寻找完美的生物能源

寻找完美的生物能源生工一班武硕军20122514077以生物乙醇为主的第一代生物燃料早已登场，但累积的问题越来越多：粮食危机的背景下，水资源和土地资源匮乏；无法应用到碳排放量巨大的航空领域；成本比石油更高。于是，芒草、柳枝、麻疯树、木纤维、海藻……一个个走进实验室，但它们要面对的除了技术的新挑战，还有成本和资源的老问题。海藻、芒草、玉米、木薯、秸秆、柳枝，还有各式各样稀奇古怪的植物，在生物学家眼中，几乎和“黑金”石油、煤炭没有区别，甚至是更优的能源。对这些科学家、各国的能源部长而言，如果能把存在于自然界的生物质内部的能量释放出来，成为新一代的燃料来源，甚至有可能成为石油危机的救星。近年来，石油、煤炭、天然气的枯竭，加上全球变暖带来的威胁，让生物质能源的开发变得更加紧迫。生物质能是藏在生物质中的能量。地球上所有的动植物和微生物都是生物质，它们直接或间接地通过绿色植物的光合作用，将太阳能转化为化学能，储存在体内。夸张一点说，有太阳的地方，就有生物质能。亿万年前，太阳能通过光合作用转化为化学能，储存在当时存在的动植物体内，深埋于地壳下。经过亿万年的风化演变，形成了今天最重要的能源来源——石油、煤炭、天然气。从某种意义上而言，传统的化学能源也是生物质能存在的另一种形式，它不过是地壳经过变化，将亿万年前储存的生物质能，变成可以直接燃烧使用的化石能源。近百年间，大自然赐予的化石能源被人类消耗得差不多了，美国能源信息署2005年的预测显示，石油可以用上53年，天然气还能维持63年，这个数据和BP公司的预测非常接近——其2005年的数据估计，天然气的可持续使用时间是66年。亿万年积累起来的化石能源，只能满足现代社会两百年的能源需求，人类明显等不及又一个亿万年的演化周期，迫切地需要把储藏在现有生物质中的能源释放出来，用于驱动飞机、汽车。奥巴马自上任以来，几乎每年都投入几十亿美金，进行生物燃料的开发。美国把生物能源当成降低进口石油依存度和振兴经济的法宝，如今生物能源在美国已经超过水电，成为第一大可再生能源，占美国能源消费总量的3%以上。对于航空业而言，生物柴油更为重要，2012年起欧盟区域内的航班将纳入碳交易计划，飞机将被限制二氧化碳的排放。一旦超出，航空公司就要留下“买碳钱”，各家航空公司将可能为此付出高达几十亿美元的费用。技术与成本的枷锁每逢油价低迷时，生物燃料就被打入冷宫。和化石能源选择性地储存不一样，有太阳的地方，就会有生物质能源的存在。石油埋在中东，煤炭埋在澳洲和中国，生物质却遍布地球每一个有人的角落，从寒冷的西伯利亚到炎热的埃塞俄比亚，全球各地都能找到合适自己的生物能源，不用争得头破血流。生物质的生长周期还很快，不少植物一年就能完成一个生长周期，而微生物如微藻的生长周期更是以天计算。也就是说，它取之不尽，用之不竭，不用担心有枯竭的一天。当然，并不是所有的生物质中蕴含的能量都适合转化为生物能源。荷兰乌德勒大学对全球生物质原料资源做的预测研究显示，到2050年，在坚持不与粮争地，不毁林，只利用不适合商业作物生产的退化土地的原则下，生物质能源能产生相当于每年432亿吨至1060亿吨原油的能量。和风能、太阳能相比，生物能源还有天然储藏室——就是植物和微生物们，能稳定且长久地存在。更妙的是，相比传统化石燃料，它还会减少碳排放——这对迅速变暖的地球而言，是一个福音。全球可再生燃料联盟2009年11月的研究报告显示，无论是美国的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇，还是欧盟的生物柴油，都能减少碳排放，主要生产国的温室气体的减排量是8757万吨。美国和欧盟都计划在2020年将生物能源占其能源消耗的比例提高到20%，美国更是希望在2050年，其生物能源的比例能提高到50%。生物能源虽有不凡潜力，但由于成本限制，每逢油价低迷时，这种替代品就要被打入冷宫一阵子。中国生物燃料产能目前为360万吨/年，而产量只有160万吨/年，仅占液体燃料的0.7％；美国由于技术难题，也调低了生物能源的生产指标。从分子结构上看，生物质中富含大量的碳氢化合物，和化石燃料算是同宗；但化石燃料是大自然为人类进行了亿万年的预处理，人类只要开采出来，进行简单的物理处理就可以直接燃烧转化为能量。作为可再生能源领域唯一可以转化为液体燃料的能源，这就意味着，生物燃料可以直接和汽油混合使用，可以直接使用现有的输送管道和原汽油发动机。内燃机和汽车刚刚诞生时，生物乙醇和生物柴油都曾作为燃料短暂使用，但迅速被成本低廉、方便快捷的石油所取代。但生物质能源深藏在生物质的细胞内部，你毕竟不能掰开一个玉米棒子，或者砍下一根甘蔗，直接扔进汽车的发动机里，成为汽车加速的动力。想要把它变为可供燃烧的液体燃料，那可不是一件容易的事情，需要经过极其复杂的化学、物理过程，才能转化为可供直接使用的生物燃料。说到碳排放最剧烈的空中交通，燃烧效率低下的玉米乙醇却无法应用于商业客机，而其他生物柴油又面临高空低温凝固的障碍，在无法对发动机进行大规模更替的情况下，航空业只能等待新一代生物燃料的开发。虽然在实验室内，将各式各样的生物质转化为生物燃料不成问题，但要做到万吨级别的产业化生产，成本太高，即便是各国政府进行补贴，成本上暂时还无法和石油竞争，你不能指望私家车主去购买10块钱一升甚至更高的生物柴油，而放弃7块钱一升的传统汽油和柴油。下一代燃料为了提高燃料效率，科学家倾向于寻找富含多糖的植物。更重要的是，不是所有的生物质都适合做生物燃料的来源。目前，各国都倾向于把生物质转化为液体的生物燃料，直接替代石油用于运输行业。众所周知，液体生物燃料主要是两大类——生物乙醇和生物柴油，二者作为燃油的替代产品备受关注。乙醇自古以来就是燃料，它既可以单独使用，也可以与传统汽油混合配制成乙醇汽油作为汽车的燃料。乙醇兑入传统的汽油后，可以代替污染环境的含铅添加剂来改善汽油的防爆性能；减少有害气体和温室气体的排放，但乙醇的能量密度较传统的汽油要低35%。在不改造发动机的情况下，汽油中只能加入10％的生物乙醇，这也是中国乙醇汽油的标准。糖类和淀粉是制造生物乙醇的原料，因此各国的科学家倾向于挑选那些含淀粉和糖较多的植物——比如玉米、甘蔗、甜高粱等作为能源作物，为生物乙醇提供原材料。和生物乙醇相比，生物柴油更接近于石油，它是以动植物油脂为原料生产的一种长链脂肪酸的单烷基酯，是天然的油脂和甲醇酯交换后，将分子质量降至与石油基柴油相接近的一种液体燃料。德国斯科特公司在生物柴油和普通柴油的性能比较实验中发现，生物柴油的热值、含硫量、含氧量等指标都高于石油和柴油，储存、运输和使用中的安全性也高许多。美国环保署的一项测试报告还显示，在普通的柴油发动机中添加20%的生物柴油是安全的，而且添加生物柴油的发动机排放到空气中的致癌毒素也减少了75%。作为新兴的生物质能源，生物柴油主要来源于油料作物—大豆、油菜籽，木本油料—棕榈、麻疯树，和废弃的油脂—也就是我们俗称的“地沟油”。要知道，成为替代石油的新能源并不容易。它需要大规模地种植和更方便地采摘收集，因为人类对能源的需求实在是太大了，小体量的能源根本无法满足人类对能源的欲望；它还要能直接和现有的液体燃料混合使用，不用改造现有的发动机，甚至是输送管道；最后还要在市场上和成长了一百多年的成熟的石油工业竞争，经过种植、收割、采集、复杂的化学、物理转化的生物能源和直接从地底海底挖出来的石油的成本自然不可同日而语。更重要的是，制造生物燃料，还需要用到两种资源——水与土地，特别是可耕种的土地，而要获取足够的生物能源的原料，通常需要大面积的种植土地。用占有一种稀缺资源的方式换取另一种稀缺资源并非长久之计，所以理想的生物能源应该可以在已经退化的、不适宜种植粮食作物的边际性土地上高效地生长。能商业化种植，采摘收集方便，不占用耕地，能在退化的土地中生长，减少碳排放，成本低廉，才能称之为理想的生物能源。早在20世纪80年代初，美国就进行了大量的油料能源植物的研发，选定了12种植物；1999年，美国能源部又组织了多国的科学家参加对油棕等热带植物和藻类的研究。针对生物乙醇和生物柴油的特性，30年来，各国的科学家前后研究过不下几百种植物和微生物。然而，迄今为止，都还没有找到一种堪称完美的生物能源。纤维素还是海藻？成本、能源消耗、燃料转化率等因素决定未来的生物燃料要打组合拳。最早进入人类视野的是以玉米、甘蔗、大豆等农作物为代表的第一代生物能源。玉米、甘蔗等农作物中的淀粉和糖经过水解和发酵生成生物乙醇，甘蔗中的糖分经过液体直接发酵成为生物乙醇，技术成熟，在巴西和美国以及我国国内有大规模的制造基地。而提取花生、大豆等油类植物果实中的油脂，制备生物柴油也已经进入商业化的生产阶段。早在20世纪70年代第一次石油危机来临时，美国和巴西就开始了燃料乙醇对汽油的替代。根据各自的优势，美国用玉米、巴西用甘蔗制备生物乙醇。其中，美国的玉米乙醇产量为2650万吨，占全球的50％；巴西的甘蔗乙醇产量为1900万吨，占全球的37％。中国、欧盟和加拿大的乙醇产量分别占全球的4％、4％和2％。欧盟更青睐生物柴油。根据欧盟生物柴油局的统计，2009年欧盟生物柴油生产量增长16.6%至900万吨。但自2008年始，就有批评者认为，以粮食作物为代表的第一代生物能源，成为粮价飞涨的推手之一。“与粮争地”、“饿死穷人”、“喂饱汽车”的担心让各国政府望而却步。事实上，目前全球所生产的乙醇几乎全部由农作物中所含的淀粉和糖类转化而来，造成了对农业资源和可耕种土地的大量占用，并推高了粮价。《科学》杂志上的一篇文章甚至认为，用农田生产生物燃料会增加温室气体的排放。理论上，植物在生长时固碳（吸收CO2），作为生物燃料燃烧时释放CO2，基本是碳中性。事实上，如果与传统的汽油相比，在等量的情况下，巴西的甘蔗乙醇减少了90%的碳排放，美国的玉米乙醇的减排能力有限，也有10%-30%，而大豆生物柴油的这一数据是41%。虽然第一代生物能源技术成熟，在税收和财政的补贴下，成本只比传统石油略高，商业化也初具规模，但天生的缺陷让它无法成为理想的生物能源。中国以自己优势的非粮能源作物甜高粱、薯类和菊芋等为原料生产乙醇燃料，被称之为1.5代生物燃料。相对于玉米等粮食原料，木薯、甘薯、甜高粱等非粮乙醇虽能避免粮食消耗，但目前1.5代生物能源的产业化程度还不高，原料成本是影响它的重要因素。以麻疯树为代表的木本油料作物作为第二代生物柴油开始引起关注，木本油料可以利用中低山和丘陵地大规模种植，不与粮争地。我国政府在四川已经种植了1.73万公顷麻疯树，产油6万吨。但因其高度的分散和管理不便，规模化种植的难度较大。加上木本油料多在山区，收获和运输的人力成本让最终的产品—生物柴油的成本难以和石油竞争。现在，纤维素进入了人类的视野，这是生物能源发展的一个突破。植物体组成成分中含量最高的就是纤维素，可以占到70%，而纤维素是一种多糖的机构，可以转化为生物乙醇。更妙的是，既可以利用现有的、被废弃的纤维素资源，比如秸秆、林业废弃物等，也可以规模化种植可收获纤维素的能源植物—科学家近年来在探索芒草、柳枝作为能源作物的可能性。现实的困境是，成本还是太高。二代生物能源受困于成本，还没有进入产业化阶段，又掀起了第三代生物能源—藻类的开发热潮。藻类的生长不占用土地和淡水这两大资源，只要有阳光和海水就能生长，甚至在废水和污水中也能生长。生长速度以天计，从生长到产油只需要两周左右，而多数能源作物需要几个月。它的产油量也非常可观，一亩大豆一年下来约产油300公斤，而一亩海藻至少能产油2-3吨。但它要进入商业化生产，比二代还要遥远。据中国石油大学新能源研究中心傅鹏程教授估计，藻类生物柴油的生产成本几乎是石油的10倍，想要替代化石能源，恐怕还要10年之久。清华大学应用化学研究所所长刘德华也认为，未来的能源格局，应该是各国根据自己的地理优势选择多种生物能源的组合，加上风能、太阳能、化石能源，才能应付得了人类日益膨胀的能源的需求。