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生物燃料
生物燃料是指从植物特别是农作物中提取适用于汽油或柴油发动机的燃料,包括生物乙醇、生物柴油等。目前,主要以可食用农作物为原料生产的第一代生物燃料已成功实现商业化,而以非食用农作物为主要原料生产的第二代生物燃料——纤维素乙醇目前仍处于中试和示范的阶段。此外,研究人员也正致力于人工光合作用技术和电燃料技术的研发。
作为替代化石燃料的理想选择,未来生物燃料将步入高速发展时代。今年5月国际能源署发布的《交通用生物燃料技术路线图》指出,在不对环境及粮食安全带来重大负面影响的前提下,2050年生物燃料可以替代5500万吨到7500万吨石油,生物燃料在运输燃料中的比例将由目前的2%大幅上升为27%。生物燃料持续生产后每年可避免21亿吨的二氧化碳排放,成为交通行业第五重要的减排源。美国、巴西和欧洲等国在发展生物燃料方面居世界前列。2009年美国发布《国家生物燃料行动计划》,提出到2020年生物燃料将占其能源总消费量的25%,2050年将达到50%。巴西早在2006年就已实现40%以上的汽油消费由乙醇汽油取代,成为世界上唯一不供应纯汽油的国家。
第一代生物燃料以可食用农作物(主要是玉米、大豆和甘蔗)为原料,主要是生产燃料乙醇和生物柴油。其最大缺点是与人畜争夺食物资源,有可能导致粮食价格上涨并威胁全球粮食安全。3年前欧盟曾提出,要求2020年交通燃料的10%来自于可再生来源(其中大部分则是以粮食为基础的生物燃料)。据报道,今年9月欧盟提出了一份立法草案,拟对以食用农作物为原料的生物燃料加以限制。草案提出欧洲交通部门在2020年的总体能源消耗中,油菜籽、小麦等食用农作物生产的生物燃料所占比例不得超过5%(目前这一比例为4.5%)。其主要原因就是欧盟组织的科学研究对这种燃料的减排效应提出了质疑,而重点粮食产区的歉收又引发了对粮食短缺的进一步担忧。
第二代生物燃料则以非食用农作物(如麦秆、草和木材等农林废弃物)为主要原料,采用生物纤维素转化为生物燃料的模式发展纤维素乙醇。这种生物燃料具有很多优点:首先是汽车发动机不需要改造就可以直接使用掺入了生物乙醇的汽油或柴油;其次是秸秆等纤维素类农业废弃物大量存在,供给非常充足。此外其二氧化碳减排效果明显。美国能源部的研究结果表明,第二代生物燃料有望减少最高达96%的二氧化碳排放;而第一代以玉米等为原料的燃料乙醇,平均仅可以减少约20%的二氧化碳排放。
要真正实现纤维素乙醇生产的商业化,关键在于克服木质素降解难度大、成本高等难题。可喜的是,2012年2月,丹麦诺维信生物技术公司面向全球市场推出了适用于纤维素乙醇商业生产的新型高效酶,这是目前市场上性价比最佳并确保纤维素乙醇工厂达到最低生产成本的酶制剂产品,这将成为推动纤维素乙醇商业化的重要契机。今年2月,一份题为《通向新一代乙醇经济》的研究报告预测,2030年前以农作物秸秆为原料生产生物燃料将为全球创造数百万个就业岗位,同时促进经济增长,减少温室气体排放,提升能源供应安全性。
藻类生物燃料也是一个发展潜力巨大的方向。这种燃料是利用一些藻类(主要是硅藻和蓝藻等)的代谢特征,以淡水、海水甚至生活污水作为营养源,让藻类在太阳光和二氧化碳的环境中进行光合作用,生产出某些特定物质,将这些物质提炼后就可以直接用作汽车等交通工具的燃料。目前用于生产藻类生物燃料的方法主要是光合反应器法、封闭环路系统法和开放池塘法。
藻类具有分布广、油脂含量高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等特点。截至目前藻类生物燃料的产量仍非常有限,但与其他非食物基原料相比,藻类的发展有明显优势。2010年荷兰科学家发表的研究成果表明,在过去的20年中微藻生产生物柴油的成本已从每加仑数百美元下降至数十美元,未来十年微藻生物燃料将与常规燃料的生产成本持平。美国Pike研究咨询公司2011年的研究报告则预测,到2020年全球藻类生物燃料的市场将达到13亿美元。
电燃料技术是利用微生物特别是细菌吸收化学能或电能,将二氧化碳转化为液体运输燃料的新方法。通过代谢工程和合成生物学的方法,这种技术可以将二氧化碳高效地转化为液体燃料,特别是开发能够从氢、金属离子、氧化还原活性物种或直接从电流中释放能量的有机物。2010年4月,美国能源部拨款1.06亿美元资助先进的生物燃料技术开发项目,其中与生物能源相关的领域就是电燃料。
人工光合作用技术是借助于阳光,用水、二氧化碳制造燃料和化学原料的技术。其最大优势是能够将太阳能转换为氢气、甲醇或乙醇等化学燃料,可以直接用在汽车等燃烧液态燃料的机械中。在自然界中光合作用利用太阳能将二氧化碳和水转变成糖和其他碳氢化合物,其效率不到1%,人工光合作用的目标是将转化率提高到20%以上,为此必须研制出能快速让水氧化的太阳能催化剂,这是提高人工光合作用效率的关键。2010年美国能源部资助建立了“人工光合作用联合中心”,5年内将共投入1.22亿美元致力于实现人工光合作用技术的实用化。
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