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蘇小軍1，熊興耀1，譚興和2，劉明月1
(1.湖南農業大學園藝園林學院，湖南長沙410128；2.湖南農業大學食品科技學院，湖南長沙410128)
摘要：我國能源安全正面臨嚴峻挑戰，潔凈的可再生能源燃料乙醇被認為是化石能源的理想替代物。首先介紹了馬鈴薯的基本屬性和以其為原料生產燃料乙醇的必要性；其次在同其它幾種原料比較了生產性能的基礎上，認為發展馬鈴薯燃料乙醇具有一定的優勢；最后指出以馬鈴薯為原料生產燃料乙醇在我國有較好的產業化前景。
能源是經濟和社會發展的基本動力。長期以來，盡管煤、石油和天然氣的應用大大推動了我國的經濟發展和社會進步，但其資源卻在不可逆消耗當中，無法實現能源的可持續發展。按照已探明的儲備量和開采速度推算，我國石油的平穩供應只能維持將近30a，天然氣不足60a，煤炭不足100a。
同時，石油等化石能源的消費也帶來了嚴重的環境污染問題。我國2001年能源消費的CO2排放量約為31.12×108t，占全球能源消費CO2排放總量的13.14%，占我國CO2排放總量的90%以上，已成為僅次于美國的世界第二大溫室氣體排放國。大城市污染物中，40%以上的氮氧化合物、80%以上的一氧化碳和70%以上的碳氫化合物均來自汽車尾氣排放，而汽車尾氣正是來自汽油的燃燒。我國SO2的排放量已位居世界第一位。煤炭燃燒則是SO2排放的主要來源，占全國大氣塵埃總排放量的87%。SO2排放后所形成的酸雨區和污染區已達我國國土面積的40%以上。可見，我國能源安全正面臨嚴峻挑戰，發展潔凈的可再生能源已成為可持續發展的必然選擇。
燃料乙醇是指未加變性劑的、可作為燃料用的無水乙醇，也稱燃料酒精。它是以生物質為原料，通過發酵法，再經蒸餾、脫水得以制成。燃料乙醇既可直接作為燃料，也可以作為汽油的添加劑，替代石油等化石能源，廣泛應用于燃料、電力、醫療、化工等領域。
燃料乙醇是一種清潔的可再生能源，在它的整個生產與使用循環中，可以實現CO2的自身平衡，不增加溫室氣體的排放。而作為車用燃料，它具有以下兩個方面的優點：一是辛烷值高，抗爆性能好；二是氧含量較高，添入到汽油中后，可增加汽油的含氧量，使其燃燒更充分，從而降低尾氣中一氧化碳、碳氫化合物等有害物質的排放。研究表明，往汽油中加入10%的燃料乙醇后，可使其辛烷值提高3%，含氧量增加3.5%；尾氣中一氧化碳排放量減少30%以上，碳氫化合物排放量降低10%以上。
“十五”期間，我國將燃料乙醇的發展列為十大重點工程之一，并投資50余億元，批準建立4個以消化小麥、玉米等陳化糧為主要目標的燃料乙醇企業，年總生產能力超過100萬t。按照“十五”規劃，我國發展燃料乙醇分三步走：第一步以陳化糧為原料生產燃料乙醇，并作為含氧添加劑在汽油中摻入10%；第二步在有條件的省區利用當地優勢資源進行燃料乙醇生產；第三步就是利用植物秸稈、稻殼等纖維素生產燃料乙醇，并全面推廣。
1馬鈴薯的基本屬性
馬鈴薯又名土豆、山藥蛋等，在我國分布極其廣泛，北起黑龍江，南至南海諸島，東抵沿海之濱和臺灣省，西到青藏高原和新疆，均有種植。由于豐產性好、適應性廣、耐旱耐瘠，馬鈴薯已逐步成為人類重要的糧食、蔬菜、飼料和工業原料。
馬鈴薯塊莖中含豐富的淀粉，高則可達其鮮重的30%以上。皮層和淀粉層中含豐富的含氮物質，這對于微生物發酵有很重要的作用，可供給酵母菌養料，所以馬鈴薯是天然良好的培養基。從淀粉結構上來看，馬鈴薯淀粉顆粒較大，平均粒徑在30～40μm，微結晶結合力較弱，結構松散，吸水膨脹力大，易于糊化。此外，馬鈴薯淀粉分子中還含有親水性較強的磷酸基，也使得其易于吸水膨脹。因此，馬鈴薯可作為燃料乙醇生產的理想原料。薯塊、碎塊、剔除的、未成熟的和受傷的馬鈴薯及馬鈴薯廢棄物等均可被轉化成乙醇。
2馬鈴薯燃料乙醇的發展機遇
2.1是進一步擴大我國燃料乙醇產業的需要
我國是一個能耗大國，隨著經濟的持續快速增長，能源消費總量也在不斷增加。“十一五”期間，我國經濟計劃保持7.5%左右的增長速度，依據能源消費彈性系數進行計算，能源消費增長速度將維持在3.375%的水平。如果設定2010～2020年我國GDP平均增長速度在7%左右，則計算得出2010～2020年期間我國能源消費的增長速度為2.8%。由此推測可知，2010年我國能源需求量將達到25.47億t標準煤，2020年將達到33.57億t標準煤。可見，我國能源供應正面臨著越來越大的壓力。
按照《變性燃料乙醇及車用乙醇汽油“十一五”發展專項規劃》，“十一五”期間，我國將生產燃料乙醇500萬t，到2020年生產燃料乙醇1500萬t。目前，我國燃料乙醇的總生產能力還不足200萬t，遠遠未達到國家的總體需求。因此，無論是為了滿足車用燃油的需求，還是為了緩解能源的供應壓力，進一步擴大燃料乙醇產業已成了我國能源可持續發展的必然要求。
2.2符合燃料乙醇生產原料多樣化的要求
“十五”期間，我國以玉米、小麥等陳化糧為原料生產燃料乙醇的目的是為多余糧食的消費找到一條新途徑，增加農民的收入和生產的積極性，同時也可減輕國家保存舊糧的負擔，目前這一任務已基本完成。現階段我國燃料乙醇的生產已經開始使用新糧。為了保障國家糧食安全，發改委明確指出，我國燃料乙醇的進一步發展，不能再用主要糧食作物為原料，需建立新的生產體系，實現原料多樣化。
以發展的眼光看，最終解決燃料乙醇大量使用時的原料問題，就必須依靠生物技術等高新技術的發展，通過篩選種植高能、高產生物資源，利用我國大量的農業和工業廢棄物資源，實現纖維素燃料乙醇生產的商業化。但是，在此之前，包括目前乃至今后較長一段時間，開發糧食替代資源，如薯類、甘蔗、甜高粱等經濟作物，才是解決我國目前燃料乙醇生產成本高、原料有限的根本出路。
2.3更加有效地拓展馬鈴薯深加工業
我國是世界最大的馬鈴薯生產國，擁有豐富的馬鈴薯資源。據聯合國糧農組織(FAO)的統計，2005年全世界馬鈴薯的種植面積為1865萬hm2，總產量為32197萬t，我國的種植面積為440萬hm2，總產量為7377萬t，約占全世界的23%。并且在未來幾年里，由于農業產業結構的調整，比較效益明顯的馬鈴薯種植面積將會大幅度增加。此外，由于耕作方式的改變，如南方冬閑田的利用，也會使我國馬鈴薯的種植面積快速增長。
盡管我國馬鈴薯的生產居世界第一位，但加工業卻很薄弱。與發達國家相比，我國馬鈴薯的精深加工業只是剛剛起步，且產品主要為附加值低的初級加工品，真正用于附加值高產品生產的馬鈴薯所占比例很小；而發達國家如美國卻高達50%，深加工企業多達300多家。從行業利用上看，發達國家80%的馬鈴薯淀粉用于醫藥、紡織、造紙及能源工業等領域，而我國目前90%的馬鈴薯淀粉是用于食品和飼料工業。因此，面臨當前形勢，如何以創新的思路更加有效地發展我國馬鈴薯深加工業，是迫切需要解決的問題。
3馬鈴薯生產燃料乙醇的性能比較分析
3.1單位面積燃料乙醇產量的比較
根據淀粉水解成葡萄糖再轉化為乙醇的化學反應過程，可以推算出，1t淀粉理論上可產無水乙醇0.5679t。從表1可以看出，馬鈴薯、甘薯和木薯單位面積乙醇產量較高，小麥最低，玉米其次(均取平均值進行比較，下表同)。
3.2生產燃料乙醇的原料成本比較
由表2可以看出，每生產1t燃料乙醇，所需小麥的原料成本最高，其次為玉米；與前兩者相比，馬鈴薯、木薯和甘薯的則較低，具有明顯的比較優勢。
3.3生產燃料乙醇的綜合比較
不同類型原料單位面積乙醇產量穩定性相對較好，權重系數定為60%，分值界定為60～100分。木薯的乙醇產量最高，定為100，小麥的最低，定為60，其余按比例取值。由于原料價格影響因素多，敏感性強，變動性較大，因此原料成本的權重系數定為40%，分值界同樣為60～100分。木薯最低，定為100，小麥的最高，定為60，其余按比例取值。單位面積乙醇產量和單位乙醇原料成本均按表1和表2中平均值計算。
綜合比較結果按所得分值大小依次為：木薯100、馬鈴薯95、甘薯94、玉米77、小麥60(表3)。需要指出的是，由于原料價格影響因素多，敏感性強，如果價格略有變化以及權重系數的變化，目前比值接近的原料類別的排序將會發生變化。
4結束語
能源、環境和“三農”問題是長期困擾我國經濟社會發展的三大重要問題。發展燃料乙醇產業不僅有助于保證我國能源供應安全，改善生態環境，而且還能拓寬農業服務領域，為農民增收開辟新途徑。因此，“十一五”期間，進一步發展燃料乙醇產業，對于構建我國能源安全新體系和促進社會和諧發展，具有重要的現實意義和戰略意義。
乙醇作為燃料，不僅可作為高端產品用于車用燃油領域，而且還可作為低端產品用于替代工業燃煤和民用燃料，如用于鍋爐和酒精爐。前者對乙醇的純度要求較高，生產的工藝復雜，成本高；而后者則要求較低，生產的工藝簡單，成本低。從市場需求來看，無論是乙醇的高端產品，還是低端產品，在我國都有巨大的市場潛力。因此，進一步發展燃料乙醇產業，拓寬生產途徑，也是我國經濟社會發展的需求。
原料問題是我國燃料乙醇產業進一步發展所需要解決的首要問題。目前由于受成本高、環境污染大等因素限制，纖維素燃料乙醇的產業化前景還不明朗，糖質和淀粉質仍是生產的主要原料來源。我國馬鈴薯不僅資源豐富，而且發展潛力巨大。我國南方現有水稻種植地約2000萬hm2，在冬季，除了少部分用于種植油菜外，其余大部分都處于閑置狀態。
如果拿一部分這些冬閑地，假設為700萬hm2來種植馬鈴薯，則可使我國的馬鈴薯種植面積翻一番多。按667m2產2t計算，則可生產馬鈴薯2億t，進而可產燃料乙醇2000萬t以上。若讓這些冬閑田全部種上馬鈴薯，則生產出的燃料乙醇比我國汽油的年消費總量還多。目前，這種南方冬閑田馬鈴薯栽培技術已經成熟。此外，南方地區還有大量的山丘荒地可發展馬鈴薯種植業。因此，在原料供應的規模和潛力上，馬鈴薯符合我國燃料乙醇產業進一步發展的要求，可為原料多樣化開辟一條新途徑。同時，與傳統原料玉米和小麥相比，從上述分析可知，無論是在乙醇產量還是生產成本上，以馬鈴薯生產燃料乙醇均具有明顯的比較優勢。而作為一種替代能源，馬鈴薯燃料乙醇的發展具有以下幾個方面的優勢：一是馬鈴薯適應性強，種植范圍廣，全國各地都可種植。二是馬鈴薯光合效率高，生物產量大，可生產大量的原料，形成產業；三是馬鈴薯耐干旱、耗水少，種植技術容易掌握，生產成本較低；四是馬鈴薯既可作為糧食，又可以轉化成能源，糧食不足時它是糧食，糧食有余時它可加工成燃料乙醇，能夠把國家糧食安全和能源安全有機地結合起來；五是能夠促進農業結構調整，提高耕地的生產效率。
此外，發展馬鈴薯燃料乙醇產業也為馬鈴薯的消費、產品的轉化和增值提供了一個新的渠道，可形成一個新的經濟增長領域。它還可帶動馬鈴薯種植業的發展，最終形成一個馬鈴薯大產業，在推動我國經濟發展中發揮重要作用。同時，馬鈴薯燃料乙醇產業能直接為農民創造收入，讓他們能夠從農業生產中獲得實實在在的利益。
綜上所述，利用我國的馬鈴薯資源優勢，進一步發展燃料乙醇產業，對于構建國家能源、糧食安全新體系，建設社會主義新農村和促進馬鈴薯產業健康發展有重要意義，前景十分廣闊。 |
