中国微藻生物柴油全生命周期2e&w分析

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1、申请上海交通大学博士学位论文中国微藻生物柴油全生命周期“2E&W”分析学科专业：动力机械及工程作者姓名：张庭婷学号：0090209101指导教师：黄震教授上海交通大学机械与动力工程学院2014年7月万方数据Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversitySTUDYONLIFECYCLE“2E&W”ANALYSISOFMICROALGALBIODIESELINCHINAAuthor:ZhangTingtingAdvisor:Prof.HuangZhenSpecialty:PowerMachineryandEngineeringS

2、choolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityJuly,2014万方数据万方数据万方数据万方数据摘要中国微藻生物柴油全生命周期“2E&W”分析摘要当今世界，因过度依赖化石能源引起的能源安全、环境污染、全球变暖及水资源枯竭等问题已成为全世界共同面临的挑战。开发利用新能源逐步成为替代传统化石能源的重要手段，发展非粮生物燃料被认为是开发新能源的重要路线。微藻因其具有生长速度快、产油效率高、不与农作物争地等特点，被誉为第三代生物质原料，并主要用于生产生物柴油。我国已将微藻纳入了生物质能发展规划，利用微藻进行生物柴油的生产具有重要的现

3、实意义，但仍需结合我国的资源特点进行系统的评估。本文在建立了生命周期能源消耗、环境排放和水足迹评价方法的基础上，首先根据我国不同地区的资源特点和气候特征分析了各地区发展微藻生物柴油的潜力。随后选取了一个最适合微藻生长的地区作为代表，设计了一个日消耗34ton干藻的生物柴油综合炼厂模型，并从生命周期的角度评价了微藻生物柴油的能源消耗及温室气体排放（Greenhousegasemission,GHG），同时比较了我国五大微藻适宜产区生产生物柴油的能耗及GHG排放。最后从生命周期水足迹的角度出发，将微藻生物柴油同我国正全面推广的几种非粮燃料路线进行了综合对比。I万方数据摘要结合我国各地区的水

4、资源及气候特征，本文对我国微藻生物柴油生产潜力做了评估。当采用户外开放式跑道池培养微藻时，我国微藻生物2质年均生长率在夏冬两季时分别为15.6和9.1g/m/d。从区域分布来看，我国东北及北方大部分区域并不适合发展开放池培养微藻，适宜开放式跑道池培养微藻的区域主要集中在中南部大部分区域，特别是我国东南沿海和海南这些地区，微藻生物柴油每公顷的年产量则为4200～5000L。本文所设计的微藻生物柴油综合炼厂模型包括微藻培养反应池、微藻收获脱水、油脂提取、厌氧发酵等单元。对微藻生物柴油进行全生命周期能源消耗和环境排放分析可知，在当前我国的能源结构下，微藻生物柴油的全生命周期总能耗比传统柴油高

5、94.6%，化石能耗高3.6%，石油资源消耗低约96.2%，温室气体排放减少23.6%。若未来我国电力结构中可再生能源比例提高或全使用可再生能源后，微藻生物柴油的生命周期能耗与GHG排放将可进一步降低。微藻脱水单元是能耗和GHG排放最集中的过程，其次为微藻培养过程和油脂提取过程。微藻生物柴油生产过程中产生的副产品可为整个生命周期能耗和温室气体排放带来收益。从我国几个代表区域间的微藻生物柴油净能效和温室气体排放分析可知，净化石能效和温室气体排放与各个地区的电力结构及微藻生长率密切相关。火电比例越高的地区，所投入的化石燃料越多，温室气体排放也就越多。海南、两广及福建沿海地区以及浙江安徽等地

6、从净化石能效和GHG排放的角度来看，均适于发展微藻生物柴油。II万方数据摘要从水足迹的分析结果可知，木薯乙醇、甜高粱乙醇、麻风树生物柴油和微藻生物柴油的生命周期水足迹分别为3708、17156、5787和331361m/ton。对每条生物燃料路线而言，作物种植阶段对生命周期水足迹的贡献最大。从水足迹构成形式来看，对三种陆生作物而言，相比蓝水和绿水，灰水足迹占总水迹的比例均在80%以上。微藻生物柴油路线中，灰水和蓝水足迹的比例各占50.4%和48.8%。化肥等营养物的大量投入是造成高水足迹的主要原因，减少肥料的使用可显著降低灰水足迹。若微藻培养过程中的淡水被废水取代时，微藻的水足迹将进一

7、步降低。综上所述，开放式培养微藻在我国有一定的潜力。从生命周期的角度来看，虽然微藻生物柴油目前在总能耗方面高于传统柴油，化石能耗与传统柴油接近，水足迹也高出其他几种生物质燃料，但微藻生物柴油在石油资源消耗和温室气体排放方面优于传统柴油，是有发展前途的石油替代燃料。关键词：微藻，生物柴油，生命周期评价，能源消耗，温室气体排放，水足迹III万方数据ABSTRACTSTUDYONLIFECYCLE“2E&W”ANALYSISOFMICROALGALB