纤维素乙醇领域国际发展态势分析报告

纤维素乙醇领域国际发展态势分析中国科学院国家科学图书馆分馆地址：四川省成都市一环路南二段16号；_610041 ：028-85228846； ：2010年1月41 / 46纤维素乙醇领域国际发展态势分析云伟 王春明 丁君 方 邓勇（中国科学院国家科学图书馆分馆 610041）摘要：2009年，发展“低碳经济”成为全球共同关注的重点。以纤维素乙醇为代表的下一代先进生物燃料正在成为新世纪特别具有发展前景的新型能源。发展纤维素乙醇燃料对于解决全球能源危机，应对气候变化具有重要意义。美国、欧盟等国家和地区积极采取措施，大力推进纤维素乙醇燃料的研发和商业化。本报告分析了国际上各国发展纤维素乙醇的相关政策、规划与行动，总结了纤维素乙醇生物燃料的研发进展与关键技术，解析了美国政府的研发布局以与国际重要纤维素乙醇生产企业的现状与特点，展示了纤维素乙醇的发展前景以与存在的问题与争议。政策、规划与行动：（1）美国从政府层面积极推动纤维素乙醇发展。政府早在2006年专门制定了“纤维素乙醇研究路线图”，明确规划了纤维素乙醇的“三个五年”发展战略；2008年美国能源部和农业部联合推出国家生物能源行动计划，支持纤维素乙醇的基础研究和应用研究；2009年奥巴马政府出台美国复兴与再投资计划，强调大力发展先进生物燃料；美国清洁能源安全法案要求美国温室气体排放量到2020年时，在2005年的基础上减少17%，到2050年时减少80%以上；美国能源部和农业部通过复兴计划、农业法案、能源法案等，为纤维素乙醇项目提供或追加经费资助，支持建设和发展生物燃料生产示厂，以尽快实现纤维素乙醇的商业化。（2）加拿大政府先后出台了气候变化行动计划、加拿大可再生燃料战略、生物燃料生态能源计划等计划，推进纤维素乙醇的原料种植、生产示和商业化，以发展纤维素乙醇燃料。（3）2009年欧盟在投资开发低碳能源技术建议中呼吁发展必要的技术以应对气候变化，包括促使最有前途的下一代生物燃料技术商业化。未来10年欧盟将在生物能源和生物燃料方面投资约90亿欧元，致力于建立适当规模的示工厂、前商业化示或完整的产业化生产。（4）2009年英国生物科学与技术理事会投资兴建了6个纤维素乙醇生物燃料研究中心，将为英国的可持续生物能源行业利用非粮植物燃料替代石油提供科学支撑。（5）日本、澳大利亚和印度也采取积极措施，发展纤维素乙醇生物燃料。如，日本成立了纤维素乙醇联盟，共同研究和开发纤维素乙醇生产技术。研发进展与关键技术：（1）在纤维素原料的开发方面，各国认识到生物质原料的应用潜力，并且开始关注生物燃料对土地利用和生态系统的影响，以与可能引发的各种社会和环境问题。纤维素生物质原料的生产与供应面临着生物质资源生长习性、地理分布、收集、运输和存贮、以与生物多样性、气候变化和生态环境影响的挑战。该领域需要开展生物质资源的评价、优选、规模化种植研究与技术分析。（2）在纤维素原料预处理方面，主要技术难点包括如何减少糖的降解和控制抑制剂的生成，如何控制化学品、能源和水的消耗，减少废弃物。其中氨气爆破法将是一个颇具前景的技术。（3）在纤维素的酶水解方面，对酶的过度依赖以与酶成本过高已被认为是纤维素乙醇商业化生产的最大瓶颈，改进性研究包括提高酶的产量、增加混合酶的效率和实现高温水解等。（4）在纤维素水解物发酵方面，关键是解决纤维素水解过程中产生的抑制物对发酵的抑制作用以与高效利用混合糖类物质进行发酵。统合生物工艺（CBP）等整合技术研究需要得到重视。（5）通过对纤维素乙醇的水解生产技术的专利文献分析发现，近两年的专利申请数迅猛增长，这印证了对纤维素乙醇不断提升的国际关注度。分析还发现，该领域专利更倾向于集中在个别国家（地区）寻求保护。中国和美国已经成为纤维素乙醇水解生产技术的主要专利申请受理国家。中国机构的专利申请数也在显著增长，中国科学院、中粮集团和首都师大学进入全球前十。专利主题图分析发现，原料的预处理以与对发酵过程所需酶与其表达体系（如利用木糖生产乙醇）的研究已经得到越来越多的重视。研发布局：（1）美国能源部和农业部是美国政府制定实施发展纤维素乙醇等下一代先进生物燃料战略的重要管理机构。为推进下一代先进生物燃料的研发，美国政府还设立了生物质研发委员会和生物质研发技术咨询委员会，并成立了由农业部、能源部、环保部共同领导的生物燃料跨机构工作小组，负责制定全美生物燃料市场开发计划、运输政策与进行原材料生产的可持续性评价。美国能源部主要通过能源效率与可再生能源办公室统一协调开展生物燃料的相关研发项目，负责部署联邦政府在能源效率与可再生能源方面研发与投资，提高能源效率与生产率，向市场提供清洁能源技术。能源部下属17个国家实验室，还先后成立了4个国家生物质能中心，以开发新型高效的植物纤维素乙醇生产技术以与其他生物燃料新技术。美国农业部主要通过农业研究服务局（ARS）协调管理生物能源的原料资源开发与原料加工与转化技术。ARS下设4个应用研究中心和100多个实验室，主要在生物能源与替代能源国家项目下开展生物能源领域的研发工作。为便于协调和推动生物能源的研发转化与市场化，农业部还牵头成立了生物基产品与生物能源协调委员会，实现信息共享和统一规划，提供政策咨询建议。在这一管理框架下，美国能源部和农业部相继推动开展了大量纤维素乙醇的研发项目。（2）报告还分析了全球重要的纤维素乙醇生产企业的研发状况与特点。其中加拿大Lignol公司已经启动了一套以林业废弃物木屑为原料的纤维素乙醇中试装置，采用其特有的专利技术，实现了纤维素乙醇生物精炼生产的全过程。加拿大Iogen能源公司拥有世界上首座农业残余物生产纤维素乙醇的示工厂，成为第一个在加油站零售纤维素乙醇混合燃料的生产商。美国杰能科公司推出了专为生产第二代生物燃料而研制的商业化纤维素酶，并与杜邦公司共同建设了纤维素乙醇中试工厂，验证以非粮原料生产纤维素乙醇的高效方法。2009年该公司获得美国化学工程学会颁发的国家可持续能源奖。发展前景与争议：纤维素乙醇的商业化潜力取决于原料成本与降解性、转化成本和效率以与产品收益。应加强对包括联合生物加工、快速高温裂解、综合乙醇精炼厂、纤维素生物质的替代应用在的新兴技术的研发。得益于国家政策和项目的支撑，我国的纤维素乙醇研发工作已经取得了较好的成绩，我国机构近年的专利申请数处于世界领先地位，在产业研究上也取得了可喜的成果。已有研究说明，美国的纤维素乙醇目标是可以实现的。然而，目前对发展纤维素乙醇也存在一些值得关注的问题与争议。例如，对纤维素乙醇实际碳减排效果与节能环保的质疑，对森林破坏、环境破坏、土地利用与资源竞争等问题的担忧。此外，纤维素乙醇工业的发展还可能遇到原料供应与产业技术的阻碍、供求关系的影响、以与其他替代能源的竞争。关键词：纤维素乙醇 生物质 纤维素酶 发酵 水解 热化学转化 专利分析 目 录1 引言12 国际纤维素乙醇研究的政策、规划与行动12.1 美国22.1.1 纤维素乙醇路线图32.1.2 国家生物能源行动计划42.1.3 美国复兴与再投资计划52.1.4 美国清洁能源与安全法案72.1.5 2009年美国政府对纤维素乙醇生物燃料研发进行的其他资助计划72.1.6 美国在建的纤维素乙醇项目72.2 加拿大82.2.1 加拿大政府发展纤维素乙醇燃料的政策举措82.2.2 2009年加拿大政府出台实施的部分激励措施92.3 欧盟102.3.1 欧盟资助第二代生物燃料研究计划102.3.2 欧盟委员会投资90亿欧元发展生物能源112.4 英国112.5 其他国家122.5.1 日本122.5.2 澳大利亚122.5.3 印度123 纤维素乙醇国际研究进展与关键技术分析123.1 纤维素生物质原料的生产与供应技术123.1.1 纤维素生物质原料的种类和特性123.1.2 纤维素生物质原料的研究与开发143.1.3 纤维素生物质原料生产与供应面临的挑战153.2 水解生产纤维素乙醇技术153.2.1 水解生产纤维素乙醇的技术发展15（1） 纤维素原料预处理技术现状、难点与突破16（2） 水解技术现状、难点与突破16（3） 发酵工艺的关键问题与技术难点17（4） 水解生产纤维素乙醇的经济性183.2.2 水解生产纤维素乙醇的专利分析18（1） 水解生产纤维素乙醇专利年度发展态势19（2） 水解生产纤维素乙醇专利国际布局20（3） 水解生产纤维素乙醇专利机构分布22（4） 水解生产纤维素乙醇专利发明人分布23（5） 水解生产纤维素乙醇专利引证分析23（6） 水解生产纤维素乙醇专利主题领域分布图263.3 热化学转化技术27（1） 新技术发展与突破27（2） 产业现状与经济性284 研发布局284.1 美国政府机构的研发布局284.1.1 美国能源部28（1） 美国能源部开展纤维素乙醇研发的总体布局28（2） 美国能源部在纤维素乙醇领域的研究进展294.1.2 美国农业部29（1） 美国农业部开展纤维素乙醇研发的总体布局29（2） 美国农业部在纤维素乙醇领域的研究进展304.2 重要企业的研发态势分析324.2.1 Lignol公司32（1） 现有的纤维素乙醇生产技术32（2） 研发中心与示工厂32（3） 项目开发324.2.2 Iogen公司33（1） 现有的纤维素乙醇生产技术33（2） 示工厂33（3） 项目开发334.2.3 Genecor公司33（1） 领先技术33（2） 纤维素酶研发重大事件345 前景与展望345.1 纤维素乙醇研发值得关注的问题与新兴技术345.2 中国纤维素乙醇的发展潜力355.3 针对纤维素乙醇发展的前景分析与争议365.3.1 Sandia称美国纤维素乙醇目标可以实现365.3.2 有关纤维素乙醇发展前景的争议37（1） 美国海洋生物学实验室发现纤维素乙醇可能带来更多的碳排放37（2） 美国可再生能源联合会担忧森林破坏和肥料滥用37（3） 科学杂志指出联合国和欧盟忽视了森林保护与土地利用问题37（4） 美国环保协会首席科学家汉堡指出纤维素乙醇带来资源竞争37（5） 对纤维素乙醇节能环保的质疑37（6） 美国生物技术工业组织艾瑞克森指出：植物原料难以为继37（7） 壳牌公司斯韦尼指出：产业化技术也是“拦路虎”37（8） 供求关系和油价也会影响生物燃料的吸引力38（9） 纤维素乙醇进入市场面临的阻力38（10） 其他替代能源的竞争不可忽视386 参考文献381 引言纤维素乙醇是第二代生物燃料，是指以纤维素（来自农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣、柳枝稷与芒草等多年生草类植物等）为原料生产的乙醇。有研究指出，每单位纤维素乙醇所产生的能量是其生产过程中所消耗能量的7.7倍，温室气体的排放最多可降低96（国际新能源网，2009）。在全球面临着能源依赖度的提高、温室气体排放的增加以与因国际能源市场价格波动而带来的风险面前，世界多国纷纷开始实施新的能源战略，强调发展各种可再生能源。由于生物质是唯一能直接被用于生产各种替代交通运输燃料（特别是乙醇）的来源，美国佛罗里达大学的森林资源专家Dwivedi教授（2009）认为，在多种可再生能源（生物质、太阳能、风能、地热能、潮汐能等）中，生物质被列为首选。然而，利用粮食作物生产乙醇引起人们对粮食安全与环境影响的忧虑，因此大多数石油进口国家对利用纤维素生物质为原料生产乙醇产生了浓厚的兴趣，纤维素乙醇被看做是颇具前景的环境友好的新型能源。与使用玉米和大豆等粮食作为原料的第一代生物燃料相比，纤维素乙醇的最大优势在于避免了“道德风险”，一旦产业化生产，纤维素乙醇可以解决“与人争粮”的问题，还可以变废为宝（马吉英，2009）。最近几年，尤其是从2007年以来，对纤维素乙醇的关注以与研发热情在全世界围空前高涨，以美国为首的世界多国开始在政府层面上通过政策、规划、计划和项目等形式推动纤维素乙醇的发展。例如，美国政府已经出台了多种政策，用于激励纤维素乙醇的生产，2007能源独立与安全法案制定的目标是到2022年每年以纤维素原料生产210亿加仑生物燃料（Dwivedi，2009）。在美国政府补贴政策的激励下，许多私营企业已经开始投资纤维素乙醇的生产（Dwivedi，2009）。美国能源部的一项系统分析项目提出，到2030年美国将年产900亿加仑生物燃料，其中750亿加仑为纤维素乙醇（Sandia国家实验室，2009）。目前，在美国已有总计达1200万升/年的纤维素乙醇装置投运，另有8000万升/年的装置在建设中（钱伯章，2009）。在加拿大，已有600万升/年的纤维素乙醇能力投运。在欧洲，拥有投运纤维素乙醇装置的国家有德国、西班牙和瑞典，有1000万升/年的装置在建设中（钱伯章，2009）。预期到2012年底，美国纤维素乙醇的年产量将达到4.05亿加仑，主要技术将是酶水解、同步糖化发酵和气化催化转化三种转化技术。迄今为止，美国政府已经通过各种资助支持现有纤维素乙醇生产商，并认为到2012年底，纤维素乙醇生产将被证明具有商业化能力（Dwivedi，2009）。我国可再生能源中长期发展规划指出，今后将不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，积极发展非粮生物液体燃料。从长远考虑，要积极发展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。到2010年，非粮原料燃料乙醇利用量达200万吨/年；到2020年，达1000万吨/年（钱伯章，朱建，2009）。目前的纤维素乙醇转化技术大体可被分为水解和热化学转化两大类，在水解步骤中，原料中的多糖（纤维素和半纤维素）被降解为自由的糖分子（葡萄糖、甘露糖、半乳糖、木糖和树胶醛糖）。这些自由糖分子经发酵生产乙醇。在热化学转化步骤中，原料被气化为合成气，合成气经发酵或催化转化生产乙醇。在水解步骤中，纤维素酶仍是纤维素乙醇商业化生产的最大瓶颈。本报告以纤维素乙醇为研究对象，分析世界各国最新的相关政策、规划和行动等情况，结合专利计量分析，阐述纤维素乙醇技术的研究进展与趋势，分析难点与突破点，对国际从事纤维素乙醇研发的重要企业进行个案分析，分析产业现状与发展前景，同时对美国能源部和农业部的纤维素乙醇研发战略与布局进行剖析。2 国际纤维素乙醇研究的政策、规划与行动2009年，在全球气候变暖的背景下，发展低碳经济成为全世界共同关注的重点。为应对全球气候变化的严峻挑战，各国大力推进以高能效、低排放为核心的“低碳革命”，着力发展“低碳技术”，纷纷把节约能源、发展清洁能源、可再生能源和新能源作为能源领域发展的战略方向，出台了一系列政策举措。生物燃料尤其是以纤维素乙醇为代表的第二代生物燃料正在成为最富活力、最具发展前景的新兴产业。近年来，美国、加拿大、欧盟等发达国家和地区已经在生物燃料领域制定了若干政策，鼓励本国发展纤维素乙醇的研究与生产。2000年以来，美国政府先后出台了生物质研究法、生物质技术路线图、能源法2005、生物能源与生物基产品路线图以与能源独立与安全法2007等，目的是促进发展生物燃料。2006年2月，布什总统发布了生物燃料指令，要求利用非粮作物生产纤维素乙醇，到2012年使纤维素乙醇在成本上具有竞争力。2006年6月，美国能源部发布了纤维素乙醇研究路线图，明确提出了未来三个五年阶段纤维素乙醇燃料技术发展的战略规划，宣布将在研发投入、政策支持和与私人部门合作等三方面采取措施，全面推动纤维素乙醇技术的发展。2007年1月，布什在国情咨文中进一步提出，乙醇燃料的年使用量到2017年应达到1325亿升，是2007年使用量的7倍。为了避免燃料与粮食之争，美国政府将重点攻关纤维素乙醇技术，推动以纤维素乙醇为代表的第二代生物燃料的研发与市场化。2006年美国能源部用于开发纤维素乙醇的预算投入为9000万美元，2007年迅速上升为2亿美元。2007年12月，美国国会通过能源独立与安全法2007，强制规定到2022年，可再生燃料产量要达到360亿加仑，而且其中的60需来自纤维素乙醇等先进生物燃料。2008年10月，美国能源部和农业部联合推出了国家生物能源行动计划，美国能源部计划在2009年划拨10亿美元用于研发纤维素类生物燃料。2009年，奥巴马新政府又加大了对生物燃料的支持力度。2009年1月16日奥巴马再次强调了发展可再生能源的重要性，认为如果美国现在就采取相关行动，将催生一个全新的产业，并将为美国创造数百万个就业岗位。2009年1月出台了美国复兴与再投资计划，意图使美国可再生能源增加一倍，通过新能源产业革命振兴美国经济。2009年1月27日，英国生物科学与技术理事会（BBSRC）出资2700万英镑建立了6个纤维素乙醇生物燃料研究中心。这些中心开展的研究包括：怎样减少木质素、细胞壁结构与如何打破细胞壁、纤维素转化为乙醇、海洋微生物以与能源作物种植等。法国也投入了1.04亿美元开展纤维素乙醇研究项目，后续还将有4300万美元的投入。2008年11月日本农业部资助3300万美元建设了一套日产量为1000升的燃料乙醇装置，2009年又投入3800万美元维持与扩大此示工厂运行生产（十中，2009）。中国国家可再生能源中长期规划指出，今后不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，将积极发展非粮生物液体燃料。从长远考虑，要积极发展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。预计到2010年，非粮原料的燃料乙醇利用量将达到200万吨/年；到2020年，将达到1000万吨/年。2.1 美国2009年，美国奥巴马政府将发展纤维素乙醇等先进生物燃料作为经济复兴的重点发展方向。美国复兴与再投资计划以发展新能源作为投资重点。2月通过的美国复兴与再投资法案投资总额达7870亿美元，其中7.865亿美元将用于加快先进生物燃料的研究和开发，提供更多的资金用于生物炼制商业规模的示项目。2009年5月5日，奥巴马政府通过了美国环保署提出的旨在通过使用生物燃料以减少温室气体排放的规划草案，签署了一项关于发展先进生物燃料的总统指令，并从经济刺激资金中拨款7.9亿美元加大对先进生物燃料的研发。此举将极推动美国先进生物燃料的发展，其主要容是逐步增加生物燃料在交通运输行业中的消费比例以减少汽油消费量，争取到2022年生物燃料总量达到360亿加仑，其中包括150亿吨的以玉米和谷物为原料的乙醇，160亿加仑的纤维素乙醇以与50亿加仑的其他燃料。同时，美国农业部还受命30天利用“2008年农场法”筹措资金，为在建的示项目提供贷款担保或资助。2009年6月26日，美国众议院通过了旨在降低美国温室气体排放、减少美国对外国石油依赖的美国清洁能源安全法案。该法案要求减少石化能源的使用，规定美国到2020年时的温室气体排放量要在2005年的基础上减少17%，到2050年减少80%以上。为此，美国政府将大力发展新能源，力图在新能源领域技术实现突破。下面重点介绍近几年来美国发展纤维素乙醇新能源的重大政策与举措。2.1.1 纤维素乙醇路线图（1）名称Breaking the Biological Barriers to Cellulosic Ethanol：A Joint Research Agenda（2）背景随着生物燃料研发的蓬勃发展，发展生物能源与粮食安全之间的矛盾也进一步加剧，面对生物燃料与粮食之间的土地之争，发展以纤维素乙醇为代表的第二代生物燃料有望为世界生物燃料行业的发展找到一条可行之路。2006年6月，美国能源部公布了一份纤维素乙醇路线图报告：打破纤维素乙醇的生物学障碍：联合研究议程，为美国可再生能源的进一步发展指明了方向。（3）未来15年的发展战略表1 美国能源部纤维素乙醇研究的“三个五年”发展战略发展目标与研究重点资源开发原料研究原料预处理发酵与回收第一个五年研究阶段扩展生物质资源基础，加强生物质资源利用。l 能源植物基础研究；l 纤维素工艺可行性研究；l 探索降低成本。开展能源植物可持续性研究。l 对土壤生态系统和养分的影响；l 能源植物模型发展；l 基因、规则、能源植物子系统控制研究。(细胞壁组成与构造；降解与发酵过程的关联。)降低酶成本。l 酶与木质纤维素的相互作用；l 考查天然酶的品种，与基础酶的限制条件；l 研究木质素和半纤维素降解酶；l 纤维素分解机理和路径的基因转换系统。研究各类糖与纤维素的直接利用。l 研究高醇浓度和高糖浓度下的胁迫响应和抑制因素；l 监控措施；l 调查天然资源品种。第二个五年技术应用阶段向模块化技术应用过渡。l 发展新型能源植物；l 简化工艺，提高过程模块化；l 应用系统生物学、化学和生物过程工程手段，合理设计系统。将植物视为系统研究。l 发展本土能源植物；l 研究能源植物的模式生物；l 提高糖含量，减少木质素和毒性抑制成分含量；l 提高产量和土壤可持续性。提高酶的效率和专一性。l 扩展底物围；l 降低抑制作用；l 研究能源植物概念；l 发展诊断和操作酶与底物的相互作用的工具。l 发展进行酶的设计和改性的工具。五碳糖和六碳糖的共发酵。l 研究新型菌株和多酶体系；l 全面监控工具；l 发展进行分析和操作的工具；l 测试联合加工微生物，消除对水解物和醇的抑制性。第三个五年系统整合阶段系统整合与联合生产技术。l 经济价值链融合；l 生物质能联合生产系统；l 为不同地区定制技术方案；l 扩建增建。实现原料研究、原料预处理、产品发酵与回收过程的全面整合。l 为不同地区提供系统定制和完全联合加工过程；l 能源植物成分的改良；l 植物工程的全套技术方案；l 与生物燃料系统相关的联合加工过程；包括定制的降解多酶体系；微生物代系统的改造；抗胁迫与耐工艺过程的酶体系；全系统控制等。快速诊断与操作的全套技术方案。纤维素乙醇路线图报告对美国未来的纤维素乙醇发展做出了全面部署，详细阐述了纤维素乙醇研究过程中面临的生物质原料和功能微生物等方面的障碍和挑战，并规划了如何通过现代生物学手段，分阶段地推进上述问题的解决。根据完成相关任务的技术成熟度，路线图将纤维素乙醇研究战略划分为三个五年阶段，并在资源开发、原料研究、原料预处理以与发酵与回收等重要环节详细设定了每一个阶段的具体发展目标与研究重点，其要点可概括列在表1中。同时，路线图还指出，只有将复杂的工程技术与基础生物学研究结合起来，才能保证纤维素乙醇任务取得成功。系统生物学涉与一些新的技术，这些技术解决日益复杂的高通量分析与计算，帮助了解复杂的生物，使得预见性的知识和合理设计成为可能。多学科的团队研究方法将加速科学进步，并加快这些科学进步转换为新的生物精炼过程。实验室技术和精炼厂技术的综合，将改进技术性能，提高产量，降低成本，使相关的目标能够得以实现。新的技术力量与设施将促进基础研究、技术发展以与商业化的实现。2.1.2 国家生物能源行动计划（1）名称National Bioenergy Action Plan，2008（2）背景2008年9月，为了响应和实现美国政府提出的“10年20%计划”提出的未来10年削减美国汽油消费量20%的目标，美国能源部与农业部共同发布了美国国家生物能源行动计划，旨在进一步加速生物燃料工业的发展，促进科技研发，降低下一代纤维素生物燃料的成本，以可持续的方式促进生物燃料工业与其供应链的发展。（3）发展纤维素乙醇商业化的战略美国未来15年将生物燃料产量扩大至年产量360亿加仑，目前美国政府已经采取了一系列政策和措施以帮助实现2022年的目标。玉米乙醇和生物柴油的发展程度能够满足近期和中期的市场需求，然而，要实现2022年目标则需要开发先进的创新性纤维素乙醇生物燃料技术并将之商业化。美国国家生物能源行动计划说明美国将投入大量资源，开展纤维素乙醇的基础研究和应用研究，打破纤维素生物燃料的技术壁垒，实现具成本效益的纤维素乙醇商业化生产。该行动计划将纤维素生物燃料供应链分成五个方面，确定了美国能源部未来要采取行动的五个关键行动领域，明确了采取关键行动的顺序。美国未来推进纤维素生物燃料的五个关键行动领域分别为： 原料生产：原料生产包括培育生物质资源如玉米、作物秸秆、木材残余物等作为生物燃料生产的原材料。美国能源部已经开始处理原料供应与成本、可持续发展以与原料生产过程中温室气体的排放等问题，以解决原料供应与成本满足生物燃料生产的目标，解决增加第一代生物燃料原料生产对环境的影响以与与粮食、饲料、纤维素生产之间的平衡，统筹落实第二代生物燃料精炼厂的选址，发展高抗旱抗压能力的第三代原料，提高化肥与水的利用率，改善原料的转化率，提高原料产量。能源部还制定了一项整个联邦政府长期的综合原料研究计划，以促进加强协调与合作，充分利用信息解决当前对转基因能源作物的监管问题，与农民和林业部门合作工作，引入新的作物与林业物种。原材料物流：原材料物流运输包括原材料收集、运输与储存，提供给精炼厂。美国能源部将促进合作，开发和部署物流系统，为目前计划建造的示厂提供纤维素原料。要完成这一部署，与私营部门合作至关重要。 转化：将原料转化为液体燃料的过程。目前纤维素乙醇生产过于昂贵，需要进行技术突破，降低成本，在经济生态可持续基础上实现商业化生产。因此，美国将重点开展通过在系统、细胞和分子水平利用基因工程开发植物、微生物和酶，降低转化成本，提高产量；开发燃料与相关副产品，提高整体生产的经济性；开发利用微生物、热化学和酶工艺生产纤维素乙醇的新技术，解决酶在气相与液相中的特征与持续性问题，开发利用不同原料的转化过程，优化工艺条件，提高生物燃料转化途径的性能等。 分销：将生物精炼厂生产的生物燃料分销至各零售点，需要进行分销基础设施建设。包括制定政策制度吸引大量建设资金；根据生物燃料的特征对现有分销运输设施进行校正或重新设计；进行生物燃料运输储存库建设等。 使用终端：制定混合乙醇政策；掌握适当的乙醇燃料混合比例，降低对环境的污染；发展适合高乙醇混合度燃料的设施等。实现纤维素乙醇商业化发展的关键领域的时间表如图1所示。图1 纤维素生物燃料商业化时间表（美国国家能源行动计划，2008）2.1.3 美国复兴与再投资计划（1）名称American Recovery and Reinvestment Plan（2）背景为了应对全球金融危机，美国奥巴马政府选择了以开发新能源、发展低碳经济来重新振兴美国经济。2009年1月，奥巴马宣布了“美国复兴与再投资计划”，该计划以发展新能源作为投资重点，计划投入1500亿美元，用3年时间使美国新能源产量增加1倍，到2012年将新能源发电占总能源发电的比例提高到10%，2025年，将这一比例增至25%。（3）能源投资要点2009年2月，美国正式出台了美国复兴与再投资法案，投资总额达7870亿美元，其中613亿美元主要用于新能源的开发和利用，包括发展高效电池、智能电网、碳储存和碳捕获以与可再生能源（风能和太阳能等）。在1200亿美元的科技刺激基金中，可再生能源和提升能源使用效率投资就占了468亿美元。美国未来10年还将投资1500亿美元建立“清洁能源研发基金”，用于太阳能、风能、生物燃料和其他清洁可替代能源项目的研发和推广。2009年美国复兴与再投资计划为新能源目标的实现提供了必要的资金保证，美国能源部可以使用的资金达到了380多亿美元。其中将有7.865亿美元用于加快先进生物燃料的研究和开发，为生物炼制商业规模的示项目提供更多的资金。开发下一代生物燃料是美国努力摆脱进口石油依赖、解决气候危机并在国创造数百万就业机会的关键。凭借强大的资金投入、技术实力和国资源，美国正朝着新型绿色能源经济的方向发展。复兴计划的这7.865亿美元中，一部分用于新的投资机会，另一部分用于现有的项目。所有的资金统筹分配到以下四个主要领域：4.8亿美元用于综合试验规模和示规模的生物精炼工程未来三年，美国能源部预计资助1020个各种规模和用途的先进生物燃料生物炼制项目。其中用于试验规模的项目资金上限为2500万美元，用于示项目的资金上限为5000万美元。获得资助的项目将验证综合生物炼制技术，包括先进的生物燃料、生物基产品、生物质热能和电能等综合系统的生产，使私人融资的商业规模生产可以完全套用这一技术。 1.765亿美元用于商业规模的生物炼制项目政府在过去两年中选定了多个先进生物燃料生物炼制示或商业规模的项目给予一定的资助，1.765亿美元将增加对其中几个项目的投资，减少开发和部署新领域时可能遇到的风险。这些资金将缩短项目施工过程，提前启动项目，加快调试过程。 1.1亿美元用于关键项目领域的基础研究生物质项目计划出资1.1亿美元以支持研发关键的转换技术、更有效的催化剂、微生物和原料等，包括：利用科学生物能源研究中心办公室扩大可持续性资源的研究，建立一个小规模综合试验工厂（2500万美元）；建立先进生物燃料研究联盟，通过竞争招标，开展技术研究，改进基础设施，使先进生物燃料示性工艺流程与之相适配（3500万美元）；建立藻类生物燃料研究联盟，通过竞争性招标，推动藻类生物燃料示性生产的研究（5000万美元）。 2000万美元用于生物乙醇研究生物质项目计划投入2000万美元，通过竞争招标实现以下目标：优化灵活燃料型机动车，使之能使用高辛烷值的E85燃料（85%乙醇和15%汽油的混合物）；评估乙醇含量较高的混合燃料对常规车辆的影响；升级现有的燃料基础设施以符合E85燃料的要求。（4）美国复兴与再投资法案资助的部分项目美国能源部获得美国复兴与再投资法案资助计划共计367亿美元的投资，用于能源效率与可再生能源研发的经费支持达168亿美元，较之2008年的17亿美元，增加了近10倍。在能源效率与可再生能源应用研究、开发与部署方面的资助经费约25亿美元，而先进生物燃料项目将获得8亿美元。2009年7月22日，美国能源部和农业部宣布将联合拨款630万美元用于资助基因功能的基础研究，以提高生物燃料的植物原料的性能；资助开发利用草本、木本植物以与农业残余物的方法，将这些物质转化为运输燃料纤维素乙醇等。这一投资是奥巴马政府在扩大国家能源组合、减少进口石油依赖方面的又一项重要举措。2009年8月31日，美国能源部宣布投入2100万美元，资助5个选定的开发处理和提供高吨位纤维素生物燃料生产的生物质原料供应系统的项目。被选出的项目将成为纤维素乙醇生产的全过程，包括原料收获、收集、预处理、运输、可持续生产以与原料存储这一广泛体系的设计与示单元。其原料或原料组合包括：农业残余物、能源作物（如柳枝稷、芒草、能源甘蔗、高粱、树、柳树）、森林资源（如森林疏伐、木屑、木材废料和小直径的树木等）、木材废料和城市垃圾。2009年获得美国复兴与再投资法案资助的部分项目如表2。表2 美国复兴与再投资法案资助的部分项目时间资助部门获得资助的机构资助金额（万美元）研发容2009-07农业部和能源部美国农业部研究中心北部平原区118.2柳枝稷冬季存活率、生长影响因素的研究美国农业部研究中心西部区域研究中心130二穗短柄草原始植株和突变株的表型分析研究乔治亚大学120生物能源作物芒属植物的基因组学研究乔治亚大学70.5生物能源作物苜蓿的开发密歇根理工大学90系统生物学途径研究白根茎的发育调控佛罗里达大学64.3木质生物能源作物中cpq13基因对碳分配的调控机制布拉斯加大学林肯分校39分子生物学方法提高甜高粱氮利用率2009-08能源部GA德卢斯爱科集团500将致力于大型致密化方包（LSB）的研究，为高吨位生物质原料的供应提供成本低廉便捷的包装方式。该项目将部署、评估并改善以作物残留物和草本能源作物的致密结构供应生物精炼厂工业规模的原料供应链。阿拉巴马州奥本大学490将与阿拉巴马州森林生物质能源领先的生产商一起设计和示从南部松木人工林收获、加工和运输木质生物质的一条龙高产系统。俄亥俄州FDC企业集团490主要目标在于Abengoa生物能源纤维素的生物提炼，进一步设计制造三个新的收获和生物质处理设备。田纳西州Genera Energy公司490将研制一套高效率、大批量提供柳枝稷的自动化系统，最大限度地实现运输和处理自动化。纽约州立大学锡拉丘兹环境科学与林学院130计划加强现有合作，开发、测试和应用单通剪切联合收割机，联合装卸、运输和存储系统。2.1.4 美国清洁能源与安全法案2009年6月26日，美国众议院以微弱多数通过了旨在降低美国温室气体排放、减少美国对外国石油依赖的美国清洁能源安全法案（H.R. 2454, the American Clean Energy and Security Act，ACES）。这一法案的通过，标志着美国迈出了应对气候变化的重要一步。美国清洁能源安全法案规定，美国温室气体排放量到2020年时，要在2005年的基础上减少17%，到2050年时减少80%以上。逐步提高来自风能、太阳能、生物能源等清洁能源的电力供应。预计到2030年，石油消费量至少将减少35%，化石燃料在美国能源供应中的比例将下降到79%。美国政府将大力发展新能源，实现新能源领域的技术突破。因此，美国政府在未来10年将投入1500亿美元，资助替代能源的研究，包括纤维素乙醇燃料、混合燃料动力汽车研发等。美国清洁能源安全法案引入了名为“总量控制与排放交易”的温室气体排放权交易机制。拍卖所得资金中每年支出150亿美元用于支持新的、清洁能源的开发，投资的关键领域包括：基础研究、技术示、技术的商业化应用与建立清洁市场等。2.1.5 2009年美国政府对纤维素乙醇生物燃料研发进行的其他资助计划2009年7月21日，美国农业部投入5000万美元资金，用以推动继续生产和使用生物燃料。这5000万美元来自2008年美国农业法案，将推动农业部向以下两个方面努力：2000万美元用于生物精炼；其余3000万美元用于资助先进生物燃料生产商，鼓励其增加生物燃料的生产和使用。2009年，美国农业部还通过2008美国农业法案中的“振兴援助计划”、“农村能源计划”和“生物质作物援助计划”等提供了3500万美元经费，其中的1500万美元将作为20092012财年间的资助提供生物精炼厂，以便用可再生生物质系统取代化石燃料供暖和供电。生物精炼项目贷款将用于发展第二、第三代生物燃料技术，生产各种可再生燃料，包括纤维素乙醇和甲烷气体。另外，美国农业部还准备提供3000万美元支持合符合要求的农业生产者，支持和扩大先进生物燃料生产，鼓励生产新一代生物燃料。2.1.6 美国在建的纤维素乙醇项目美国正在开发建设的纤维素乙醇项目如表3。表3 美国在建的纤维素乙醇项目（产能单位：百万加仑/年）公司地点技术产能原料Abengoa布拉斯加州堪萨斯州11.611.6玉米秸秆、麦秸、高粱茬柳枝稷和其他生物质AE Biofuels蒙大拿州环境温度纤维素淀粉水解Small scale柳枝稷、草种、稻草、玉米秸秆Bluefire加州科罗拉加州兰卡斯特Arkenol工艺技术（浓酸水解工艺过程）183.1绿色废弃物、林业废弃物和其他城市纤维素废弃物California ethanol加州布劳利55当地甘蔗渣Coskata宾夕法尼亚州生物发酵技术；0.04生物质、城市固废、蔗渣、农业废弃物DuPont Danisco Cellulosic Ethanol LLC田纳西州酶水解技术0.25柳枝稷、玉米秸秆、玉米纤维、玉米芯Ecofin, LLC肯塔基州Alltech固态发酵工艺1.3玉米芯FlambeauRiver Biofuels LLC威斯康辛州生物质气化热化学转化6软木片、木材和林业废弃物ICM Inc.爱达荷州酶技术18麦秆、大麦秆、玉米秸秆、柳枝稷和稻草KL Process怀俄明州热机械加工1.5软木、木材废料包括纸与纸板Lignol Innovations/Suncor科罗拉多州生化有机法2.5木质生物质、农业废弃物、软硬木Mascoma/ New YorkState EnergyResearch and Development Authority/New York State Department ofAgriculture and MarketsMascoma/Michigan EconomicDevelopment Corporation/MichiganStateUniversity/ MichiganTechnological University纽约州密歇根州联合生物加工技术，利用转基因微生物分解发酵木屑540木质纤维素生物质包括柳枝稷、纸浆和木片NewPage Corp.(formerly Stora Enso North America)威斯康辛州5.5木质生物质、纸厂废弃物New Planet Energy(formerly Alico)佛罗里达州INEOS生物乙醇工艺（气化、发酵和蒸馏）821100市政固废、不可循环的废纸、建筑废弃物、木材废物、能源作物Pacific Ethanol俄勒冈州生物气化技术2.7麦秆、秸秆、白废料POET南达科他州爱荷华州BFRAC专利技术0.0231.25玉米纤维、玉米芯、玉米杆Range Fuels Inc.佐治亚州热化学二步法20木屑Verenium路易斯安那州福罗里达州C5和C6发酵1.436高纤维含量甘蔗ZeaChem俄勒冈州1.5白树、糖、木屑（美国可再生燃料联盟发布的2009乙醇展望）2.2 加拿大2.2.1 加拿大政府发展纤维素乙醇燃料的政策举措加拿大政府为发展纤维素燃料乙醇，制定了一系列有力的公共政策和鼓励措施，推进纤维素乙醇生物燃料原料种植、纤维素燃料乙醇示生产和商业化，其中包括对燃料乙醇生产的政策扶持、提高公众的关注度以与对纤维素乙醇生产全过程的分析与研究等。2000年10月，加拿大政府出台了2000气候变化行动计划，设立了未来燃料计划，确立了加拿大政府未来将大力增加纤维素燃料乙醇的供应和使用的目标。这项计划包括三个主要组成部分：国家生物质乙醇计划为乙醇生产提供持续的贷款资助、资助提高公众对燃料乙醇的认识以与相关的分析和研究。2006年7月，加拿大可再生燃料联盟发布了加拿大可再生燃料战略，联邦政府明确指示将采取税收调节等手段发展生物柴油与燃料乙醇，重点将投资开发纤维素乙醇与其商业化，并保证初级农业生产者在这一活动中获利。2008年4月，加拿大自然资源部出台了生物燃料生态能源计划，支持汽油和柴油的可再生替代品生产，鼓励国有竞争力的可再生燃料产业的发展。该计划投资高达15亿美元支持加拿大生物燃料生产，资助时间为2008年4月1日至2017年3月31日。2009年，加拿大创新基金会还将资助2670万美元于加拿大29个研究所的116个项目。曼尼托巴大学获得40万美元，用以研究提高从农业和林业废料中合成生物乙醇和生物氢的效率。同时该基金会还特别支持了一个开发可再生纤维素发酵系统生产生物燃料的实验室。此外，加拿大政府还积极开展对生物质燃料领域基础研究的支持。2009年4月，加拿大科技部部和加拿大基因组组织联合宣布，将支持12个基因组学和蛋白质学研究项目，发展生物基产品和作物，资助强度达1.12亿加元，其中由政府通过加拿大基因组组织提供5300万加元，其余部分由国外的合作伙伴提供。除加拿大联邦政府对纤维素燃料乙醇进行大力资助外，各省政府也积极发展纤维素乙醇项目，2009年4月哥伦比亚省政府宣布将提供3260多万加元支持该省可再生能源技术项目，其商业化价值将达到约2亿加元。该计划的资金来自两个方面，其一是创新清洁能源基金，将提供2260万加元用于发展多种技术的19个项目；其二是政府提供的1000万加元将支持8项液态生物燃料项目，开发能降低温室气体排放量的纤维素乙醇、生物柴油和生物燃料的技术。哥伦比亚省规定，到2010年省使用的汽油和柴油必须包含至少5%的可再生能源量，温室气体的排放到2020年将降低33%。2.2.2 2009年加拿大政府出台实施的部分激励措施2009年加拿大联邦政府与各省政府相继出台并实施了刺激乙醇生产的措施。其中2009年联邦政府的生物燃料举措与项目如表4。各省出台并实施的燃料乙醇的激励措施与项目如表5。（Canada as an Investment Destination for Biofuels，2009）表4 2009年加拿大联邦政府出台实施的部分相关的激励措施名称时间部门要点生物燃料生态能源(ecoENERGY for Biofuels)2008.04-2017.03加拿大自然资源部将在未来9年共投资150亿加元，支持加拿大生物燃料生产。生态农业生物燃料资本计划(ecoAgriculture Biofuels Capital Initiative, ecoABC)2007.04-2012.12加拿大农业与农业粮食部5年将共投资2亿加元资助农业生产者投资生物燃料项目，兴建或扩建利用农业原料生产生物运输燃料的生产设施；帮助农业生产者参与到生物燃料工业，实现农业经济的多样化；有利于实现2010可再生生物燃料占汽油燃料总量5%、2012年占柴油燃料和加热用油总量2%的目标。农业机遇计划(Agri-Opportunities Program)2007.01-2011.12加拿大农业与农业粮食部5年将共投资1.34亿加元，加速新型农业产品、工艺与服务的商业化。项目侧重于农业食品、农业或生物产品，刺激加拿大农业产品价值链的市场机会，促进初级农产品的需求量。下一代生物燃料基金(NextGen Biofuels Fund)加拿大可持续发展技术部促进下一代生物燃料技术的规模化和市场化；支持建设符合条件的下一代可再生燃料生产的示规模的设施。表5 加拿大各省2009燃料乙醇激励措施与计划省份名称要点资助额与时间期限哥伦比亚省创新清洁能源基金解决政府确定的能源与环境领域的优先研究方向；示能解决能源问题的具有国际市场潜力的清洁能源技术；支持预商业化或在省目前未使用的商业化能源技术；示新能源技术的商业可行性。2000万加元，每年省燃油的4%税收等卑诗省替代能源计划免除汽车燃油税：14.5美分/升N/A（2004-）阿尔伯塔省生物精炼商业化市场开发计划资助生物能源工程建设、可行性与市场/技术开发2.39亿加元生物能源计划中的部分（2007-11）阿尔伯塔省生物能源基础设施开发计划支持产品营销的基础设施建设资金2.39亿加元生物能源计划中的部分（2007-11）阿尔伯塔省生物燃料与沼气生产商信贷计划基于产量的非偿还性与固定的贷款利率：9加分/升（产量1.50亿升/年）14加分/升（产量1.50亿升/年）2.39亿加元生物能源计划中的部分（2007-11）萨斯喀彻温省萨省生物（SaskBio）乙醇项目基于产量和农民社会股权投资的需偿还和可变的贷款利率：0.05-0.10加元/升或每个项目1000万加元；高达15加分/升的分销商付款计划8000万加元（2007-11）N/A（2005-）曼尼托巴省乙醇资金固定的激励基金的8年计划：20加分/升（2008&2009）15加分/升（2010-2012）10加分/升（2013-2015）资助上限为1.3亿升/年。2008-15年的燃气税收中的部分经费安大略省安大略省乙醇增长基金基于产量的非偿还性与固定的贷款利率；不超过植物容量的10加分/升的利率；基于市场条件的非偿还性与固定的贷款利率；不超过年产量的11加分/升的利率。$5.20亿加元（20052017）魁北克省税收贷款资助18.5加分/升；最大生产能力1.26亿升/年或10年共12亿升；基于原材料价格的非偿还性与可变的贷款利率。2006-182009年加拿大政府资助的生物燃料领域的部分研发项目如表6。表6 2009年加拿大政府资助的生物质燃料领域的部分项目资助机构获得资助的机构资助金额（万加元）研发容科技部与基因组织卡尔加里大学和肯考迪亚大学1360高值植物代物生产的合成生物学系统研究卡尔加里大学1158生物质能的绿色生产与其因组学研究英属哥伦比亚大学1048向日葵基因组学研究英属哥伦比亚大学344葡萄与酒基因组学研究阿尔伯达大学800木质纤维素原料近期供应的基因组学预测工具开发渥太华大学541基因组学衍生价值研究曼尼托巴大学1047生物燃料与副产品精炼工艺的微生物基因组学研究加拿大农业与农业食品部1198亚麻综合利用基因组学研究肯考迪亚大学1742生物基产品和生物过程的酶基因组学研究麦基尔大学459作物功能改良的功能基因组学多伦多大学1094生物基产品与酶的环境因组学研究大略大学639农业虫害控制基因组学研究哥伦比亚省政府Lignol创新1497其中340万加元将用于利用省本地的林业废弃物生产纤维素乙醇和其他产品；1157万加元的项目包括建立工序流程以与确定产品性能，估算出纤维素乙醇和以木质素为原料的产品的试售量。Northwind Ethanol公司124建立能将50万加仑木本生物质转化成乙醇的示规模的设施的纤维素燃料乙醇示性生产工厂，用木质生物资源生产乙醇和木质素。Power Global88资助设计和建立生物炼制厂，预计每天能将10公吨木本生物质转