不一样的角度——从全球研究趋势看生物质能

前言：随着城镇化水平的不断提升，城市能耗占全球总能源的百分比大大增加。生物质是一种存在于木材、锯末、稻草、种子废料、粪肥、废纸、生活垃圾、废水等各种不同材料中的资源，由于其经济潜力巨大，生物质能的利用正变得越来越重要。大量的农业生产会产生副产品，其可作为所谓的能源作物加以推广。对生物质能全球研究趋势的分析可以辅助能源工作者理解当前能源形势和未来发展趋势，本文将从这一角度为大家展开分析介绍。

上世纪90年代初，城市能耗不到全球总能耗的一半，随着城镇化水平的不断提升，城市能耗占全球总能源的百分比大大增加(三分之二)。这意味着城市能源在全球能源结构中所占比例的增长速度高于全球城市人口所占比例的增长速度。虽然城市中化石燃料是主要的能源，但如何保证能源的可持续性正成为解决气候变化问题的重要方向。此外，城市所排放的二氧化碳也是造成气候变化的最大因素之一，约占全球排放总量的70%。不断增长的能源消耗不仅导致了城市空气污染，也带来了由于气候变化方面的毁灭性影响，目前大约70%的城市已经在经受气候变化带来的考验。根据世界卫生组织的数据，城市地区90%的居民受到的环境污染水平超过了他们建议的标准。

作为可再生能源的生物质能，来源十分广泛，包括动植物以及通过自然或人工转化而获得的有机物质。生物质存在于各种不同的材料中：木材、锯末、稻草、种子废料、粪肥、废纸、生活垃圾、废水等。某些材料的特性使它们可以直接用作燃料，其他的则需要一系列的预处理，在使用之前需要不同的技术。

可再生供热源既可以来自建筑物内分散的设备，也可以来自集中的发电及其进一步的分发。分散式生物质锅炉是一项不断发展的新兴技术。生物质是一种碳中性能源，它在生长过程中吸收二氧化碳，然后在燃烧过程中重新释放到大气中，达到二氧化碳排放净平衡。然而，大量的热能被浪费在发电和制造过程中。热电联产重新利用排出的余热发电，同时生产电力和热能，供工业、商业或住宅使用。工业消耗了大量热能和电能，多余的电能被输入电网。另一方面，区域供热和供冷网络是整合工业和农业生物质等自然资源，同时提高能源效率的一种非常有效的方式。分布式能源系统由地下绝缘管道网络组成，连接到一个热电厂，热水或冷水被泵送至一个区域内的不同建筑物。

由于生物质在世界范围内的广泛可用性，作为许多工业和农业过程的副产品获得，生物质能是一种具有高增长潜力的可再生能源。生物质集中供热(BDH)是一种自然能源资源在城市环境中的系统集成，一方面减少了二氧化碳排放与化石燃料的燃烧，另一方面增加了能源效率。

生物质能作为生物燃料的使用是科学界非常感兴趣的一个领域。目前，大部分的研究都集中在从生物质中提取对环境友好和可持续的能源来补充代替传统的化石燃料。其主要目的是帮助研究社区环境，了解可再生能源未来的趋势以促进决策的科学性。下表所示为近十年来生物质燃料的一些主要研究方向。

表1：近十年来生物质燃料的主要主要研究方向

研究结果

一个机构、地区或国家的出版物数量是量化这些单位的科学活动的有用指标。在同其他机构、地区或国家的活动进行比较时，可以作为监测科学生产的一个手段。根据调查统计，1978至2018年期间，生物质能领域研究工作主要还是以学术论文居多(59.0%)，其次是会议论文(23.2%)和综述(9.4%)，相比之下，相关的书籍和调查数量比较少。

图1：各时期生物质能相关出版物发行数量

由图1所示可以明显看到，在2006年之前围绕生物质能的科学研究并没有什么显著的变化，但是在2008年却突然达到了一个峰值。其背后的原因是由于2008年6月世界范围内的油价达到了每桶136美元，这意味着传统化石能源在经济适用性方面呈现出了相当的劣势，急需寻找可以替代的可再生能源，而生物质能在对化石能源的替代性方面表现非常优异，因而越来越多的科研机构将目光聚集在了针对生物质能的研究中，可以说，高油价和大范围的经济危机为生物质能创造了时代的发展机遇。

图2：全球各地区生物质能相关出版物发行数量

图2则展示了各个国家生物质能研究成果的数量，也可以侧面反映出该国对生物质能发展领域的重视程度。这一领域发表论文最多的国家是美国(3318篇)，其次是中国(1514篇)、印度(1165)，德国(1137)和意大利(993)。由此可以得出结论，工业国家利用生物质作为可再生能源是实现可持续发展的关键因素，各国政府推行能源政策的目的是减少污染温室气体的排放和缓解全球变暖的问题。例如美国环境保护署(EPA)在2013年9月公布了新的标准，目标是到2030年减少30%的二氧化碳排放。

图3：对生物质能研究的合作集群

图3所示为全球重要的国家和生物质能研究机构之间的合作，可以观察到存在8个生物质能合作集群，其中美国、印度和英国出现在所有的集群中。最重要的红色集群是由英国领导的，它是由具有政治和经济影响的传统地区组成的。这之后的绿色集群是主要由拉丁美洲国家组成。蓝色集群以美国为首，与中国、加拿大、墨西哥等北美国家关系密切，因而归为了一个集群。黄色集群以德国为首也涵盖了很多东欧国家。不太重要的是中欧集群(绿松石色)、斯堪的纳维亚-俄罗斯集群(灰色)和一些非洲国家的橘色集群。分组有两种可能的形式：第一种是基于国家集团之间的影响或经济关系形成的四个重要集群;第二种是根据它们的地理位置或气候条件，以及可能拥有的生物量类型，基于此形成了最后三个集群。

表2则列出了目前生物质可再生能源领域科研产出最高的10家机构，以及这些机构使用最多的关键词。

表2：十大最重要的国际研究机构和关键词

可以看到，这些机构使用最多的关键词是生物燃料，在5个机构中都排名第一。中国的研究机构主要专注于固体燃料，而美国和巴西机构专注于液体燃料乙醇等。从这些重要的生物质能研究机构的研究方向可以看到，生物质燃料一定是未来的一大发展趋势，与其他可再生能源相比，对化石燃料的替代性很高，对一些能源设备而言，所需要的额外改造与成本投资会显著下降。

图4：生物质能领域最热门的5个关键词

图4则展示了在生物质作为可再生能源研究领域的5个最为热门的关键词。在2008年，“生物质能”和“可再生能源”一跃成为了最为热门的话题，在上文中我们也提到了其背后的原因是石油价格的暴涨。在2010之后，“生物质” 这一关键词的热度也远超其他关键词，由此可以看出，生物质能已经从可再生能源这一综合领域独立成为了一个类似于风能和太阳能的专题热点。

总结

通过计量学分析可以得出结论，研究生物质作为可再生能源这一主题的主要国家是美国，其次是中国、印度、德国和意大利。可以看出，人口众多的大国对使用新的可再生能源，例如生物质能的需求更加旺盛。关于这个主题的出版物的主要语言是英文(95.3%)，其次是中文(1.4%)。发表有关生物质作为可再生能源文章的主要期刊有:《可再生与可持续能源评论》、 《生物质与生物能源》和《生物资源技术》。随着时间的推移，人们对生物质作为可再生能源的研究兴趣不断增长。在生物质领域进行的研究中，能源领域最为突出(23.4%)，这是因为大部分的研究都集中在生物质的产热或产电，除此之外，生物质燃料也是各国争先研究的对象。