能源作物研究及應用能源作物研究及應用一、能源作物簡介

1、能源作物的定義

2、能源作物發(fā)展目的二、能源作物發(fā)展優(yōu)勢三、國內外能源作物研究1、國外能源作物研究現(xiàn)狀2、國內能源作物研究現(xiàn)狀

四、能源作物應用實例甜高粱、芒草、甘薯、油菜的應用一、能源作物簡介1、能源作物的定義

自20世紀70年代起，“能源作物”逐漸引起我國研究者的濃厚興趣和高度關注。對于“什么是能源作物”，諸多研究者從不同角度給予了闡述。如凡可以被有效轉化成能源替代物的作物都可稱做能源作物;或者能源作物是指各種以提供制取燃料原料或提供燃料油為目的的栽培植物總稱。能源作物系指可利用作物生生不息的能量生產(chǎn)方式，將太陽能經(jīng)光合作用轉化成植物之化學能（燃料之熱能），此種能量之轉化可在常溫常壓下進行，是一種極具希望與效率的能源生產(chǎn)方法。2、能源作物發(fā)展目的

近年來，能源短缺困擾世界經(jīng)濟的發(fā)展，許多國家紛紛調整能源政策，尋找礦物質能源的替代產(chǎn)品，生物質能源作為一種可替代石油、天然氣的可再生清潔能源，得到了世界各國的普遍關注和重視。生物質能資源種類繁多，利用技術多樣。生物質能包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)剩余物、油料植物、能源作物、生活垃圾和其它有機廢棄物。從能源作物提煉出來的生物柴油可以取代石油，減少人類對石油的過度依賴。因而能源作物的開發(fā)與種植，不僅使能源可再生和綜合利用，減少環(huán)境污染，也為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的復蘇創(chuàng)造了契機，能源作物將成為人類開發(fā)再生能源的又一新途徑。二、能源作物發(fā)展優(yōu)勢能源作物與普通農(nóng)作物相比，減少了化學藥品使用，減少了土壤侵蝕，不管是否大量或少量增施化肥，長期種植不存在問題，與生物多樣性和農(nóng)業(yè)生態(tài)景觀結構有密切聯(lián)系；從技術與經(jīng)濟安全角度看，能源作物具有脫鹽效應，在地中海沿岸種植甜高梁，可實現(xiàn)4年脫鹽，土地恢復速快；把能源植物引入作物生產(chǎn)系統(tǒng)，在易侵蝕土地、濕地和邊緣土地種植，則有利于改善生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。意大利在甜高梁種植試驗中發(fā)現(xiàn)甜高粱能夠有效地降低土壤氮庫，并獲得高產(chǎn)。在瑞典，有60％土地可以持續(xù)種植能源作物25年甚至更長。對速生林和蘆葦?shù)饶茉醋魑镌耘嗟沫h(huán)境效益研究表明，除了降低二氧化碳和氧化氮物釋放外，還能提升土壤肥力、減少養(yǎng)分流失。三、國內外能源作物研究1、國外能源作物研究現(xiàn)狀自美國的諾貝爾獎獲得者卡爾文在加利福尼亞種植能源植物成功后，在全球迅速掀起了一股開發(fā)研究能源植物的浪潮。有許多國家都制訂了相應的開發(fā)研究計劃，如巴西的酒精能源計劃和全球最大的生物質能源項目普羅阿克爾(ProAleoo1)、美國的能源農(nóng)場、歐盟的能源發(fā)展戰(zhàn)略等。在產(chǎn)乙醇的能源作物方面，能源甘蔗最早是美國植物生理學家Alexander利用甘蔗和熱帶能源草本植物雜交選育而成，它的生物產(chǎn)量比糖料甘蔗高1倍左右，乙醇發(fā)酵年產(chǎn)量高達23—26t／hm2。巴西已育成糖、能兼用高產(chǎn)甘蔗品種和木薯高產(chǎn)品種。同時，還進行了施肥、灌溉、采收等栽培技術的改進，甘蔗新品種的試驗產(chǎn)量已達到253t／hm2，每噸甘蔗的酒精產(chǎn)量為79L。在產(chǎn)生物柴油的能源作物方面，巴西提出了植物油代替柴油計劃后，進行了生物柴油能源作物引種與選育種研究。1)能源作物品種選育和栽培技術改進2)生物能源提取和開發(fā)利用走在生物能源提取工藝世界前列的主要有美國、巴西、日本、芬蘭、瑞典等國。在生物柴油燃料方面，菜子油、葵花籽油、棕油等植物油通過轉化成酯，用于內燃機和柴油機已在很多國家獲得了成功。目前，美國正推廣使用B20新型柴油，完全適用于各種動力機械。德國從油菜子中提煉高辛烷值汽油技術大大節(jié)省了日常消耗的柴油用量。2、國內能源作物研究現(xiàn)狀

我國能源作物研究起步晚，與巴西、美國等生物能源大國有較大差距，但近幾年已取得很大的進展。1）能源作物選育種和栽培技術研究方面我國于1982年開展了能源作物的資源調查?！鞍宋濉逼陂g，針對小桐籽、綠玉樹等產(chǎn)生物柴油原料進行了系統(tǒng)的研究，研究內容涉及油脂植物分布、選擇、培育、遺傳改良及其加工工藝和設備研發(fā)等。2002年以后，我國在能源甘蔗、木薯、甜高粱品種選育方面取得較大進展，育出了能源甘蔗專用(或兼用)新品種“福農(nóng)91—4710”、“福農(nóng)94—0403”等品種和速生高產(chǎn)、淀粉含量高的“華南8號”等木薯良種，以及能源、飼草兼用型甜高粱新品種“能飼1號”。2）生物柴油燃料開發(fā)方面。我國生物柴油的研發(fā)雖起步較晚，但發(fā)展速度很快，部分科研成果已達到國際先進水平。目前，各方面都取得了階段性成果，海南、四川、福建等已開發(fā)出了擁有自主知識產(chǎn)權的生物柴油生產(chǎn)技術。3）燃料乙醇開發(fā)方面我國已擁有糧食和甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)的經(jīng)驗和技術。我國酒精行業(yè)出酒率已接近世界水平，淀粉利用率達到85％～92％，淀粉出酒率為53％～55％，而且現(xiàn)在已經(jīng)研制出集糖化酶和淀粉酶于一體的特種酶，使用這種酶可以省去原有的糖化工藝，降低生產(chǎn)成本。四、能源作物應用實例甜高粱芒草甘薯油菜1、能源作物之芒草芒草是各種芒屬(MiscanthUSAndress．)植物的統(tǒng)稱，屬于禾本科(P0aceae)黍亞科(Panicoideae)蜀黍族(Andr0pogoneae)。芒草的種問、種內多樣性復雜，據(jù)《中國植物志》記載，全世界芒屬植物可分13個種，我國有8個種J，但有關種的數(shù)目、劃分及其親緣和演化關系，學術界尚存爭議。為什么芒草能作為能源作物Heaton等總結了理想能源作物的特征，包括：C光合途徑，冠層持續(xù)時間長，多年生(無需每年耕種)，無明顯病蟲害，春季生長速度快、勝過雜草，不育(防止“逃逸”)，在土壤中貯碳(土壤修復和減碳的工具)，秋季將營養(yǎng)分配回土壤(降低養(yǎng)分需求)，低養(yǎng)分含量如含氮、含磷量<200mg／MJ，水分利用效率高，在田間風干(無干燥成本)，冬季直立性好(按需收獲、無儲藏成本)，使用現(xiàn)有農(nóng)機具，選擇性市場(高品質紙、建筑材料和發(fā)酵)；對照上述14項特征，第一代能源作物玉米符合4項、短期輪作木本植物符合7項，三倍體芒草一奇崗則全部符合。因此，芒草被公認為是理想的能源作物能源作物芒草的發(fā)展戰(zhàn)略第一、加快芒草種質資源的收集與保護芒屬植物在我國的分布范圍極廣，大致18°N-50°N，98°E～135°E。組織力量在全國開展芒草資源調查和收集，對我國芒草資源的保存和開發(fā)利用具有十分重要的意義。目前，湖南農(nóng)業(yè)大學已建有一個能保存1000份以上芒屬野生種質的資源圃，但我國究竟有多少芒屬植物資源尚不清楚。第二，強化芒草種質創(chuàng)新和新品種培育我國對芒屬植物的研究剛起步，與芒草種質創(chuàng)新和新品種培育相關的遺傳學研究不僅少、而且很零散。因此，亟需在全國范圍內加強組織協(xié)調，利用我國豐富的芒草資源，根據(jù)其分布特點和開發(fā)利用途徑，統(tǒng)一部署芒草的種質創(chuàng)新和新品種培育。在我國7個芒草種中，芒、五節(jié)芒、荻和南荻的生物產(chǎn)量高”、開發(fā)潛力大，以及在歐洲已廣泛研究利用的奇崗，可作為核心種質資源用于作物馴化和品種改良。第三、因地制宜發(fā)展芒草高產(chǎn)高效技術我國人口多、糧食需求壓力大、土地資源緊張，發(fā)展能源作物只能依賴于邊際性土地資源。我國地域遼闊、生態(tài)環(huán)境多樣，邊際性土地種類較多，如荒草地、鹽堿地、灘涂、沙地、瘠薄地、旱地、漬澇地、冷濕地、污染地等，因此芒草的品種類型和生產(chǎn)技術必須適合當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和邊際性土地特點。根據(jù)歐洲對奇崗的研究，芒草在大面積種植時，擴繁成本高、定植當年越冬時抗寒性差是影響芒草產(chǎn)量的重要因素。第四、開發(fā)芒草轉化利用技術與產(chǎn)業(yè)化模式從世界范圍來看，在芒草等木質纖維素能源作物的轉化利用方面，壓縮成型、直接燃燒或與煤混燃發(fā)電以及沼氣發(fā)酵等技術已基本成熟，并具備產(chǎn)業(yè)化條件；而纖維素乙醇轉化、高溫裂解氣化等技術近年來雖有所進展，但尚處于研發(fā)和示范階段。目前，我國芒草的轉化利用技術與歐美國家還有較大差距，更沒有建立芒草品種培育、規(guī)?；茝V種植和商業(yè)化轉化利用的產(chǎn)業(yè)化模式。因此，在引進國外先進技術和相關設備、提升我國芒草轉化利用技術水平的同時，應積極組織高等院校、科研機構和能源企業(yè)等多方面力量，根據(jù)各地芒草種質資源狀況、邊際土地類型和數(shù)量以及芒草轉化利用技術水平等條件，在全國范圍內設計、部署芒草產(chǎn)業(yè)化模式的試驗和示范，從而推動我國能源作物芒草產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

甜高粱2、生物質能源——甜高粱甜高粱是“高能作物”，其籽粒即可食用，莖稈可替代糧食制燃料乙醇，還可作為纖維材料，余渣可以造紙，也可用于氣化發(fā)電。更有其優(yōu)越性是甜高粱能適應不同地域，不同環(huán)境，各種條件的種植，一年三熟，荒灘地、干旱地、鹽堿地、溝溝坎坎、無論是北方還是南方，不受氣候影響都能種植，而且不需要占用良田。優(yōu)勢甜高粱酒精產(chǎn)量每公頃可達3.92t，約為玉米的2.1倍，木薯的1.3倍，在生物能源系統(tǒng)中是一位強有力的競爭者。用甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇比用玉米生產(chǎn)燃料乙醇每噸可降低成本500元左右。采用固體發(fā)酵法，設備簡單，易操作；在農(nóng)村建設制作發(fā)酵期間，沒有污水和污物排放，從某種意義上講，比沼氣更有優(yōu)勢。

生物質能源甜高粱技術體系結構1、農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代技術體系結構建設的思路2、農(nóng)產(chǎn)品生物質能源甜高粱現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術體系研究的重點3、關注產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的經(jīng)濟行為4、按照產(chǎn)業(yè)鏈需要有效整合現(xiàn)有研究力量農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代技術體系結構建設的思路就生物質能源--甜高粱而言，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈建設的過程中其終端產(chǎn)品是以粗乙醇作為表現(xiàn)形態(tài)的；在工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸中，粗乙醇已成為化學工業(yè)的初始原料。生物質能源甜高粱產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈（以固態(tài)發(fā)酵為例）是：種子--栽培技術--收獲技術--生物乙醇農(nóng)產(chǎn)品生物質能源甜高粱現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術體系研究的重點在品質育種創(chuàng)新方面，應建立糖代謝類型（五碳糖或六碳糖等）育種目標；形成甜高粱糖代謝類型與菌種適配的育種標準，解決提高生物乙醇的獲得率和降低工藝成本的問題；有效降低非乙醇糖代謝延長秸稈供給周期的秸稈儲藏技術；有效提高有益于生物乙醇獲得率的菌種選育及發(fā)酵工藝技術；副產(chǎn)物綜合利用技術等。關注產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的經(jīng)濟行為圍繞生物乙醇精煉基地建設，開展生物乙醇的生產(chǎn)工廠布局

經(jīng)濟規(guī)模原料供給方式都體現(xiàn)產(chǎn)品經(jīng)濟合理配置等問題研究，將有助于推動企業(yè)投入。按產(chǎn)業(yè)鏈需要整合現(xiàn)有研究力量圍繞能源甜高粱產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的關鍵技術問題，在各不同的環(huán)節(jié)集中優(yōu)勢力量，形成精干高效有快速應變能力的研究開發(fā)團隊產(chǎn)業(yè)鏈內部應形成合力，集中力量進行研究攻關，形成產(chǎn)業(yè)技術工藝包和產(chǎn)業(yè)化模式，為今后國家推廣能源甜高粱產(chǎn)業(yè)提供決策依據(jù)。3、能源作物甘薯能源作物甘薯的應用前景生物能源側重于產(chǎn)乙醇植物和燃料油植物，乙醇已經(jīng)作為高效、清潔的可再生能源，再次成為各國科技工作者關注的研究熱點。目前能源作物常用的有小麥、玉米、甜高粱、甘蔗和秸稈等，使用甘薯的并不多見；甘薯生育期短、淀粉含量高、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、適應范圍廣、抗旱性強、生產(chǎn)乙醇的成本較其他作物低等，被國內外眾多學者認為是極其具生物乙醇生產(chǎn)潛力的能源作物原料。

通過對高產(chǎn)、高淀粉、抗糖化、抗逆性等適合工業(yè)能源加工專用甘薯品種的培育篩選，發(fā)展甘薯燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，有利于緩解石油資源短缺，保障國家能源安全，對開拓農(nóng)業(yè)本身的發(fā)展空間、農(nóng)業(yè)深加工空間以及解決農(nóng)村剩余勞動力等有著重要的意義。根據(jù)甘薯生長所需的溫度、降雨和土壤條件以及土地類型等自然環(huán)境因素，依據(jù)空間數(shù)據(jù)確定甘薯在我國的空間分布及種植區(qū)域。甘薯主要的應用是用來生產(chǎn)燃料乙醇

甘薯生產(chǎn)乙醇循環(huán)流程4、能源作物之油菜能源作物油菜一、生物能源發(fā)展趨勢生產(chǎn)生物柴油的主要原料是植物油。油菜適種范圍廣，種子含油量高，既是很好的食用油料作物，又是優(yōu)勢能源作物。我國雖然是油菜生產(chǎn)大國，油菜面積和產(chǎn)量均占世界首位，但在目前食用油料尚自給不足的情況下，必須加快油菜生產(chǎn)的發(fā)展，提高油脂產(chǎn)量。目前歐洲各國及美國、日本、泰國等已進行生物柴油規(guī)?；a(chǎn)，開發(fā)和使用生物柴油的國家在迅速增加，生物柴油的發(fā)展?jié)摿薮?。二、加快我國?yōu)勢能源作物．油菜發(fā)展的建議1、高含油量品種發(fā)掘與選育

要大量生產(chǎn)生物柴油，就必須建立起植物油原料供應足夠、穩(wěn)定和保質的基地，而