0 引言

气候变化是当今世界各国所面临的最大挑战，实现碳中和乃至净零排放刻不容缓。减少碳排放成为国家、城市和企业的共同目标。如今，越来越多的国家、城市、企业和其他机构正在承诺实现净零排放，多个国家制定了净零目标。此外，超过3 000家企业和金融机构正在基于科学的目标倡议进行合作，根据气候科学减少他们的排放量[1]。

根据ISO 14068-1：2023《气候变化管理 向净零过渡 第1部分：碳中和》中的叙述及相关共识[2]，目前减排路径主要包括减排、捕集、转换、抵消。其中，能源转型（转换）将起到重要的作用。在已公布的2023年全球各类能源占比结构中，包括生物燃料在内的可再生能源（清洁能源、可持续能源）占比仅为14%，如何提高包括生物燃料在内的可再生能源的占比，将是实现《巴黎协定》1.5 ℃目标的关键。

国际航空运输协会将可持续航空燃料（SAF）作为航空业脱碳途径的主要举措；国际海事组织也将明显提高替代燃料或零碳排放船舶燃料的使用量，预计海运业碳减排将逐步推进，生物船舶燃料需求量在未来将持续增长[3]。生物燃料这一常规的燃料类型被赋予了新的内涵和使命。

1 实现净零排放的路径

1.1 净零排放的定义

净零排放，是指在规定时期内人为移除的温室气体量抵消人为排入大气中的温室气体量时，即可实现净零排放[4]。换言之，即一个国家、地区、部门、行业等在一定时间内的温室气体排放量与温室气体吸收量达到平衡。

碳中和，是指在规定时期内人为移除的二氧化碳量在全球范围内抵消人为排入大气中的二氧化碳量时，即可实现二氧化碳净零排放[4]。换句话说，是指一个国家、地区、部门、行业等在一定时间内的二氧化碳排放量与二氧化碳吸收量达到平衡，可以简称为净零碳排放或净零碳。

净零排放和碳中和的定义所涉及的范围不同。碳中和仅指CO2的净零排放，而净零排放却包括了包含CO2在内的所有温室气体的净零排放，是更严格意义上的碳中和。此外，净零排放对中和过程的要求也更严格，在追求中和的同时，也要求过程的排放更低。

值得注意的是，多数国家的碳中和目标都包含了全部温室气体的净零排放。根据我国公布的“3060双碳”目标，尽管2030年前实现碳达峰的目标是指二氧化碳的排放量达到峰值，但2060年前实现碳中和的目标则是包括了全经济领域的温室气体的净零排放，不仅涉及二氧化碳，也包括甲烷、氧化亚氮等温室气体。这表明中国所说的“碳中和”与“温室气体净零排放”具有相同的含义[5]。

1.2 净零排放的路径

1.2.1 减排

实现净零排放的第一大路径是减少温室气体的排放源，简称“减排”。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）已明确了200多种减少碳排放以达到净零排放的途径。减排的关键点包括减少能耗和提高能效。减少能耗主要通过技术和管理手段减少能源的消耗，从而减少排放；而提高能效则主要依靠技术手段提高能源的使用效率，达到事半功倍的效果。

1.2.2 捕集

实现净零排放的第二大路径是增加温室气体的吸收汇，即提高自然碳汇的效率与创造人工碳汇，简称“增汇”，也就是“捕集”。自然碳汇指通过植树造林、森林管理、植被恢复等方式，利用植物的光合作用吸收大气中的二氧化碳，从而降低CO2在大气中浓度的过程、活动或机制。目前的碳汇主要有森林碳汇、草地碳汇、海洋碳汇等[6]。

而人工碳汇则是一种人工固碳技术，即碳捕集、利用与封存（carbon capture, utilization and storage，简称 CCUS）的技术。通过CCUS技术可以将二氧化碳从工业排放源中分离或直接加以利用或封存，避免其排放到大气中，以实现二氧化碳的减排。CCUS是一种技术组合，而非某一单项技术。该技术有助于以多种方式向净零排放过渡，涵盖了从发电厂、化工企业等化石能源的工业设备中捕获含碳废气并对其循环利用，或者使用安全的方法对捕获的二氧化碳进行永久封存的全过程[7]。

1.2.3 抵消

实现净零排放的第三个主要路径是抵消。科学碳目标倡议已认可碳抵消作为企业消除无法减少的剩余碳排放的一种可行方式。企业可在减排路径后期消除剩余排放，以达到碳中和目标。碳抵消实质上是一种对温室气体减排活动的投资。当个人或组织购买碳抵消时，资金将流向具有低碳减排效益的环境或社会项目中，同时，碳抵消买家将获得与减排量相应的碳信用，用于在碳核算中抵消部分碳排放量[8]。

1.2.4 转换

实现净零排放的第四个主要路径是转换，即能源转型。为减少化石能源的使用，可采用太阳能、风能、生物质能等可再生的清洁能源，真正地从源头上降低碳排放。能源转型需以节能减排为前提。能源转型高度依赖技术创新，如可再生能源技术、储能技术、智能电网技术等。这些技术的快速发展为能源转型提供了技术支撑。如何提高包括生物燃料在内的可再生能源的占比，将是实现《巴黎协定》1.5 ℃目标的关键，能源转型在应对全球气候变化中被赋予了重要的意义。

1.3 对净零排放路径的思考

在高度工业化的社会环境下，人们选择的净零排放路径，无论是减排、捕集、抵消或者转换，都必须循序渐进，并依靠科学管理和技术创新来持续减缓或减少温室气体的排放。但面对庞大的基数和社会经济发展的实际需要，减排对温室气体排放的压缩空间并不是无限的。此时，捕集就成为一种有效的补充。当采取捕集手段时，自然碳汇是一项可以获得多方面收益的举措，但土地资源和投入产出的时间效率方面仍有不少限制。而人工碳汇则高度依赖技术进步和高强度的资金投入，因技术和经济的原因，目前还达不到大规模推广应用的程度，但仍是目前各方努力的重点。至于抵消，则是利用经济手段来调控排放暂时难以达标的企业。虽然并不能直接减少企业的碳排放，但可以促使其采取更积极的措施来努力减少碳排放，同时也可以鼓励更多的企业通过持续的投入实现节能减排。真正的可持续路径则是实现能源利用从化石能源向清洁能源和可持续再生能源的转换，如核能（核聚变）、太阳能、氢能、风能、热能、水能等。但这些转换都依赖于大量的基础科学研究和技术创新，以及大量的资金投入。在这个过程中，减排、捕集和抵消仍不失为实现净零排放的有效举措。

2  能源转型和可持续燃料

2.1 能源的分类

能源的分类有不同的划分标准，图1是按照能否从自然界直接获取进行分类。在可再生能源中，生物质能是唯一可以方便存储的能源形式[9]。

2.2 可持续燃料

可持续燃料，是指可以持续获得的燃料。一般认为，电气化通常是减少碳排放的最佳途径和最有效的方式，因为它避免了传统的化石燃料燃烧过程中过低的能效转换。而且如果使用的电是源自于诸如太阳能光伏发电或风力发电等的“绿电”，其排放几乎为零。因此，使用“绿电”应该是发展可持续燃料的最佳选择。当然这并不包括使用传统的化石燃料转换而来的作为二次能源的电力。但就目前的技术而言，由于电池的能量密度远未达到可以为水上、空中和陆上的长途运输工具等提供持久的动力，更可靠的应该是能量密度更高的化学能量载体的燃料，其中最具代表性和最简单的化学能量载体就是氢。事实上，氢作为一种燃料使用早已有成熟的技术。至于氢的来源，无论是天然气重整制氢技术还是通过电解水的方式制取氢气，都已实现了产业化，但仍无法满足减少化石燃料的使用和减少能耗的要求。特别是常见的采用化石燃料发电，再以电解水的方式制取氢的工艺路线，不仅不能减排，而且耗电量极大。再加上氢自身的局限性，虽然氢的单位质量能量密度很高，但单位体积能量密度却很低，使得氢的储存和运输极具挑战性，氢的应用场景也受到了很大的局限。

目前，来自欧盟的非生物源可持续燃料的概念则具有一定的启示性：先使用绿电制氢，然后用氢生产氢基衍生燃料。这种燃料也称为电转化燃料，欧盟将其称之为非生物源的可持续燃料（renewable fuels of non-biological origin，简称 RFNBO）[10]。其大致的技术路径如图2所示。其中，费托合成生产的燃料也叫电燃料，可以直接供现在的内燃机使用而无需做任何调整。

３ 生物燃料简介

3.1 生物质能和生物燃料

目前，传统的能源来源主要包括石油、煤炭、天然气等，具有不可再生性。而太阳能、风能、热能、水能等能源的开发利用则因具有可持续性而正在受到广泛的推崇和快速推进。同时，人们开始关注一种新的能源，即生物质能[9]。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的一种能量形式，它在整个能源系统中占有重要地位[11]。

根据世界能源署（IEA）的定义，生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物[11]。生物质种类繁多，按其表现形式分类，可以分为农业资源、林业资源、城市固体废物、能源作物、禽畜粪便、生物污水和工业有机废水等；按其主要成分可分为木质纤维素（自然界储存最丰富）、淀粉、糖类、油脂和甲壳素（螃蟹等甲壳类动物壳中提取）等。生物燃料，又称生物质燃料，是指以生物质作为原料制成的可替代能源[12]，具有可再生、低碳、环保、资源丰富等优势，被认为是未来能源的重要组成部分之一。欧盟对于生物燃料的定义为：由生物质生产的用于运输的液体燃料；而对于生物质燃料的定义为：由生物质生产的气体和固体燃料[13]。目前我们常规理解的生物燃料就等于欧盟的生物燃料与生物质燃料的总和。

常见的生物燃料有固体、液体和气体三种形式，见图3。

生物燃料是生物质能的一种具体商品形式，它与其他形式的生物质能的区别主要在于，生物燃料是经过处理、提取并制成的商品。相比之下，生物质能更为广义，包括生物能够提供的任何形式的能量，而不仅仅是作为一种燃料来使用[14]。比如，一根木柴直接燃烧，是生物质能的利用，如果进行加工处理后变成生物质颗粒，就是生物燃料。

3.2 生物燃料的特点与碳减排特性

生物燃料的性能主要取决于其原材料（生物质）的性质。由于生物质种类繁多，总量巨大，因而其具有原材料分布广、可再生、可存储、储量大和碳平衡的优点，同时也具有能量密度低、运输困难（运输成本在某些场景下可能高于其实际利用价值）、热值低等缺点，需要通过化学或生物技术等将其加工转化为固体、液体或气体等燃料形式再加以利用。

根据美国能源部的一项研究，车辆燃烧 100％生物柴油（B100柴油）与燃烧化石柴油相比，前者能够降低碳排放75％以上；即使燃用 B20 柴油（20％生物柴油），也能将碳排放降低15%。此外，使用生物柴油还能降低未燃尽碳氢化合物、一氧化碳、硫、多环芳烃、硝化多环芳烃、颗粒物等有害物质的排放[3]。

虽然生物燃料燃烧后也会产生碳排放，但生物燃料在生成热量和二氧化碳之后，又可通过植物及动物生长从大气中回收二氧化碳，从而实现碳在自然界的循环利用，降低碳排放。使用生物燃料代替部分化石燃料，直接减少了化石燃料的消耗，减少了碳排放[3]。

以原料是纤维素类生物质的生物燃料为例，生物燃料碳排为零包括以下两点：一是生物燃料中的碳来自植物的光合作用，燃烧排出二氧化碳后，可以被后续的植物生长再次吸收，实现碳循环；二是死亡的植物腐烂分解也会释放出二氧化碳，若将其作为燃料使用，最终并不会额外增加大气中二氧化碳的含量。

3.3 生物燃料行业产业链与市场分布

生物燃料行业产业链大致可以分为上游、中游、下游三块。

上游主要包括原材料收集与预处理、生产设备。原材料主要有：农业废弃物（秸秆、稻草等）、林业废弃物（木屑、树皮、树根等）、城市生活垃圾、工业废弃物、禽畜粪便等，其关键是提高原材料收集与预处理的效率。生产设备包括：发电机、生物质锅炉、其他生产设备。

中游是整个产业链的核心，将原料通过生物质转化技术（成型、液化、气化、厌氧发酵等）转化成中间产品，再将中间产品进一步加工形成最终的生物燃料产品。

下游是生物燃料的产品应用，主要用于热力发电、工业生产、农业生产、交通运输、居民生活等。目前，生物柴油已经以与矿物柴油部分混用的方式在海上航运船舶和陆上柴油车等领域进入规模化的试用阶段，应用效果良好。

目前，生物燃料市场可以分为四大市场：北美洲（美国）、中南美洲（巴西）、欧洲、亚太。

美国是生物燃料第一大生产与消费市场，以生物乙醇（第一代，原料为玉米、大豆等）为代表。巴西是生物燃料第二大生产与消费市场，以生物乙醇（第一代，原料为甘蔗等）为代表。美国、巴西的生物燃料大部分是自产自销。亚太是第三大生产市场，第四大消费市场；欧洲是第四大生产市场，第三大消费市场，欧洲需要从别的市场进口生物燃料。就生物柴油来说，目前印尼是全球第一大生产国，我国已经是全球第三大生产国，生产的生物柴油主要出口欧洲。

3.4 生物燃料生产的技术路径

生物燃料生产的技术路径可以分为物理转换、热化学转换、化学转换、生物转换[15]。其中：物理转换是指压缩成型技术，包括压缩成颗粒状和块状两种；热化学转换包括直接燃烧（热量或电力）、直接液化（液化油）、气化（生物质燃气）、热解（木炭或生物原油）四种；化学转换包括间接液化（甲醇）、酯化（生物柴油）等；生物转换包括水解、发酵（乙醇）、沼气技术（沼气）等。

生物质颗粒的生产原料以农业、林业残留物为主（未来可能以能源作物为主），来源非常广泛，包括玉米秸秆、棉花秸秆等各种秸秆，以及废旧木材等。整个生产过程比较长，但关键点包括将各种原料切成小的片状（条块状），然后再用粉碎机研磨成粉，以及通过制粒机高压压缩成型两方面。

在液体生物燃料的制备中，淀粉、糖类采用一种生产路径，油脂类采用另外一种生产路径，纤维素类则采用第三种生产路径。其生产路径的大致步骤见图4所示[16]。

由于液体生物燃料存储方便，因此，其产量最大，尤其以生物乙醇为代表。

生物乙醇的生产技术迭代：

第一代的生物乙醇是以玉米、大豆、甘蔗为原料生产的乙醇，生产工艺和技术成熟。但由于大规模推广应用存在“与人争粮、与粮争地、与畜争料”等问题而备受争议。

第二代的生物乙醇是将纤维素类的原料（农业、林业残留物）通过特定的工艺和技术实现层层转化，最后生成生物乙醇[15]。这种生物乙醇已经进入产业化试验阶段，可以实现规模化生产。但由于存在原料处理成本高和炼制效率低的问题，大规模商业应用尚需时日。

第三代的生物乙醇是从微藻中进行提炼得到，目前处在研究阶段[15]，未达到工业化生产水平。其面临收获难度大，成本高的商业化瓶颈。

第四代的生物乙醇结合了基因编辑和纳米技术，不仅可以从生物质中提取能源，还能有效捕获和存储大气中的二氧化碳，对抗气候变化[15]。

从第二代至第四代的生物乙醇技术都具有很好的发展前景。目前，在欧盟的分类中，第二代以后的生物燃料被称为先进生物燃料，其发展和应用受到政策和资金的支持。

４  生物燃料发展前景

英国能源研究院（The Energy Institute）发布的最新《2024年世界能源统计年鉴》显示：2023年，全球各类能源占比分别为煤炭（32%）、石油（23%）、天然气（26%）、核电（4%）、水电（6%）、其他可再生能源（8%）[17]。汇总相关能源占比可以看出，化石能源（煤、石油、天然气）占比81%，可再生能源（水电+其他可再生能源）占比 14.6%。而在可再生能源中，生物质能源占 50%，是水能、风能、太阳能、地热能的总和[18]。

国际能源署在2024年的能源年鉴中，对在不同的政策情景下清洁能源（可再生能源）的使用占比做了预测，见图5[19]。 其中，STEPS为既定政策情景，APS为碳中和承诺情景，NZE为净零排放情景。

根据预测，至2050年，按照既定政策，清洁能源的占比要达到 42%。而按照碳中和的承诺，清洁能源的占比要达到 75%。从净零排放要求看，清洁能源的占比要达到90%[19]。但目前，清洁能源的占比仅为14%，而按照既定的路线图，2050年清洁能源的占比应该是42%，是目前实际占比的三倍。由此可见，人类实现碳中和和净零排放任重而道远。其中，加快清洁能源的开发和利用更是当务之急。

从能源总量及消耗量来看，根据世界自然基金会预计，全球生物质能潜在可利用量达 350 EJ/年，约 117 亿吨标准煤，约占2023年全球一次能源总消费量的84%[18] 实际使用量占总消费量7%左右），开发潜力巨大。我国生物质资源丰富，年产量约为45.3亿吨。但受制于生物质资源分布不均匀、收储运成本高等因素，2022年我国仅有4.61亿吨生物质资源得到了资源化利用，利用率不足12%，还有很大的利用潜力[20]。

由于生物燃料的碳减排特性以及生物燃料的开发潜力巨大，各国在相关产业政策上都表现了积极的态度，如美国的《国家生物燃料行动计划（NBA）》、《可持续航空燃料大挑战路线图》，欧盟的《可再生能源指令（修订版）》（RED II），巴西的《国家乙醇计划》、《生物柴油法》、《强制混合燃料法律》、《国家生物燃料发展规划》。我国的《中华人民共和国可再生能源法》（2005年）因新的能源法（2025年1月1日施行）也将进行配套修订。

欧盟一直是可持续发展的引领者，在欧盟市场，鼓励使用可再生能源的法律文书《可再生能源指令（修订版）》（RED II）中引入了一套“可持续性和温室气体减排标准”，其必须获得满足才能实现生物质零排放的评级[13]。欧盟碳市场和碳边境调节机制（CBAM）下的监测规则要求生物质零排放评级必须满足该标准，否则，相关排放将被视为来自化石来源。

未来数年，生物燃料技术的发展趋势将更加多元化。生产成本的逐渐下降和使用技术的改进，推动着生物燃料技术不断向前发展。目前，生物燃料技术的重点在于优化生产工艺和研究开发高效的原料[9]。

除了生产成本和原料优化之外，生物燃料振兴还需要技术革新和政策推动。随着技术和科研的不断发展，生物燃料技术将在生产成本、原料利用率和应用领域等方面得到不断提高和创新。当然，政策和市场的支持也是产业腾飞和可持续发展的关键，目前各国在政策方面都展现出积极的姿态，也给予生物燃料一定的“绿色溢价”（补贴）支持。但生物燃料要想获得“绿色溢价”，应该需要满足一定的标准和认证规则才能获得。

5 结语

在净零排放的实现路径中，能源转型是当下的必然选择。在能源结构优化过程中，生物燃料有助于减少对化石能源的依赖，推动能源结构从高碳向低碳转型，增强能源系统的韧性和可持续性。生物燃料作为一种可再生、低碳的能源形式，其意义不仅体现在气候行动中，更可延伸至资源高效利用、废弃物减量化、农村经济振兴以及环境质量改善等多重领域，为可持续发展注入新动能。在经济与社会效益方面，生物燃料的开发和利用能够带动农业、林业、废弃物管理等相关产业发展，创造就业机会，促进区域经济均衡发展。

展望未来，随着原料革新、技术突破和政策支持的深化，生物燃料的生产效率与经济性将显著提升，应用场景也将进一步拓宽。同时，国际合作与标准化体系的完善将加速生物燃料的全球化技术革新，推动其成为能源转型的中坚力量。生物燃料必将在实现碳中和的征程中发挥不可替代的作用，为构建绿色低碳的能源未来奠定坚实的基础。