第38卷第10期上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)Vol 38 No, 102004年10月JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITYoct.2004文章編號:1006-2467(2004)10-1715-04木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)胡志遠(yuǎn),戴杜,浦耿強(qiáng),王成燾(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海200030)摘要:利用生命周期評價(jià)理論,建立了木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)模型.以總體能源消耗、化石燃料消耗、石油消耗、凈能源產(chǎn)出和能源綜合利用率為評價(jià)指標(biāo),對木薯燃料乙醇進(jìn)行了生命周期能源效率評價(jià),結(jié)果表明:與汽油相比,木薯燃料乙醇生命周期整體能源消耗增加2%,化石燃料消耗降低54%,石油消耗降低96%,凈能源產(chǎn)出偏低45%,能源綜合利用率偏低8%.木薯燃料乙醇是潛力巨大的綠色燃料關(guān)鍵詞:木薯;燃料乙醇;能源效率;生命周期中圖分類號:TE09文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ALife Cycle Energy Efficiency Assessment ofCassava-Based Fuel EthanolHU Zhi-yuan, DAl Du, PU Geng-qiang, WANG Cheng-tao(School of Mechanical Eng, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200030, China)Abstract: A life cycle energy assessment model of cassava-based fuel ethanol was established based on lifecycle theory. The life cycle total energy, fossil fuels, and petroleum consumption, net energy yield, andoverall energy utilization degree of cassava-based fuel ethanol were assessed. Compared with conventionalgasoline, the life cycle total energy consumption of cassava-based fuel ethanol is higher about 22%, whilethe fossil fuels consumption, petroleum consumption, net energy yield, and overall energy utilization de-gree are lower about 54%,96%,45% and 8% respectively. The cassava-based fuel ethanol is a potentialn fuel for automobileKey words: cassava; fuel ethanol; energy efficiency life cycle預(yù)計(jì)到2020年,我國的原油需求量約為3.66開始乙醇汽油應(yīng)用試點(diǎn)廣西石油供需缺口到2005億t,供求缺口約為1.8億t,石油自給率僅為2020年將達(dá)到191~303萬t,急需接替資源60%左右,1999年,我國汽油終端消耗總量為因此,結(jié)合我國的燃料乙醇政策和西部大開發(fā)戰(zhàn)略,3379.63萬t,其中交通運(yùn)輸行業(yè)消耗1265.52廣西壯族自治區(qū)政府正在進(jìn)行利用當(dāng)?shù)刎S富的木薯萬t2,占總消耗量的37.4%隨著汽車保有量的持資源生產(chǎn)燃料乙醇可行性研究本文的研究目標(biāo)是續(xù)增加,由交通運(yùn)輸導(dǎo)致的石油消費(fèi)增加將不容忽從生命周期角度出發(fā),對木薯燃料乙醇進(jìn)行能源效視我國于2001年頒布了“變性燃料乙醇”和“車用率評價(jià),為廣西壯族自治區(qū)政府提供決策依據(jù)乙醇汽油”兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn),在河南、吉林、黑龍江等省中國煤化工收稿日期:2003-0904基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50175070CNMHG作者簡介:胡志遠(yuǎn)(1970-),男,河北安國人,博土生,主要研究方向?yàn)榫G色設(shè)計(jì)生命周期評價(jià)等.王成(聯(lián)系人),男,教授,博士生導(dǎo)師,HB iE(Tel ) 021-62932905:E-mail, trib@sjtu. edu. cr1716上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第38卷1研究方法Er、化石燃料消耗(E)、石油消耗(E)、EN和生命周期能源綜合利用率(R),它們組成評價(jià)指標(biāo)矩陣:1.1生命周期框架木薯燃料乙醇的生命周期是從“木薯種植”到其中:“燃燒/車輛使用”的系統(tǒng)過程由“原料生產(chǎn)”、“燃料E7=∑∑En,E1=∑∑E,E=∑生產(chǎn)”和“燃燒/車輛使用”三個(gè)子過程組成.具體包括木薯種植、木薯干片加工及運(yùn)輸、木薯乙醇生產(chǎn)EN=EG燃料輸配、燃燒/車輛使用等階段,如圖1所示Er為生命周期i階段j類能源消耗量(電、煤、汽太阻能電煤汽油、榮油“化學(xué)品其他油、柴油等);E包括煤(固態(tài)化石燃料)、汽油、柴油原料生產(chǎn)(液態(tài)化石燃料)及發(fā)電和化學(xué)品生產(chǎn)消耗的固態(tài)燃料生產(chǎn)木薯種液態(tài)化石燃料;EE,為生命周期i階段j類化石燃料木薯乙醇生產(chǎn)消耗量;E為生命周期i階段石油消耗量木薯干片以汽油或木薯燃料乙醇在發(fā)動機(jī)氣缸中燃燒釋加工及運(yùn)輸料輸配放1MJ內(nèi)能為研究對象,以汽油生命周期相應(yīng)能源效率指標(biāo)為基準(zhǔn),對木薯燃料乙醇生命周期能源效率進(jìn)行評價(jià)能源輸出1.3數(shù)據(jù)收集圖1木薯燃料乙醇生命周期框架(1)數(shù)據(jù)來源生命周期評價(jià)數(shù)據(jù)一般包括測Fig. 1 Life cycle framework of cassava-based fuel ethan算數(shù)據(jù)(統(tǒng)計(jì)和未統(tǒng)計(jì))模擬數(shù)據(jù)、非測算數(shù)據(jù)(如估計(jì)的)等.木薯燃料乙醇生命周期數(shù)據(jù)包括:化在木薯燃料乙醇生命周期過程中,“原料生產(chǎn)”學(xué)品(化肥、農(nóng)藥)生產(chǎn)能源消耗數(shù)據(jù);木薯種植、管子過程中木薯種植階段吸收太陽能(E,),通過光合理及收獲階段化學(xué)品能源需要量數(shù)據(jù);某種特定乙作用轉(zhuǎn)化成木薯中的淀粉,同時(shí)消耗化學(xué)品、汽油、醇生產(chǎn)工藝能源消耗數(shù)據(jù);柴油、煤、天然氣等燃料柴油等能源和材料(En).鮮木薯被加工成木薯干片生命周期能源消耗數(shù)據(jù);燃料乙醇生命周期系統(tǒng)中后運(yùn)輸?shù)揭掖忌a(chǎn)廠·在“燃料生產(chǎn)”子過程中,消耗“運(yùn)輸”過程能源消耗數(shù)據(jù)所涉及的數(shù)據(jù)類型和來電、煤、或天然氣、重油等能源(En2),把木薯轉(zhuǎn)化成源如表1所示乙醇,即把“原料生產(chǎn)”子過程中吸收的太陽能轉(zhuǎn)化表1燃料乙醇生命周期數(shù)據(jù)類型及來源成木薯燃料乙醇的內(nèi)能EG,并輸配到加油站.在“燃Tab1 Data type and source of cassava- based fuel ethanol燒/車輛使用”子過程,木薯燃料乙醇在發(fā)動機(jī)氣缸during its life cycle中燃燒,釋放內(nèi)能,轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的熱能,再通過工質(zhì)數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)來源的膨脹轉(zhuǎn)換為驅(qū)動汽車行駛的機(jī)械能,與生命周期學(xué)品生產(chǎn)測算數(shù)據(jù)企業(yè)數(shù)據(jù)、報(bào)告、顧問總能源消耗(Er)比較,產(chǎn)出凈能源(EN)如圖2平均數(shù)掘相關(guān)的LCI所示如 GREET)調(diào)整數(shù)據(jù)雜志、論文、書太陽能木薯種植、管理及收獲測算數(shù)據(jù)報(bào)告、顆問原料生產(chǎn)燃料生產(chǎn)燃燒/車輛使用調(diào)整數(shù)據(jù)雜志、論文、書醇生產(chǎn)工藝(能源消耗)測算數(shù)據(jù)企業(yè)數(shù)據(jù)、報(bào)告、顧問調(diào)整數(shù)據(jù)雜志、論文、書能源消耗集合數(shù)據(jù)參考書圖2木薯燃料乙醇生命周期能源轉(zhuǎn)化電、煤、柴油等能源生產(chǎn)調(diào)研數(shù)據(jù)行業(yè)聯(lián)合會Fig. 2 Life cycle energy conversion of cassava-based平均數(shù)據(jù)相關(guān)的LCI中國煤化工實(shí)驗(yàn)1.2評價(jià)方法CNMHG行業(yè)聯(lián)合會木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)指標(biāo)包括運(yùn)輸方式及距離調(diào)研數(shù)據(jù)顧問第10期胡志遠(yuǎn),等:木薯燃料乙醇生命周期能源效率評價(jià)17172)數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)按一定的規(guī)則把數(shù)據(jù)的質(zhì)根據(jù)質(zhì)量得分對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性、完備性、量等級分為1~5級如表2所示根據(jù)質(zhì)量等級對精確度、代表性等指標(biāo)進(jìn)行定性和定量評價(jià),確定其所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打分,每一個(gè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)是否滿足要求.設(shè)定數(shù)據(jù)的每項(xiàng)質(zhì)量得分≥3為可將對應(yīng)一個(gè)質(zhì)量評價(jià)分,分?jǐn)?shù)越高表明數(shù)據(jù)的質(zhì)量接受的合格數(shù)據(jù),當(dāng)數(shù)據(jù)的某項(xiàng)質(zhì)量得分<3時(shí),則越好,不同的質(zhì)量評價(jià)得分組成數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)矩陣.認(rèn)定數(shù)據(jù)為不合格,進(jìn)行及時(shí)替換表2數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)Tab 2 Data quality evaluation質(zhì)量得分評價(jià)指標(biāo)可靠性已驗(yàn)證測量數(shù)據(jù)已驗(yàn)證假設(shè)數(shù)據(jù)未驗(yàn)證假設(shè)數(shù)據(jù)經(jīng)專家評估數(shù)據(jù)未經(jīng)專家評估數(shù)據(jù)未驗(yàn)證測量數(shù)據(jù)完整性合適期限合適期限較短期合適期限較短期限充足樣本點(diǎn)少量樣本點(diǎn)合適樣本點(diǎn)較少樣本點(diǎn)少量樣本點(diǎn)時(shí)間相關(guān)性<2a<4a<8a<12a地理相關(guān)性研究地域包含研究地域相似地域部分相似地域未知地域技術(shù)相關(guān)性研究工藝和原材料研究工藝和原材料研究工藝和原材料不同工藝和原材料不同工藝和原材料研究企業(yè)不同技術(shù)相同技術(shù)不同技術(shù)(3)數(shù)據(jù)收集及確認(rèn).木薯種植及木薯乙醇生出的關(guān)鍵因素是開發(fā)新的木薯燃料乙醇生產(chǎn)工藝產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)通過在廣西實(shí)地調(diào)研、咨詢相關(guān)專家等提高木薯乙醇生產(chǎn)過程中能源轉(zhuǎn)化效率方式獲得;化肥、汽油、柴油、煤等材料或能源輸入數(shù)2.2化石燃料消耗據(jù)根據(jù)美國能源部阿岡國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的 GREET汽油和木薯燃料乙醇生命周期化石燃料消耗如模型;代入中國化邊界條件計(jì)算得到;部分?jǐn)?shù)據(jù)來圖4所示,由于木薯燃料乙醇是由太陽能轉(zhuǎn)化而成自公開出版的文獻(xiàn)資料-經(jīng)檢驗(yàn),這些數(shù)據(jù)滿足的綠色能源,在“燃燒/車輛使用”子過程中釋放1每項(xiàng)質(zhì)量得分≥3的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求MJ內(nèi)能中包含的化石燃料能源為零.因此,雖然木薯燃料乙醇生命周期“燃料生產(chǎn)”子過程的化石燃料2評價(jià)結(jié)果消耗比汽油高108%,其生命周期化石燃料消耗仍2.1整體能源消耗比汽油低54%.可見,在廣西推廣木薯燃料乙醇,可汽油和木薯燃料乙醇生命周期整體能源消耗如以降低對化石燃料的消耗圖3所示.可見,生產(chǎn)1MJ木薯燃料乙醇生命周期汽油整體能源消耗比生產(chǎn)相同能量的汽油高22%顯口乙醇然,導(dǎo)致木薯燃料乙醇生命周期整體能源消耗高的主要原因?yàn)槟臼砣剂弦掖肌叭剂仙a(chǎn)”子過程的高能源消耗(比汽油高107%).所以,降低木薯燃料乙醇生命周期整體能源消耗、提高其生命周期凈能源產(chǎn)原料生產(chǎn)燃料制造燃燒/車生命周期輛使用圖4生命周期化石燃料消耗Fig 4 Life cycle fossil fuels consumption2.3石油消耗原料生產(chǎn)燃料制造燃燒/車生命周期輛使用中國煤化工期石油消耗如圖5CNMHG燃料生產(chǎn)”和“燃圖3生命周期整體能源消耗以m消耗比汽油低,其生Fig, 3 Life cycle total energy consumption命周期石油消耗比汽油低96%.因此,在廣西推行1718上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第38卷木薯燃料乙醇可以替代部分石油資源,降低石油消生命周期整體能源消耗升髙、凈能源產(chǎn)出和能源綜耗由于木薯燃料乙醇“原料生產(chǎn)”子過程需要比“原合利用率較低的主要原因油生產(chǎn)”更多的運(yùn)輸過程(例如種莖、鮮木薯、木薯干(3)雖然木薯燃料乙醇的生命周期能源綜合利片等),其“原料生產(chǎn)”子過程的石油消耗比汽油高用率比汽油低,但隨著能源轉(zhuǎn)化效率高的乙醇生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā),木薯燃料乙醇的生命周期能源綜合利用率將隨之升高,同時(shí)考慮到其凈能源產(chǎn)出的可再四汽油生性,木薯燃料乙醇更充分地利用太陽能資源,是潛0口乙醇力巨大的綠色燃料4)對木薯燃料乙醇進(jìn)行系統(tǒng)的生命周期能源效率評價(jià),可為廣西自治區(qū)政府充分利用當(dāng)?shù)刎S富木薯資源,進(jìn)行木薯燃料乙醇燃料決策提供依據(jù)原料生產(chǎn)燃燒制造燃燒/生命周期輛使用參考文獻(xiàn):圖5生命周期石油能源消耗[1]周總瑛,張抗,王駿.21世紀(jì)初中國石油需求分Fig 5 Life cycle petroleum consumption析[].中國地質(zhì),2000,27(8):38-4ZHOU Zong-ying, ZHANG Hang, WANG Jun. Chi-24凈能源產(chǎn)出及能源綜合利用率na petroleum demand analysis at beginning of 21 cen從生命周期角度出發(fā),木薯燃料乙醇的凈能源tury[J]. Geology in China, 2000,27(8):38-40.產(chǎn)出為0.37MJ/MJ,比汽油的凈能源產(chǎn)出(0.67[2]林賢郁中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒(2001)[M].北京:中國統(tǒng)MJ/MJ低45%.同樣,木薯燃料乙醇“燃料生產(chǎn)”階計(jì)出版社,2001.82-395.段的高能源消耗是導(dǎo)致其生命周期凈能源產(chǎn)出低的[3]黃朝關(guān)李志紅廣西石油資源可供性預(yù)分析[]廣主要原因.綜合評價(jià)木薯燃料乙醇和汽油的生命周西地質(zhì),2001,14(3);30-32期能源消耗及產(chǎn)出,木薯燃料乙醇的生命周期能源綜合利用率為0.16,比汽油(0.17)低約8%.但是nce on supply condition of petroleum resources of值得注意的是木薯燃料乙醇的凈能源產(chǎn)出是可再生uangxi[J]. Guangxi Geology, 2001,14(3):30-32.[4]鄧南圣,王小兵.生命周期評價(jià)[M].北京:化學(xué)工業(yè)能源,這一點(diǎn)是汽油無法比擬的.因此,雖然木薯燃出版社,2003.2-73料乙醇的生命周期能源綜合利用率比汽油低,隨著[51 Wang m Q.GRET1.5- transportation fuel-cycle乙醇生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,木薯燃料乙醇的凈能源產(chǎn)出model volume 1t methodology, development, use,和能源綜合利用率將隨之升高.因此,木薯燃料乙醇andresults[eb/ol].http://greet.anl.gov/publica-的生命周期能源綜合利用率有提高的空間,同時(shí)考tion. html, 1999-08慮到汽油的不可再生性,木薯燃料乙醇是潛力巨大[6] Wang M Q. GREET1.5 transportation fuel-cycle的綠色燃料之一.model volume 2: appendices of data and results[EB/Olj.http://greet.anl.gov/publication.html,1999-3結(jié)論[7]黃潔,林雄,李開綿,等.木薯施肥效應(yīng)研究[冂(1)與汽油比較,木薯燃料乙醇生命周期整體廣西熱作科技,2000,23(3):1-3.能源消耗增加22%化石燃料和石油消耗分別降低HUANG Jie, LIN Xiong, LI Kai-mian, et al. Study54%和96%.在廣西推廣木薯乙醇燃料可以在生命of fertilizers'effect on cassava growth [J]. Guangxi周期整體能源消耗一定程度提高的條件下顯著降低Science Technology of Tropical Crops, 2000, 23化石燃料和石油消耗,增強(qiáng)當(dāng)?shù)厝剂舷到y(tǒng)的獨(dú)立性及能源安全性[8]中國電力年鑒編委會,中國電力年鑒(2001)[M].北(2)與汽油比較,木薯燃料乙醇生命周期凈能京:中國電力出版社,2001.12-14源產(chǎn)出和能源綜合利用度分別偏低45%和8%,木「91厘統(tǒng)計(jì)局,中國統(tǒng)計(jì)年鑒(2010M.北京:中國統(tǒng)薯燃料乙醇“燃料生產(chǎn)”階段的高能源消耗是導(dǎo)致其中國煤化工CNMHG