生物燃料的未來

辛妍

生物燃料是一種由生物質轉化而來的燃料，可以是固體、液體，也可以是氣體。第一代生物燃料或常規生物燃料通常以谷類作物（如小麥、玉米等）、油料作物（如油菜、棕櫚等）和糖類作物（如甜菜、甘蔗等）為原料，使用已有技術進行生產。由于與糧食作物爭奪土地和水源等，它們的發展越來越受到批評和限制。而第二代生物燃料（高級生物燃料）從可持續的原料中生產而來。原料的可持續性指原料的可用性、對溫室氣體排放的影響、以及對生物多樣性和土地使用的影響。許多第二代生物燃料正在開發中，比如纖維素乙醇、藻類燃料、生物質氫、生物甲醇、DMF、BioDME、Fischer-Tropsch合成柴油、生物氫柴油、混合醇、和木柴油等。

生物燃料越來越受歡迎是因為油價的提高和對能源安全的需要。國際能源機構（IEA）的目標是到2050年，生物燃料要滿足超過四分之一的世界運輸燃料需求，以減少對石油和煤的依賴。預計未來五年全球生物燃料市場的復合年增長率將達到12.5%。而Pike Research預測，全球生物燃料市場在2021年將在達到1853億美元。

全球生物燃料開發和使用的領先者是美國、巴西、法國、瑞典和德國。美國是生物燃料的主要市場，占據了全球大約44.5%的份額。巴西是世界上第一個在運輸部門推行可再生燃料的國家。在過去的20多年里，巴西是生物燃料的主要生產者，但在過去五年被美國超越。

全球生物燃料產業是個分散的市場，存在大量的廠商，例如POET、Archer-Daniels-Midland、Abengoa Bioenergy、Green Plains Renewable Energy和Cosan等。其中，POET是全球領先的第一代生物燃料生產商，Archer-Daniels-Midland（ADM）是世界上第二大生物燃料生產商，也是歐洲領先的生物柴油生產商，它在德國漢堡擁有世界上最大的生物柴油生產設施。

本文從生物燃料的政策、應用、新材料和新技術以及問題和限制等方面，探討當今世界生物燃料的發展現狀及未來。

發展生物燃料的政策支持

出于對能源安全、氣候變化和經濟停滯的擔憂，現在全世界的政府都在支持生物燃料的生產。最常見的要求是將生物燃料與運輸用燃料混合使用，全球大約有50個國家有混合目標或要求，并且多數都設置了未來生物能源指標。目前生物燃料占全球運輸用燃料供給的3%。然而國際能源機構的專家認為，隨著效率的提高、生產成本的降低和高級生物燃料的商業開發，到2050年，生物燃料在交通燃料中的比例將超過25%。

例如在美洲，長期的政府干預有望帶動該區域生物燃料的使用。近年來，政府相繼出臺了多種政策工具，以降低潛在的投資者的風險和不確定性。政府干預也確保響應農民對能源投入價格和產出的生物燃料價格擔憂的承諾。北美和南美國家還依賴補貼、稅收抵免和稅收優惠政策，以確保生產者可以有信心克服生物燃料的高生產成本。同時，進口限制也被用于促進美洲國家新興的生物燃料產業。大多數美洲國家的基本要求是將生物燃料與傳統燃料混合，這從另一方面為生物燃料市場提供保證。

2006年歐盟設立了在成員國和發展中國家發展生產和使用生物燃料的七大戰略性政策領域。在戰略中，委員會定義了生物燃料的角色，認為這種由生物質（一種可再生資源）產生的能源在未來可能會作為可再生能源的來源，替代交通運輸部門使用的化石燃料能源來源（主要是石油）。這七大戰略性政策領域包括刺激對生物燃料的需求，確保環境效益，發展生物燃料的生產和分配，擴大原料供應，提高生物燃料的貿易機會，支持發展中國家在生物方面的潛力，支持研究與創新，特別是要改進生產工藝和降低成本。

生物燃料的應用

在陸路運輸中的應用 乙醇燃料是全球最常用的生物燃料，尤其是在巴西。生物乙醇可在汽油發動機中替代汽油，它可以與汽油以任何百分比混合。大多數現有汽車的汽油發動機都可以在高達15%的生物乙醇與石油/汽油的混合燃料下運行。但當前的補貼是不可持續、不可擴展的，與美國的汽油價格相比，乙醇燃料的單位行駛距離成本仍然偏高。

丁醇會產生更多的能量，并且據稱可以直接在現有的汽油發動機中使用而無需對發動機或汽車做任何修改。它比乙醇的腐蝕性小、水溶性小，并且可以通過現有的基礎設施完成配送。目前DuPont公司和BP正在共同努力開發丁醇。

生物柴油是歐洲最常用的生物燃料。在有些國家，生物柴油比常規柴油還要便宜。純生物柴油（B100）是最低排放的柴油燃料。當與礦物柴油混合時，生物柴油可以用在任何柴油發動機中。在一些國家，制造商為使用B100的柴油發動機提供保修。由于生物柴油是有效的溶劑，會清洗礦物柴油的殘留物，發動機過濾器可能需要更經常地更換，因為生物燃料會溶解留在油箱和管道中的舊沉淀。生物柴油還能有效地清除發動機燃燒室積碳，這有助于保持效率。在許多歐洲國家廣泛使用5%的生物柴油混合燃料，并且在數以千計的加油站可以買到。生物柴油比礦物柴油含碳量低，含氫和氧量高，這可以提高生物柴油的燃燒，減少未燃燒的碳產生的微粒排放。生物柴油的處理和運輸很安全。在美國，超過80%的商用卡車和城市公交使用柴油。

在航空業的應用目前，航空業占全球總排放量的2～3%。國際航空運輸協會（IATA）預測，商業航空將以5%的年增加率成長，并會一直持續到2030年，這也就意味著燃料消耗和排放量將會繼續上升。乘客需求的增長、燃油價格的提高以及減少排放的壓力，促使航空業必須尋找新出路。國際航空運輸協會致力于到2020年實現碳中和，到2050年碳排放減少50%。因此，商業航空的關鍵目標是尋找可靠的替代燃料，以降低成本、減少燃料供應波動、減少對氣候的影響，并改善燃油的物流。

目前，生物質航油的價格至少是常規煤油的兩倍，并且可用量很小。幾乎所有的主要商業航空公司和一些軍事部門（如美國）都在大量參與測試和開發生物質航空用油。在過去的五年里，Boeing、Honeywell的UOP，GE以及其他業界領袖，一直在為開發可持續的航空生物燃料共同努力，包括商用和軍用飛行測試、實驗室和基于地面的噴氣發動機性能測試，以確保符合航空燃料嚴格的性能和安全要求。

成功實施生物航油的關鍵是原料大規模、可持續的可用性，尤其是全球規模的可用性。經過評估，最經濟的選擇是食用油，如棕櫚油和豆油。然而考慮到對與糧食安全的影響，非食用油可能更具有可持續的潛力，如藻類、桐油樹、亞麻等。比如Boeing公司和其他一些美國西北部的公司經過全面的區域分析后，確定亞麻——一種與干小麥輪流種植生長的能源作物——是可行的生物燃料來源之一。另一個新興的替代方案是使用木質纖維素材料和廢物為原料生產生物燃料。

2013年7月2日，澳大利亞上市公司Algae.Tec與新南威爾士州的Macquarie Generation簽訂合同，要在Hunter Valley的Bayswater發電廠附近建立生物燃料生產設施。設施將使用Algae.Tec的藻類碳捕獲技術生產生物柴油，可以經過氫化成為A級噴氣燃料。它旨在提供一個新的航空燃料來源，這樣澳大利亞就不再需要這么多的航空燃料進口。

2012年3月，空中客車公司加入了一個包括維珍澳大利亞在內的聯合體，研究從桉樹生產可持續的航空燃料的新方法。該項目的目標是要在2013年在澳大利亞試點運行替代燃料生產廠。

2011年10月，Virgin Atlantic航空公司開發了一種從工業廢氣中生產的航空燃料，并聲稱它只有標準噴氣燃料的一半的碳足跡。從工業廢氣中產生的燃料（否則這些工業廢氣會被燒毀并釋放到大氣中）為生物燃料的生產提供了一種替代。到目前為止，航空業的重點是放在用于食品生產的耕地上，而這一新技術可以減少對這些土地的需求。該技術將使航空公司通過重復使用那些否則會直接排放到大氣中的工業廢氣，來達到大幅減少碳足跡的效果。同時，它可以促進工業的可持續發展，因為這一過程讓制造工廠回收它們的廢物碳排放。

在海洋運輸中的應用 生物柴油是船舶燃料的一種很好的候選，它可以被生物降解，無毒、無硫和芳烴。由于很少或根本不需要改裝發動機，它可用于許多海洋運輸中。生物甲烷也日益獲得海洋產業的興趣。運營商正在尋求使用液化天然氣作為發動機燃料。RoyceBergenK的燃氣發動機已經通過認證，可以為世界上第一艘客貨輪提供動力。

2012年2月，美國海岸警備隊宣布與Oak Ridge國家實驗室（美國能源部）合作，測試海運中使用生物丁醇混合。在小型船只的發動機中已經使用了汽油與乙醇的混合，而這一新項目是為了預測生物丁醇在工業規模的潛在可用性。

2011年1月和12月，Maersk與美國海軍都進行基于海藻油的生物燃料測試。海軍的測試持續到2012年，旨在到2020年將其艦隊中的礦物油使用削減50%。而Maersk的設想是到2030年，其位于世界10%地區的海運船隊要使用生物燃料。

其他有趣的應用 乙醇也可作為生物乙醇壁爐的燃料。因為不需要煙囪并且是“無煙道”的，所以，生物乙醇壁爐在沒有煙道的新建住宅和公寓極其有用。

生物燃料的新材料和新技術

許多科學家和研究人員正在致力于開發更適合的生物燃料作物，它們將比當前的生物燃料作物需要更少的土地，使用更少的資源（如水）；同時，研究人員也在研究如何使用新技術提高生物燃料的生產效率，如提高作物的產油量等。如果使用當前的產量，要完全取代化石燃料的使用，將需要大量的土地和淡水才能生產足夠的油。例如為滿足當前美國取暖和運輸的需求，將需要用美國土地面積的兩倍來生產大豆，或者是將三分之二的土地面積專門用于油菜生產。

新材料藻類 英國Aberystwyth大學的首席研究員Jessica Adams博士認為，在未來的能源生產中，海藻生物燃料可能會非常重要。2012年，阿拉巴馬大學的Rodrigo E. Teixeira教授在離子液體中使用一種簡單、經濟的反應，從濕海藻中提取出了生物燃料油脂。

過去，生物燃料的研究重點是陸生植物，然而這會導致在使用土地種植糧食或燃料作物之間的沖突。在這個星球上，海水是無限的資源，海洋生態系統是一個未被開發的資源，占全球生物質的50%以上，而且據稱海藻本身就能比等量的快速生長的陸生植物，比如甘蔗，生產出更多的生物質；而且，藻類可以使用目前無利可圖的土地和來自不同行業的廢水來生產。如果在廢水中生長，則不會影響現有的糧食和燃料作物的用地和用水。此外，藻類不是人類食物鏈的一部分，因此不會帶走人類的食物資源。

2012年11月，美國加州大學圣地亞哥分校在Algal Research上在線發表了一項研究成果。該研究表明，海洋藻類是一個可行的、可持續的用以替代淡水藻類生產生物燃料的來源。使用海水種植用于生產生物燃料的藻類將使得生產不再受淡水或與其關聯的因素的約束。這一研究將消除人們對于商業的大規模專門用淡水生產藻類的顧慮，因為將不再需要使用淡水。僅在美國，就有大約1000萬英畝的土地由于土壤含鹽量高而不再適合于傳統農業生產，但它們可以支持藻類生產設施。加州大學圣地亞哥分校的生物學家與Sapphire Energy公司的科學家合作，希望2013年每天能在新墨西哥州的Columbus生產100桶的綠色原油。

海帶也可以作為陸地種植生物燃料的替代，盡管它的化學成分會基于季節發生變化。如果在7月份收獲，海帶中的碳水化合物水平最高，能確保用于生產生物燃料的最優糖釋放。

廢棄物、工業副產品或工業廢氣 西班牙Ecofasa公司的開發人員從垃圾中生產出了生物燃料。燃料以一般的城市廢物為原料，經由細菌產生脂肪酸，可用于制造生物燃料。

2012年9月，蘇格蘭一家威士忌酒廠Tullibardine成為世界上第一個將其副產品（殘渣）轉化為先進的生物燃料（生物丁醇），使其能為汽油或柴油車輛提供動力燃料的酒廠。除了具有明顯的環境效益，這一項目還有潛力導致整個蘇格蘭威士忌酒行業的成本節約，它能解密隱藏的價值，并幫助提振經濟。

在新西蘭Lanzatech公司工作的科學家開發了一種技術，可以用工業廢氣（如鋼鐵廠的一氧化碳）作為微生物發酵過程的原料來生產乙醇。2011年10月，Virgin Atlantic航空公司宣布加入Lanzatech的委托，在上海建立一個從鋼鐵生產的廢氣中生產航空燃料的示范工廠。

其他2013年，研究人員開發出一種從大腸桿菌中得到的轉基因細菌，它可以將葡萄糖轉變成生物燃料汽油。而且研究人員相信，將來他們可以“調整”基因，實現從稻草或畜禽糞便中生成汽油。

2011年7月，牛津大學的一份報告指出了使用龍舌蘭生產生物燃料的顯著優點。不同于其他的生物燃料原料，龍舌蘭可以在貧瘠的土地上生長，因此對全球糧食生產和生物多樣性的影響有限。同時，龍舌蘭有很多好的特性，如產量高、含糖量高、能在天然水有限的環境中成長的能力等。

新技術2013年7月，芬蘭VTT技術研究中心的研究結果表明，使用它們的新技術，可以以每公升小于一歐元的成本從木質纖維素生物質中生產高品質的生物燃料。這項新技術能將木材原料一半以上的能量轉移到最終的產品中，并且技術已經為在歐洲建立商業規模的生產廠做好了準備。

美國愛荷華州立大學的工程師使用高頻率聲波分解植物材料，以產生生物燃料。這一研究表明，用超聲波預處理各種原料——包括柳枝稷、玉米秸稈、軟木——可以不斷提高必要的將生物質轉化為高價值的燃料和化學品物質的化學反應。這種方法潛在的成本節約非常令人振奮。經濟模型顯示，一旦實施，這項技術的投資回收期低于一年。相對于傳統的需要多個步驟和周期相對較長的方法，這一方法更快，也沒那么復雜。在生物燃料生產中應用超聲波可以加速酯交換反應，這是將油轉化為生物柴油的主要化學反應。在一個案例中，研究人員發現，傳統方法通常需要45分鐘將豆油轉化為生物柴油，但是將豆油置于超聲波中，這一轉化只需要不到一分鐘。

2012年9月，紐卡斯爾大學參與了一個880萬英鎊的項目，探索在世界上最惡劣的環境中生長的植物用作生物燃料的潛力。具有夜間光合作用的物種，如龍舌蘭和菠蘿，可以在每年只有20～40厘米的降水情況下茁壯生成，這遠低于當前需要50～100厘米降水的生物燃料作物。該研究最終是要將夜間光合作用這一屬性引入快速成長的樹種中，比如楊樹，使它能夠在夜間吸收二氧化碳，并在白天葉面毛孔保持關閉時處理這些碳。如果成功的話，這一研究可能會讓楊樹在生物質生產中的用水量減少80%，從而可以在更邊遠更貧瘠的地域棲息生長。長遠來說，通過保持在干燥和溫暖世界中（氣象學家預測在未來的60年會是這樣的天氣）的糧食作物的生產力，該研究具有幫助解決糧食安全的潛力。

2011年6月，英國Warwick大學和加拿大British Columbia大學的研究人員發現了一種細菌中的酶，可以使生物燃料的生產更高效。項目領導Timothy Bugg教授說，要讓生物燃料成為可持續的替代化石燃料的燃料，就需要從植物中提取最大可能的能量。這項研究可以開啟那些目前高不可攀的生物燃料來源。通過讓木本植物和非食用作物的副產品在經濟上可行，該項目的最終希望是能夠生產不與糧食生產競爭的生物燃料。

生物燃料的發展障礙及未來

與生物燃料的生產和使用相關的問題包括各種社會、經濟、環境和技術問題，并且已經在受歡迎的媒體和科學期刊中討論過，包括對放緩油價的影響、“食品與燃料”的爭論、對貧困的影響、碳排放水平、可持續生物燃料的生產、森林砍伐和土壤侵蝕、生物多樣性的喪失、對水資源的影響、以及對能量平衡和效率的影響。大規模的生物燃料生產，尤其是在美國，對已經不穩定的全球市場的糧食生產造成的影響而引發的擔憂日益增長，因而一直遭到批評。增加生物燃料的生產會由于過量使用化肥而對水質造成不利影響，并且會導致人們不期望看到的土地使用變化，如森林砍伐等。

要克服這些問題的一個步驟是開發最適合在世界的每個區域生長的生物燃料作物。如果每個區域都使用其特定的生物燃料作物，那么使用化石燃料將這些生物燃料運輸到其他地方進行處理和消費的需求就會減少。此外，世界上的某些地區也不適合生產那些需要大量的水和肥沃的土壤的作物，因此，當前的生物燃料作物，如玉米，要想在全球范圍內的不同環境中生長是不切實際的。

生產生物燃料所需的更大面積的土地將是美洲生物燃料產業發展的一個巨大限制。在美國，如果要用乙醇取代目前所有汽油消費量，需要有更多的土地用于玉米生產，這比當前整個農業的可用地面積還要大。促進生物燃料的核心是技術。如果沒有合適的技術進步，那么為滿足美洲的需求，土地面積將是生物燃料發展的重大挑戰。

發展中國家生物燃料生產的障礙包括落后的基礎設施和有限的財務資源等。為吸引外來投資者，發展中國家需要評估可以用于生物燃料作物的未使用的土地，教育農民，并遵守國際燃料質量和可持續性標準，以確保生物燃料可以在國際市場上進行交易。

盡管燃燒生物質原料的一個問題是會排出大量的污染物，例如顆粒物和多環芳烴，但大量的研究仍然表明，生物燃料比化石燃料對環境的影響要明顯小得多，因為由二氧化碳、甲烷和一氧化二氮排放形成的全球變暖潛值和能量平衡系統需要從生命周期的角度來評估。這就要考慮到上游工序在二氧化碳封存后維持不變，以及額外發電所需的步驟。燃燒生物質而不是煤，能讓全球變暖潛值減少148%。

由于不斷增加的碳排放、減少石油進口和對石油的依賴、能源供應多樣化、和農業部門發展的需要，未來發展高級生物燃料勢在必行。