第二代生物燃料

 　　1簡介

　　第二代生物燃料以非糧作物乙醇、纖維素乙醇和生物柴油等為代表，原料主要使用非糧作物，秸稈、枯草、甘蔗渣、稻殼、木屑等廢棄物，以及主要用來生產(chǎn)生物柴油的動物脂肪、藻類等。由此可見，第二代生物燃料與第一代最重要的區(qū)別之一，就在于是否以糧食作物為原料。

　　此外，在環(huán)境保護(hù)方面，第二代生物燃料的表現(xiàn)也遠(yuǎn)較第一代出色。據(jù)美國能源部研究，更注重生態(tài)效應(yīng)的第二代生物燃料有望減少最高達(dá)96%的溫室氣體排放;而第一代以玉米為原料的燃料乙醇，平均僅可以減少約20%的溫室氣體排放。而且，第二代生物燃料，尤其是纖維素乙醇的取材范圍相當(dāng)廣泛，秸稈、枯草等農(nóng)業(yè)廢棄物均可入料。對農(nóng)業(yè)廢料的循環(huán)利用保證了生物能源的可持續(xù)發(fā)展，解決了第一代生物燃料生產(chǎn)過程中耗費更多能源和使用更多化學(xué)物質(zhì)的問題，同時也降低了對人類健康的潛在威脅。

　　2分代

　　第二代生物燃料即非糧食乙醇燃料，其實第二代生物燃料也分為二代：第一代主要用甜高粱、木薯等非糧食農(nóng)作物進(jìn)行提取，優(yōu)點是淀粉及糖含量高，能替代玉米、小麥等糧食作物，而下一代則以纖維素為主要原料，例如植物的莖葉、農(nóng)作物秸稈、林業(yè)剩余物等都可以轉(zhuǎn)化為燃料，擴大生物燃料的作物種類，更可以廢物利用，這也是當(dāng)前國際研究的重點。

　　優(yōu)勢和不足

　　與第一代生物燃料相比，第二代生物燃料具有非常大的優(yōu)勢。首先，汽車發(fā)動機不需要改造就可以直接使用摻入了生物乙醇的汽油或柴油;其次，生產(chǎn)第二代生物乙醇的催化酶技術(shù)未來幾年成本還將快速下降，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的可行性非常強;第三，秸稈等纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物大量存在，比如中國每年農(nóng)業(yè)大約產(chǎn)生7億噸秸稈，供給非常充足。而且從長期來看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物還可以用來生產(chǎn)生物高分子新材料。雖然第二代生物燃料在減少碳排放等方面具有很強的優(yōu)勢，但是仍然無法擺脫生物燃料的致命缺陷，即能源密度低。能源密度低使得生產(chǎn)生物燃料的企業(yè)不得不保持巨大的能源供應(yīng)腹地，而運輸這些原材料的能耗到底能不能被產(chǎn)生的燃料完全對沖還是一個未知數(shù)。不僅如此，原本應(yīng)該返回土地圈的秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物被用來制造能源是否會對生態(tài)產(chǎn)生影響，這種影響是否會導(dǎo)致生態(tài)的不平衡也很難估量。

　　3技術(shù)

　　纖維素原料熱裂解等更有潛力的第二代生物燃料生產(chǎn)技術(shù)正取代玉米基乙醇汽油等燃料生產(chǎn)技術(shù)。

　　快速熱裂解技術(shù)。德國魯奇公司與卡爾斯魯厄研究中心合作建設(shè)以纖維素為原料制取生物燃料的中試裝置。技術(shù)路線是：先將秸稈、木屑等薄壁植物研磨后送反應(yīng)器，快速加熱到500℃，使其裂解冷凝成漿液;再將漿液送煉油廠轉(zhuǎn)化為合成氣;合成氣通過費托工藝轉(zhuǎn)化為所需燃料。此燃料能以任何比例與化石燃料調(diào)和使用。該裝置每年可轉(zhuǎn)化約20萬噸干燥木質(zhì)纖維素原料，產(chǎn)能約13.4萬噸/年。此路線比合成甲醇更有效率。2011年兩家將共建氣化裝置。

　　酶發(fā)酵技術(shù)。瑞士Syngenta公司等企業(yè)合作開發(fā)利用酶發(fā)酵的第二代生物燃料技術(shù)，包括開發(fā)一系列與纖維素乙醇有關(guān)的新型酶制劑。這些酶可將經(jīng)過預(yù)處理的纖維素轉(zhuǎn)化為混合糖，這是關(guān)鍵步驟。將纖維素轉(zhuǎn)化成生物燃料要有三個突破：預(yù)處理(纖維素的化學(xué)制備)、糖化(通過酶將預(yù)處理后的纖維素轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵的糖)和發(fā)酵(開發(fā)新的微生物將糖發(fā)酵成乙醇或其他燃料)。

　　水生物技術(shù)。水生藻類物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為生物柴油，通過產(chǎn)生糖類物質(zhì)發(fā)酵后變?yōu)橐掖?。法國Eco-Solution公司擁有的專利技術(shù)，可使反應(yīng)器中海藻生長速度快于自然生長。該公司認(rèn)為開放式池塘和光反應(yīng)器結(jié)合的方法經(jīng)濟性最好。

　　4應(yīng)用

　　第二代生物燃料已成為許多國家開發(fā)生物燃料時的新寵。德國大眾公司等歐洲汽車制造商就與德國佛萊堡科倫工業(yè)集團(tuán)開展合作，共同開發(fā)取自稻草或秸稈的第二代生物燃料，該工業(yè)集團(tuán)年產(chǎn)2萬噸的“第二代生物柴油”項目已于2008年啟動。美國能源部通過資金支持國家可再生能源實驗室與企業(yè)合作，對纖維素催化酶進(jìn)行優(yōu)化，大大地降低其成本，使第二代生物燃料技術(shù)有望于2010年投入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，UOP公司等許多新能源企業(yè)紛紛組建第二代生物燃料生產(chǎn)廠。巴西石油公司則研究從秸稈、稻殼等農(nóng)業(yè)廢棄物中提煉乙醇，并加緊生產(chǎn)廠的建設(shè)。從2008年開始，許多國家對第二代生物燃料的投入呈幾何數(shù)字增長。

　　對于第二代生物燃料的關(guān)鍵技術(shù)是催化酶技術(shù)，酶是一種生物催化劑，可使生物化學(xué)反應(yīng)在溫和的環(huán)境下進(jìn)行得更加迅速、效率更高。新型酶制劑能將植物中的纖維素分解成可發(fā)酵糖，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙醇。就在幾年前，該技術(shù)的成本還比較高，這兩年來，隨著生物技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其成本已經(jīng)下降數(shù)倍，從而使第二代生物燃料越來越具有競爭力。目前的新型酶制劑非常適合用秸稈這種大量存在的農(nóng)業(yè)廢棄物來生產(chǎn)乙醇。

　　5現(xiàn)狀

　　美國2007年底通過的《能源獨立和安全法》規(guī)定，2008年美國使用的可再生燃料應(yīng)為90億加侖(1加侖約合3.785升)，到2022年將達(dá)到360億加侖，其中必須有210億加侖為第二代生物燃料。

　　瑞典政府規(guī)定，凡購買第二代生物燃料轎車的人，可獲得政府每輛車1萬瑞典克朗(約合1200美元)的補貼，甚至有些城市還對這類汽車免收停車費。

　　肯尼亞在環(huán)保組織“綠色非洲基金會”的幫助下，2007年底之前已經(jīng)在1563萬平方米的土地上種植了200萬棵麻風(fēng)樹。這種樹又被稱為“生物柴油樹”，經(jīng)改性后的麻風(fēng)樹油可適用于各種柴油發(fā)動機，并達(dá)到歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)。在馬里，有700個社區(qū)已經(jīng)在使用麻風(fēng)樹生產(chǎn)的生物燃料來滿足能源需求。莫桑比克能源部今年呼吁用干椰子肉和麻風(fēng)樹生產(chǎn)生物燃料，政府還成立了專門工作組來制定選用土地的標(biāo)準(zhǔn)。斯威士蘭、贊比亞和津巴布韋等國家也正在進(jìn)行類似的嘗試。

　　作為世界上最大的使用非糧作物生產(chǎn)乙醇的國家，巴西近年來大量利用甘蔗渣發(fā)電，產(chǎn)生了很好的效果。巴西能源調(diào)查公司新近公布的一項調(diào)查結(jié)果表明，用甘蔗渣生產(chǎn)的電量已占巴西全國發(fā)電總量的4%。目前，巴西和哥倫比亞的研究機構(gòu)已從棕櫚油中提煉出第二代生物柴油。利用蓖麻子、松子、葵花子、鱷梨等生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)也處于研制之中。

　　6未來

　　2008年11月，巴西政府在圣保羅舉辦了有90個國家和24個國際組織參加的“國際生物燃料大會”。大會預(yù)計，以纖維素乙醇為代表的第二代生物燃料將在2015年后實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

　　不過，世界最大石油天然氣集團(tuán)之一道達(dá)爾集團(tuán)的煉油與銷售部農(nóng)業(yè)開發(fā)主管雅克·布隆迪卻認(rèn)為，第二代生物能源的一些關(guān)鍵工藝涉及一系列復(fù)雜過程和技術(shù)，需要很大的投資和大量的原材料，要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還需經(jīng)歷一個漫長的過程。他說，第二代生物燃料的實際生產(chǎn)成本還是一個重要的未知數(shù)。另外，在生物質(zhì)燃料的經(jīng)濟可行性研究方面，原料收集也是一個受關(guān)注的問題。生物質(zhì)原料極其分散，采集成本、運輸成本和生產(chǎn)成本都可能成為制約燃料乙醇業(yè)發(fā)展的瓶頸。