尋找完美的生物能源

　　以生物乙醇為主的第一代生物燃料早已登場，但累積的問題越來越多：糧食危機的背景下，水資源和土地資源匱乏；無法應用到碳排放量巨大的航空領域；成本比石油更高。于是，芒草、柳枝、麻瘋樹、木纖維、海藻……一個個走進實驗室，但它們要面對的除了技術的新挑戰，還有成本和資源的老問題。
　　
　　海藻、芒草、玉米、木薯、秸稈、柳枝，還有各式各樣稀奇古怪的植物，在生物學家眼中，幾乎和“黑金”石油、煤炭沒有區別，甚至是更優的能源。
　　對這些科學家、各國的能源部長而言，如果能把存在于自然界的生物質內部的能量釋放出來，成為新一代的燃料來源，甚至有可能成為石油危機的救星。近年來，石油、煤炭、天然氣的枯竭，加上全球變暖帶來的威脅，讓生物質能源的開發變得更加緊迫。
　　生物質能是藏在生物質中的能量。地球上所有的動植物和微生物都是生物質，它們直接或間接地通過綠色植物的光合作用，將太陽能轉化為化學能，儲存在體內。夸張一點說，有太陽的地方，就有生物質能。
　　億萬年前，太陽能通過光合作用轉化為化學能，儲存在當時存在的動植物體內，深埋于地殼下。經過億萬年的風化演變，形成了今天最重要的能源來源——石油、煤炭、天然氣。
　　從某種意義上而言，傳統的化學能源也是生物質能存在的另一種形式，它不過是地殼經過變化，將億萬年前儲存的生物質能，變成可以直接燃燒使用的化石能源。
　　近百年間，大自然賜予的化石能源被人類消耗得差不多了，美國能源信息署2005年的預測顯示，石油可以用上53年，天然氣還能維持63年，這個數據和BP公司的預測非常接近——其2005年的數據估計，天然氣的可持續使用時間是66年。
　　億萬年積累起來的化石能源，只能滿足現代社會兩百年的能源需求，人類明顯等不及又一個億萬年的演化周期，迫切地需要把儲藏在現有生物質中的能源釋放出來，用于驅動飛機、汽車。
　　奧巴馬自上任以來，幾乎每年都投入幾十億美金，進行生物燃料的開發。美國把生物能源當成降低進口石油依存度和振興經濟的法寶，如今生物能源在美國已經超過水電，成為第一大可再生能源，占美國能源消費總量的3%以上。
　　對于航空業而言，生物柴油更為重要，2012年起歐盟區域內的航班將納入碳交易計劃，飛機將被限制二氧化碳的排放。一旦超出，航空公司就要留下“買碳錢”，各家航空公司將可能為此付出高達幾十億美元的費用。
　　
　　技術與成本的枷鎖
　　每逢油價低迷時，生物燃料就被打入冷宮。
　　
　　和化石能源選擇性地儲存不一樣，有太陽的地方，就會有生物質能源的存在。石油埋在中東，煤炭埋在澳洲和中國，生物質卻遍布地球每一個有人的角落，從寒冷的西伯利亞到炎熱的埃塞俄比亞，全球各地都能找到合適自己的生物能源，不用爭得頭破血流。
　　生物質的生長周期還很快，不少植物一年就能完成一個生長周期，而微生物如微藻的生長周期更是以天計算。也就是說，它取之不盡，用之不竭，不用擔心有枯竭的一天。
　　當然，并不是所有的生物質中蘊含的能量都適合轉化為生物能源。荷蘭烏德勒大學對全球生物質原料資源做的預測研究顯示，到2050年，在堅持不與糧爭地，不毀林，只利用不適合商業作物生產的退化土地的原則下，生物質能源能產生相當于每年432億噸至1060億噸原油的能量。
　　和風能、太陽能相比，生物能源還有天然儲藏室——就是植物和微生物們，能穩定且長久地存在。
　　更妙的是，相比傳統化石燃料，它還會減少碳排放——這對迅速變暖的地球而言，是一個福音。全球可再生燃料聯盟2009年11月的研究報告顯示，無論是美國的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇，還是歐盟的生物柴油，都能減少碳排放，主要生產國的溫室氣體的減排量是8757萬噸。
　　美國和歐盟都計劃在2020年將生物能源占其能源消耗的比例提高到20%，美國更是希望在2050年，其生物能源的比例能提高到50%。
　　生物能源雖有不凡潛力，但由于成本限制，每逢油價低迷時，這種替代品就要被打入冷宮一陣子。中國生物燃料產能目前為360萬噸/年，而產量只有160萬噸/年，僅占液體燃料的0.7％；美國由于技術難題，也調低了生物能源的生產指標。
　　從分子結構上看，生物質中富含大量的碳氫化合物，和化石燃料算是同宗；但化石燃料是大自然為人類進行了億萬年的預處理，人類只要開采出來，進行簡單的物理處理就可以直接燃燒轉化為能量。
　　作為可再生能源領域唯一可以轉化為液體燃料的能源，這就意味著，生物燃料可以直接和汽油混合使用，可以直接使用現有的輸送管道和原汽油發動機。
　　內燃機和汽車剛剛誕生時，生物乙醇和生物柴油都曾作為燃料短暫使用，但迅速被成本低廉、方便快捷的石油所取代。
　　但生物質能源深藏在生物質的細胞內部，你畢竟不能掰開一個玉米棒子，或者砍下一根甘蔗，直接扔進汽車的發動機里，成為汽車加速的動力。想要把它變為可供燃燒的液體燃料，那可不是一件容易的事情，需要經過極其復雜的化學、物理過程，才能轉化為可供直接使用的生物燃料。
　　說到碳排放最劇烈的空中交通，燃燒效率低下的玉米乙醇卻無法應用于商業客機，而其他生物柴油又面臨高空低溫凝固的障礙，在無法對發動機進行大規模更替的情況下，航空業只能等待新一代生物燃料的開發。
　　雖然在實驗室內，將各式各樣的生物質轉化為生物燃料不成問題，但要做到萬噸級別的產業化生產，成本太高，即便是各國政府進行補貼，成本上暫時還無法和石油競爭，你不能指望私家車主去購買10塊錢一升甚至更高的生物柴油，而放棄7塊錢一升的傳統汽油和柴油。
　　
　　下一代燃料
　　為了提高燃料效率，科學家傾向于尋找富含多糖的植物。
　　
　　更重要的是，不是所有的生物質都適合做生物燃料的來源。
　　目前，各國都傾向于把生物質轉化為液體的生物燃料，直接替代石油用于運輸行業。眾所周知，液體生物燃料主要是兩大類——生物乙醇和生物柴油，二者作為燃油的替代產品備受關注。
　　乙醇自古以來就是燃料，它既可以單獨使用，也可以與傳統汽油混合配制成乙醇汽油作為汽車的燃料。乙醇兌入傳統的汽油后，可以代替污染環境的含鉛添加劑來改善汽油的防爆性能；減少有害氣體和溫室氣體的排放，但乙醇的能量密度較傳統的汽油要低35%。在不改造發動機的情況下，汽油中只能加入10％的生物乙醇，這也是中國乙醇汽油的標準。
　　糖類和淀粉是制造生物乙醇的原料，因此各國的科學家傾向于挑選那些含淀粉和糖較多的植物——比如玉米、甘蔗、甜高粱等作為能源作物，為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，它是以動植物油脂為原料生產的一種長鏈脂肪酸的單烷基酯，是天然的油脂和甲醇酯交換后，將分子質量降至與石油基柴油相接近的一種液體燃料。
　　德國斯科特公司在生物柴油和普通柴油的性能比較實驗中發現，生物柴油的熱值、含硫量、含氧量等指標都高于石油和柴油，儲存、運輸和使用中的安全性也高許多。
　　美國環保署的一項測試報告還顯示，在普通的柴油發動機中添加20%的生物柴油是安全的，而且添加生物柴油的發動機排放到空氣中的致癌毒素也減少了75%。
　　作為新興的生物質能源，生物柴油主要來源于油料作物—大豆、油菜籽，木本油料—棕櫚、麻瘋樹，和廢棄的油脂—也就是我們俗稱的“地溝油”。
　　要知道，成為替代石油的新能源并不容易。它需要大規模地種植和更方便地采摘收集，因為人類對能源的需求實在是太大了，小體量的能源根本無法滿足人類對能源的欲望；它還要能直接和現有的液體燃料混合使用，不用改造現有的發動機，甚至是輸送管道；最后還要在市場上和成長了一百多年的成熟的石油工業競爭，經過種植、收割、采集、復雜的化學、物理轉化的生物能源和直接從地底海底挖出來的石油的成本自然不可同日而語。
　　
　　更重要的是，制造生物燃料，還需要用到兩種資源——水與土地，特別是可耕種的土地，而要獲取足夠的生物能源的原料，通常需要大面積的種植土地。用占有一種稀缺資源的方式換取另一種稀缺資源并非長久之計，所以理想的生物能源應該可以在已經退化的、不適宜種植糧食作物的邊際性土地上高效地生長。
　　能商業化種植，采摘收集方便，不占用耕地，能在退化的土地中生長，減少碳排放，成本低廉，才能稱之為理想的生物能源。
　　早在20世紀80年代初，美國就進行了大量的油料能源植物的研發，選定了12種植物；1999年，美國能源部又組織了多國的科學家參加對油棕等熱帶植物和藻類的研究。
　　針對生物乙醇和生物柴油的特性，30年來，各國的科學家前后研究過不下幾百種植物和微生物。然而，迄今為止，都還沒有找到一種堪稱完美的生物能源。
　　
　　纖維素還是海藻？
　　成本、能源消耗、燃料轉化率等因素決定未來的生物燃料要打組合拳。
　　
　　最早進入人類視野的是以玉米、甘蔗、大豆等農作物為代表的第一代生物能源。玉米、甘蔗等農作物中的淀粉和糖經過水解和發酵生成生物乙醇，甘蔗中的糖分經過液體直接發酵成為生物乙醇，技術成熟，在巴西和美國以及我國國內有大規模的制造基地。而提取花生、大豆等油類植物果實中的油脂，制備生物柴油也已經進入商業化的生產階段。
　　早在20世紀70年代第一次石油危機來臨時，美國和巴西就開始了燃料乙醇對汽油的替代。根據各自的優勢，美國用玉米、巴西用甘蔗制備生物乙醇。
　　其中，美國的玉米乙醇產量為2650萬噸，占全球的50％；巴西的甘蔗乙醇產量為1900萬噸，占全球的37％。中國、歐盟和加拿大的乙醇產量分別占全球的4％ 、4％ 和2％ 。
　　歐盟更青睞生物柴油。根據歐盟生物柴油局的統計，2009年歐盟生物柴油生產量增長16.6%至900萬噸。
　　但自2008年始，就有批評者認為，以糧食作物為代表的第一代生物能源，成為糧價飛漲的推手之一。“與糧爭地”、“餓死窮人”、“喂飽汽車”的擔心讓各國政府望而卻步。事實上，目前全球所生產的乙醇幾乎全部由農作物中所含的淀粉和糖類轉化而來，造成了對農業資源和可耕種土地的大量占用，并推高了糧價。
　　《科學》雜志上的一篇文章甚至認為，用農田生產生物燃料會增加溫室氣體的排放。理論上，植物在生長時固碳（吸收CO2），作為生物燃料燃燒時釋放CO2，基本是碳中性。事實上，如果與傳統的汽油相比，在等量的情況下，巴西的甘蔗乙醇減少了90%的碳排放，美國的玉米乙醇的減排能力有限，也有10%-30%，而大豆生物柴油的這一數據是41%。
　　雖然第一代生物能源技術成熟，在稅收和財政的補貼下，成本只比傳統石油略高，商業化也初具規模，但天生的缺陷讓它無法成為理想的生物能源。
　　中國以自己優勢的非糧能源作物甜高粱、薯類和菊芋等為原料生產乙醇燃料，被稱之為1.5代生物燃料。相對于玉米等糧食原料，木薯、甘薯、甜高粱等非糧乙醇雖能避免糧食消耗，但目前1.5代生物能源的產業化程度還不高，原料成本是影響它的重要因素。
　　以麻瘋樹為代表的木本油料作物作為第二代生物柴油開始引起關注，木本油料可以利用中低山和丘陵地大規模種植，不與糧爭地。我國政府在四川已經種植了1.73萬公頃麻瘋樹，產油6萬噸。但因其高度的分散和管理不便，規模化種植的難度較大。加上木本油料多在山區，收獲和運輸的人力成本讓最終的產品—生物柴油的成本難以和石油競爭。
　　現在，纖維素進入了人類的視野，這是生物能源發展的一個突破。植物體組成成分中含量最高的就是纖維素，可以占到70%，而纖維素是一種多糖的機構，可以轉化為生物乙醇。
　　更妙的是，既可以利用現有的、被廢棄的纖維素資源，比如秸稈、林業廢棄物等，也可以規模化種植可收獲纖維素的能源植物—科學家近年來在探索芒草、柳枝作為能源作物的可能性。現實的困境是，成本還是太高。
　　二代生物能源受困于成本，還沒有進入產業化階段，又掀起了第三代生物能源—藻類的開發熱潮。
　　藻類的生長不占用土地和淡水這兩大資源，只要有陽光和海水就能生長，甚至在廢水和污水中也能生長。生長速度以天計，從生長到產油只需要兩周左右，而多數能源作物需要幾個月。它的產油量也非常可觀，一畝大豆一年下來約產油300公斤，而一畝海藻至少能產油2-3噸。
　　但它要進入商業化生產，比二代還要遙遠。據中國石油大學新能源研究中心傅鵬程教授估計，藻類生物柴油的生產成本幾乎是石油的10倍，想要替代化石能源，恐怕還要10年之久。
　　清華大學應用化學研究所所長劉德華也認為，未來的能源格局，應該是各國根據自己的地理優勢選擇多種生物能源的組合，加上風能、太陽能、化石能源，才能應付得了人類日益膨脹的能源的需求。
　　
　　生物燃料的覺醒
　　如今生物燃料的產量每年達到1000億升。不同類型的生物燃料，其成本、碳排放和土地利用率都不同。
　　
　　纖維素乙醇：和石油一較高下
　　
　　木質纖維素是這個星球上最豐富的可再生資源，因為它是植物最重要的組成部分， 據估計，木質纖維素原料占世界生物質量的50%。在大多數情況下，它們被簡單地燒毀或丟棄。
　　但實際上，它是生物燃料的極佳原料，可以轉化為纖維素乙醇。玉米乙醇之所以被