------与国家发改委能源研究所姜克隽合著
摘要：本文首先从我国生物燃料开发的资源保障性、生产的技术经济性、以及现代汽车技术利用的可能性等方面，对生物燃料的开发利用潜力进行了分析。之后重点论述了利用IPAC 模型，研究我国未来公路交通能源需求以及生物燃料替代的发展情景。研究表明：未来我国公路交通倍增的油品需求对我国石油供应造成巨大压力，推广新型汽车技术和发展替代燃料是降低公路交通油品消耗的战略措施，混合动力汽车技术与生物燃料结合是我国未来公路交通最佳的技术选择，并且生物燃料在我国未来公路交通中将展现出很强的燃料替代能力。
关键词：生物燃料 公路交通 替代燃料
前言
伴随着国民经济的持续快速发展和居民收入水平的稳步提高，我国已进入汽车大众消费的导入期，随之而来的是进入汽车大众消费成长期。在未来较长的成长期阶段，汽车保有量的持续快速增长，使车用燃油消耗成为我国石油消费中增长最快的部分，而且所占份额在短期内就可上升到第一位，是导致我国石油消费的重要因素。相比石油消费的快速增长趋势，我国的石油供应，在无探明储量重大突破的情况下，仅能保持低速增长，无法满足国内需求的状态已成定局，并且依赖国际石油供应的比例将逐步加大，对我国石油供应和石油安全造成极大的挑战。解决这一严峻问题的战略措施是加强节能和发展替代能源，在众多车用替代能源中，生物燃料以其清洁、可再生以及低污染的优势具有很好的发展前景，本文将围绕生物燃料开发的资源保障、生产的技术经济性以及在我国公路交通中作为替代油品应用的发展潜力等问题展开研究，为我国政府制定相关政策和规划提供量化研究的基础信息。
一 生物燃料开发利用潜力分析
目前，用于替代公路交通油品的生物燃料主要有两种，即燃料乙醇和生物柴油。生物燃料来自于农作物、林业、农林废弃物和能源植物。它的制取技术种类很多，依据不同资源而不同。生物燃料主要与车用汽油和柴油进行搀和使用，搀和后的车用混合燃料比纯汽油和柴油有显著的环保优势和油品替代效益。
1 丰富的资源潜力完全满足大规模生物燃料生产的需求
我国生物质资源非常丰富，可供生物燃料制取的资源种类随着不同的生产发展阶段而改变。目前，我国燃料乙醇处于小规模生产阶段，主要利用陈化粮玉米作原料。随着燃料乙醇生产规模的不断扩大，将逐步转向利用代粮经济作物，如甜高粱、木薯等作原料，最终解决燃料乙醇规模化生产的原料将转向纤维，即农林废弃物。利用我国大量的、又可再生的农林废弃物资源，通过纤维质生产燃料乙醇技术，可以为大规模燃料乙醇生产提供取之不尽的生物质资源。根据粗略估算，我国每年仅农、林废弃物约6 亿吨，如果利用其中的50%制取燃料乙醇，按照7－8 吨秸秆生产1 吨燃料乙醇计，可以提供年产3700 万吨燃料乙醇的原料。另外，利用易改造的盐碱化耕地种植甜高梁，可以提供年产4000 万吨燃料乙醇的原料。我国可提供生物柴油的资源也非常丰富，生产生物柴油原料利用的路线图为：利用地沟油―发展能源林（黄连木、小桐子等木本油料树种）―开发藻类工程。利用不与农林争地的无林地、退耕还林地种植能源林，可提供生产近1亿吨生物柴油的油料资源，藻类也可提供制取数千万吨生物柴油的原料。综上所述，从资源角度看，完全可以满足未来我国生物燃料大规模开发利用的需求。
2 不断涌现的高新技术为生物燃料制取开辟广阔的发展前景
从以玉米为原料制取燃料乙醇技术的经济性看，由于玉米原料价格偏高，企业在国家每吨补贴1600 元基础上可保本获微利。以木薯等代粮作物为原料制取燃料乙醇技术正在研发阶段，其经济性好于玉米燃料乙醇，直接成本可控制在2500 元/吨范围内。正在研发阶段的以秸秆为原料制取燃料乙醇技术，单位生产成本在5500 元左右。随着技术的逐步成熟，其生产成本将会大大降低。另外，由于燃料乙醇具有与MTBE 汽油添加剂一样的作用，所以，对燃料乙醇产业的定位和燃料乙醇定价来说都存在较大空间。
我国以食用油废渣为原料制取生物柴油有很好的经济性。利用麻疯树果实生产的生物柴油，通过了国家质检部门和国外大型汽车公司的指标检测，其关键指标均优于国内零号柴油，达到欧II 排放标准。但是，利用化学法合成生物柴油还存在生产过程能耗高、排放废水等问题需要技术改进。为解决上述问题，用生物酶合成法制取生物柴油技术受到重视，这种制取技术具有无污染排放的优点，中试产品的技术指标满足我国0 号优等柴油标准。但目前利用生物酶法制备生物柴油仍存在工业化生产问题，如毒性问题等。利用富含油质的微藻生产生物柴油是未来发展的一大趋势。微藻生产的生物柴油不含硫，燃烧时不排放有毒气体，排入环境中也可被微生物降解，不污染环境。我国在实现大规模养殖高产微藻方面有十几年的研究开发经验，但利用微藻制取生物柴油技术仍在研发中。
由此可见，在一些有经济性的生物燃料制取技术得到广泛应用的同时，更多的高新技术层出不穷，这种发展势头预示着我国生物燃料产业将迎来更好的发展前景。
3 混合动力汽车技术与生物燃料结合是我国未来公路
交通最佳的技术选择在各种汽车驱动技术和车用可替代燃料中，生物燃料和混合动力技术结合具有较高的能效和较低的CO2 排放量。目前，我国正在利用的成熟技术主要是在现有汽油车和柴油车上用混合燃料，如E10(90%汽油，10%燃料乙醇)和柴油与低比例生物柴油混合。实践证明，生物燃料作为汽车混合燃油，比纯汽油和柴油有显著的环保优势和替代用。生物柴油与燃料乙醇一起混入车用柴油的方法，可以形成更理想的高比例含氧燃料，大幅度降低汽车的碳烟和微粒排放（王建昕，清华大学）。有研究比较了柴油和生物质柴油在车辆运行阶段的污染物排放情况，得出的结论是，生物柴油CO2 尾气排放为零，对挥发性有机物（VOC）和SOx的减排效果非常明显，CO 和微粒物相当于或略高于柴油，但差异并不显著。
新型混合动力车技术在燃油经济性以及低排放特性方面都有突出的表现。E85 燃油(85%燃料乙醇，15%汽油)混合动力车、燃料乙醇与电力混合动力车、纯燃料乙醇E100 的运动概念车、满足欧4 排放标准的现代柴油车技术、以及在降低排放和降低油耗上有高效率的均质压燃混合动力车发动机技术，虽然目前在国内外仍处于研发和示范阶段，但在不久的将来都将成为我国交通行业高效、经济、有益环保、面向未来的新型汽车技术。我国未来20 年公路交通车辆技术的结构变化是，普通汽柴油车的比例将降得很低，基本上被先进的汽柴油车所代替，特别是被混合动力车代替，混合动力车的市场份额在2020 年将30%、2030 年将达到50%。由此看出，未来公路交通用生物替代燃油汽车的终极车用技术前景十分广泛，混合动力汽车技术与生物燃料结合是我国未来公路交通满足节能、环保需求的最佳技术选择。
二生物燃料在公路交通的替代情景研究
本研究应用能源研究所构建的中国能源环境综合政策评价模型（IPAC） ，分析我国在经济发展驱动下的能源需求趋势。IPAC 模型中包括了能源供应部门和需求部门，部门下划分了若干子部门，子部门中包含了近500 项技术，这些技术既有正在应用的成熟技术，也有目前虽不成熟，但未来将推广应用的先进技术。模型以成本最小为目标，寻求不同的技术构成，以满足特定的能源服务需求。本研究重点围绕交通部门展开。
1 未来公路交通的发展情景假设
为了分析我国未来公路交通的油品需求，在研究中设定了两个发展情景。即常规燃油发展情景和生物燃料替代情景。两个情景的定义如下。
常规燃油发展情景：常规燃料发展情景，主要考虑目前国家已有的交通节能和环境政策，如发展清洁车辆，施行欧洲汽车排放标准；发展公共交通，202，0年公共交通将占公路机动车客运周转量的40%；促进柴油车发展，满足未来交通运输中客运和货运大容量的需求等；执行国家现有的生物液体燃料鼓励政策，参照车用燃料乙醇E10 在我国的推广历程以及生物燃油制取技术的常规发展速度估计生物燃料开发应用的发展趋势。情景假设，2010 年燃料乙醇汽车仍处于区域化推广应用阶段，从目前的9 个省市推广应用到15 个省市，即全国有50%的车辆使用E10 燃料；生物柴油处于技术准备阶段。2020 年，继续推广E10 车用燃料，车辆使用E10 燃料的比例达到80%。生物柴油进入小规模应用阶段。
生物燃料替代情景：此情景主要是在基准情景基础上，主要考虑了满足我国能源供应安全需求、环保和气候变化要求、以及可持续的社会经济发展需求，国家将在交通行业采取节能降耗和发展替代燃料两大战略举措，达到降低公路交通油品需求量的目的。一方面，在发展汽车工业的同时，要降低能耗和保护环境，尽快引进新一代先进汽车；加速推广低能耗汽油汽车、低能耗柴油小汽车、混合动力汽车、清洁燃料汽车；扩大公共交通的承载比例，在轨道交通和公共交通体系完善的情况下，提高车辆运行效率，减少交通需求。另一方面，要强化推行车用生物燃料替代的扶持政策，考虑了国家可再生能源发展规划以及相关政策对车用替代燃料所产生的影响，加大投资力度，大幅度提高生物燃料的开发利用进程。情景假设，1) 燃料乙醇。2010 年E10 车用燃料在全国范围推广使用，即全国有90－100%的车辆使用E10 燃料。2020 年，在使用E10 燃料比例达100%基础上，进一步在使用E10 燃料条件较好的省市推广使用E25 车用燃料，使E25 燃料车占汽油车的比例达到30%，在东北三省以及北京、天津、河北、河南、山东、江苏等连接而成的大区域内推广使用。2)生物柴油。2010 年，国家鼓励发展节能型轿车和柴油车，在上海等省市示范推广使用柴油出租车和公共汽车，并要求新增的车辆也使用现代柴油车。2020 年，在上海、北京、广州等大城市推广使用柴油出租车、公共汽车和小轿车，并且这些车的车用燃料均使用搀和10－20%的生物柴油。
2 影响公路交通油品需求的因素分析
影响未来公路交通油品需求的主要因素包括人口发展趋势、经济发展趋势、汽车车辆和周转量增长趋势、公路交通汽车选择模式等等，这些因素之间的相互关系在模型中被一一构建，主要参数的设置简单叙述如下。
GDP 和人口是交通运输需求的主要驱动因素。按照目前我国经济发展势头估计，将2010－2020 年GDP 的增长速度设置为8%。人口数2010 年为13.93 亿人，2020 年为14.72 亿人（社科院人口所研究报告）。
车辆周转量是反映公路交通需求的重要基础参数。伴随着我国经济的持续快速发展、人均收入水平的提高以及城市化的快速推进，预计在2010－2020年间，我国汽车保有量将以12－15%的增长速度转向10%的增长速度发展，汽车保有量将比现在增长4倍。其中轿车的发展速度将高于汽车平均发展速度，估计2020年，我国人均轿车保有量约每千人75辆（接近目前世界人均水平）。依据国家交通发展规划和经济建设对公路交通服务量的需求，对公路交通周转量的预测主要考虑了车辆拥有量，车辆负荷率以及每年的运行距离等因素。预计2010年、2020年和2030年的公路交通周转量比2005年分别增加3倍、6倍和9倍。如此大的周转量增长，将导致巨大的交通油品需求量。
未来公路交通发展模式是预测未来交通油品需求量的重要参数。关于未来交通模式的设置，我们选择了25 种汽车技术，除一些正在应用的普通汽柴油客货车外，充分考虑了新型汽车技术如混合动力车、清洁燃料车、先进柴油车、电动车和地铁等技术的广泛推广应用。通过在不同情景中，对未来各种类型车辆在公路交通中所占份额、以及这些车辆所消耗油品比例等重要参数的设置，作为预测未来公路交通油品需求量的重要参数。由于篇幅所限，25 种公路汽车技术的市场份额设置就不一一列出。其结果是，在常规燃油发展情景中，先进的汽油车，特别是先进柴油车得到大力发展，其保有量比例将由目前的4%提高到17%；在生物燃料替代情景中，除先进的汽油车和柴油车得到大力发展外（保有量比例提高到27%），混合动力车也得到快速发展，在我国汽车保有量比例将由目前的7%增加到52%，其中，生物燃料的混合动力车将占很大比例。
3 生物燃料在公路交通中作为替代燃料的情景展望
本研究对未来我国公路交通油品替代潜力分析，是基于我国社会发展预测、特别是公路交通发展预测基础之上的。根据以上对模型参数的设置，应用IPAC模型对公路交通油品需求量得到以下预测结果（见下表，表略）。
在常规燃料发展情景中，未来20 年，我国公路交通的油品需求总量分别是2010 年1.2 亿吨，2020 年2.2 亿吨和2030 年2.9 亿吨。公路交通以汽油和柴油为主要燃料将一直持续下去，到2030 年，公路交通消耗的汽、柴油占其油品总需求量的比例仍在95%以上。因此，提高传统汽油和柴油车辆的效率和环保性能，提高油品质量是公路交通能源问题的重点。在2010－2020 期间，先进柴油车从早期发展阶段到推广示范阶段，柴油车辆将不断增加，柴油需求量快速增长，柴油占公路交通油品消费的比例将从45%提高到59%，需求量将达到1.7 亿吨。另一方面，在国家对生物燃料的鼓励政策支持下，生物燃料在资源丰富地区得到示范和推广应用。从生物燃料总体的替代能力看，2010 年至2030 年在我国公路交通的哟油品消耗中，生物燃料的替代能力将从3%提高到5%，替代作用不十分明显。
在生物燃料替代情景中，未来20 年，我国公路交通的燃油需求总量分别是2010 年1.1 亿吨，2020 年2.1 亿吨，2030 年2.7 亿吨。在国家鼓励发展节能型轿车和柴油车政策支持下，燃油经济性高的先进汽车技术被广泛推广使用，预计2010 年-2020 年的汽车平均百公里油耗将比2000 年降低20％-40％，2010 年我国乘用车的油耗量将比目前水平降低15%左右，从而使公路交通的油品需求总量减少。虽然公路交通仍以汽油和柴油为主要燃料，但是，汽柴油的比例在逐步减小，由2010 年的93%降低到2020 年的89%和2030 年的85%。特别是低能耗的混合动力车（包括生物燃料）的广泛推广和使用，其车辆的市场份额从2005 年的7%增加到2030 年的52%，使常规油品消耗量逐步降低，而生物燃料逐步增加。由于国家鼓励开发利用可再生能源液体燃料的政策得以充分实施。2010 年在全国范围内100%推广使用E10 车用燃料，燃料乙醇的需求量达到670 万吨；2020 年，使用E25 燃料车比例占汽油车的30%，燃料乙醇的需求量达到1670 万吨。随着先进柴油车和柴油小轿车的广泛推广使用，这些柴油车的车用燃料均使用搀和10－20%的生物柴油，届时生物柴油在公路交通中替代柴油的比例将从2010 年的2%增加到2020 年的6%和2030 年的11%。从生物燃料总体的替代能力看，2010 年至2030 年，在我国公路交通的油品消耗中，生物燃料所占份额将从7%提高到17%，具有相当明显的替代作用。
三生物燃料替代情景研究的主要结论
1 未来公路交通倍增的油品需求对我国石油供应造成巨大压力
伴随着我国经济的持续快速发展，在未来30 年中，汽车车辆拥有量每年将以10-12%的速度增加，2020 年我国人均轿车保有量约每千人75 辆，汽车拥有量将比现在增长4 倍。为满足我国未来蓬勃发展的经济建设，公路交通的客货运周转量也将有巨大的增长，2010 至2030 的公路客货运总周转量将是2005 年的3-9 倍，这将导致巨大的油品需求量。研究数据显示，我国公路交通的油品需求量分别是2010 年1.2 亿吨，2020 年2.2 亿吨和2030 年2.9 亿吨，是2005 年的1.3、2.4、3.2 倍。如此成倍增长的油品需求量，不但对我国石油供应造成严重威胁，也给环境保护带来巨大压力。
2 推广新型汽车技术和发展替代燃料是降低油品消耗的战略措施
节能降耗和发展替代燃料是降低我国公路交通油品需求量的两大战略举措。本研究显示，在国家节能战略方针指导下，公路交通行业要尽快引进新一代先进汽车技术，加速推广低能耗汽油汽车、低能耗柴油汽车、混合动力汽车、清洁燃料汽车；扩大公共交通的承载比例。除上述提高车辆技术水平的措施外，强化车用生物燃料替代的推广政策，大幅度提高生物燃料的开发利用进程，也是降低公路交通油品消耗的重要措施。生物燃料作为交通油品的替代燃料有很好的应用前景，这一点已被国外许多国家的实践所证明，我国的示范推广工作也取得了初步的成果。在国家鼓励开发和利用可再生能源液体燃料政策得以充分实施的前提下，我国生物燃料在公路交通中将逐步发挥出显著的替代作用。两种情景比较分析的结果表明，由于在生物燃料替代情景中采取了节能降耗和发展生物替代燃料两大措施，使公路交通品消耗总量比常规发展情景降低了500 万吨（2010 年）、2100 万吨（2020 年）和4700 万吨（2030 年）。如果再考虑生物燃料的替代量，未来公路交通汽油和柴油的消耗总量将节约1200 万吨（ 2010 年）、5000 万吨（ 2020年）和8800 万吨（2030 年）。如此显著的效果表现了高新汽车技术和生物燃料替代在我国公路交通行业降低能耗方面发挥的巨大作用。
3 生物燃料在我国未来公路交通中具有相当明显的燃料替代能力
生物燃料替代情景的研究结果表明，生物燃料在我国未来公路交通中将逐步展现出很强的燃料替代能力。这种替代能力，一方面来自于完全满足大规模生物燃料生产的资源潜力，以及层出不穷的生物燃料制取的高新技术潜力；另一方面来自于先进的混合动力汽车技术，特别是生物燃料混合动力技术在我国的推广应用前景。除此之外，更重要的是，这种替代能力源于国家节能战略和可持续发展的需要。展望未来，国家鼓励开发和利用生物液体燃料的政策得以充分实施，新型生物燃料混合动力技术将逐步成熟，在我国交通行业成为高效、经济、有益环保的普遍应用的汽车技术。届时，在我国公路交通中，生物燃料将发挥非常显著的燃料替代作用。研究数据表明，从生物燃料总体的替代能力看，2010 年至2030年，在我国公路交通的油品消耗中，生物燃料所占份额将从7%提高到17%，替代车用油品的数量为700 万吨（2010 年）、2300 万吨（2020 年）和4000 万吨（2030 年），具有相当明显的替代作用。
四 推进生物燃料开发利用的政策建议
我国生物燃料发展虽有一定基础，但从我国经济发展需求和世界先进水平看，无论从生产规模还是技术水平上都存在很大差距。未来我国生物燃料发展，需要在战略定位、发展方向和发展规划方面给予明确的认识。首先，应从能源安全的高度确立其替代能源的重要地位，将替代能源发展作为支撑我国能源可持续发展、维护我国石油安全的战略选择。其次，需要从资源开发的地域性、生产技术的经济性、和多种车用替代燃料发展的协调性等诸方面对生物燃料发展途径进行全面、客观和深入的调查研究和科学论证，在此基础上明确提出适合我国国情的生物燃料开发利用的发展规划和发展路线图。生物替代燃料作为一个新兴产业，其发展涉及到农业的产业结构调整、林业的培育、经营、加工产业链发展、交通业的技术进步和能源结构调整等诸多行业的发展，因此，政府部门应加强合作、统筹实施，为生物燃料开发利用寻求更多的、协调一致的政策支持。