农科核心期刊论文发表生命周期评价的燃料乙醇能值的实例研究

　　燃料乙醇是以玉米、小麦、薯类、甘蔗、甜菜等为原料，经发酵、蒸馏制得乙醇，脱水后再添加变性剂变性而成，其研究和应用在许多国家受到很大关注。燃料乙醇生产作为经济—自然—社会复合系统,其内部各亚系统间、与外部经济、自然环境之间都存在错综复杂的能量流、物质流、货币流和信息流。然而,如何全面分析和评价系统，目前仍是生物燃料乙醇评价亟待解决的问题。目前国内对生物燃料乙醇的研究作了一些有益的探索，张治山、李胜等对我国燃料乙醇的能量收益进行了评价;周祖鹏、陈迅等，从经济可行性出发对燃料乙醇生产进行了评估;胡志远对木薯乙醇汽油生命周期的环境排放进行了评价;张治山以净碳排放作为可持续性指标对玉米燃料乙醇进行评价。这些方法在燃料乙醇评价中往往把各种效益割裂开来,故不能完整反映系统的结构、功能的内部机理和动态过程。

　　摘要：能值分析和能量分析一样弱化了生命周期过程系统对环境造成的影响，有待进一步深入研究。

　　关键词：生命周期评价,燃料乙醇,能值,农科核心期刊论文发表

　　能值分析能够将生态系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的能量转换成同一标准的能值来衡量和分析，从中评价其在系统中的作用和地位;综合分析系统中各种生态流(能物流、货币流、人口流和信息流)，得出一系列能值综合指标(EmergyIndices)，定量分析系统的结构功能特征与生态经济效益[7]。该理论把社会、经济、自然3个亚系统有机统一起来,从生命周期全程定量分析自然和人类社会经济的真实价值,由此从根本上克服了单纯着眼于生态或经济分析面临的难题。 1研究方法 1.1生命周期框架生物燃料乙醇的生命周期是由“原料种植”“运输阶段”和“燃料乙醇生产”3个过程组成，见图1(虚线部分)。在生物燃料乙醇生命周期过程中,“原料种植”过程中吸收太阳能、雨水势能、雨水化学能、风能等可再生能源，同时消耗化学品、柴油等化石能源，并且包含材料、机械、劳务等投入，种植后的产品作为乙醇生产原料通过“运输阶段”到达燃料乙醇生产厂。在“燃料乙醇生产”过程中,消耗电、煤或天然气、化学品等能源，同时投入机械、劳务等资源，把生物原料转化成乙醇,经脱水、添加变性剂生产出燃料乙醇，从而完成整过乙醇燃料生产到分配的全过程。变性和使用阶段乙醇几乎不消耗能量，因此，选取的系统边界到燃料转化为止。1.2能值分析能值(Emergy,英文拼写带一个字母“M”)是一个新的科学概念和度量标准,由美国著名生态学家HTOdum创立。他将能值定义为：一种流动或贮存的能量中所包含的另一种类别能量的数量，称为该能量的能值[8~9]。能值实质就是包含能量(Embodiedenergy)[10~11]。能值分析是以能值为基准，通过能值转化率把生态系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的物质流、能量流、价值流以及生态系统服务功能转换成同一标准的能值来衡量和分析，有效地将自然资本的价值纳入了社会经济系统，并将自然、社会和经济等亚系统有机的统一起来。按照能值分析基本方法，绘制系统能流图(见图1)，R为输入系统的本地可再生资源，N为输入系统的本地不可再生资源，F为不可更新的工业辅助能(如场地、设备、原料等)以使生产活动得以进行;T为投入的可更新有机能如劳务。1.3生命周期能值分析(EmLCA)方法生命周期能值分析方法有别于传统能值分析方法，它是以产品生产全过程为研究对象，以能值为量纲，把任何资源、产品或劳务的价值用其在形成过程中所需直接和间接消耗的太阳能之量来衡量。生命周期能值分析的提出实现了以同一的度量标准来宏观评价自然环境生产与人类经济活动。从而实现了对所关注系统的结构功能与效益的定量分析。基本燃料乙醇生产系统的分析主要使用以下几个能值指标。生命周期能值产出率(LC-EYR)是各阶段产出能值之和除以全程经济反馈投入能值;LCEYR=Σ(Ni+Ri+Fi+Ti)/Σ(Fi+Ti)(1)LC-EYR可更好地了解某一种资源是否具有竞争力和经济效益的大小。其值越小，说明该种资源的竞争力较弱，开发时产生的回报效益越低;反之，竞争力则强，开发效益较高。生命周期环境负载率(LC-ELR)等于不可更新能源投入能值除以可更新环境资源投入能值：LCELR=Σ(Ni+Fi+Ti)/ΣRi(2)LC-ELR是经济系统的一个预警指标，表示整个系统对环境造成压力的大小。一个较高的LC-ELR值表明在经济系统中存在高强度的能值利用，同时对环境系统保持着较大压力，为了避免过程对环境造成太大的影响从而产生不可逆转的功能退化或丧失，系统不能长期处于较高的环境负载率状态下。生命周期能值投资率(LC-EIR)等于来自经济的反馈能值除以来自环境的无偿能值输入。LCEIR=Σ(Fi+Ti)/Σ(Ri+Ni)(3)LC-EIR是衡量开发单位本地区资源而需要的能值投入。当这一比值较高时，几乎所有的投入都是有偿的，这就使得价格上涨，系统的竞争力较低。这一指标的变化常受政治或社会经济因素的影响。生命周期能值可持续指标(LC-ESI)等于为系统能值产出率与环境负载率之比。LCESI=LCEYR/LCELR(4)LC-ESI越高，意味着过程系统的能值产率越大，环境负荷率越小，该系统的可持续发展程度就越高，反之是不可持续的。但并不是LC-ESI值越高，可持续性就越高。当10>LC-EIS>1时表明经济系统富有活力和发展潜力;LC-EIS>10则是经济不发达的象征;当LC-EIS<1时，为消费型经济系统[12]。 2应用实例 广西壮族自治区作为我国最大的木薯生产基地，为木薯燃料乙醇的生产提供了充足的原料。在广西木薯平均产量为35t/hm2，木薯原料转换率:干木薯/乙醇=2.9,鲜木薯/乙醇=7。本文以广西年产10万t的木薯乙醇项目为研究对象，应用能值方法对木薯燃料乙醇全生命周期进行分析。2.1资料收集木薯燃料乙醇生命周期数据包括木薯种植阶段的化肥、农药等消耗的生产能耗数据，车辆运输阶段的柴油消耗量，燃料转化阶段的工艺选择、流程耗电耗汽、流程所耗化学品等的相关能耗数据。数据一部分来自中国公开出版的文献资料，一部分来自于广西地区的实际调研，并考虑了数据对最终结果的影响大小和数据收集难易程度。2.2计算结果及分析在能值分析中，确定能值的分析范围是至关重要的，本文严格按照图1中N、R、F、T的定义确定分析范围。在种植过程中进行能值分析时，所考察的范围涵盖了太阳光、雨水、土壤等自然环境作用的因素，但是在乙醇生产过程中进行能值分析时，太阳光、风等环境因素对于工业过程系统的贡献几乎是十万分之一[13]，故忽略不计。从实际情况出发进行假定：①广西木薯为干片收集，平均运输距离为50km，柴油货车的柴油消耗强度为0.06L/(t?km);②乙醇生产厂设备的使用寿命为12年;③回收的投入产品，不占总的生命周期能值，不重复计算。能值分析见表1，能值指标见表2。从燃料乙醇全生命周期研表1木薯燃料乙醇生命周期资源的能值投入量seJ/t资源种植阶段能值运输阶段能值生产阶段能值可更新环境资源(R)7.73E+14-7.75E+12不可更新环境资源(N)1.94E+14--不可更新工业辅助能(F)2.80E+163.74E+132.65E+15可更新有机能(T)5.47E+148.43E+133.92E+14合计2.95E+161.22E+143.05E+15表2木薯燃料乙醇生命周期能值指标值指标LC-Transformity(seJ/J)LC-EYRLC-ELRLC-EIRLC-ESI数值1.10E+061.0340.932.60.025究来看，木薯燃料乙醇的能值转换率为1.10E+06seJ/J，比玉米乙醇能值转换率1.70E+05seJ/J[14]高，原因是玉米乙醇能值分析只包括工厂生产过程，而本研究则包括整个生命周期。生命周期能值产出率为1.03，比工厂生产阶段生物乙醇能值产出率(1.08[14])低，远低于核电能值产出率4.5[7]，说明生命周期能值分析更全面、真实的反应了系统生产效率，在目前能值利用方式中并不像以往分析那样具有很大的优势。生命周期环境负载率值为40.9，低于巴西甘蔗燃料乙醇环境负载率45.23[15]，但大大高于仅对乙醇生产过程能值分析的环境负载率17.65[14]，其值较高是因为大量的化肥、除草剂等化学产品的使用。生命周期能值投资率为32.6，表明来自于经济投入的能值是来自于自然环境投入的32.6倍，主要是整个生产过程中化石燃料、化学药品和机械设备等投入能值过高。生命周期能值可持续指标为0.025，意味着木薯燃料乙醇生产全过程为消费型经济系统，不可再生能值需求高于可再生能值需求，因此，必须提高可持续能力，减少诸如化学药品、化石燃料等不可更新能的投入。

　　3结语 传统意义的能值分析适用于生产过程的产品或服务，而不对全生命周期进行评估，本研究表明，产品生命周期分析能值分析包括从原料种植到产品是用的全部过程，更能全面的反映整个过程消耗的产品和服务。以木薯燃料乙醇生命周期分析为例，显示燃料乙醇生命周期过程的能值转换率较高，各评价指标值还较差，可持续性不强。改进生产工艺，增加可更新资源的投入，在种植过程和运输过程增加替代能源的使用，降低化石能源的投入，是当前燃料乙醇生产中的重要任务。

　　参考文献： [1]张治山,袁希钢.玉米燃料乙醇生命周期净能量分析[J].环境科学,2006,3(27):437~441.

　　[2]李胜,路明.中国小麦燃料乙醇的能量收益[J].生态学报,2007,9(27):3794~3800.

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