3.1 定义
生物柴油(Biodiesel)又称脂肪酸甲酯,是以植物果实、种子、植物导管乳汁或动物脂肪油、废弃的食用油等做原料,与醇类(甲醇、乙醇)经酯交换反映获得。生物柴油这一概念最早由德国工程师Dr.Rudolf Diesel (1858-1913)于1895年提出,在1900年巴黎博览会上,Dr.Rudolf Diesel 展示了采用花生油作燃料的发动机。生物柴油是清洁的可再生资源,它是以大豆和油菜籽等油料作物,麻疯树、油棕和黄连木等油料林木果实,工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料,是优质的石油替代品[1]。
与常规柴油相比,生物柴油具有以下优良性能:
(1)优良的环保性能。由于生物柴油中含硫量较低,使得二氧化硫和硫化物的排放量低,可减少约30%;生物柴油中不含会对环境造成污染的芳香族烷烃,因而废气对人体损害程度低于柴油。由于生物柴油含氧量高,使其燃烧时排烟少,一氧化碳的排放与柴油相比较少约10%(有催化剂时为95%);生物柴油的生物降解性高。
(2)较好的低温发动机使用性能,无添加剂冷滤点可达-20℃;
(3)较好的润滑性能,使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低,使用寿命长;
(4)较好的安全性能。由于闪点高,生物柴油不属于危险品,因此在运输、储存、使用等方面更具有安全性;
(5)良好的燃料性能。十六烷值高,燃烧性能好于石油柴油,燃烧残留物呈微酸性,使催化剂和发动机机油的使用寿命延长;
(6)可再生性。作为可再生能源,与石油资源不同,生物柴油通过农业和生物科学的努力,资源不会枯竭;
(7)无需改动柴油机,可直接添加使用,同时无需增设加油和储存设备,工作人员也无需特殊技术培训;
(8)生物柴油以一定比例与石油柴油调和使用,可以降低油耗、提高动力性,并可降低尾气污染。
生物柴油的优良性能,使得采用生物柴油的发动机废弃排放标准指标能够满足严格的欧洲排放标准,而且由于生物柴油燃烧时排放的二氧化碳远低于植物原料生长过程中所吸收的二氧化碳,从而可以改善因二氧化碳排放而导致的全球变暖等环境问题,所以生物柴油可称之为绿色柴油。
生物柴油是石油柴油适宜的替代品,其竞争对手并不是石油柴油,而是其他替代燃料。使用生物柴油的整体效益主要体现在:(1)可减少石油进口量;(2)创造生产就业机会;(3)创造或维持农业就业机会;(4)提高经济效益;(5)较少废气排放,降低一氧化碳排放量;(6)较少致癌物质,有益人类健康;(7)无需更换现有设施,使用方便;(8)保障能源安全,抑制石油价格上涨;(9)可再生;(10)提高热能效率。
3.2 生物柴油发展现状
2015年,全球生物柴油产量301亿升,再创历史新高。2000-2015年,全球生物柴油产量复合增长率(CAGR)约27.36%,2010-2015年CAGR约10.22%。可见,全球生物柴油产量保持快速增长的趋势。
从各个地区来看,按照EIA统计的生物柴油日产量计算,2012年欧洲、中南美洲、亚洲及大洋洲、北美洲生产生物柴油在全球的比例分别为39.63%、24.07%、19.76%和15.70%,欧洲居于首位。而在2000年时,全球生物柴油基本上都是由欧洲生产的,此后欧洲生物柴油的生产处于下降趋势,2008年欧洲份额下降至60%以下,2011年下降至50%以下;其他地区的生物柴油则处于快速上升趋势,以中南美洲和亚洲及大洋洲为代表,生物柴油生产基本处于从无到有:中南美洲生物柴油的产量份额从2000年0.6%上升至2010年24.7%;亚洲及大洋洲生物柴油从2001年0.5%上升至2012年的19.76%。
从国别上来看,2012年美国生物柴油产量占全球产量份额约14.84%,跃居首位;其次是德国,占比约12.05%;第三至第五位分别是阿根廷(产量占比约11.38%)、巴西(产量占比约10.82%)、法国(产量占比约9.47%)。
从原料上来看,目前生物柴油在美国、巴西和阿根廷主要采用豆油,美国生物柴油中豆油的使用比例约71%,巴西生物柴油中豆油的使用比例约78%;在欧盟采用油菜籽、葵花籽或豆油,在东南亚采用棕榈油。
3.3 生物柴油产业政策
许多国家和地区如美国、欧盟、阿根廷和巴西等都对生物柴油产业采取了相应的扶持政策。全球大概有31个国家确定了生物燃料(燃料乙醇和生物柴油)调和标准,其中至少有19个国家和地区(包括10个欧盟国家和4个发展中国家)实施了燃料免税和生产补贴政策。
3.3.1 美国
1、发展概况
20世纪90年代早期,《清洁空气法案》中对于降低石化柴油的硫含量以及减少柴油尾气排放物的规定驱使美国对生物柴油产生了兴趣。1992年,种植大豆的农民组成了“国家大豆柴油发展协会(NSDB)”,该协会由美国大豆协会出资,国家大豆代扣系统也提供财政支持,它是美国最初的领导组织,执行生物柴油方面的研究和市场发展。与此同时,第一批生物柴油在非专业的工厂(如Procter&Gamble)中生产并应用于最初的车队测试。1992 年议会通过了《能源政策法令(EPAct)》,要求一些车队购买使用非石化燃料的可替代燃料机车(AFVs),如使用CNG, LPG,生物乙醇和生物柴油等。1994年9 月NSDB 更名为“国家生物柴油协会”(NBB)。
2001 年6 月20 日国内第一家生物燃料的零售加油站在南加利福尼亚的Aiken 地区为消费者提供全部的生物燃料,供其选择,包括:E-85(85%的生物乙醇和15%的汽油),B20(20%生物柴油混合80%矿物柴油)及B100。2002 年12 月美国试验与材料协会(ASTM)颁布了美国市场内针对生物柴油交易的第一个燃料标准,这标志着生物柴油质量管理的第一个重要里程碑的诞生。4 月份,加利福尼亚成为美国第一个将限制汽车二氧化碳排放的法案列入其法律框架内的州。
此外,美国一些地区也大力推进生物柴油应用制度化。2013年9月,纽约市签署了一项法律,要求所有城市柴油车辆到2014年使用含5%生物柴油(B5)的调和燃料,到2016年达到20%(B20)。明尼苏达州农业部、商务部和明尼苏达州污染控制机构(MPCA)于2013年10月要求该州温暖天气(4-10月份)执行B10生物柴油指令。该州立法确定最低生物柴油含量指令为2012年B10、2015年B20。
2、支持政策
(1)法律法规
美国发展生物燃料的政策主要包括2000年通过的《生物质研究与开发法案》、《2002年农场安全与农村投资法案》、2004年颁布的《美国就业机会创造法案》、《2005年美国能源政策法案》以及2007年签署的《能源独立与安全法案》(Energy Independence andSecurity Act,EISA)等。美国环保署(EPA)根据2005年《能源政策法案》中制定了《可再生燃料标准》(Renewable FuelStandard,RFS),是为了减少石油对外依存度与交通温室气体排放、改善空气质量,提高生物燃料使用量而制定的强制指令。2007年底,EPA又根据2007年的《能源独立与安全法案》修订通过RFS2,要求2022年可再生燃料的消费总量从2008年的80亿加仑提高到360亿加仑。
(2)税收政策
2004 年之前,生物柴油与标准2 号石化柴油以相同的税率征税,即24.4 美分/加仑。2004年2月12日通过的交通法案,包括对生物柴油混合税的消费税抵免。除联邦消费税外,大多数洲也征收各自的燃料税,某些地区则对生物柴油提供激励政策,如爱达荷州、伊利诺州、爱荷华州、夏威夷、马萨诸塞、蒙大拿州、北达科他州和费城。明尼苏达州要求生物柴油的最小份额必须占柴油消费总量的2%。一些州(甚至一些地方社区)也对特殊的混合物或特别的集团使用者提供激励措施。2002年4 月25 日美国参议院通过了2002 年能源政策法案“Bill S-517”,采取多种措施来帮助拓展生物柴油的领域发展:国内消费税激励措施、税收信用、可再生燃料标准、联邦车队使用以及在EPACT(能源政策法案)中除去50%的生物柴油限制。
2004 年制定的《2004 美国创造就业机会法案》中规定,混合商在传统柴油中每添加一加仑用初榨油加工成的生物柴油给予1 美元的税收减免,每添加一加仑用其他回收油加工成的生物柴油给予50 美分的税收减免。这一税收优惠政策自2005 年1 月1 日起实施,原本有效两年,后延至2009 年。2010年暂停,2011年重启补贴;2012年暂停;2013年重启;2014-2015年暂停;2016年重启。
(3)其他支持政策
另一项生物柴油的支持措施是美国农业部的商品信用公司(CCC- Commodity Credit Corporation)计划每年提供至少750万美元的补贴来刺激农产品加工业的发展,如大豆油工业。CCC 计划提供给生产者大豆购买价值的40%用来生产燃料。2004-2006财年内,CCC对于使用豆油生产生物柴油补贴1.45-1.47美元/加仑,对于使用黄色油脂(从餐馆回收的废弃油脂等)生产生物柴油补贴0.89-0.91美元/加仑[1]。
3、主要应用
生物柴油工业的影响主要集中在4 种市场:市内运输、政府及规定用车、海运和地下矿井,在这些行业中,生物柴油的属性可以调节每加仑产品的附加成本。生物柴油主要以三种形式应用于三种不同的市场领域:B100(纯生物柴油);B20(20%生物柴油/80%石化柴油)和B2(2%生物柴油)。在美国,生物柴油主要用于拥有加油站的巴士公司和卡车运输公司,联邦政府是生物柴油的最大用户。
3.3.2 加拿大
加拿大政府曾在2006年12月20日宣布,计划到2012年该国柴油燃料和取暖用油中的可再生生物柴油含量不得低于2%,这项计划是加拿大投资3.45亿加元(约3.1亿美元)促进生物质能研发项目的一部分。加拿大是世界上首个做出类似强制性规定的国家,加政府希望通过这一计划使本国温室气体排放量每年减少400万吨,相当于减少400万辆汽车上路。此外,加拿大的阿尔伯特省要求销售的全部柴油中调和2%的生物柴油,该省在北部地区建设生产生物柴油的设施等。
3.3.3 欧洲
多年来,欧洲一直鼓励驾驶者使用柴油,以努力减少二氧化碳排放量,欧洲的消费量相对于汽油一直在上升。国际能源署(IEA)预计,2016年柴油占成品油需求的市场份额将增长至44%。到2020年,预计欧洲生物柴油消费量将占到生物燃料消费量的2/3。德国是欧盟第一大生物柴油生产国,法国次之,意大利第三。西班牙的生物柴油产业也朝着增产的方向快速发展,该国也已是欧洲主要的生物柴油生产国之一,已有28套生物柴油装置投入生产,在欧洲是最多的。这主要因为西班牙在2005年发布了可再生能源计划(REP),当年即启动了生物柴油生产。对数量有限的生物柴油生产给予充分免税,是西班牙促进生物柴油产业发展关键的激励机制。
3.3.4 阿根廷
阿根廷是世界领先的生物柴油出口国,其生产的生物柴油大部分用于出口。2010 年3 月8 日发布指令,要求所有柴油中调入由生物质生产的生物柴油5%;阿根廷已接近实现B7(调和7%的生物柴油)指令,预计将来会使其调和量增加至10%的生物柴油。此外,阿根廷对于生物柴油所征收的出口关税低于豆油的出口关税,也有利于把豆油转化为生物柴油进行出口。
3.3.5 巴西
近30年来,巴西一直大力推进生物燃料的发展,目前已拥有庞大的生物燃料生产链和先进的生物燃料应用技术,燃料乙醇、生物柴油以及其他可再生能源已占到其能源消费总量的接近50%,远远高于世界平均水平。
2008年1月1日起巴西所有加油站停止供应普通柴油,所有出售的柴油中均含有2%的生物柴油;2008年7月1日起柴油中的生物柴油的含量又提高到3%;2009年7月1日起,巴西又将所有柴油中添加的生物柴油比例从提高到4%;2013年,掺混率提高到5%;2014年11月以后,掺混率提高到7%,一年后提高至8%;到2017年提高至10%;巴西科技部制定的目标是,到2020年掺混率达到20%。
3.3.6 亚太地区
马来西亚政府曾表示,该国有条件成为全球领先的生物柴油生产国。马来西亚于2010年3月24日发布指令,于2011年6月正式引入B5生物柴油,要求所有汽车使用生物燃料。后来由于各种原因,指令实施延期。2013年7月,马来西亚官方正式表示,将从2014年起全面推广含棕榈油生物柴油的柴油。2013年7月,马来西亚柔佛州的415家加油站已经开始出售这种柴油;2014年7月起,全国加油站都开始出售这种柴油。这种柴油是由5%的棕榈油生物柴油和95%的普通柴油混合而成,每公斤零售价约1.8令吉(约3.67元人民币),与普通柴油零售价格相同。此外,马来政府计划推出B7、B10生物柴油。
印度政府的目标是到2017年,实现汽车使用的石油柴油燃料与20%的生物柴油调和,但进展不是很快。
我国生物柴油处于产业发展初期,2016年10月我国能源局编制下发《生物质能发展“十三五”规划》,规划中指出,2015年我国生物柴油年产量约80万吨,到2020年生物柴油利用量达到200万吨,替代300万吨的化石能源。
3.4 生物柴油发展问题
生物柴油产业化的主要问题就是成本太高,其中75%来自于原料成本天然油脂价格高于生物柴油产品售价,无法作为生物柴油规模化发展的原料,因此采用廉价原料以及提高转化率从而使成本降低,是生物柴油发展的关键。美国已经开始通过基因工程方法研究高油含量植物,日本采用工业废油和废煎炸油,欧洲则是在不适合种植粮食种植的土地上种植富油脂农作物。随着生物质技术的不断提高,柴油替代燃料所用原料的价格随着种植规模而日趋低廉,使柴油替代燃料的生产成本逐步下降,与常规柴油价格的差距正在缩小。按照这个趋势,生物柴油的成本将不会再成为阻碍其发展的障碍。
[4]孙纯、刘金迪、孙骏编著《生物柴油产业发展概论》,中国石化出版社
[5] https://www.eia.gov/oiaf/analysispaper/biodiesel/