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(zhì)通過熱裂解、酯化等反應(yīng)生產(chǎn)的固體、液體或氣體燃料。其主要的產(chǎn)品有沼氣，生物乙醇、生物柴油、生物煤油、固態(tài)的原型和成型燃料等?？商娲苫现圃斓钠?，煤油和柴油等燃料，具有可再生性和清潔性等優(yōu)點。隨著石油資源的短缺，環(huán)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(guān)注的焦點。

近幾年，石油價格仍在不斷上漲，溫室效應(yīng)也在加劇，為了解決石油和環(huán)境的雙重問題，生物燃料的開發(fā)力度不斷加大，其帶來的負效應(yīng)日趨明顯，聯(lián)合國糧農(nóng)組織的專家在2008年1月23日警告，世界急于開發(fā)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(chǎn)業(yè)化的主要因素，面對種種質(zhì)疑，生物燃料的發(fā)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(fā)現(xiàn)狀

早期的生物燃料所用的生產(chǎn)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(xiàn)在陸續(xù)出現(xiàn)了利用農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)狀

第一代生物燃料包括用玉米、甘蔗等糧食作物生產(chǎn)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(chǎn)的生物柴油，以下以糧食乙醇在三大生產(chǎn)國的發(fā)展為例，看第一代生物燃料的發(fā)展。

1.1.1 美國

美國是世界上最大的玉米乙醇生產(chǎn)國，美國從上世紀70年代開始發(fā)展生物燃料乙醇，2001年，美國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)消耗的玉米量占玉米產(chǎn)量的8.36%上下。2005年，美國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)消耗的玉米量達玉米總產(chǎn)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(chǎn)大國。從2004年到2008年，美國燃料乙醇的產(chǎn)量年均增長率達35.70%，以玉米為原料生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)共建有235套甘蔗加工裝置，其中8套只生產(chǎn)糖，59套只生產(chǎn)酒精，209套同時生產(chǎn)糖和酒精。2005-2006年度巴西酒精總產(chǎn)量達到158億L。2006-2007年度，巴西的酒精產(chǎn)量預(yù)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)量為180億L，2010年巴西乙醇產(chǎn)量為274億L，巴西正在評價使現(xiàn)有乙醇生產(chǎn)提高12倍的可能性，如果能實現(xiàn)，到2025年可望生產(chǎn)乙醇2050億L（540億加侖），即占世界生產(chǎn)量約50%[4]。巴西生產(chǎn)的甘蔗乙醇成本低，發(fā)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(chǎn)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(fā)晚，其生產(chǎn)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(yè)主要以玉米為原料，其玉米消耗量占全國玉米總產(chǎn)量2.43%。2006 -2007 年國內(nèi)玉米價格上揚。2007年6月，國務(wù)院召開關(guān)于可再生能源會議，強調(diào)“在不得占用耕地，不得消耗糧食，不得破壞生態(tài)環(huán)境的原則下，堅持發(fā)展非糧食燃料乙醇”[5]。我國開始開發(fā)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(shù)幾個省份，面積有限，如果大量生產(chǎn)甘蔗乙醇，將會使引起食糖價格上漲，生產(chǎn)成本將高于糧食乙醇。但國家發(fā)改委相關(guān)人士也表示，繼續(xù)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(zhì)乙醇是今后發(fā)展的重點[6]。

1.2 纖維素乙醇的開發(fā)現(xiàn)狀

纖維素生物質(zhì)是由纖維素，半纖維素，和木質(zhì)素組成的復(fù)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(shù)，是一種高端的清潔能源技術(shù)，因為它可以被用來替代傳統(tǒng)的糧食乙醇技術(shù)，利用地球上廣泛存在的纖維素質(zhì)生物原料生產(chǎn)清潔的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。木質(zhì)纖維素主要來源于農(nóng)業(yè)廢棄物(如麥草、玉米秸稈、玉米芯等)、工業(yè)廢棄物(如制漿和造紙廠的纖維渣)、林業(yè)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(chǎn)裝置于1898 年出現(xiàn)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(fā)酵生產(chǎn)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(chǎn)乙醇的東北南岔木材水解廠，共生產(chǎn)乙醇2萬多噸[8]。目前世界上還沒有一家工業(yè)規(guī)模利用纖維質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的企業(yè),其主要障礙是預(yù)處理、酶解成本過高、缺乏經(jīng)濟可行開發(fā)技術(shù)。美國能源部2002 年投資1 480 美元資助諾維信和杰能科開發(fā)新型纖維素酶，2007 年投資3 380 萬美元，用于纖維素乙醇技術(shù)的開發(fā)。意大利的M&G

(Gruppo Mossi and Ghisolfi)集團作為纖維素乙醇領(lǐng)域研發(fā)的領(lǐng)頭羊之一，一直在深入研究纖維素乙醇生產(chǎn)的各個主要技術(shù)環(huán)節(jié),已開發(fā)的一體化纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)PROESATM，在歐洲已建設(shè)年產(chǎn)4萬t的纖維素制乙醇的工業(yè)化示范裝置。此技術(shù)擁有的獨特的預(yù)處理工藝和酶解工藝，既可降低投資和生產(chǎn)成本，又具有非常好的經(jīng)濟性和地域適應(yīng)性.2012年,全球生物燃料生產(chǎn)用酶的最大供應(yīng)商丹麥商諾維信， 2月22日面向全球發(fā)布了纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)的最新創(chuàng)新產(chǎn)品—諾維信CellicCTec3(纖維素酶)，生產(chǎn)相同產(chǎn)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(yù)處理過的木質(zhì)纖維素材料轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，最終將確保工廠以最低總成本生產(chǎn)纖維素乙醇[9]。可見纖維素乙醇的研發(fā)和生產(chǎn)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(xiàn)了商業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)設(shè)施。歐洲的一些研究機構(gòu)則認為大約在2015－2020年，此外還有一些研究機構(gòu)認為則有可能在2025年之后纖維素燃料乙醇才能進入規(guī)模生產(chǎn)和市場應(yīng)用階段。

1.3 微藻燃料的開發(fā)現(xiàn)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(yǎng)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(yǎng)物質(zhì)快速生長，并在細胞內(nèi)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(zhì)燃油熱值高，是木材或農(nóng)作物秸稈的1.4～2倍。與其他生物材料相比，微藻的產(chǎn)油效率相當高，在一年的生長期內(nèi)，一公頃玉米能產(chǎn)172 L生物質(zhì)燃油，一公頃大豆能產(chǎn)446 L，一公頃油菜籽能產(chǎn)1 190 L，一公頃棕櫚樹能產(chǎn)5 950 L，而一公頃的微藻能產(chǎn)生物質(zhì)燃油95 000 L。而且不和食物爭奪農(nóng)田，它們可生長在田邊地角，甚至是農(nóng)業(yè)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(jīng)開始養(yǎng)殖海藻，進行生產(chǎn)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(jīng)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(yīng)對能源危機世界各國越來越重視海藻生物燃料的開發(fā)。美國于2007年重新啟動此項目，至今此實驗室已是最權(quán)威的薇藻生物燃料研究機構(gòu)。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(zhuǎn)化太陽能為生物質(zhì)能的技術(shù)，在離電廠煙囪幾百米處的跑道池中規(guī)模培養(yǎng)海藻，并將其轉(zhuǎn)化為燃料，每5 kg藻可產(chǎn)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(lián)合召開了“微藻生物柴油成套技術(shù)”項目啟動會。2012年7月，該項目開發(fā)的新型軟體板式光生物反應(yīng)器系統(tǒng)采用塑料薄膜作為反應(yīng)器主體，與開放池和現(xiàn)有光生物反應(yīng)器相比，成本大為降低，為實現(xiàn)微藻培養(yǎng)的產(chǎn)業(yè)化提供了可能性，目前正在構(gòu)建100 m2封閉式微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。2012年3月，在歐盟的支持下西班牙水務(wù)公司奧科利雅計劃推出利用廢水培養(yǎng)藻類進行生物柴油生產(chǎn)的商業(yè)化示范項目，項目所產(chǎn)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(fā)推進協(xié)會成立。該協(xié)會共有10家民營企業(yè)加盟，發(fā)起者為吉坤日礦日石能源、IHI(石川島播磨重工業(yè))、電裝三家公司，另外還有日立工業(yè)設(shè)備技術(shù)公司、三菱商事、出光興產(chǎn)等七家公司加盟該協(xié)會將致力于找出開發(fā)微海藻燃料制造技術(shù)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(chǎn)體系。目前微藻生物燃料的生產(chǎn)還處于試驗階段，其生產(chǎn)成本是石化燃料的幾倍甚至幾十倍，但隨著技術(shù)的進步，其成本會大大降低，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)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(xiàn)與石化燃料相競爭。

1.4 負炭生物燃料的開發(fā)

負碳生物燃料主要指利用代謝工程技術(shù)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(shù)。實現(xiàn)“負碳”過程，除了要求“吸納”并消除本身過程中產(chǎn)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(chǎn)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(shù)根本不需要農(nóng)作物和農(nóng)場，建廠靈活性高，生產(chǎn)環(huán)節(jié)很少，只需要簡單的三四個環(huán)節(jié)，大大降低了生產(chǎn)成本?？梢哉f是未來理想的化石燃料替代品。

2 發(fā)展生物燃料的利弊分析

2.1 “與人爭糧”依然是生物燃料發(fā)展的矛盾焦點

生物燃料的發(fā)展，雖然已經(jīng)到了第四代，但真正實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(shù)上漲了140%[11]。經(jīng)合組織與聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織2007年7月發(fā)表的一份報告《2007—2016世界農(nóng)業(yè)展望》中預(yù)測，以目前生物燃料的發(fā)展速度推算，國際糧價居高不下、持續(xù)上漲的局面在接下來十年都不會改觀。并且，一味發(fā)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(fā)展的瓶頸

“與人爭糧”的糧食生物燃料的發(fā)展，導致糧價不斷飆升，使得原本生產(chǎn)成本較低的糧食乙醇，近年來生產(chǎn)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(chǎn)成本可以買到2 t成品汽油或是柴油。來自汽車工業(yè)部門的一項統(tǒng)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(xiàn)象[12]。高糧價使得世界各國把生物乙醇的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向了纖維素乙醇，而纖維素的生產(chǎn)卻被纖維素原料的分散性和不易分解性拌住了腳，據(jù)測算生產(chǎn)規(guī)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(fā)展仍在實驗階段。

2.3 技術(shù)的發(fā)展是生物燃料發(fā)展的突破口

對生物燃料的質(zhì)疑，究其根本原因就是現(xiàn)有的技術(shù)，還不能將秸稈、玉米芯和藻類等廉價的原料轉(zhuǎn)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(yǎng)條件等都是在不久的未來技術(shù)領(lǐng)域要急于解決的問題，一旦變?yōu)楝F(xiàn)實，生物燃料的發(fā)展將會突飛猛進。

2.4 “環(huán)保、節(jié)能”是生物燃料發(fā)展的最大優(yōu)勢

生物燃料的原料可以利用農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、地溝油、城市垃圾等廢棄物，讓其轉(zhuǎn)化為沼氣、生物乙醇，生物柴油，生物航煤等氣液態(tài)產(chǎn)品。產(chǎn)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(guān)數(shù)據(jù)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(guī)柴油，生物柴油可降低90%的空氣毒性，使患癌率降低94%[13]?？梢?，生物燃料的發(fā)展不僅可以改善我們的生活環(huán)境和大氣環(huán)境，而且使大自然界的生物能得到了充分的利用。即環(huán)保，又節(jié)約能源，是未來發(fā)展的重點。

3 結(jié) 語

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

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