油和地沟油为原料制取生物柴油过程，应用生命周期评价方法，对原料种植、收集运输、原料预处理、生物柴油生产、产品配送等子过程的土地资源占用、水资源和能源消耗进行了计算，并对能量消耗进行了参数敏感性分析。结果表明，3种原料生产1t生物柴油占用土地资源分别为13132，3333和5m2，水资源消耗分别为9063.55，12306.62和1.97m3，化石能源消耗分别为0.9，0.67和0.25MJ。由于水资源消耗和土地占用主要源于种植环节，能源消耗主要发生在种植和转化环节，在我国适合以地沟油和麻疯树油为原料生产生物柴油。开发耐旱、高产、高含油率的油料植物品种和新型高效酯交换反应催化剂及优化反应工艺是降低生物柴油全生命周期资源占用和能源消耗的有效措施。
关键词：生物柴油；生命周期分析；菜籽油；麻疯树油；地沟油；土地；水；能源
1前言
化石能源短缺和环境污染问题日益严重，出于发展经济、保护生态环境、保证能源安全的考虑，世界各国都在积极寻求石油替代能源。生物柴油是燃烧性能良好、环境友好和可再生的液体燃料，已成为备受关注的可再生能源。
原料的稳定供应是生物柴油项目可持续发展的关键，发展生物柴油首先要考虑、解决原料的生产和供应问题。世界各国发展生物柴油产业的原料因产地不同而不同，德国以菜籽油为原料，美国主要利用大豆油，巴西重点发展蓖麻籽油，印度以种植麻疯树为主。麻疯树果的产量为4.5∼12t/hm2，在我国云南、贵州、四川、广东、广西都有分布[1，2]。我国的油菜产量位居世界第一，仅长江流域和黄淮地区适宜种植油菜的冬闲田就有3亿亩以上，为避免出现“与粮争地”的局面，可将这些闲田用于种植油菜籽，按每亩产量100kg计算，每年可增产油菜籽300万t[3，4]。而以废弃油脂为原料生产生物柴油，不仅可降低生产成本，减少对环境和人类健康的危害，还可获得绿色可再生的清洁液体燃料。废弃油脂主要包括餐饮业废油(地沟油)、榨油厂的油脚料、皮革、橡胶产业等工业废油。我国地沟油产量巨大，如果其中50%转化为生物柴油，理论上可年产生物柴油200万t。因此，从原料供应的角度，菜籽油、麻疯树油及地沟油是我国发展生物柴油的潜在原料。
与石化柴油不同，发展生物柴油需占用大面积土地，需要水资源、化肥及能源等的持续投入以确保稳定的原料供应，实现项目的可持续性。我国属于土地和水资源短缺、化石能源匮乏的国家，为明确我国生物柴油项目的发展方向，对生物柴油项目进行全生命周期的土地资源占用、水资源和能源消耗分析十分必要。
国外已有学者对生物柴油生产进行了生命周期分析(Life Cycle Assessment，LCA)，然而这些分析主要侧重于生物柴油生产过程的经济性、能源消耗和污染物排放[5−7]，大多未考虑种植、运输、榨油、配送环节，且缺乏对土地资源占用和水资源消耗情况的分析。Niederl-Schmidinger等[8]以牛脂和地沟油为原料，考察了从原料收集运输、预处理、生物柴油转化到使用全过程在内的生物柴油全生命周期能源消耗和环境影响情况，但国外资源种类与分布、生产力水平、能源使用效率与我国的情况存在一定差距，国外的研究成果有一定参考价值，但可能并不完全适用于我国的实际情况。国内已有关于生物柴油全生命周期的研究报道，孙平等[9]对以大豆为原料生产生物柴油进行了能源和环境影响分析，结果表明，生物柴油的化石能效比是柴油的4倍，除NOx排放增加8.9%外，CO2和CO、碳氢化合物(HC)等有害气体及粒径在10µm以下的可吸入颗粒物(PM10)排放均有所降低。该研究取得了有益的结果，但缺少与其他原料的对比分析，且在我国以大豆油等食用油为原料生产生物柴油存在“与人争油”、“与粮争地”问题，不大可能实现。胡志远等[10]对以大豆、油菜籽、光皮树油和麻疯树油为原料生产生物柴油的生命周期能耗和污染物排放分析结果表明，与石化柴油相比，大豆和油菜籽制生物柴油的生命周期整体能源消耗与石化柴油基本相当，光皮树油和麻疯树油制生物柴油的生命周期整体能源消耗比石化柴油低约10%，所有原料制生物柴油生命周期化石能源消耗显著降低，HC，CO，PM10，SOx和CO2排放降低，NOx排放升高。但其重点关注的是对环境的影响，能源消耗分析强调整体消耗，并未对生命周期不同阶段不同品位能源消耗进行分析，也未考虑土地和水资源需求。本工作结合中国资源分布(草本和木本植物分布、植物和动物油脂消费量、土地资源分布)、工农业生产能耗和效率等实际情况，对以菜籽油、麻疯树油和地沟油为原料制备生物柴油全生命周期的土地资源占用、水资源和不同品位能源消耗进行了清单分析和系统分析评价，可识别生物柴油生命周期资源和能源消耗的关键环节，为定量减少资源和能源消耗提供指导和依据。