生物质能源的高值化利用有哪些路径？对应哪些关键技术？目前研究的重点是什么？面临哪些难点？

华南农业大学钟家伟、谭涛、谢君、陈勇等人在《化工进展》上发表最新研究，题为《生物质高值能源转换技术》，为我们梳理了关键技术和产业突破口。

这些技术不仅关乎环保，更蕴藏着巨大的经济价值和产业升级机遇。

01

为何要“高值化”？生物质能源的战略意义

我国是全球最大的碳排放国，能源转型迫在眉睫。虽然可再生能源发展迅速，但化石能源仍占主导地位。

生物质能作为世界第四大能源，具有“零碳排、可再生”的天然优势，是我国实现“双碳”目标、保障能源安全、助力乡村振兴的重要抓手。

我国生物质资源极其丰富：

• 农业废弃物： 秸秆、稻壳、畜禽粪便

• 林业废弃物： 树枝、木屑

• 城市有机垃圾： 厨余垃圾、园林垃圾、污泥

过去，生物质利用方式（如直接燃烧发电）附加值较低。

“高值化”利用的核心，在于通过化学、生物等技术，将其转化为媲美甚至优于化石能源的高品质燃料和化学品（如生物天然气、绿氢、绿色甲醇、乙醇）。

这不仅解决了废弃物的出路，更能创造可观的经济效益，减少对化石能源的依赖和进口。

02 

核心技术突破：从“能用”到“好用”

研究团队重点分析了以下五种高值化路径的关键技术进展与挑战，并指出了产业化方向：

方向一 生物质合成气：高值转化的“万能钥匙”

把生物质“气化”成富含一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的混合气（合成气）。这是后续制造各种燃料和化学品的基础原料。

团队创新地使用特殊催化剂（载氧体）提供氧气，显著降低焦油等污染物产生，提高合成气品质（更富氢），且能量利用效率更高。已在秸秆、餐厨垃圾处理中验证。

利用富含甲烷和CO₂的沼气，通过催化重整也能得到合成气。团队在高活性、高稳定性催化剂上取得突破，重点解决催化剂易积碳、易烧结的行业痛点，开发了新型钌基、镍基纳米催化剂，寿命更长、效率更高。

 但是原料收集运输成本高、气化效率待提升、焦油处理难题。解决难题的方向包括：开发更高效的气化技术（如低温等离子体）、探索“气化多联产”模式（同时产气、热、电或化学品）。

生物质化学链气化工艺示意图

方向二 生物天然气(BNG)：替代天然气的绿色选择

有机废弃物厌氧发酵产生沼气（含甲烷50-70%），经提纯脱除CO₂等杂质，得到成分与天然气相同的生物天然气。

可直接利用现有天然气管网输送使用，储运成本低。2023年我国天然气对外依存度高达42.3%，BNG是提升能源自给率、保障安全的关键。

国家规划目标明确：2025年产量超100亿立方米，2030年超200亿立方米。

团队通过添加特定微生物或促进剂（如铁基、碳基材料），显著提高沼气中甲烷含量和产气速度。

生物质天然气开发的难点在于：原料来源不稳定、发酵技术单一、沼渣沼液处理难、工程运行不稳定。

通过完善技术体系、开发多元化原料利用、探索沼渣沼液高值化利用（如有机肥）有望解决以上问题。

前沿方向 - “电转气”(PtG)：

利用生物质发电或BNG提纯过程中产生的CO₂，结合绿氢进行催化反应，合成高能量密度的“人造天然气”(SNG)，实现碳循环利用、净零排放。团队在耐硫、耐烧结的甲烷化催化剂研发上取得进展。

方向三 绿色氢气：生物质赋能“氢未来”

利用生物质气化合成气或沼气重整气，进一步通过“水煤气变换+脱碳”或生物质衍生物（如生物甲醇、乙醇、乙酸）催化重整来制取“绿氢”。

“吸附增强”技术是突破点

在气化或重整过程中原位捕集产生的CO₂，打破化学反应平衡限制，大幅提高氢气产率和纯度，同时简化后续分离流程。团队发展的“化学链吸附强化”等技术极具潜力。

解决了绿氢生产中的原料绿色化问题，并有望利用生物质分散性特点，降低集中式电解水制氢的部分储运压力。

氢能是我国未来能源体系的重要组成部分（预计2050年占比10%）。生物质制绿氢是多元化绿氢供给的重要补充路径。

方向四 绿色甲醇：航运脱碳的“明星燃料”

利用生物质合成气或沼气重整气，在催化剂作用下合成甲醇。或者，利用生物质利用过程中捕集的CO₂与绿氢结合，合成“电子甲醇”(E-methanol)。

发展绿色甲醇的好处：

航运业脱碳最优解之一： 全球共识，绿色甲醇是目前实现航运业碳中和成本最低的路径，可直接作为船用燃料。

优秀的液态储氢载体： 便于储存运输，结合成熟的甲醇重整制氢技术，可构建“分布式氢能”网络，尤其适合偏远地区、海岛等场景。

我国是甲醇生产消费大国，但主要来自煤化工，碳排放高。生物质/CO₂制绿甲醇是行业绿色转型的关键。

团队探索：构建“柔性制氢产醇系统”，根据市场需求灵活调整绿氢和绿醇产能，最大化经济效益。

高效甲醇合成催化剂（尤其低温低压）、绿氢成本仍是CO₂制E-甲醇大规模化的主要障碍。

方向五 绿色乙醇：燃料与储氢双料选手

团队成功利用非粮药用植物残渣（菊叶薯蓣渣）与甘蔗渣混合生产乙醇，拓宽了廉价原料来源，并开发了绿色预处理和高效发酵技术。

乙醇是优良的汽油添加剂（减少PM2.5/CO排放），也可作为液态储氢介质（通过催化重整制氢）。

我国生物乙醇产量占比全球仅3%，发展潜力巨大。

但是，纤维素预处理成本高、酶解效率低且酶成本高、合成气直接制乙醇选择性差/催化剂不稳定。

解决问题的关键在于开发高效低耗预处理技术、低成本纤维素酶、高性能合成气制乙醇催化剂。

03 

未来之路：挑战与机遇并存

生物质高值能源转化前景广阔，但要实现大规模产业化，仍需跨越几道坎：

1. 催化剂的“硬骨头”： 无论是沼气重整、还是合成气/CO₂转化制甲烷/甲醇/乙醇，开发高活性、高选择性、长寿命且成本可控的催化剂是核心。

   需要从原子层面深入理解反应机理，指导催化剂理性设计。
   

2. 技术创新融合： 突破传统热化学转化，探索引入等离子体、电、光、微波等外场能量，协同驱动反应，有望显著降低能耗、提高转化效率。
   

3. 构建新型能源体系： 生物质能需与风、光等可再生能源以及化石能源（在过渡期）互补融合，发挥各自优势，共同构建稳定、低碳、高效的未来能源格局。

   
   

作者简介

第一作者：钟家伟，博士，研究方向为碳一能源小分子催化转化。

通信作者：谢君，教授，博士生导师，研究方向为生物质能源；陈勇，教授，博士生导师，中国工程院院士，研究方向为生物质能利用技术与开发。