根據我國《可再生能源法》的定義，生物質能是指自然界中由植物、糞便和城鄉有機廢棄物轉化而來的能量。生物燃料是生物質能的載體，壹般指由生物質組成或經過加工的固體、液體或氣體燃料。
燃料乙醇是目前世界上應用最廣泛的可再生能源，也是我國培育和發展的戰略性新興產業之壹，符合我國能源供給側結構性改革和能源發展戰略的方向。生物燃料乙醇是連接農業、能源和環保的國家戰略性新興產業，將在保障國家糧食安全、解決能源危機和環境治理方面發揮更大作用。壹方面，燃料乙醇作為傳統石化能源的替代品之壹，有助於進壹步優化我國能源結構，降低石油對外依存度，保障能源安全；另壹方面，生物燃料乙醇是糧食生產的“推進器”，是糧食安全的“調節閥”。生物燃料乙醇的生產和加工將有助於穩定糧食生產，這是解決“問題糧食”的唯壹現實途徑，可以有效促進農業的健康發展。同時，燃料乙醇是壹種清潔能源，是汽油最環保的增氧劑和辛烷值促進劑，可有效減少溫室氣體和PM2.5排放，對改善大氣環境質量起到積極作用。
目前，美國和巴西的燃料乙醇產量和消費量處於世界領先地位，這主要得益於穩定廉價的原料供應和可再生能源的鼓勵政策。以美國為例。2019年，美國* * *生產了4.717×107t乙醇，替代了從5億桶原油中提取的汽油，創造了320億美元的收入，支撐了6.8萬個直接就業崗位和28萬個間接就業崗位。十年來，我國生物燃料乙醇行業累計產量超過1.98×107t，調合汽油近2×108t，改善了現有能源消費結構，間接減少原油進口3.2×108t；消化1.43×107t玉米、水稻、小麥等人畜不宜食用的糧食作物，副產1.24×107t高蛋白飼料；累計減排CO2當量2.52×107t，減少了汽車尾氣中有害物質的排放，替代了甲基叔丁基醚(MTBE)，保護了地下水資源。興農、環保、替代能源三大戰略初見成效，社會、經濟、生態效益顯著。
近年來，國家壹系列扶持和促進政策陸續出臺，推動了我國燃料乙醇產業的發展。2016年，國家能源局發布《生物質能發展“十三五”規劃》，提出加快生物液體燃料的示範推廣，特別是推進燃料乙醇的應用。2017年，我國決定加快發展燃料乙醇，15國家部委聯合發布《關於擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用生物乙醇汽油的實施方案》，大力推廣使用燃料乙醇；之後確定了《國家生物燃料乙醇產業總體布局規劃》。2018年全國燃料乙醇裝置產能增加近1×106t，總量達到3.7×106t。2020年全國推廣後，燃料乙醇年需求量將超過1×107t，燃料乙醇市場規模至少為7×。
中國燃料乙醇產業即將迎來廣闊的發展空間和巨大的發展機遇。雖然生物燃料乙醇產業已經基本形成了從生產、調配、儲運到銷售的完整工業體系，但整體發展仍與美國相差甚遠。在國家工業化和信息化深度融合的背景下，利用中國工業互聯網和第五代移動通信(5G)的優勢，以大數據、數字雙胞胎、區塊鏈等新技術為支撐，結合先進的信息管理系統，探索未來生物燃料乙醇廠智能安全發展的新模式，對中國燃料乙醇產業的高質量發展具有重要價值。
二、生物燃料乙醇產業發展現狀
燃料乙醇產業是國家重點扶持的新興產業，是基於石油危機和大氣汙染治理的新興綠色產業之壹。目前，我國生物燃料乙醇的主要生產方式分為糧食乙醇和纖維素乙醇。生物發酵生產乙醇在我國主要經歷了三個發展階段:1代燃料乙醇以玉米、小麥等陳化糧為原料，通過生物發酵將澱粉轉化為乙醇；1.5代燃料乙醇以非糧作物(木薯)為原料，同樣通過發酵將澱粉轉化為乙醇。這條路線雖然可以避免與人爭食的問題，但目前這種原料主要依賴進口；第二代燃料乙醇主要是纖維素乙醇，具有原料豐富的優勢，但由於我國纖維素乙醇關鍵技術尚未取得突破，成本高於糧食乙醇。總體來看，我國燃料乙醇的生產水平正處於從1代向1.5代的過渡階段，第二代纖維素乙醇將是未來生物燃料乙醇的主流路線。
2018年，全球約有2000家燃料乙醇工廠投產，燃料乙醇年產量達到8.5×107t，同比增長5.28%。國際能源署(IEA)2018年6月發布《2065 438+08年可再生能源:2018-2023年市場分析與預測》，認為可再生能源市場將繼續擴大，長期占全球能源消費增長的40%；生物燃料產量將增長15%，2023年達到1.65×1.01.08 L(約1.3×1.08t)。根據美國可再生燃料協會(RFA)公布的數據，美國作為燃料乙醇的主要生產國，2018年生產燃料乙醇4.796×107t，占全球總量的56%。巴西是世界上第二大乙醇生產國。2018年，乙醇產量達到2.365×107t，約占全球總產量的28%。歐盟1993的生物燃料乙醇產量僅為4.8×104t。經過十幾年的發展，2004年達到4.2×105t，之後開始大幅增長，2006年達到1.2×106t，2065438。歐盟生物燃料乙醇產業無論是起步時間還是增長速度，都比不上美國、巴西等生物燃料乙醇大國，但卻有著比較紮實的生物燃料乙醇產業基礎。世界上大多數國家都出臺了相關法律或政策進行推廣應用，燃料乙醇產業前景可期。
表12014—2018世界燃料乙醇產量× ×104t
來源:美國可再生燃料協會(RFA)。
提高生產效率壹直是燃料乙醇關鍵技術研發的核心。這將使生產企業在多方面受益:壹是提高現有裝置的產能，提高設備的利用率和各操作單元的轉化效率；二是通過分層利用，優化產品結構，實現產品價值最大化；三是節能節水；第四，減少“三廢”排放；第五，降低新增產能的投資成本和現有裝置的生產成本，提高裝置的整體效率。未來，工廠的流程將更加簡潔綠色，設備將更加穩定可靠，這將大大提高產品在整個生命周期的碳排放、凈能源和汙染物排放。合成生物學和分子生物學作為先進生物技術的發展方向，將在未來燃料乙醇產業的發展中發揮重要作用。包括基因育種、高效酶制劑、酵母在內的諸多生物技術正在全面進入燃料乙醇產業鏈。
國家非糧生物質能源工程技術研究中心利用合成生物技術構建了乙醇耐受性增強的工程菌株YM-27。與原始釀酒酵母相比，在12%的乙醇脅迫下，生長量提高到1.97倍。該菌株在木薯乙醇生產中的應用，可以克服濃醪發酵中後期酵母被高濃度乙醇抑制而導致發酵活性不足的問題。將耐酒精和滲透壓能力提高的酵母應用於濃醪發酵。原料糖化速度快，發酵後無殘糖。最終的乙醇濃度接近20%(體積/體積)。發酵-滲透汽化耦合技術原位分離乙醇可以減少產物抑制，提高單位體積產率。生物技術的應用逐步提高了我國燃料乙醇產業的產品質量，降低了生產成本。但目前我國生產燃料乙醇的主要原料仍是玉米等糧食作物，生產成本較高，與美國、巴西差距較大。此外，與煤制乙醇等其他燃料乙醇生產方式相比，生物燃料乙醇的生產成本處於劣勢。
近年來，我國生物燃料乙醇生產線逐步實現自動化，通過“以機器代人”，顯著提高了生產效率，降低了生產過程的人力成本。然而，生產線的信息化和智能化程度仍然較低，難以通過感知、獲取和分析生產線的全要素信息來進壹步優化生產線的資源配置和生產率。同時，企業決策者難以及時了解和掌握生產現場的實際情況，導致管理難度大，成本高。為了保證生物燃料乙醇產業的安全高效生產，提升未來的核心競爭力，相關企業迫切需要通過新的技術手段整合資源，優化生產工藝，提高自身生產能力，降低生產成本，從而走上壹條高質量的發展路線。
此外，化工行業的生產過程具有危險性大、連續性強、規模大、生產工藝復雜等特點，安全生產壹直是化工行業的第壹基本準則。據2018年全國化學事故分析報告統計，2018年全國共發生化學事故176起，死亡223人；其中中毒窒息事故32起，化學爆炸26起。目前化工企業還缺乏有效的生產過程智能控制平臺，監控盲區隱患多。化工生產安全和環境安全仍然是很多化工企業的痛點。生物燃料乙醇產業是集生物、化工、能源產業為壹體的復合型產業，安全生產也是企業長遠發展的重要挑戰。
第三，生物燃料乙醇產業未來發展的新模式
2065438+2009年7月，《過程智能制造白皮書》正式發布。在智能制造的新背景和新機遇下，流程制造將在設備運維、資產管理模式、生產模式、運營模式、商業模式等方面發生重大變革。為了保證企業安全高效生產，提升未來核心競爭力，迫切需要尋找壹種新的生物燃料乙醇產業發展模式。
利用智能控制、工業大數據、5G網絡等先進信息技術，保障生物燃料乙醇企業安全高效生產，是尋找生物燃料乙醇產業發展新模式的主要方向。我國先後出臺了《關於深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》、《關於積極推進互聯網+行動的指導意見》、《智能制造發展規劃(2016-2020年)》、《關於在互聯網+中深化先進制造業發展工業互聯網的指導意見》等政策文件，為智能制造發展提供了有力的政策支持，預示著信息化與工業化深度融合已經成為我國發展的新戰略。5G商用進程的快速發展，將提供10倍於4G網絡的連接速度，網絡時延降低到1 ms..5G網絡的靈活性和便利性將直接推動各行各業的數字化轉型，並為智能發展提供關鍵的網絡基礎設施。工業大數據是建設制造強國技術路線圖的重要突破。構建以數據為核心的智能系統，有望成為支撐智能制造和工業互聯網的核心驅動力。
(1)基於發酵過程大數據的新型智能生產模型
近年來，國家工業大數據相關政策加速了信息化與工業的深度融合，創新實現了新的產業模式。2018年，中國信息通信研究院發布的《中國大數據發展狀況調查報告(2018)》顯示，2016年至2018年，中國工業大數據市場規模穩步增長，預計2018年至2020年增速保持在30%以上。生物發酵過程的特點是原料來源多樣且不確定，發酵機理復雜，過程變量維度眾多且相互作用復雜，設備單元特性各異。同時，生物發酵過程保存了大量的歷史生產數據，其中包含了豐富的生產過程特征信息。
生物燃料乙醇是典型的生物發酵過程。未來新的生產模式可以基於生產線的歷史運行數據構建過程知識圖譜，利用大數據分析和深度學習實現生產過程的建模和動態調度(見圖1): ①生物燃料乙醇生產過程中原料來源的不確定性導致單壹全局模型難以準確描述生產過程的困難。通過基於層次聚類算法的生產條件宏觀模態判別技術和相應的海量歷史數據分割技術，結合不同類型的樣本構建相應類別的仿真模型，為生物燃料乙醇生產過程的智能控制提供可靠的樣本數據；(2)針對目前對生物燃料乙醇生產線發酵、分離等關鍵過程機理認識不清的情況，對模型的關鍵參數和結構進行優化、修正和自適應選擇，通過開展大數據的信息挖掘，彌補機理認識的不足，實現對生物燃料乙醇生產線發酵、分離等關鍵過程的精確模擬；同時，通過大數據整合的關鍵過程性能指標在線計算模型，精確計算關鍵性能指標，指導生產過程的全局優化，實現生物燃料乙醇生產過程的智能控制。基於工業大數據，結合先進控制、過程優化等技術，使生產過程中的物料趨於平衡，顯著提高生產效率，節約能耗，構成了生物燃料乙醇生產的新模式。
圖1燃料乙醇行業新型生產工藝模型
註:ERP是企業資源計劃；MES是制造執行系統；DCS是壹個分布式控制系統。
(二)基於數字孿生技術的安全生產新模式
生物燃料乙醇行業的生產設備需要長時間不停機運行，而傳統的被動診斷維護技術由於滯後效應嚴重、適應性低，難以有效預測事故現象。對傳統的診斷與維護技術進行升級，使其具備主動、自適應的狀態評估能力，是保證設備安全運行、提高運行質量、減少經濟損失和避免人員傷亡的有效途徑。數字結對、遠程運維、故障診斷等技術構成了燃料乙醇行業設備運維新模式的關鍵技術(見圖2)。
圖2燃料乙醇行業設備運行的新模式
數字結對的應用場景涵蓋制造業、建築、醫療、城市規劃等。相關技術正在深刻改變制造業:美國國家航空航天局在R&D成功應用數字孿生技術，制造月球車、戰鬥機、新型發動機等高端產業；國內科大訊飛有限公司發布建設數字雙城計劃；在北京新機場建設中，采用雙龍骨和管網可以提高施工效率，降低施工成本5%~10%，縮短工期10%。構建生物燃料乙醇生產線的數字孿生系統，建立覆蓋多空間尺度和多時間尺度的數字孿生對象模型，可以實現設備的遠程在線監控能力；結合增強現實(AR)技術，將設備數據實時傳輸給故障診斷專家，可以直接指導現場工作人員進行設備維護操作，從而顯著節省人力成本。此外，digital twin系統提供三維沈浸式智能巡檢、流程培訓、操作培訓、安全和環境監控等功能，成為解決大型廠區、高危區域和惡劣天氣下人工巡檢和生產線管理問題的潛在手段。
預知維修是基於現代數字信號處理、人工智能等先進技術的新型設備維修方式，包括燃料乙醇生產線設備的實時監測和故障報警，設備運行數據的遠程分析和綜合管理，賦予燃料乙醇生產線完善的自檢和自診斷能力。集成傳感器檢測、信號處理和大數據分析技術，對生物燃料乙醇生產線的關鍵設備特性進行動態觀察和分析，具備實時監測和診斷能力，及早發現問題，及時部署維修方案，確保設備正常運行，最大限度降低運行風險系數。通過燃料乙醇行業設備運維模式的轉變，提高了設備運維的效率和準確性，保障了相關企業的安全生產。
(3)基於工業互聯網和區塊鏈技術的新能源產業管理模式
在國家政策的推動下，生物燃料乙醇產業發展迅速，但也面臨壹些挑戰，如如何使國家政策更有效率，如何避免定價機制轉換的影響。對生物燃料乙醇市場實施精益管理(和全數字化管理)是非常必要的，無論是行業層面還是企業層面:生產總量需要控制，上下遊環節需要配合，避免市場失控，以消化余糧，保證糧食儲備在安全線以上。因此，采用工業互聯網和區塊鏈技術打造燃料乙醇行業新的管理模式，將有助於燃料乙醇行業實施精益管理，為國家政策的全面落實和高質量推進提供保障。
2017以來，我國工業互聯網產業蓬勃發展，傳統制造企業、工業軟件企業、工業設備供應商、信息通信企業等都建設了工業互聯網平臺。搭建工業互聯網平臺，有助於打通上下遊信息，整合數據，從而提高企業的管理效率[18，19]。工業互聯網是第四次工業革命的關鍵支撐，5G是新壹代信息通信技術升級的重要方向。兩者融合發展，將推動我國制造業轉型升級，支撐制造強國和網絡強國建設。目前“5G+工業互聯網”的研究和建設還處於起步階段，在生物燃料乙醇產業應用方面亟待突破，發展空間廣闊。基於生物燃料乙醇企業的發展需求和產業政策，以“5G+工業互聯網”為手段，設計、建設、管理和運營企業的工業互聯網內網，將分布在各地的生產企業連接起來，通過平臺積累生產數據、產業模型和業務服務，通過產業應用(APP)傳遞和復制產業知識和經驗，實現數據共享和產業鏈信息整合。從而提高生產企業的管理水平，探索燃料乙醇產業可持續發展的經營管理模式，支持企業轉型、跨企業價值鏈延伸、全行業生態建設和配置優化。
區塊鏈技術作為新壹代信息技術，是繼蒸汽機、電力、互聯網之後的顛覆性創新，將為新壹輪技術創新和產業變革帶來新的機遇。區塊鏈技術的采用有助於解決能源行業的“三難”:壹是優化能源流程，降低成本；二是提高供給的安全性；第三是提供更多的可再生能源和低碳解決方案。相關資料顯示，目前能源行業主要在電力企業和石油石化企業采用區塊鏈技術。區塊鏈模式在供應鏈金融平臺和產品追溯平臺的應用和探索，可以作為生物燃料乙醇產業商業模式創新的重要突破口。通過商業模式的變革，促進企業轉型升級，優化商業實施模式，提高管理效率，降低交易成本，從而推動燃料乙醇產業的變革。
第四，對策和建議
(壹)關鍵技術研究
《國家可再生能源中長期發展規劃》明確指出，從長遠來看，要積極發展基於纖維素生物質的生物燃料技術。目前，第二代纖維素乙醇發展的瓶頸在於缺乏先進、高效、廉價的酶和工業菌株，核心技術仍缺乏競爭力和抗風險能力，尤其是纖維原料綜合利用水平差、技術集成度低。針對纖維素乙醇技術的技術瓶頸和市場需求，迫切需要有效整合不同學科和具體技術領域，重點攻克稭稈預處理、糖平臺、生物轉化、生化分離、生物煉制和副產物聯產等制約纖維素乙醇產業化發展的關鍵技術，將相關技術有機結合，形成完整的技術體系。在整體突破的基礎上，該解決方案將集成為壹個緊密相連的完整工藝包，用於工業示範和推廣，從而確保中國油品質量的升級和替代，以期帶來可觀的經濟、社會和環境效益。
近期建議以纖維素乙醇為發展突破點，貫徹互利共贏的理念，對現有生產設施(1代或1.5代)進行深度整合，依托其公用工程實現資源利用最大化，從而降低纖維素乙醇裝置的整體投資和運行成本。這是目前業內先行者認可和推崇的新模式，有望產生可觀的綜合效益。
(2)政策保障
加強頂層設計，從國家戰略層面指導產業發展，加快制定培育生物燃料產業智能化發展的專項綱領性文件。加強組織管理，盡快建立國家生物液體燃料推廣和研發協調機制，成立國家生物液體燃料領導小組，統籌生物燃料乙醇生產和車用乙醇汽油推廣使用工作。完善生物燃料乙醇產業標準體系。
在國家戰略明確的基礎上，地方政府進行體制機制改革試點，積極推動形成新的產業形態。針對現有產業規模企業、基地和集群，出臺相關政策，對產業智能化升級建設給予必要支持，加強對相關企業的優惠支持。鼓勵人才、技術和資本向優勢區域集中，引導生物燃料乙醇產業基地特色化、聯合化、智能化發展，有步驟、有重點地培育壹批世界級生物液體燃料產業集群，在有條件的地區開展生物液體燃料新技術、新模式示範。
在企業層面，註重創新生產方式和技術，加強與科研機構的合作，堅持自主研發與引進吸收相結合、基礎研究與商業應用相結合的原則，建立健全以企業為主體、市場為導向、產學研相結合的技術創新體系。加強創新平臺建設，增強自主研究能力，集中力量突破關鍵技術，探索適合國情的先進生物燃料技術路線。積極配合國家政策引導，增強市場競爭力，提高企業內部工作效率，支持生物燃料乙醇產業高質量發展。