從生物燃料原料的開發現狀看生物燃料發展的利與弊

張 玉 璽

（銀川能源學院 石油化工系， 寧夏 銀川 750105）

生物燃料(biofuel)泛指由植物、動物、微生物等生物質通過熱裂解、酯化等反應生產的固體、液體或氣體燃料。其主要的產品有沼氣，生物乙醇、生物柴油、生物煤油、固態的原型和成型燃料等。可替代由化石原料制造的汽油，煤油和柴油等燃料，具有可再生性和清潔性等優點。隨著石油資源的短缺，環境的不斷惡化，生物燃料再次作為化石燃料的替代品成為世界各國的廣泛關注的焦點。

近幾年，石油價格仍在不斷上漲，溫室效應也在加劇，為了解決石油和環境的雙重問題，生物燃料的開發力度不斷加大，其帶來的負效應日趨明顯，聯合國糧農組織的專家在2008年1月23日警告，世界急于開發和使用生物燃料，正造成玉米和其他糧食作物價格上漲，可能造成水源短缺的狀況進一步惡化，并可能導致貧困人群失去他們賴以生存的土地[1]。另外生物燃料的高成本一直是制約其產業化的主要因素，面對種種質疑，生物燃料的發展究竟是利大于弊，還是弊大于利呢？

1 生物燃料原料的開發現狀

早期的生物燃料所用的生產原料主要是淀粉、糖類、油料作物和餐飲垃圾油等被稱為第一代生物燃料。現在陸續出現了利用農林廢棄物生產的纖維素乙醇即第二代生物燃料和第三代以微藻為原料生產的微藻燃料，以及通過改造藻類的代謝途徑，利用光合作用吸收二氧化碳的負碳生物燃料。

1.1 第一代生物燃料的開發現狀

第一代生物燃料包括用玉米、甘蔗等糧食作物生產的糧食乙醇和用大豆，菜籽、瓜子等油料作物和動物脂肪生產的生物柴油，以下以糧食乙醇在三大生產國的發展為例，看第一代生物燃料的發展。

1.1.1 美國

美國是世界上最大的玉米乙醇生產國，美國從上世紀70年代開始發展生物燃料乙醇，2001年，美國燃料乙醇產業消耗的玉米量占玉米產量的8.36%上下。2005年，美國燃料乙醇產業消耗的玉米量達玉米總產量的16%，比2001年增長了一倍，美國從此躍升為世界頭號生物燃料乙醇生產大國。從2004年到2008年，美國燃料乙醇的產量年均增長率達35.70%，以玉米為原料生產的燃料乙醇占全國燃料乙醇的95%[2]。另美國2005年頒布了《能源法案》，提出到2012年玉米乙醇達75億加侖.可是在2007年的RFS卻要求2022年可再生能源的產量提高到360億加侖；其中來自玉米燃料乙醇的使用量2015年可達150億加侖，并保持到2022年；隨著美國《新能源法案》的實施，玉米消費需求必然大量增加。美國把大量玉米用于生產燃料乙醇，減少糧食出口，導致世界糧食價格上漲，加劇了全球糧荒。

1.1.2 巴西

巴西是世界上最大的甘蔗乙醇生產國，早在20世紀70年代就開始實施生物燃料計劃，截止2005年，在中南部地區共建有235套甘蔗加工裝置，其中8套只生產糖，59套只生產酒精，209套同時生產糖和酒精。2005-2006年度巴西酒精總產量達到158億L。2006-2007年度，巴西的酒精產量預計將超過177億L。目前巴西可再生能源(主要是甘蔗酒精、木材生物質和水電)占總能耗的44.7%，而全球的平均水平可再生能源只占總能耗的14%。自1973年至2007年，巴西生物能源的產量增加了744.4%，從360萬t石油當量增加到3040萬t石油當量，年均增長21.3%[3]。2007年巴西乙醇產量為180億L，2010年巴西乙醇產量為274億L，巴西正在評價使現有乙醇生產提高12倍的可能性，如果能實現，到2025年可望生產乙醇2050億L（540億加侖），即占世界生產量約50%[4]。巴西生產的甘蔗乙醇成本低，發達國家們紛紛與之建立合作，日本和荷蘭已向巴西投入了部分資金，資助甘蔗乙醇項目，巴西甘蔗乙醇年產量必將增加，甘蔗的種植面積也會擴大，很可能會與糧爭地。

1.1.3 中國

相對于美國、巴西等國家，中國生物乙醇的研究開發晚，其生產始于2001年；我國最早開始鼓勵生物乙醇項目是出于消化“陳化糧”。2005年，建成燃料生物乙醇企業主要以玉米為原料，其玉米消耗量占全國玉米總產量2.43%。2006 -2007 年國內玉米價格上揚。2007年6月，國務院召開關于可再生能源會議，強調“在不得占用耕地，不得消耗糧食，不得破壞生態環境的原則下，堅持發展非糧食燃料乙醇”[5]。我國開始開發非糧生物乙醇，其中包括甘蔗乙醇，我國甘蔗種植主要集中在廣西、云南等少數幾個省份，面積有限，如果大量生產甘蔗乙醇，將會使引起食糖價格上漲，生產成本將高于糧食乙醇。但國家發改委相關人士也表示，繼續推廣乙醇汽油是大勢所趨，非糧生物能源如紅薯、木薯、甜高粱、纖維質乙醇是今后發展的重點[6]。

1.2 纖維素乙醇的開發現狀

纖維素生物質是由纖維素，半纖維素，和木質素組成的復雜材料。纖維素存在于幾乎所有的植物生命體中，是地球上最豐富的分子。纖維素乙醇技術，是一種高端的清潔能源技術，因為它可以被用來替代傳統的糧食乙醇技術，利用地球上廣泛存在的纖維素質生物原料生產清潔的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。木質纖維素主要來源于農業廢棄物(如麥草、玉米秸稈、玉米芯等)、工業廢棄物(如制漿和造紙廠的纖維渣)、林業廢棄物和城市廢棄物(如廢紙、包裝紙等)[7]。最早的纖維素乙醇生產裝置于1898 年出現在德國，該裝置以廢木料為原料，稀酸水解纖維素生成葡萄糖，糖發酵生產乙醇。我國在20世紀中期建成了以木屑為原料采用稀酸水解生產乙醇的東北南岔木材水解廠，共生產乙醇2萬多噸[8]。目前世界上還沒有一家工業規模利用纖維質原料生產燃料乙醇的企業,其主要障礙是預處理、酶解成本過高、缺乏經濟可行開發技術。美國能源部2002 年投資1 480 美元資助諾維信和杰能科開發新型纖維素酶，2007 年投資3 380 萬美元，用于纖維素乙醇技術的開發。意大利的M&G

(Gruppo Mossi and Ghisolfi)集團作為纖維素乙醇領域研發的領頭羊之一，一直在深入研究纖維素乙醇生產的各個主要技術環節,已開發的一體化纖維素乙醇生產技術PROESATM，在歐洲已建設年產4萬t的纖維素制乙醇的工業化示范裝置。此技術擁有的獨特的預處理工藝和酶解工藝，既可降低投資和生產成本，又具有非常好的經濟性和地域適應性.2012年,全球生物燃料生產用酶的最大供應商丹麥商諾維信， 2月22日面向全球發布了纖維素乙醇產業的最新創新產品—諾維信CellicCTec3(纖維素酶)，生產相同產量的纖維素乙醇，只需添加CellicCTec3酶制劑用量為1/5的其他酶制劑的量，便可確保將預處理過的木質纖維素材料轉化為可發酵糖，最終將確保工廠以最低總成本生產纖維素乙醇[9]。可見纖維素乙醇的研發和生產試驗在世界各國已廣泛開展，不僅有大量的中試廠和示范運營，還出現了商業規模的生產設施。歐洲的一些研究機構則認為大約在2015－2020年，此外還有一些研究機構認為則有可能在2025年之后纖維素燃料乙醇才能進入規模生產和市場應用階段。

1.3 微藻燃料的開發現狀

微藻是一類古老的低等植物，廣泛地分布在海洋、淡水湖泊等水域，營養豐富、光合利用度高。薇藻可以直接利用陽光、二氧化碳和含氮、磷等元素的簡單營養物質快速生長，并在細胞內合成大量油脂。與大豆、油菜和麻風樹等油料植物相比，微藻的生長周期短，從初生到可以制油僅需一個星期左右，而大豆等油料植物一般需要幾個月。因此微藻是制備液體燃料的良好原料。微藻熱解制備的生物質燃油熱值高，是木材或農作物秸稈的1.4～2倍。與其他生物材料相比，微藻的產油效率相當高，在一年的生長期內，一公頃玉米能產172 L生物質燃油，一公頃大豆能產446 L，一公頃油菜籽能產1 190 L，一公頃棕櫚樹能產5 950 L，而一公頃的微藻能產生物質燃油95 000 L。而且不和食物爭奪農田，它們可生長在田邊地角，甚至是農業和生活廢水中。早在20世紀50年代美國麻省理工大學就已經開始養殖海藻，進行生產生物燃料的實驗[10]。到1978年，美國能源部可再生能源國家實驗室也開始了薇藻燃料的研究，并進入了中試階段，1978-1996年薇藻實驗被在夏威夷等州中試放大，這一計劃因為研究經費精減、藻類制油成本過高而中止。由于近幾年石油價格一再飆升，為應對能源危機世界各國越來越重視海藻生物燃料的開發。美國于2007年重新啟動此項目，至今此實驗室已是最權威的薇藻生物燃料研究機構。2007年3月，以色列一家公司對外展示了利用海藻吸收二氧化碳，轉化太陽能為生物質能的技術，在離電廠煙囪幾百米處的跑道池中規模培養海藻，并將其轉化為燃料，每5 kg藻可產1 L燃料。2009年 2月28日上午，中國科學院與中國石油化工股份有限公司聯合召開了“微藻生物柴油成套技術”項目啟動會。2012年7月，該項目開發的新型軟體板式光生物反應器系統采用塑料薄膜作為反應器主體，與開放池和現有光生物反應器相比，成本大為降低，為實現微藻培養的產業化提供了可能性，目前正在構建100 m2封閉式微藻培養光生物反應器系統。2012年3月，在歐盟的支持下西班牙水務公司奧科利雅計劃推出利用廢水培養藻類進行生物柴油生產的商業化示范項目，項目所產生物柴油可供400輛汽車使用。2012年6月27日，日本微藻燃料開發推進協會成立。該協會共有10家民營企業加盟，發起者為吉坤日礦日石能源、IHI(石川島播磨重工業)、電裝三家公司，另外還有日立工業設備技術公司、三菱商事、出光興產等七家公司加盟該協會將致力于找出開發微海藻燃料制造技術方面存在的共性問題，通過探討解決對策、提出必要的措施，目標是在2020年度之前確立微藻燃料一條龍的生產體系。目前微藻生物燃料的生產還處于試驗階段，其生產成本是石化燃料的幾倍甚至幾十倍，但隨著技術的進步，其成本會大大降低，實現產業化也是指日可待，再加上國際油價的上漲，綜合利用與減排效益，其綜合成本一定可以實現與石化燃料相競爭。

1.4 負炭生物燃料的開發

負碳生物燃料主要指利用代謝工程技術改造藻類的代謝途徑，使其直接利用光合作用吸收二氧化碳合成生物醇類和生物柴油，這是當前最新技術。實現“負碳”過程，除了要求“吸納”并消除本身過程中產生的全部二氧化碳外，還需額外消耗一定的二氧化碳。不僅不會產生任何廢棄物，而且能吸收大量的二氧化碳，有助于碳減排。更主要的是第四代技術根本不需要農作物和農場，建廠靈活性高，生產環節很少，只需要簡單的三四個環節，大大降低了生產成本。可以說是未來理想的化石燃料替代品。

2 發展生物燃料的利弊分析

2.1 “與人爭糧”依然是生物燃料發展的矛盾焦點

生物燃料的發展，雖然已經到了第四代，但真正實現大規模產業化的仍然是以糧食為主的第一代生物燃料，這就意味著生物燃料的生產依然要消耗大量的玉米、大豆等糧食作物。近幾年，糧食價格一直在不斷的上漲。從2002-2008 年初，世界銀行的糧食價格指數上漲了140%[11]。經合組織與聯合國糧食及農業組織2007年7月發表的一份報告《2007—2016世界農業展望》中預測，以目前生物燃料的發展速度推算，國際糧價居高不下、持續上漲的局面在接下來十年都不會改觀。并且，一味發展生物燃料緩解能源危機，而不顧隨之而來食物短缺的威脅并不是明智之舉。

2.2 成本高是生物燃料發展的瓶頸

“與人爭糧”的糧食生物燃料的發展，導致糧價不斷飆升，使得原本生產成本較低的糧食乙醇，近年來生產成本也越來越高。被稱為民營油企“代言人”的趙友山曾算過一筆賬：按1 t玉米乙醇消耗3.3 t玉米計算，每噸玉米乙醇的生產成本可以買到2 t成品汽油或是柴油。來自汽車工業部門的一項統計分析，一般車用乙醇汽油的消耗量遠高于普通汽油，使用車用乙醇汽油的車輛1年所需的費用比使用普通汽油的車輛高1 500元左右存在高能耗、低效率的現象[12]。高糧價使得世界各國把生物乙醇的生產轉向了纖維素乙醇，而纖維素的生產卻被纖維素原料的分散性和不易分解性拌住了腳，據測算生產規模相同的條件下，纖維素的成本是糧食乙醇的7-8倍。而藻類和負碳燃料的發展仍在實驗階段。

2.3 技術的發展是生物燃料發展的突破口

對生物燃料的質疑，究其根本原因就是現有的技術，還不能將秸稈、玉米芯和藻類等廉價的原料轉化成生物石油，如何找到廉價的纖維素水解酶、降低纖維素水解成本；提高光利用率，找到微藻的最佳培養條件等都是在不久的未來技術領域要急于解決的問題，一旦變為現實，生物燃料的發展將會突飛猛進。

2.4 “環保、節能”是生物燃料發展的最大優勢

生物燃料的原料可以利用農作物秸稈、畜禽糞便、地溝油、城市垃圾等廢棄物，讓其轉化為沼氣、生物乙醇，生物柴油，生物航煤等氣液態產品。產品燃燒后排放的二氧化碳和有毒氣體的量低于化石燃料。有關數據表明:與汽油相比,玉米乙醇排放的二氧化碳量少18%，甘蔗乙醇要少91%；生物柴油由于不含芳香族烷烴，因而燃燒后排放的廢氣對人體的損害低于常規柴油，生物柴油可降低90%的空氣毒性，使患癌率降低94%[13]。可見，生物燃料的發展不僅可以改善我們的生活環境和大氣環境，而且使大自然界的生物能得到了充分的利用。即環保，又節約能源，是未來發展的重點。

3 結 語

糧價的不斷上漲,石油資源的短缺,溫室效應的加劇,讓生物燃料的發展充滿了矛盾。但作為一個新事物，其發展必將面臨著各種挑戰.從現在的“與人爭糧和生產的高成本“看，似乎是弊大于利。可是從技術的未來發展和產品的綠色化看，生物燃料的發展是未來能源發展的一個亮點。因此，如何科學的發展生物燃料，是以后關注的焦點。生物燃料生產成本以及糧食危機等問題正在解決中，薇藻技術，負炭效應的出現，將會使生物燃料的可持續發展成為可能。

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