能源作物是一種特別為生產可再生生物能源（而非食品）而種植作物。其特點是成本低、維護成本少。這些作物可以加工成各種形式的燃料，包括固體、液體或氣體燃料，如顆粒、生物乙醇或沼氣。這些燃料可以用於發電或供熱。
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這些植物通常分為木本植物或草本植物。木本植物包括柳樹[1]和楊樹，草本植物包括芒草和紫狼尾草（均稱為象草）。草本作物雖然體積比樹木小，但其地下儲存的 CO 2 （以碳的形式）數量大約是木本作物的兩倍。 [2]
通過基因改造等生物技術程序，可以操縱植物以創造更高的產量。現有品種也可以實現相對較高的產量。 [3] :250然而，一些額外的優勢，例如降低相關成本[4] 和減少用水量，只能通過使用轉基因作物來實現。
類型
固體生物質通常製成顆粒狀，[5]用於火力發電站的燃燒，可以單獨燃燒，也可以與其他燃料混合燃燒。或者，它可以用於供熱或熱電聯產（CHP）生產。
在短輪伐林(SRC) 農業中，柳樹和楊樹等快速生長的樹種在三到五年的短周期內生長和收穫。這些樹在潮濕的土壤條件下生長得最好。不能排除對當地水狀況的影響。應避免在脆弱濕地附近建立設施。 [6] [7]
玉米、蘇丹草、小米、白甜三葉草等多種農作物都可以用於製作青貯飼料，然後將其轉化為沼氣。一旦經過青貯處理，這些材料可以直接供應給厭氧消化池或沼氣廠，作為能源作物的重要原料。德國生物農業中增長最快的領域之一就是「可再生能源作物」，種植面積已接近500,000公頃（1,200,000英畝）土地（截至2006年）。[8]在低能量含量的肥料和已變質的穀物等原料中，也可以種植能源作物，以提高天然氣產量。一些小型農場兼有畜牧業，它們可以在部分土地上種植和轉化能源作物，用大約五分之一的土地來滿足整個農場的能源需求。然而，在歐洲，特別是在德國，這種迅速增長的趨勢通常需要政府的大力支持，例如德國的可再生能源獎勵制度。[9]
歐洲利用能源作物生產生物柴油的產量在過去十年中穩步增長，主要集中在用於石油和能源的油菜籽。利用油菜生產石油/生物柴油覆蓋超過 12,000 僅在德國就有2公里，並且在過去 15 年裏翻了一番。 [10]
用於生產纖維素生物乙醇的兩種主要非糧食作物是柳枝稷和巨芒草。由於在許多地區缺乏支持生物甲烷的農業結構，缺乏信貸和獎勵計劃，美國一直對纖維素生物乙醇表現出濃厚的興趣。因此，很多私人資金和投資者都將希望寄托在可銷售和可申請專利的創新領域，例如酶水解和類似工藝上。
生物乙醇也是一種技術，主要通過將玉米（玉米種子）直接發酵生產乙醇。然而，在某些情況下，特別是在特定現場和工藝條件下，這個過程所消耗的能量與所產生的乙醇的能量價值相當，因此不太可持續。最新的研究進展表明，將穀物酒糟（稱為酒糟或DGS）轉化為沼氣的方法可能會成為改善這類生物乙醇生產的低能耗比例的一種途徑。
能源作物在火力發電站的應用
有多種方法可以減少或甚至消除化石燃料發電廠的碳排放。一種常見且經濟高效的方法是將發電廠改造成使用不同類型的燃料，比如能源作物或生物質。在某些情況下，如果這些能源作物或生物質正好是發電廠所需的原料，使用生物質熱能可以對電廠產生積極效益。[11]此外，當將能源作物用作燃料時，如果同時實施生物炭生產，火力發電廠甚至可以實現碳排放值為負，而不僅僅是達到碳中性。提高燃煤電廠的能源效率也可以顯著減少排放。
可持續性方面
近年來，生物燃料作為化石燃料的一種潛在替代品在許多國家變得越來越受歡迎。因此，深入了解這種可再生資源的可持續性變得至關重要。使用生物燃料帶來了眾多好處，例如減少溫室氣體排放、成本較低（相較於化石燃料）、具備可再生性等。[12]這些能源作物也可以用於發電。將木質纖維素和生物燃料與電力生產相結合已被證明非常高效。根據經濟合作與發展組織（OECD）/糧食及農業組織的數據（糧農組織），從2008年到2013年，全球生物燃料產量增長了109％，預計將再增長60％以滿足未來需求。[13]
能源作物的使用和需求的預計增加引發了關於這種資源是否可持續的問題。生物燃料產量的大幅增長導致土地利用模式發生變化，對生態系統（包括土壤和水資源）產生了重大影響，同時也加劇了用於種植能源作物、糧食或飼料作物的土地競爭。未來用於生物能源原料的植物應當具有快速生長、高產量，並在生長和收穫等方面需要很少的能量投入。[13]雖然使用能源作物進行能源生產有助於減少溫室氣體排放，而且價格相對較低，但我們仍需要解決成本、效率和維護所需空間等關鍵問題，以便更廣泛地採用生物燃料。
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在植物的生長過程中，它們會吸收大量的二氧化碳（CO2）。[14]一般來說，普通森林的碳循環周期長達數十年，而短周期輪作森林（SRF）的碳循環時間為8-20年，短周期輪作森林（SRC）的碳循環時間僅為2-4年。[15]與此相比，多年生草本植物如芒草的輪作周期僅為4至12個月。此外，生物質作物不僅在地上部分吸收CO2，還將碳儲存於地下、根系和土壤之中。通常情況下，多年生作物吸收的碳要多於一年生作物，因為它們的根系生長能夠在多個年度內持續進行而不受中斷。而且，多年生作物避免了一年生作物種植所伴隨的年度耕作程序，如犁地和挖掘，這些程序有助於土壤微生物分解可用碳並釋放CO2。
據觀察，柳枝稷作物下方的土壤有機碳含量高於耕地，特別是深度低於30 cm（12英寸）的土壤。 [16]
碳封存量和溫室氣體(GHG) 排放量將決定生物能源項目的總溫室氣體生命周期成本是正、中性還是負。具體而言，如果地下總碳積累量超過了地上總生命周期溫室氣體排放量，則溫室氣體/碳負生命周期是可能的。
例如，對於芒草來說，碳中和甚至負電都是觸手可及的。這意味着產量和相關的碳封存量非常大，超過了農場運營排放、燃料轉換排放和運輸排放的總和。 [17]成功的固碳取決於種植地點，因為固碳的最佳土壤是目前缺碳的土壤。
對於英國來說，英格蘭和威爾斯大部分地區的耕地碳封存預計會成功，而蘇格蘭部分地區由於土壤（現有林地）碳含量已經豐富，碳封存預計會失敗。此外，對於蘇格蘭來說，在寒冷的氣候下產量相對較低，因此更難實現 CO 2負值。碳含量豐富的土壤包括泥炭地和成熟的森林。草原也可能富含碳，研究發現，英國最成功的碳封存發生在改良的草原下方。 [18]
參考文獻
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