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自2011年福島核災難以來，日本對石油、煤炭和天然氣等化石能源的依賴顯著增加。為了減少對不可再生的化石能源的嚴重依賴，日本對非核可再生能源，特別是生物質能源的興趣急劇增長。日本前首相菅義偉(Yoshihide Suga)在2021年宣布，到2050年，日本將把溫室氣體排放減少到零，這表明日本對電網脫碳的國家承諾是顯而易見的。日本政府還下令，最快在2030年關閉約100家效率低下的燃煤電廠。菅義偉表示，日本將“最大限度地利用可再生能源和其他非碳能源！”
盡管現任首相岸田文雄(Fumio Kishida)宣布，由于能源成本上升，將重啟許多閑置的核電站，但日本公用事業部門仍需要煤炭替代燃料來延長高效燃煤電廠的使用壽命。此外，許多工業燃煤鍋爐運營商很快就需要煤炭替代燃料，否則它們可能會被關閉。碳化木屑顆粒，也被稱為生物煤，由于其化學和物理性能更接近于煤，是一種很好的煤替代品。由于生物煤優越的網格化特性和更高的能量密度，相當一部分(50%或更多)碳化顆?？梢杂糜诠踩?，而無需對現有的燃煤火電廠進行重大改造。最后，由于生物煤的運輸和處理特性與煙煤相當，它作為煤的替代燃料引起了越來越多的興趣。
出光綜合株式會社是日本三大煤炭進口商之一，其國內和海外煤炭年銷售額合計為2000萬噸(MT)，該公司的目標是到2030年進口300萬噸生物煤，以滿足市場對碳中性燃料的初步需求。日本的主要電力公司、煤炭進口商和日本政府決策者正在審查生物煤市場的發展。世界上是否有足夠的獨立認證的、持續可用的纖維來以每公噸合理的成本生產生物煤？此外，由于生物煤生產所需的熱量比白色顆粒高得多，這是否會對生物煤作為煤的良好替代品的碳生命周期分析產生負面影響?
以下是美國西部森林如何在未來幾年生產生物煤，以實現滿足日本市場需求而實現盈利的策略。
長期、可持續利用的生物質
一百多年來，人們一直在撲滅各種火災，包括自然的、低強度的火災，這導致了美國西部許多不自然的茂密森林，這些森林有發生嚴重野火的危險。美國林務局正在進行森林恢復治療，例如在8000萬英畝的土地上進行間伐、清除灌木叢和規定的焚燒，其中大部分在西部。僅加州就制定了到2025年每年處理100萬英畝森林的目標，以擴大森林間伐和規定的滅火工作。根據加州森林管理特別工作組制定的《野火和森林恢復行動計劃》，這些治療措施旨在“減少大型災難性野火造成的長期溫室氣體排放和有害空氣污染”。
加州和其他幾個西部州正在進行或計劃進行的大量間伐工作將產生大量的生物質，其中大部分沒有市場，因此被成堆的焚燒。與野火的情況一樣，這些燃燒會向大氣中排放有害的細顆粒物，寬度為2.5微米或更小(PM2.5)。在西部農村地區，這已成為人們日益關注的問題。它們的實施成本高、耗時長，每英畝要花費1500美元或更多。
選擇性森林間伐和碳儲量增加
越來越多的研究表明，有選擇地間伐儲量過剩的森林有多重好處。亞利桑那州自然保護協會(Nature Conservancy)出版的《我們的燃燒挑戰：恢復我們的森林》(Our Burning Challenge: Restore Our Forests)中寫道：“在氣候變暖的情況下，砍伐減少了對水的爭奪，使樹木生長得更快，儲存更多的碳，更能抵御干旱和蟲害?？茖W和專業的消防證據表明，如果在野火發生之前就完成了疏林工作，火災的嚴重程度就會降低，在某些情況下，對社區的破壞就可以避免。”
生物質殘基生物煤（Residual-Based Biocoal）
生物煤技術提供商HM3 Energy Inc.利用伐木和減薄作業后留下的生物質殘渣開發了其碳化技術，而不是使用整根原木生產的清潔木屑。這種專注于在示范工廠測試中使用森林廢物的做法幫助該公司在2019年贏得了美國林務局木材創新贈款。
這項撥款工作提供了預算設計工作，以確定亞利桑那州北部一座每年5萬噸(MTPY)生物煤工廠的建設成本。北亞利桑那大學生態恢復研究所對可持續生物質可用性和運輸物流進行了研究，而科科尼諾縣幫助確定了生產設施的地點，最終可達到10萬噸/年的產能，并可通過BNSF鐵路將生物煤通過加利福尼亞的一個港口出口到日本。
贈款工作確定，在亞利桑那州北部幾個潛在地點的合理運輸距離內，從黃松和刺柏的收獲和間伐作業中至少可以獲得足夠的持續可用生物質。亞利桑那州北部的聯邦森林計劃在未來20年里砍伐150萬英畝的樹木。如果每英畝只保留50棵樹，這將導致每年砍伐225萬噸林木，這些都可被轉化為生物煤。
生物煤將像煤炭一樣，用敞開式鐵路車廂運到斯托克頓港。從那里，它將被出口到日本的一家發電廠，該發電廠通常坐落在海岸邊，有自己的港口，在那里，它們將像煤炭一樣無遮擋地儲存。
作為資助工作的一部分，HM3能源公司比較了日本使用白色顆粒和使用HM3技術生產的生物煤作為煤炭替代燃料的成本。較低的運輸和處理成本大大沖抵了生物煤較高的生產成本。此外，燃煤電廠不需要像使用白色顆粒那樣進行昂貴的改造，比如建造儲存筒倉或單獨的供料系統來處理纖維顆粒。當燃燒時，白色顆粒不會產生與生物煤相同的蒸汽溫度，這會導致鍋爐效率低下。
總體而言，HM3在2021年的撥款工作確定，在亞利桑那州北部使用其技術的10萬噸/年工廠能夠以每吉焦11.58美元的價格向日本燃煤電站輸送生物煤，而白色顆粒的成本為每吉焦13.15美元。
碳化生物質顆粒
碳生命周期分析
華盛頓大學環境與森林科學學院對生物煤進行了一系列綜合生命周期評估(LCA)，記錄了從搖籃到墳墓提取生物質并將其轉化為生物燃料替代品的環境足跡。從原料提取、運輸到生產設施、加工、運輸顆粒到航運港口(在華盛頓或俄勒岡州)，以及通過海運到日本港口的排放都包括在內。當地的污染，以及對空氣質量、水和土壤的影響也被考慮在內。然后，將日本一家生物能源工廠的剩余生物質木屑顆粒發電的總LCA與燃煤發電的LCA進行比較。
該研究得出的結論是，與煤炭相比，用殘渣生產的顆粒平均減少了90%的溫室氣體排放。評估指出，在生物能源設施等受控環境中燃燒的生物質向大氣排放的污染物比露天燃燒(如規定的燃燒或野火)少95%。“在考慮到所有的顆粒物、收獲、加工、當地和國際運輸的排放后，收獲的以砍伐為基礎的顆粒減少了88%的PM2.5，這些清潔空氣的好處大部分都流向了當地社區。”該研究進一步得出結論，碳化顆粒(生物煤)的生產所帶來的略高的碳影響被其高效的長距離運輸所緩解。
結論
美國西部已經并將在未來幾年繼續擁有大量可通過間伐和收獲作業采集的可持續生物質。為了減少發生非自然嚴重野火的風險，恢復森林的健康，使它們更好地吸收和儲存碳，計劃在數百萬英畝的森林范圍內開展森林減薄行動。利用生物質殘渣進行生物煤生產將有助于降低管理成本，減少堆燒，改善空氣質量，減少碳排放。在許多情況下，特別是在西部各州，生物煤可以經濟地出口到日本，以取代煤炭，并大大減少其碳足跡。
作者：Hiroshi Morihara，HM3能源公司首席執行官
?。ㄔ膩碜裕荷镔|雜志 全球生物質能源網、51生物質顆粒交易網、新能源網綜合） |
