利用海藻发展生物燃油的现状与展望

牟 宁

（辽宁省城市污水处理管理中心，沈阳 110033）

1 国内外利用海藻发展生物燃料的现状

生物质能是以生物质为载体，将太阳能以化学能形式贮存其中，能源主要依靠植物的光合作用产生。生物能可以转化为固态、液态和气态燃料形式，替代传统的化石燃料，具有环保和可再生双重属性。生物质能产业属于朝阳产业，其前景广阔。工程海藻的研究和开发，为生物质能产业提供充足和廉价的原料供给成为可能。

1.1 利用海藻发展生物燃料的优势

海藻主要包括微藻和大型海藻，海藻的种植可以利用海洋、盐碱地等不适合粮食作物生产的空间进行生产，这样避免了传统生物质能对农业资源的需求。各国研究机构都在运用现代生物技术开发海洋工程微藻，因为海洋微藻本身具备以下特征：一是光合效率高，生长速度快。生长周期短、繁殖快，单位面积产量是粮食的几十倍。二是微藻个体小、木素含量低，易粉碎干燥，生产液体燃料所需处理工艺相对简单，生产成本较低。三是微藻内大量积累脂质，因而可以大量生产生物燃料。目前美国运用现代生物技术开发的海洋工程微藻，实验室条件下脂质含量超过60%，户外生产可达40%以上，每667m2可年产柴油1～2.5t。我国培育出的富油微藻，最高含油比也已经达到68%，比油菜籽、花生的含油量高7～8倍，比玉米高出十几倍。四是微藻在生长过程中又可以消耗大量的二氧化碳，能缓解温室气体的排放。五是综合利用价值较高。微藻在制备生物燃油的同时可以开发虾青素、活性蛋白、不饱和脂肪酸、天然色素、生物肥料等高值产品，以降低微藻产油的成本。

1．2 利用海藻发展生物燃料研究的背景和现状

美国从1976年起就启动了微藻能源研究，研究以化石燃料产生的废气生产高含脂微藻。这一计划因为研究经费精减、藻类制油成本过高，于1996年中止。但是，美国的科学家已经培育出富油的工程小环藻，这种藻类比自然状态下微藻的脂质含量提高3～12倍，这为此后的研究工作提供了坚实的基础。

2006年11月，美国绿色能源科技公司MW和亚利桑那公众服务公司在亚利桑那州建立了可与1 040MW电厂烟道气相连接的商业化系统，成功地利用烟道气的二氧化碳，大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”，其产率可达到每年每0.4hm2提供0.5～1.0万加仑生物柴油和相当量生物乙醇的水平。

2007年，由美国能源部圣地亚国家实验室牵头，美国国内十几家实验室和上百位科学家组成的联盟宣布了由国家能源局支持的 “微型曼哈顿计划”，计划实现微藻制备生物柴油的工业化。美国能源局计划在各项技术全面进展的前提下，将微藻产油的成本于2015年降至2～3美元/加仑。

2007年3月，以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收二氧化碳，转化太阳能为生物质能的技术，在离电厂烟囱几百米处的跑道池中规模培养海藻，并将其转化为燃料，每5kg藻可产1L燃料。

近年来，日本在海藻生物质能研究领域发展较快，特别是对海带和马尾藻的研究。2007年，日本启动了大型海藻的能源计划项目，利用马尾藻生产汽车用乙醇。预计到2020年，栽培面积将达1万km2，每年可收获6 500t干藻，可以生产约200万L燃料乙醇，相当于现有日本汽车油耗量的1/3。

2011年，我国微藻能源方向首个国家重点基础研究发展计划 （“973计划”）项目 “微藻能源规模化制备的科学基础”，已经正式启动。

该项目将以推动微藻能源规模化制备中核心技术的重大突破为目标，提高微藻能源规模化制备系统中各单元的效率为主线，研究从藻种选育到微藻能源规模化制备系统构建过程中亟待解决的生物学及工程学方面的关键科学问题。

1.3 我国海藻养殖现状和存在问题分析

我国拥有世界上最大规模的海藻生产基地，不论是产业规模还是出口贸易，在世界上都占有举足轻重的地位。我国海藻养殖业发展较早，并成功地掌握了紫菜、海带、裙带菜等海藻大规模培养的关键技术。在螺旋藻和小球藻等微藻的藻种选育、规模培养和产业化方面取得了大量技术成果，某些技术已经达到国际先进水平。

与国际上其他国家相比，我国在推动藻类能源规模化制备技术上有一定优势，主要表现为以下几点：一是我国拥有一定的高水平技术人员和技术储备，并在人力成本方面具有明显优势。二是海藻分类区系、藻种选育和基因工程等领域具备较强的科研力量。三是我国海洋环境富营养化和赤潮比较严重，可以通过大规模海藻栽培实现对海洋的生态修复。四是我国在海洋资源方面拥有明显的区位及环境优势，海域地跨热带、亚热带和温带地区，滩涂面积广阔，拥有1.8万km大陆海岸线、沿海岛屿6 500多个、483万km2海域，为海藻种植提供了辽阔的空间。

我国在海藻能源开发方面有很多不足之处，概括起来主要表现在以下几个方面：一是海藻的燃料转化技术研究投入不足，发展相对滞后。二是实现封闭式光生物反应器的规模化生产方面技术落后。三是我国海藻的栽培局限于近海小规模的试验场，试验项目的投入在技术和资金方面与发达国家相比明显不足。

2 海洋生物质能源发展趋势的必然性

2.1 发展海洋生物质燃料可以满足国家战略需求

我国1993年开始成为石油净进口国。近几年随着石油需求的上升，对进口石油的依存度不断增加，预计2030年有可能达到80%。能源安全已成为国家安全战略中最重要的一环。我国的能源发展方向不但决定着能源安全，甚至影响到国家安全。

目前，国家倡导的新能源除生物质能外，还有核能、风能和太阳能等。无论是技术还是资源规模上，生物质能都很有可能成为未来的重要交通运输能源。2009年11月，中美两国宣布在清洁能源领域的合作项目 （ECP）。2010年5月，在中美两国政府部门的组织、领导下，中美两国企业和研究机构签署一系列合作协议，推动中国可持续航空生物燃油产业的发展。

我国约80%的电能来自煤炭，环境问题严重。海洋藻类可以通过光合作用吸收二氧化碳，减少温室气体的排放。另外，同美国和巴西不同，我国耕地少，人口多，粮食问题突出。我国的粮食安全是首位的，生物质燃料的原料不能选择粮食。使用农作物秸秆来原料，目前存在收集与运输成本过高的问题。

2.2 利用海藻发展生物燃料在技术上可行

2006年全球研发海藻生物燃料的企业大约有4家，到2008年已超过50家，我国目前从事海藻生物柴油研发的企业已有5家。2009年6月， 《美国生物燃料月刊》根据生物燃料摘要报告和对 PetroAlgae，Algenol，Solazyme， Aurora Biofuels， Sapphire Energy， PetroSun 及Solix等30多家公司的海藻生物柴油商业化研究的进展进行了评估。根据这些企业对生产能力和价格的预测分析，认为到2014年，海藻生物柴油将达到6.13亿L的生产能力，每升的批发价格约为0.34美元。 《生物燃料文摘》编辑Jim Lane评论认为，从理论上看，海藻生物柴油的成本会像过去预计电脑的市场成本一样，很快会降下来。

3 发展海洋藻类生物质能的战略意义

综上所述，发展海洋藻类生物质能完全有可能成为解决目前全球能源和环境问题的重要出路之一。结合实际情况，就我国发展海洋藻类生物质能研究领域的资源配置及研究重点提出以下几点建议。一是从国家层面上设计和制定系统的科技发展路线图。应从国家利益出发，整合技术、人才和产业资源，以突破产业发展的技术壁垒为目标，绘制技术路线图。将政策、资源、人才、资金分阶段，有效地落到实处。科技发展路线图还将有助于架起区域乃至国际合作平台，促进我国物质能源产业的健康发展。二是明确关键科技问题，开展有针对性的技术攻关。三是开展海洋藻类基础生物学的研究。因为光合作用是所有生物能源形成的基础，特别是以光合作用为核心的海藻代谢与调控、遗传与发育、生长与繁殖等基础生物学研究，是海藻生物质能技术发展的科学基础。四是开展具有共性的关键技术研究，我国 “十一五”期间组织科研机构相继开展了富油藻种的选育和改造、高效微藻光反应器、高密度培养、高效加工等技术研究工作，但与国际先进水平相比仍有一定差距。只有加强这些共性关键技术的研究，才能突破海洋生物质能产业化的技术瓶颈。五是建立健全海藻环境保护和海藻资源合理有序开发的有关法律法规，制定海藻能源产品的技术标准及相关产业扶持政策，保证海洋生物质能产业得到健康持续的发展。

4 藻类生物质能的研发展望

随着全球气候恶化，国际上很多领域对碳排放指标提出越来越明确的要求。在航空领域，欧盟2010年公布自2012年起对所有抵达或离开欧盟国家的商业航班实施碳排放权配额制度。按照这一方案测算，我国民航业为购买碳排放权，仅2012年1年应向欧盟支付8亿元人民币。德国汉莎航空公司计划2011年4月起，该公司往返于法兰克福与汉堡的一架空客A321型客机将使用生物燃油试飞6个月。其主要目的是，研究生物燃油在常规飞行中的应用效果、有害物质排量以及对引擎的影响等。与传统的航空煤油相比，生物燃油在燃烧中产生的固体颗粒物和二氧化碳较少。在6个月试验期间，这架空客A321型客机预计减排二氧化碳1500t。

当前生物质燃料的原料来源主要是农作物，这一做法明显不适合我国人多地少的实际情况。大力发展海洋藻类生物质能似乎是我们唯一的选择。我国在海洋藻类生物质能研究方面有较强的研发能力，特别是在能源微藻基础研究方面，拥有一定的种质资源，在海藻大规模养殖方面也位于世界前列。

我国海域和滩涂资源丰富，发展海藻养殖的空间广阔；我国部分富油微藻最高含油比例已经达68%，因藻类光合作用效率高，生长快，通常一个生长周期不会超过两周。目前，每公顷土地玉米年产油量120L，大豆为440L，而藻类可达1.5万～8万L，藻类将是非常有潜力的生物质燃料来源。