中國古老的神話傳說中有一位燧人氏，據說他得到大神伏羲的指點掌握了鑽木取火的本領。從此人類徹底脫離了茹毛飲血的蠻荒年代，進入了快速發展的文明時期。原始人用火烘烤食物、取暖和驅退野獸。從科學角度講，火是樹枝或枯葉中的碳與空氣中的氧發生反應放出光和熱，而這些樹枝和枯葉都是生物質，所以人類文明的誕生和發展與生物質息息相關。
早期人類社會的能量來源主要是樹枝、枯葉等薪柴類生物質能，而在煤炭、石油和天然氣等石化能源時代，生物質能曾一度淡出了人類的視線。20世紀70年代以來，能源危機和能源安全成為人類文明持續發展的主要瓶頸，能夠支撐未來人類文明高速發展的新能源開發成為科技界關注的焦點。經過眾多學者多年的研究，科學界對生物質能又有了新的認識，生物質能的範疇大大擴展，生物質能利用方式也趨於多元化。人們逐漸意識到古老的生物質能是未來人類社會發展可依賴的重要能源，生物質能的研究和利用煥發出新的光彩。
生物質能如此重要，那麼生物質能的科學定義是什麼？當代生物質僅僅是指樹枝和枯葉等薪柴嗎？當代生物質能利用方式依舊是燃燒取熱嗎？生物質能與傳統化石能源有何區別和聯係？生物質能在未來能源安全體係中的地位是什麼？本章將對這些疑問給出科學的解釋。
7.1唯有源頭太陽照
生物質的最新定義是地球上經光合作用而產生的各種有機體，包括各種動植物和微生物。光合作用是生物質產生的關鍵過程，那麼什麼是光合作用呢？通俗地說，光合作用是指生物體利用空氣中的二氧化碳和土壤中的水，將吸收的太陽能轉換為碳水化合物和氧氣的過程。光合作用科學的解釋是綠色植物和藻類利用葉綠素等光合色素以及某些細菌（如帶紫膜的嗜鹽古菌），即利用其細胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水（細菌為硫化氫和水）轉化為有機物，並釋放出氧氣（細菌釋放氫氣）的生物化學過程。
動物（包括人類）是以植物為食的，是光合作用間接的受益者。所以對於生物界幾乎所有個體來說，光合作用是它們賴以生存的關鍵。農作物、樹木、陸地和水中的野生動植物有機體、人類社會活動產生的各種有機體和某些有機肥料，都屬於生物質。可見生物質能是一種以生物質為載體的能量，它是太陽能以化學能形式儲存在生物體中的一種能量形式，它直接或間接地來源於植物的光合作用。
在各種可再生能源中，生物質能比較獨特，詩詞“一歲一枯榮”和“春風吹又生”形象地概括了其基本特征。生物質能是儲存的太陽能，是唯一可再生的有機碳源，可轉化成常規的固態、液態和氣態燃料，具有可再生性、儲量巨大、分布廣泛、低硫、低氮、生長快、二氧化碳零排放的特點。生物質遍布世界各地，據估計地球上每年植物通過光合作用固定的有機碳總量可達200億噸，含能量達3×1021焦，每年通過光合作用儲存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當於全世界每年耗能量的10倍。因此，生物質能一直是人類賴以生存的重要能源之一，就其能源當量而言，僅次於煤炭、石油、天然氣而列為第四大能源。在世界能源消耗體係中，生物質能占總能耗的比例為14％，在不發達地區占60％以上，至今全世界約25億人生活能源的90%是生物質能。
7.2刨根問底細分詳
地球上生物質的種類有哪些呢？是否所有的生物質都可用於生產生物質能呢？在獲知這些答案之前，我們必須了解構成生物質體的化學成分。生物質體主要是由諸如葡萄糖的糖類、澱粉、纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質、脂肪、水和一些無機鹽構成的，其中能轉化為生物質能的成分主要是糖、澱粉、纖維素、半纖維素和木質素等。但並不是所有含有以上成分的生物質都可以用於生產生物質能，例如供我們食用的糧食、肉、禽、蛋等。能夠作為能源的生物質稱為生物質能資源，其基本條件是資源的容易獲得和利用，主要有以下幾類。
7.2.1廢棄農作物秸稈
農作物秸稈是指籽實收獲後剩下的含纖維成分很高的殘留物，包括禾穀類作物秸稈（如稻秸、麥秸、玉米秸、高粱秸稈等）、豆類作物秸稈（如大豆稈、綠豆稈等）、薯類作物秸稈（如甘薯藤、馬鈴薯藤、紅薯藤等）、油料作物秸稈（如花生稈、油菜杆、芝麻稈、胡麻稈等）、麻類作物秸稈（如紅麻稈、黃麻稈、亞麻稈等）以及棉花、甘蔗、煙草、瓜果等多種作物的秸稈。農作物秸稈是世界上數量最多的一種農業副產物，我國是農業大國，也是秸稈資源最為豐富的國家之一。國家統計局、農業部的年度統計資料顯示：2009年我國總的農作物秸稈量為7.4億噸，秸稈還田約0.9億噸，生產飼料用秸稈約1.7億噸，造紙用秸稈約0.2億噸，實際作為生物質能資源秸稈用量約1.6億噸，還有1.6億噸秸稈被廢棄於農田或就地焚燒，造成了嚴重的環境汙染和社會問題。
隨著農業現代化水平的提高，秸稈作為現代能源資源的利用率將逐年提高。保守估計，2030年以後我國可利用的農作物秸稈資源量為4億～5億噸，折合2億～3億噸標準煤。我國秸稈資源的最大特點是既集中又分散，特別是一些糧食主產區幾乎都是秸稈資源豐富的地區，東北三江平原、黃淮平原、江漢平原和四川盆地秸稈資源量幾乎占全國總量的一半。因此，我國一些地區具備良好的規模化利用農作物秸稈的條件。但是也有許多地區秸稈資源量分布密度低，收集半徑大，難以實現規模化利用。
7.2.2林木剩餘物
可用於能源用途的林業剩餘物主要包括森林原木采伐剩餘物（如樹根、枝椏等）和木材加工剩餘物（如刨花、鋸末類木屑等），各種林地（薪炭林、用材林、防護林、灌木林、疏林等）中育林剪枝以及四旁樹（田旁、路旁、村旁、河旁的樹木）剪枝獲得的薪柴量。根據我國“十五”以及“十一五”期間年森林采伐限額，木材采伐和加工剩餘物資源量為7464萬～8056萬噸，折合4255萬～4592萬噸標準煤。2004～2008年的第七次全國森林資源清查結果表明，我國森林麵積19545.22萬公頃，森林覆蓋率20.36%，活立木總蓄積149.13億立方米，森林蓄積137.21億立方米，天然林麵積11969.25萬公頃，天然林蓄積114.02億立方米；人工林保存麵積61.6884萬公頃，人工林蓄積19.61億立方米。每年各種林地剪枝量6525萬噸，折合3720萬噸標準煤。因此，我國可作為生物質能資源的林木剩餘物總計約1.43億噸，折合標準煤8143萬噸。
實際上，目前相當部分的林木剩餘物已被用作農民炊事燃料或複合木材製造業等工業原料。普通民用爐灶技術落後，效率低，汙染環境，迫切需要采用高效清潔的技術取而代之，以便進一步提高資源利用率。森林采伐和木材加工剩餘物作為加工複合木材的原料，具有較高的經濟附加值，但用量不大。
7.2.3禽畜糞便
禽畜糞便中含有大量的有機物，是一類重要的生物質資源，其資源量與畜牧業生產發展情況有關。除少數地方進行處理利用之外，80%的糞便汙水被直接排放入各種水體環境之中，不僅浪費資源，而且成為環境的主要汙染源之一。對於禽畜糞便生物質的主要應用方式是利用厭氧發酵技術生產沼氣。
據2010年統計年鑒，我國大中型奶牛、豬、雞養殖場有6300家，豬、牛養殖年出欄量7億多頭，家禽85億隻，主要禽畜糞便排放量約15.74億噸，其幹物質重2.39億噸，可生產沼氣61.2億立方米，折合甲烷產量3.55億立方米，折合標準煤為10120.8萬噸。根據畜牧業發展規劃，2020年預計全國禽畜糞便量將達到25億噸，屆時可收集利用禽畜糞便資源量相當於1.8億噸標準煤。相對於固體生物質來說，禽畜糞便成分複雜，含水量高，能源利用率低，所以這些生物質作為能源利用的潛力不能簡單地按總量計算。
目前我國禽畜糞便很少用於能源消費，隻有少量被用作沼氣發酵原料或被風幹後燃燒。如果加以合理利用，每年可多生產500億～800億立方米沼氣。這對於改善城鎮生活環境，降低生活能耗，建設美麗潔淨社區環境，提高人民生活質量具有重要意義。
7.2.4工業有機廢棄物
據2010年統計年鑒，2009年全國工業固體廢棄物產量達20.39億噸，且每年呈10%的增長趨勢。2020年我國工業固體廢棄物產生量預計將達35億噸，但是僅有農副產品及食品加工業、紡織業、木材加工和造紙工業等具有可再生和可燃的廢棄生物質資源適合製備生物質能源，如糧食、食品、製糖、造紙、釀酒、澱粉等生產中會生成大量的有機廢渣。2009年我國能作為生物質資源的工業固體廢棄物總量約6596.3萬噸，相當於1013萬噸標準煤。
2009年我國廢水總排放量約589.1億噸，並且以每年2.6%增長。一般采用常規厭氧-好氧汙水處理工藝處理廢水生產沼氣，我國廢水每年可產沼氣潛力為3104億立方米，相當於2.16億噸標準煤。
7.2.5城市固體有機垃圾
城市固體垃圾中含有部分有機物質，是潛在的可利用生物質資源。固體有機垃圾的能源利用方式通常是利用填埋場固體發酵技術生產沼氣發電或利用垃圾直燃發電。我國沒有統計生活垃圾產生量數據，隻統計城市生活垃圾清運量數據。2008年我國生活垃圾清運量為1.54億噸，無害化處理的城市垃圾量為10306萬噸，生活垃圾無害化處理率提高至66.76%。2008年中國城市垃圾堆存量達70億噸。在2006～2008年間我國生活垃圾清運量以1.3%呈逐年遞增趨勢，2020年估計我國生活垃圾清運量將達到1.78億噸。我國1千克城市有機垃圾的熱值約4.18兆焦。2008年我國城市有機垃圾總計可折合約為2128萬噸標準煤。以10%的利用率計算，每年我國城市固體垃圾的可利用能源資源量約213萬噸標準煤。
7.2.6廢棄動植物油脂
廢棄動植物油脂主要可用於製造生物柴油，是生物液體燃料一種重要原料資源，可分為生產性和生活性廢棄油脂。前者主要指工業生產中常見的柴油、汽油、機油和化工油脂等剩下的下腳油渣，包括生產機械洗滌油、傳動潤滑老油等；後者主要指常見的植物油、動物油這兩大類剩餘和排放的廢棄油渣和泔水油，包括煎炸廢油、餐飲廢油和地溝油。據計算，廢棄油脂量占食用油消費量的20%～30%。我國年均消費食用油約為2100萬噸，每年產生廢油400萬～800萬噸，能夠收集起來作為資源的廢棄油脂量在400萬噸左右。但絕大部分尚未得到收集利用，既汙染環境又威脅食品安全。
我國年產棉花約486萬噸，棉籽900萬噸，可年產160萬噸棉籽油，估計全國可收集利用100萬噸棉籽油用於生產生物柴油。據統計，我國有大量山地適宜黃連木等油料植物生長，每年生產的油料作物果實可滿足年產500萬噸生物柴油裝置的原料需求。近年來一些企業已經開始收集利用廢油生產生物柴油，2012年我國已經建成約45家萬噸級的生物柴油生產企業，年產量約100萬噸。
7.2.7邊際土地和能源作物
邊際土地通常是指在現有條件下不具備農業開發價值、又不適合用作居住和建設用地的貧瘠劣質土地。為了實現規模化開發生物質能源，我國必須在“不與民爭糧、不與糧爭地”的基本原則指導下，探索開發利用各類適宜邊際土地資源，因地製宜地種植能源作物和能源林木。
據2008年環境狀況公報，我國可供利用的邊際土地大約為7923.6萬公頃。這些邊際土地可用於生產生物燃料的種植類資源既包括農業能源作物（主要為甜高粱、甘薯、木薯等），也包括林業能源作物（主要包括小桐子、黃連木、油桐、烏桕等），還包括薪炭林、灌木林等傳統能源林；另外部分地區已經開始嚐試速生草的種植和利用。我國南方，特別是長江流域，有約866萬公頃冬季閑置稻田，可用於種植油菜為生物柴油提供原料植物油。油菜為冬季作物，與糧棉爭地的矛盾少。
能源植物通常是指那些具有合成較高還原性烴能力的、並可用於生產接近石油成分或可替代石油產品的植物，以及富含油脂或碳水化合物的植物，包含所有的陸地和海洋的植物。目前開發利用的重要能源植物主要是甜高粱、甘蔗、木薯、麻風樹、光皮樹、耶路撒冷菜薊、黃連木、油楠、綠玉樹和一些藻類。能源植物具有環保性能好、可再生、低成本、安全性和持續穩定性好等優點。
據國家林業局最新資料，到2020年我國能源林培育總規模可發展到1300萬公頃左右，其中木質能源林890萬公頃，油料能源林約410萬公頃。這些能源林每年可提供5400萬噸幹生物質，其熱當量約等於3500萬噸標準煤，並且可作為年產670萬噸生物柴油的原料。
我國林業主管部門已製定了規模化建設木本油料林的規劃。但是有效落實相關規劃、集約化發展油料植物仍麵臨著不少問題，主要有優良品種及推廣種植麵積少，適生條件和實際可利用土地麵積不清，規模種植情況下的產油率差異大等問題。
7.3姹紫嫣紅獨顯貴
蘊藏量巨大的生物質能與傳統石油、煤炭、天然氣等化石能源相比有何優點和缺點呢？
首先，生物質能具有可再生性，隻要有陽光照射，綠色植物的光合作用就不會停止，世上萬物就會生生不息，人類的社會活動也會不斷地產生各種有機廢棄物，生物質能的資源也就不會枯竭。特別是在大力提倡植樹種草、合理采樵、保護自然環境的情況下，植物將會源源不斷地供給生物質資源。
其次，與化石礦物能源相比，生物質在燃燒過程中，對環境汙染小。生物質中揮發性組分含量高、碳活性高、易燃、灰分含量低。在400℃左右的溫度下，大部分揮發性組分可釋放出來，而煤在800℃時才會釋放出30%左右的揮發組分。生物質燃燒後灰分少，不易黏結，可以簡化除灰設備。生物質中含硫量一般少於0.2%，而煤的含硫量一般為0.5%～1.5%，硫在燃燒過程中產生二氧化硫，是酸雨形成的主要原因，這正是煤燃燒所帶來的最主要的環境問題。生物質燃燒過程中產生和排放的氮氧化物和煙塵也比煤少，同時產生的二氧化碳又可被等量生長的植物光合作用所吸收，基本可實現二氧化碳的零排放。這對減少大氣中的二氧化碳含量、降低溫室效應極為有利。
另外，在風能、海洋能等可再生能源中，生物質是唯一可以儲存和運輸的能源，其加工轉換和連續使用也非常方便，生物質能在未來能源供給體係中作用巨大。
但是，從質量密度的角度來看，與化石礦物燃料能源相比，生物質能量密度較低，屬於低品位能源。生物質質量輕，體積大，給運輸也帶來一定的難度，同時由於風、雨、雪、火等外界因素，導致生物質的難於儲存是目前亟待解決的問題。