碳循环 从天而降的生物能源产业革命

**章　CO2、碳基生命与气候循环
**节　CO2浓度与植物的发展 2
一、原核生物的光合作用与氧气的产生 2
二、海洋生物发展阶段的地球环境 4
三、陆生植物繁衍阶段的CO2浓度 5
四、CO2浓度的波动降低与聚煤作用的逐渐减弱 7
第二节　地球植物与气候的关系 13
一、气候及碳循环模型的建立 13
二、温室效应与地球生态 16
三、太阳活动对地球生态环境的影响 18
四、光合作用在储能和平抑太阳能方面的作用 20
第三节　从太原石炭—二叠系地质剖面看地球的气候周期 25
一、石炭纪陆地生物大爆发 26
二、石炭纪森林崩溃 27
三、二叠纪冰期 28
四、二叠纪生物大灭绝 29
五、二叠纪末期与三叠纪早期的赤地千里 29
第四节　从地球历史的角度看今天的气候变化 31
一、人类时代在地球气候循环过程中的阶段分析 31
二、第四纪黄土的形成与后冰期时代 33
三、地球气候正进入温暖期 35
四、变暖、变湿、CO2上升——一个新的环境正在形成 36
第二章　只要太阳依然存在，地球能源永不枯竭
**节　太阳与地球的太阳能 46
一、太阳质量与核反应能量 46
二、太阳的年龄与寿命 47
三、进入地球的太阳能量与分布 48
四、进入地球的太阳能的储存与保留状况 51
第二节　化石能源是地球历史上太阳能的储备 52
一、所有的化石能源均来源于光合作用 52
二、生物发展过程伴随化石能源的形成过程 53
三、不同的生物环境形成了不同的化石能源品种 55
四、生物掩埋过程与化石能源的形成 57
第三节　可再生能源是太阳和太阳能作用的结果 60
一、关于地球能源的分类与评价 60
二、风能与大气环流 61
三、水能与水循环 62
四、浅层地热能 63
五、潮汐能 64
六、光伏能与生物质能 65
第四节　光合作用是收集、储存太阳能的*佳途径 65
一、生物能源发电与太阳能发电的比较 66
二、生物能源发电与风能发电的比较 69
三、生物能源与水能的比较 71
四、生物质生产与化石能源再开采的经济比较 72
第三章　岩石圈、生物圈和大气圈的碳平衡
**节　岩石圈、生物圈、大气圈的碳总量及循环模式 78
一、岩石圈、生物圈与大气圈的碳总量 78
二、岩石圈与大气圈的碳循环模式 79
三、生物圈与大气圈的碳循环模式 80
四、碳循环与新一轮生态发展的开始 83
第二节　在地球碳循环过程中找到一个新的平衡点 84
一、地质历史上新生代及当代碳循环模型的建立 84
二、无碳排放政策干预条件下的情景分析 86
三、满足《联合国气候变化框架公约》下的情景分析 86
四、本模型下新的平衡点 87
第三节　地球大气的碳平衡 88
一、化石能源的燃烧——CO2的正调节机制 88
二、生物质与农业能源——CO2的负调节机制 89
三、碳平衡的调节与生态环境的优化 89
第四章　生物技术的突破与生物能源主导未来
**节　基因工程技术发展与光合作用效率的提高 94
一、通过改变C3与C4植物的基因提高光合作用效率 95
二、通过延缓叶片衰老来提高光合作用效率 98
三、通过提高氮素利用率进而提高光合作用效率 98
四、通过修饰植株株型提高光合作用效率 99
五、通过提高水分利用率提高光合作用效率 100
第二节　生物能源原料的改良与发展 101
一、对淀粉和糖类作物的改良 101
二、对纤维素类植物的改良 102
三、对油脂类能源植物的改良 105
四、对藻类能源植物的改良 107
第三节　当生物质主导人类能源需求时 110
一、生物能源替代化石能源的必然性 110
二、光合速率与*佳CO2浓度 112
三、满足人类能量消耗的生物质再生能力评估 113
四、绿色地球与人类生存环境的根本改善 118
第五章　化石能源与生物能源的互补性
**节　化石能源是生物能源发展的必要支持 124
一、化石能源改变了人类的生存方式 124
二、化石能源释放了深埋地下的碳元素 129
三、生物能源成为主导能源尚需一个发展过程 130
四、化石能源为生物能源应用提供了基础设施与保障 133
第二节　化石能源与过渡期的能源保障 134
一、各种化石能源的探明储量与生产情况 134
二、煤炭是可持续发挥作用的化石能源 138
第三节　化石能源与清洁技术的推广 140
一、化石能源规模化应用尚有空间与时间 140
二、化石能源应用的*大阻碍是污染问题 141
三、化石能源清洁应用技术的发展 143
四、提前布局生物能源农业，全面推动生物质碳汇工程 147
第四节　煤炭的未来——精准应用与焦化干馏 148
一、煤炭将进入辅助能源和原料时代 148
二、煤的研究不断深入，焦化干馏已扩展到除褐煤外的所有煤种 149
三、焦化干馏产品的多样化 155
四、焦化干馏产业链发展的新趋势 156
五、生物质燃料油焦化厂的设想 159
第六章　蓄势待发的生物能源产业
**节　碳环境驱动下的能源农业 164
一、农业与生物能源的概念 164
二、生物质的基本成分与结构 165
三、决定生物能源未来的关键——CO2、阳光和降水 167
四、贫碳环境下的农业与可耕种土地 168
五、富碳环境下的能源农业 169
六、能源农业的产品分类 173
第二节　再生速度大于开采速度——瑞典的林业生物能源 180
一、坚定的政策支持推动瑞典生物能源产业快速发展 180
二、森林资源在利用中才能得到保护和增长 181
三、生物质颗粒燃料产业大放异彩 183
第三节　生物燃料大于化石燃料——巴西生物液体燃料的发展 184
一、巴西生物乙醇燃料的推广 185
二、政府对生物柴油产业的支持 187
三、生产生物燃料的原料与成本 188
四、巴西生物能源的展望 190
第四节　可再生的“天然气”——持续快速发展的德国沼气工业 191
一、德国沼气产业快速发展 192
二、沼气提纯替代天然气技术先进 193
三、德国沼气工程的特色 195
四、专用能源作物产沼气的潜力 196
第五节　混合发电——美国生物质发电的研究与推广 197
一、生物质发电的规模与应用 198
二、生物质与煤混合燃烧的应用推广 199
三、美国生物质发电技术和主要发电厂 200
第六节　生物能源种植园 202
一、以色列沙漠种植园 202
二、日本生物原料工业园的建设成果 204
三、石油植物园 206
第七章　即将来临的生物能源产业革命
**节　能源与产业革命 214
一、产业革命的定义与特征 214
二、能源转型是产业革命的原动力 215
三、生物能源产业革命的临界点 218
四、碳汇与生物能——全面推动第三次能源产业革命 222
第二节　水利与灌溉工程将成为*大的基础产业 222
一、重新定义水利与灌溉工程 222
二、生物技术将相同耗水量下的生物质产量成倍提高 223
三、节水灌溉技术对水资源应用效率与经济性的影响 223
四、水利与灌溉工程将成为*大的基础产业 226
第三节　农业革命与社会财富的再分配 228
一、基因工程推动下的生物能源 229
二、现有草原、森林的升级换代 232
三、向沙漠进军 234
四、农业重新回归**大经济产业 237
第四节　生物能源支持下的新型工业体系 241
一、能源体系的变革 241
二、化工与原材料 246
三、生物质建筑材料与应用 246
四、新型工业体系的建立 248
第八章　生物能源产业革命推动下的新生态
**节　化石能源及其工业体系的衰败 254
一、化石能源工业体系的困境 254
二、能源巨头的*后风光 254
三、耗尽资源的中心城市 255
四、一个新的能源保障系统正在形成 256
第二节　生物能源的崛起与第三次产业革命的水到渠成 259
一、即将爆发的第三次产业革命 259
二、软着陆还是硬着陆 260
三、巨大的农业人口与就地产业化 261
四、中国将全面推动并引领第三次能源产业革命 262
第三节　可持续发展的地球美好家园 264
一、共识 264
二、困境 265
三、碳交易助推生物能源 268
四、中国承诺 270
五、地球美好家园 271 CONTENTS
Chapter Ⅰ CO2, Carbon-based Life and Climate Cycle
1.1 CO2 Concentration and Plant Development 2
1.1.1 Photosynthesis in Prokaryotes and Oxygen Production 2
1.1.2 The Earth’s Environment during Marine Life Evolution Stages 4
1.1.3 Atmospheric CO2 Levels during Terrestrial Plant Proliferation 5
1.1.4 Decreasing CO2 Fluctuations and Diminishing Coal Accumulation 7
1.2 The Earth’s Plants and Climate 13
1.2.1 Establishment of Climate and Carbon Cycle Model 13
1.2.2 Greenhouse Effect and the Earth’s Ecosystem 16
1.2.3 Solar Activity Impact on the Earth’s Ecological Environment 18
1.2.4 Photosynthesis in Energy Storage and Solar Variability 20
1.3 The Earth’s Climate Cycles from Taiyuan Permian-Triassic Geological Section 25
1.3.1 Carboniferous Terrestrial Life Explosion 26
1.3.2 Collapse of Carboniferous Forests 27
1.3.3 Permian Ice Age 28
1.3.4 Permian Mass Extinction 29
1.3.5 Arid Landscape in Late Permian and Early Triassic 29
1.4 Climate Change from Perspective of the Earth’s History 31
1.4.1 Anthropocene in the Earth’s Climate Cycles 31
1.4.2 Formation of Loess in Quaternary and Post-Glacial Era 33
1.4.3 The Earth’s Climate is Transitioning into a Warm Period 35
1.4.4 Warming, Moistening, and Rising CO2—Emergence of a New
Environment 36
Chapter Ⅱ Energy of the Earth Endless as Long as the Sun Exists
2.1 The Sun and Solar Energy on the Earth 46
2.1.1 Solar Mass and Nuclear Reaction Energy 46
2.1.2 The Sun’s Age and Lifespan 47
2.1.3 Solar Energy Entering the Earth and Its Distribution 48
2.1.4 Storage and Preservation of Solar Energy Entering the Earth 51
2.2 Fossil Energy is Solar Energy Reserved in the History of the Earth 52
2.2.1 All Fossil Energy Comes from Photosynthesis 52
2.2.2 Formation of Fossil Fuels Alongside Biological Development 53
2.2.3 Different Environments Result in Different Varieties of Fossil Fuel 55
2.2.4 Biological Burial and Formation of Fossil Energy 57
2.3 Renewable Energy, the Result of the Sun and Solar Energy Action 60
2.3.1 Classification and Evaluation of the Earth’s Energy 60
2.3.2 Wind Energy and Atmospheric Circulation 61
2.3.3 Hydropower and Water Cycle 62
2.3.4 Shallow Geothermal Energy 63
2.3.5 Tidal Energy 64
2.3.6 Photovoltaic Energy and Biomass Energy 65
2.4 Photosynthesis, the Best Way to Collect and Store Solar Energy 65
2.4.1 Comparison of Bioenergy Generation and Solar Energy Generation 66
2.4.2 Comparison of Bioenergy Generation and Wind Energy Generation 69
2.4.3 Comparison of Bioenergy and Hydropower 71
2.4.4 Economics of Biomass Production and Re-exploitation of Fossil Fuels 72
Chapter Ⅲ Carbon Balance in Lithosphere, Biosphere and Atmosphere
3.1 Total Carbon and Cycling Patterns in Lithosphere, Biosphere and
Atmosphere 78
3.1.1 Total Carbon in Lithosphere, Biosphere and Atmosphere 78
3.1.2 Carbon Cycle Patterns in Lithosphere and Atmosphere 79
3.1.3 Carbon Cycle Patterns in Biosphere and Atmosphere 80
3.1.4 Carbon Cycle and Onset of a New Phase of Ecological Development 83
3.2 Identify a New Balance Point in the Earth’s Carbon Cycle 84
3.2.1 Establishment of Carbon Cycle Model for Cenozoic and Contemporary
Geological History 84
3.2.2 Scenario Analysis under Zero Carbon Emission Policy Intervention 86
3.2.3 Scenario Analysis Compliance with UNFCCC Protocol 86
3.2.4 New Balance Point under this Model 87
3.3 Carbon Balance of the Earth’s Atmosphere 88
3.3.1 Fossil Fuel Combustion—Positive Regulation Mechanism of CO2 88
3.3.2 Biomass and Agricultural Energy—Negative Regulation Mechanism
of CO2 89
3.3.3 Carbon Balance Regulation and Eco-Environment Optimization 89
Chapter Ⅳ Biotechnology Breakthroughs and Bioenergy will Dominate the Future
4.1 Development of Genetic Engineering and Improvement of Photosynthesis
Efficiency 94
4.1.1 Enhancing Photosynthesis Efficiency by Modifying Genes in C3 and C4
Plants 95
4.1.2 Enhancing Photosynthesis Efficiency by Delaying Leaf Senescence 98
4.1.3 Enhancing Photosynthesis Efficiency by Improving Nitrogen Utilization 98
4.1.4 Enhancing Photosynthesis Efficiency by Modifying Plant Morphology 99
4.1.5 Enhancing Photosynthesis Efficiency by Increasing Water Use
Efficiency 100
4.2 Improvement and Development of Bioenergy Raw Materials 101
4.2.1 Genetic Modification of Starch and Sugar Crops 101
4.2.2 Genetic Modification of Cellulosic Plants 102
4.2.3 Genetic Modification of Oleaginous Energy Plants 105
4.2.4 Genetic Modification of Algae Energy Plants 107
4.3 When Biomass Dominates Human Energy Needs 110
4.3.1 Necessity of Bioenergy to Replace Fossil Fuels 110
4.3.2 Photosynthetic Rate and Optimal CO2 Level 112
4.3.3 Assessment of Biomass Regenerative Capacity to Meet Human Energy Consumption 113
4.3.4 Fundamental Improvement of the Green Earth and Human Habitat 118
Chapter Ⅴ Complementarity of Fossil Fuels and Bioenergy
5.1 Fossil Fuels as Essential Footstone for Bioenergy Development 124
5.1.1 Fossil Fuels Transforms the Way Humans Live 124
5.1.2 Fossil Fuels Unleashes Carbon Buried Underground 129
5.1.3 Bioenergy Takes Time to Develop before Becoming Dominant Energy Source 130
5.1.4 Fossil Fuels Provided Infrastructure and Support for Application of Bioenergy 133
5.2 Fossil Fuels and Energy Security during Transition 134
5.2.1 Proven Reserves and Production of Various Fossil Fuels 134
5.2.2 Coal is a Sustainable Fossil Energy Source 138
5.3 Promotion of Fossil Fuels alongside Clean Technologies 140
5.3.1 Space and Time Still Exist for Large-Scale Application of Fossil Fuels 140
5.3.2 Pollution is the Biggest Obstacle for the Application of Fossil Fuels 141
5.3.3 Development of Clean Application Technologies for Fossil Fuels 143
5.3.4 Early Layout of Bioenergy Agriculture and Fully Promote Biomass Carbon Sink Projects 147
5.4 The Future of Coal—Precise Applications and Coking Dry Distillation 148
5.4.1 Coal Will Enter the Auxiliary Energy and Raw Material Era 148
5.4.2 The Research on Coal Continues to Deepen and Coking Dry Distillation Has Expanded to All Coal Types Except for Lignite 149
5.4.3 Diversification of Coking Dry Distillation Products 155
5.4.4 New Trends in Development of Coking Dry Distillation Industry Chain 156
5.4.5 Envision of Biomass Fuel Oil Coking Plant 159
Chapter Ⅵ The Emerging Bioenergy Industry
6.1 Energy Agriculture Driven by Carbon Environment 164
6.1.1 The Concept of Agriculture and Biomass Energy 164
6.1.2 Basic Components and Structure of Biomass 165
6.1.3 Key Factors Determining the Future of Bioenergy—CO2, Sunlight, and
Precipitation 167
6.1.4 Agriculture and Arable Land in Carbon-Poor Environment 168
6.1.5 Energy Agriculture in Carbon-Rich Environment 169
6.1.6 Classification of Energy Agriculture Products 173
6.2 Regeneration Speed Exceeding Extraction Speed—Sweden’s Forestry Bioenergy 180
6.2.1 Strong Policy Support Driving Rapid Development of Sweden’s Bioenergy Industry 180
6.2.2 Protection and Growth of Forest Resources Through Utilization 181
6.2.3 Flourishing Industry of Biomass Pellet Fuels 183
6.3 Biofuel Surpassing Fossil Fuels—Development of Brazil’s Bio-Liquid Fuel 184
6.3.1 Promotion of Bioethanol Fuel in Brazil 185
6.3.2 Government Support for the Biodiesel Industry 187
6.3.3 Raw Materials and Costs for Biofuel Production 188
6.3.4 Prospects for Brazil’s Biomass Energy 190
6.4 Renewable “Natural Gas”—Sustained Rapid Development of Germany’s Biogas Industry 191
6.4.1 Rapid Development of Germany’s Biogas Industry 192
6.4.2 Advanced Technology for Purifying Biogas to Replace Natural Gas 193
6.4.3 Characteristics of Germany’s Biogas Projects 195
6.4.4 Potential of Dedicated Energy Crop Production for Biogas 196
6.5 Hybrid Power Generation—Research and Promotion of Biomass Power in the U.S. 197
6.5.1 Scale and Current Status of Biomass Power Generation 198
6.5.2 Promotion of Biomass and Coal Co-fired Power Generation 199
6.5.3 Biomass Power Generation Technologies and Major Power Plants
in U.S. 200
6.6 Bioenergy Plantations 202
6.6.1 Desert Plantations in Israel 202
6.6.2 Achievements of Japan’s Biomass Industrial Park 204
6.6.3 Petroleum Botanical Garden 206
Chapter Ⅶ Impending Revolution in Bioenergy Industry
7.1 Energy and Industrial Revolution 214
7.1.1 Definition and Characteristics of Industrial Revolution 214
7.1.2 Energy Transformation is the Driving Force behind Industrial
Revolutions 215
7.1.3 Tipping Point for Bioenergy Industrial Revolution 218
7.1.4 Carbon Sink and Bioenergy—Comprehensively Promoting the Third Energy Industry Revolution 222
7.2 Hydropower and Irrigation Engineering Will Become Largest Basic
Industry 222
7.2.1 Redefining Hydropower and Irrigation Engineering 222
7.2.2 Biotechnology Will Double Biomass Production with Same Water Consumption 223
7.2.3 Impact of Water-Saving Irrigation Technology on Water Resource Utilization Efficiency and Economics 223
7.2.4 Hydropower and Irrigation Engineering Will Become Largest Basic Industry 226
7.3 Agricultural Revolution and Redistribution of Social Wealth 228
7.3.1 Bioenergy Driven by Genetic Engineering 229
7.3.2 Upgrading Existing Grasslands and Forests 232
7.3.3 Advancing into Deserts 234
7.3.4 Agriculture Returning to Being the Top Economic Industry Again 237
7.4 New Industrial System Supported by Bioenergy 241
7.4.1 Transformation of Energy System 241
7.4.2 Chemical Industry and Raw Materials 246
7.4.3 Biomass Building Materials and Applications 246
7.4.4 Establishment of New Industrial Systems 248
Chapter Ⅷ New Ecology Driven by the Revolution in Bioenergy Industry
8.1 Decline of Fossil Fuels and Their Industrial Systems 254
8.1.1 The Dilemma of Fossil Fuel Energy Industry System 254
8.1.2 The Last Days of Energy Giants 254
8.1.3 Central Cities Depleted of Resources 255
8.1.4 Formation of a New Energy Security System 256
8.2 Rise of Bioenergy and Arrival of the Third Industrial Revolution 259
8.2.1 Impending Third Industrial Revolution 259
8.2.2 Soft Landing or Hard Landing 260
8.2.3 Enormous Agricultural Population and Local Industrialization 261
8.2.4 China Will Fully Promote and Lead the Third Industrial Revolution 262
8.3 Sustainable Development of a Beautiful Earth Home 264
8.3.1 Consensus 264
8.3.2 Predicament 265
8.3.3 Carbon Trading Boosts Bioenergy 268
8.3.4 China’s Commitment 270
8.3.5 A Beautiful Earth Home 271