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主题：【原创】生物质 序 -- 橡树村
我觉得小木的回答有道理。使用太阳能应该比使用化石能源影响小。这个体系非常让人头疼的，我是没花功夫琢磨，也琢磨不明白。
不过目前人类活动所截取的太阳能，仍然只占地球得到的太阳能的一小部分，影响应该还不明显。等到太阳能真的遍地都是了，影响就会显出来了。
生物能利用也有这个问题。本来自然界本身，生物能转化的那部分太阳能是要逐渐积累下来的，但是人通过利用生物能来利用这个通道，就经常长期有什么影响，恐怕需要复杂的模型和庞大的数据进行分析。
应该有人从事这方面工作吧？
2004年全球能源消耗5x10^20焦耳(网上查的).
其中非当年或近年太阳能(就是除去风,水,生物等等,剩下的基本是化石燃料和核能)大约占92.5%...简化下按90%算就是4.5x10^20焦.
地球大气圈气体的总质量约为5.136x10^18千克(网上查的),近似算5x10^18千克罢.
空气的比热容好像算起来非常麻烦,干燥空气常温常压大概是1005焦每千克摄氏度,所以取1000焦每千克摄氏度拉倒了.
这样算这些非当年或近年太阳能每年就能把全球大气加热0.09摄氏度.当然这个显然过度简化了,根本不足为据,但是考虑到整个20世纪近地大气层平均温度只上涨了0.6摄氏度,这个0.09摄氏度可能也是不小的影响.
就太阳能利用这个问题,如果未来太阳能到处都是了,到真是很难说是什么效果.因为地球上每平方米土地接收到的太阳能是固定的,要大量采集太阳能就要大面积部署某种太阳能接收装置,植物也好太阳能电池板也好,原来是沙漠海洋的地方如果部署的太多是足以影响地球对来自太阳能量的收支的...这样有什么后果研究起来就太复杂了,俺就不瞎说了...
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现在咱们再说生物质呢，就有了一个限定，就是能被用作能源的，咱才算数。不能当能源使用的呢，虽然也属于生态学的生物质的范畴，咱们就假装它们不存在好了。不过呢，一些不属于生态学的生物质定义的东西，我们还要加进来。简化么。
生物质种类那是很多了，东西多了，就要分类。都怎么分类呢？生物质的分类也有很多种，其实怎么分类没多大关系，我们这里就是想说说生物质究竟都有啥，那么就选用一种分类方法讲好了。
根据生物质的来源，有一种分类方法呢，把生物质分成三大类，包括原来的农林水产资源生物质，包括废弃物生物质，还有叫做种植型生物质。
具体怎么回事呢？
原来的农林水产资源生物质，指的是人类早就在大规模使用的生物质，比如农业资源，林业资源，水产资源，畜产资源等等。基本上传统上地里种的，水里面养的，草原上放的，甚至家里面养的，都能算上了。农林牧副渔，基本上都在这一类里面。
粮食当然也是生物质啦！
废弃物生物质，就是各种各样的废弃物，比如农业废弃物，林业，畜业废弃物，还有企事业单位的办公生产废弃物，甚至生活废弃物。也就是各种各样的垃圾么。注意前面讲过，有的国家不把城市垃圾列为生物质资源的，这种做法一般是为了便于管理，并没有什么科学的说法。
有机的垃圾才能当生物质使用
种植型生物质呢，就是专门为了大规模利用生物质专门种植的了。从长远角度来讲，这一类是能源型生物质的发展方向，只不过目前还稍微超前了一点，但是相关研究已经很多了。都包括什么呢，包括树木，比如桉树，白杨，柳树，棕榈，椰子等等，还有草本的，比如甘蔗，熨斗兰，菜籽，柳枝稷，玉米等等。上个月我就遇到了一个北美的到国内忽悠种植柳枝稷的。除了陆地上的，水里面也有，包括很多种海草，还有浮游生物等等。
柳枝稷是被很多人看好的能源作物
要是把生物质作为一种重要的能源形式，那么一个重要的条件，就是生物质要够用的。虽然说不能要求生物质满足人类所有的活动，但是总要占个看得见的比例吧？
目前整个地球上，生物质那是多得很。地球上生物的总质量的估计有多种说法，一般的估计，按照碳的质量来计算，是在4200到8300亿吨之间，其中所有的动物，包括人，仅有大约10亿吨碳。仅仅是陆地地面以上的生物质蕴藏的总能量，就在几万EJ，也就是几百万亿亿焦耳的数量级，是目前全世界能量年消耗的80倍的样子。听起来不错吧？还有更好的消息。每年，通过光合作用，陆地地面上还要生成千亿吨碳数量级的新的生物质资源。每年的净生产量，就够现在的世界使用10年的了。听起来很好吧？
不过不能这么乐观。不是所有的生物质都是能拿来用的。人要吃粮食，人本身的活动也需要大量的生物质，大自然本身也要消耗很大量的生物质，还有很大量的生物质没有办法去利用。所以需要估算可以被利用的生物质，才有真正的意义。
这个估算就比较困难了，数据的出入就更大了。这里看看数量级的概念就好了。
世界有机废弃物，也就是废弃物生物质，全年的能源潜在总值大约在42EJ，这个数字是42后面加上18个零，也就是4200亿亿焦耳。潜在生物质是目前生物质资源里面还没有被利用的部分。人们早就在利用生物质了，比如用秸秆当饲料，比如牛粪作燃料，等等，都是在利用生物质。只有这个潜在生物质才有价值。这里面，大约有三分之一是木材残余物贡献的，农业废弃物大约也贡献了三分之一，畜业废弃物贡献了八分之一的样子，其中牛粪自己就贡献了十五分之一。
在世界的分布上，亚洲的潜在废弃物生物能最多，占了全世界的三分之一强，其中农业废弃物占了一半。然后是北美，超过三分之二是牧业废弃物。
除了废弃物，另一个重要的生物质能量来源就是能源作物。能源作物也有自己的定义。比如说，能源作物是以获得能源为目的而种植的，选用的都是生长比较快速的木本或者草本植物，大约树木种植五到十年就可以采伐。成为能源作物呢，需要高产，同时也需要适合所在地区的生态条件。地球上不同地区生物质生长量是不一样的。热带最高。当然能源作物的推广还需要照顾耕地分配问题，照顾原有的生态问题等等，这样适合推广能源作物的面积就受到了限制。有人估算，如果把未利用土地的10%用于耕种能源作物，能源作物每年大约就能够提供120EJ的能量。
加上废弃物的潜在能量，每年生物质大约可以提供160EJ的能量，大约占了目前全世界能量总消耗的三分之一。还算不错？这个数字比目前石油提供的能量180EJ要低一些，但是高于煤炭120EJ和天然气110EJ所提供的能量，也高于水电30EJ，核电30EJ等等提供的能量。不过也可以看出，依靠生物能源解决能源问题肯定是不够的，数量不够么。能源问题的解决肯定是多种能源同时使用的。
目前人类使用的能量比地球从太阳得到的能量／地球向太空散发的能量要小得多。基本不会影响地球热平衡。地球变暖是因为温室气体部分阻断了地球向太空散发能量的过程，而不是人类使用的能量本身破坏了地球热平衡。
使用化石燃料的主要问题不是放出了恐龙时代的太阳能，而是放出了恐龙时代埋藏在地底下的碳元素，变成二氧化碳漂浮在空气中，部分阻断了地球向太空散发能量的过程。打一个简单的比方，有暖气的房间温度升高，主要不是因为房里点起了一盏小油灯，而是因为关上了原本开着的窗子。
地球从太阳的得到的能量是：
pi X (6.4x10^6)^2 X 1400 = 1.8x10^17瓦特
其中1400瓦特／平米是地球轨道上太阳辐射的能量密度，6.4x10^6是地球半径。
根据小木提供的能源消耗数字，地球接受的一个小时的太阳辐射就超过了人类全年的能源消耗。全年接受的太阳辐射是1.8x10^17瓦特 X 3x10^7秒=5.4x10^24焦耳，差不多是人类能源消费的一万倍。
如果不考虑温室效应而仅仅计算人类能源消耗对地球温度的影响，根据黑体辐射理论，辐射能量和黑体温度的四次方成正比。按地球平均温度300K算的话，地球为了多散发掉这万分之一的能量。只需要提高0.0075度。(300.0075/300)^4=1.0001 而且这个效应也不是逐年累积的。
就怕大规模铺设太阳能电池板，局部地表温度，造成局部气候变化，影响就不好估计了。
陆地面积有限，用处太多，还有水源问题，水中（尤其是海水中）种植生物用来做生物能源的前景怎样？
不过目前技术上还有很多问题，主要是大量养殖本身的技术问题，还有作为能源物质的处理问题。水生生物的含水量实在太高，而干燥这个玩意很耗能的。还有生态影响，这个无论大规模干什么都需要考虑。
后面会专门讲。
变形金刚里的能量块能储存，能量密度还不小，就是容易爆炸点
[再有呢，生物能还是可以储存的。生物能本身是有机资源，可以有存放方式，可以方便运输，而作为可再生能源里面唯一的以物质的形式存在的能源，生物能可以转换成其他的物质形式，用于目前的能源供应体系。这样是有很大的方便的。]
太阳常数差不多1360w/m2，是在日地平均距离上,大气层上界的太阳辐射功率.从概念出发,对应的能量应该是大气层的上沿表面积,而不是地球的表面积.
另外一点,太阳辐射进大气的能量,在大气中由于尘粒和云层啥的,有很多倍反射到太空的,计算的话也要刨掉巴.
地球从太阳的得到的能量是：
pi X (6.4x10^6)^2 X 1400 = 1.8x10^17瓦特
其中1400瓦特／平米是地球轨道上太阳辐射的能量密度，6.4x10^6是地球半径
要利用生物质作为能源呢，生物质的化学成分就是比较重要的信息。不同的生物质优不同的化学成分，其可以被利用的价值，被利用的方法，也就有所区别。不过呢，对化学不感兴趣的，或者有机化学没有学过，或者已经忘光了的，这部分就跳过吧，讲的全是不好明白的名词。
总的来说，生物质的化学组成，包括纤维素，半纤维素，木质素，淀粉，蛋白质，各种各样的烃等等。树木类的生物质，含有的主要成分就是纤维素，半纤维素和木质素，草本的主要成分也是这三种，不过比例就千差万别了。谷类主要含的是淀粉，人吃粮食主要吸收的就是这个淀粉。污泥和粪便呢，里面既有很多蛋白质，脂什么的了。看看，不同的生物质组成成分差别是很大的。从能源角度来看，最有前景的就是含有纤维素和半纤维素的生物质。一般的来讲，陆生植物主要成分是纤维素，半纤维素，而水生植物的蛋白比例就比较高。
纤维素是由D-葡萄糖通过beta-葡萄糖苷键连接得到的多糖，分子量可以几千几万，看一个分子里面有多少个葡萄糖单元了。纤维素水解以后就可以得到葡萄糖，还有一些二糖，三糖的东西。纤维素本身耐酸耐碱，不溶于水。
半纤维素是由木糖，阿拉伯糖，甘露糖，半乳糖，葡萄糖等组合形成的。这个结构就比纤维素复杂一些了，会有很多支链什么的，分子一般也没有纤维素这么大，分子量也就是几千。半纤维素的稳定性也要比纤维素差一些，比较容易分解，并且很多还能溶解在碱里面。
木质素的基本结构单元是苯丙烷，整体结构是三维的，非常复杂，现在人们还没搞很清楚。木质素主要存在在木头里面，另外在甘蔗渣，玉米芯，花生壳，米糠等等里面也有。木质素的结构很稳定，所以很难被分解，微生物分解都很难，所以是植物保护自己的好材料，利用的时候就让人头疼了。由于不好处理，纤维素和木质素家在一起被称为粗纤维。
淀粉的结构单元也是葡萄糖，结合方式与纤维素不同就是了。结构不同，就导致了性质不同，有的淀粉是可以溶解在水里面的，有的需要溶解在热水里面，有的就不能溶解。能溶解的是直链淀粉，分子量大约在几万，不能溶解的是支链淀粉，是淀粉的主要形式，分子量业十几万，不过比直链淀粉大一些。淀粉主要存在于种子，块茎等等地方，粮食基本上淀粉含量都高，什么，米，麦子，玉米，大豆，山芋等等，都是淀粉的主要来源。半纤维素和淀粉一般被称为碳水化合物。
生物质里面的蛋白质种类也很多，不过所占的比例很少。蛋白质是生物质里面氮元素的主要存在形式。
除了这些主要的，生物质还有很多其他的成分，有的比例还很高，比如油料作物里面就含有各种各样的油脂，这可是好东西。其他的呢，还有很多，生物碱，色素，树脂，等等，其中很多产品都已经被提取出来，打上纯天然提取物的牌子，标上很高的价格出售。提取这些玩意比干生物能源可来钱多了。
生物质里面也有不少无机成分，在作为能源利用生物质的时候，这些无机成分导致的问题也不能忽略。各种各样的金属都会存在在生物质里面，虽然含量少。生物质作为能源被利用了以后，这些无机成分一般以灰的形式存在。目前的观点，认为这些无机成分应该放回到原料的产地里面去，维持产地的元素平衡，有利于生物质的生产循环。大规模处理生物质的时候这些灰分会带来一些技术上的麻烦。
讲到这里都还没讲到怎么利用呢：）
老师上课真尽心，逐篇花之谢
这个系列我估计会有三四十篇的样子。也许更长，看写的时候的兴致了。