生物燃料的未来

辛妍

生物燃料是一种由生物质转化而来的燃料，可以是固体、液体，也可以是气体。第一代生物燃料或常规生物燃料通常以谷类作物（如小麦、玉米等）、油料作物（如油菜、棕榈等）和糖类作物（如甜菜、甘蔗等）为原料，使用已有技术进行生产。由于与粮食作物争夺土地和水源等，它们的发展越来越受到批评和限制。而第二代生物燃料（高级生物燃料）从可持续的原料中生产而来。原料的可持续性指原料的可用性、对温室气体排放的影响、以及对生物多样性和土地使用的影响。许多第二代生物燃料正在开发中，比如纤维素乙醇、藻类燃料、生物质氢、生物甲醇、DMF、BioDME、Fischer-Tropsch合成柴油、生物氢柴油、混合醇、和木柴油等。

生物燃料越来越受欢迎是因为油价的提高和对能源安全的需要。国际能源机构（IEA）的目标是到2050年，生物燃料要满足超过四分之一的世界运输燃料需求，以减少对石油和煤的依赖。预计未来五年全球生物燃料市场的复合年增长率将达到12.5%。而Pike Research预测，全球生物燃料市场在2021年将在达到1853亿美元。

全球生物燃料开发和使用的领先者是美国、巴西、法国、瑞典和德国。美国是生物燃料的主要市场，占据了全球大约44.5%的份额。巴西是世界上第一个在运输部门推行可再生燃料的国家。在过去的20多年里，巴西是生物燃料的主要生产者，但在过去五年被美国超越。

全球生物燃料产业是个分散的市场，存在大量的厂商，例如POET、Archer-Daniels-Midland、Abengoa Bioenergy、Green Plains Renewable Energy和Cosan等。其中，POET是全球领先的第一代生物燃料生产商，Archer-Daniels-Midland（ADM）是世界上第二大生物燃料生产商，也是欧洲领先的生物柴油生产商，它在德国汉堡拥有世界上最大的生物柴油生产设施。

本文从生物燃料的政策、应用、新材料和新技术以及问题和限制等方面，探讨当今世界生物燃料的发展现状及未来。

发展生物燃料的政策支持

出于对能源安全、气候变化和经济停滞的担忧，现在全世界的政府都在支持生物燃料的生产。最常见的要求是将生物燃料与运输用燃料混合使用，全球大约有50个国家有混合目标或要求，并且多数都设置了未来生物能源指标。目前生物燃料占全球运输用燃料供给的3%。然而国际能源机构的专家认为，随着效率的提高、生产成本的降低和高级生物燃料的商业开发，到2050年，生物燃料在交通燃料中的比例将超过25%。

例如在美洲，长期的政府干预有望带动该区域生物燃料的使用。近年来，政府相继出台了多种政策工具，以降低潜在的投资者的风险和不确定性。政府干预也确保响应农民对能源投入价格和产出的生物燃料价格担忧的承诺。北美和南美国家还依赖补贴、税收抵免和税收优惠政策，以确保生产者可以有信心克服生物燃料的高生产成本。同时，进口限制也被用于促进美洲国家新兴的生物燃料产业。大多数美洲国家的基本要求是将生物燃料与传统燃料混合，这从另一方面为生物燃料市场提供保证。

2006年欧盟设立了在成员国和发展中国家发展生产和使用生物燃料的七大战略性政策领域。在战略中，委员会定义了生物燃料的角色，认为这种由生物质（一种可再生资源）产生的能源在未来可能会作为可再生能源的来源，替代交通运输部门使用的化石燃料能源来源（主要是石油）。这七大战略性政策领域包括刺激对生物燃料的需求，确保环境效益，发展生物燃料的生产和分配，扩大原料供应，提高生物燃料的贸易机会，支持发展中国家在生物方面的潜力，支持研究与创新，特别是要改进生产工艺和降低成本。

生物燃料的应用

在陆路运输中的应用 乙醇燃料是全球最常用的生物燃料，尤其是在巴西。生物乙醇可在汽油发动机中替代汽油，它可以与汽油以任何百分比混合。大多数现有汽车的汽油发动机都可以在高达15%的生物乙醇与石油/汽油的混合燃料下运行。但当前的补贴是不可持续、不可扩展的，与美国的汽油价格相比，乙醇燃料的单位行驶距离成本仍然偏高。

丁醇会产生更多的能量，并且据称可以直接在现有的汽油发动机中使用而无需对发动机或汽车做任何修改。它比乙醇的腐蚀性小、水溶性小，并且可以通过现有的基础设施完成配送。目前DuPont公司和BP正在共同努力开发丁醇。

生物柴油是欧洲最常用的生物燃料。在有些国家，生物柴油比常规柴油还要便宜。纯生物柴油（B100）是最低排放的柴油燃料。当与矿物柴油混合时，生物柴油可以用在任何柴油发动机中。在一些国家，制造商为使用B100的柴油发动机提供保修。由于生物柴油是有效的溶剂，会清洗矿物柴油的残留物，发动机过滤器可能需要更经常地更换，因为生物燃料会溶解留在油箱和管道中的旧沉淀。生物柴油还能有效地清除发动机燃烧室积碳，这有助于保持效率。在许多欧洲国家广泛使用5%的生物柴油混合燃料，并且在数以千计的加油站可以买到。生物柴油比矿物柴油含碳量低，含氢和氧量高，这可以提高生物柴油的燃烧，减少未燃烧的碳产生的微粒排放。生物柴油的处理和运输很安全。在美国，超过80%的商用卡车和城市公交使用柴油。

在航空业的应用目前，航空业占全球总排放量的2～3%。国际航空运输协会（IATA）预测，商业航空将以5%的年增加率成长，并会一直持续到2030年，这也就意味着燃料消耗和排放量将会继续上升。乘客需求的增长、燃油价格的提高以及减少排放的压力，促使航空业必须寻找新出路。国际航空运输协会致力于到2020年实现碳中和，到2050年碳排放减少50%。因此，商业航空的关键目标是寻找可靠的替代燃料，以降低成本、减少燃料供应波动、减少对气候的影响，并改善燃油的物流。

目前，生物质航油的价格至少是常规煤油的两倍，并且可用量很小。几乎所有的主要商业航空公司和一些军事部门（如美国）都在大量参与测试和开发生物质航空用油。在过去的五年里，Boeing、Honeywell的UOP，GE以及其他业界领袖，一直在为开发可持续的航空生物燃料共同努力，包括商用和军用飞行测试、实验室和基于地面的喷气发动机性能测试，以确保符合航空燃料严格的性能和安全要求。

成功实施生物航油的关键是原料大规模、可持续的可用性，尤其是全球规模的可用性。经过评估，最经济的选择是食用油，如棕榈油和豆油。然而考虑到对与粮食安全的影响，非食用油可能更具有可持续的潜力，如藻类、桐油树、亚麻等。比如Boeing公司和其他一些美国西北部的公司经过全面的区域分析后，确定亚麻——一种与干小麦轮流种植生长的能源作物——是可行的生物燃料来源之一。另一个新兴的替代方案是使用木质纤维素材料和废物为原料生产生物燃料。

2013年7月2日，澳大利亚上市公司Algae.Tec与新南威尔士州的Macquarie Generation签订合同，要在Hunter Valley的Bayswater发电厂附近建立生物燃料生产设施。设施将使用Algae.Tec的藻类碳捕获技术生产生物柴油，可以经过氢化成为A级喷气燃料。它旨在提供一个新的航空燃料来源，这样澳大利亚就不再需要这么多的航空燃料进口。

2012年3月，空中客车公司加入了一个包括维珍澳大利亚在内的联合体，研究从桉树生产可持续的航空燃料的新方法。该项目的目标是要在2013年在澳大利亚试点运行替代燃料生产厂。

2011年10月，Virgin Atlantic航空公司开发了一种从工业废气中生产的航空燃料，并声称它只有标准喷气燃料的一半的碳足迹。从工业废气中产生的燃料（否则这些工业废气会被烧毁并释放到大气中）为生物燃料的生产提供了一种替代。到目前为止，航空业的重点是放在用于食品生产的耕地上，而这一新技术可以减少对这些土地的需求。该技术将使航空公司通过重复使用那些否则会直接排放到大气中的工业废气，来达到大幅减少碳足迹的效果。同时，它可以促进工业的可持续发展，因为这一过程让制造工厂回收它们的废物碳排放。

在海洋运输中的应用 生物柴油是船舶燃料的一种很好的候选，它可以被生物降解，无毒、无硫和芳烃。由于很少或根本不需要改装发动机，它可用于许多海洋运输中。生物甲烷也日益获得海洋产业的兴趣。运营商正在寻求使用液化天然气作为发动机燃料。RoyceBergenK的燃气发动机已经通过认证，可以为世界上第一艘客货轮提供动力。

2012年2月，美国海岸警备队宣布与Oak Ridge国家实验室（美国能源部）合作，测试海运中使用生物丁醇混合。在小型船只的发动机中已经使用了汽油与乙醇的混合，而这一新项目是为了预测生物丁醇在工业规模的潜在可用性。

2011年1月和12月，Maersk与美国海军都进行基于海藻油的生物燃料测试。海军的测试持续到2012年，旨在到2020年将其舰队中的矿物油使用削减50%。而Maersk的设想是到2030年，其位于世界10%地区的海运船队要使用生物燃料。

其他有趣的应用 乙醇也可作为生物乙醇壁炉的燃料。因为不需要烟囱并且是“无烟道”的，所以，生物乙醇壁炉在没有烟道的新建住宅和公寓极其有用。

生物燃料的新材料和新技术

许多科学家和研究人员正在致力于开发更适合的生物燃料作物，它们将比当前的生物燃料作物需要更少的土地，使用更少的资源（如水）；同时，研究人员也在研究如何使用新技术提高生物燃料的生产效率，如提高作物的产油量等。如果使用当前的产量，要完全取代化石燃料的使用，将需要大量的土地和淡水才能生产足够的油。例如为满足当前美国取暖和运输的需求，将需要用美国土地面积的两倍来生产大豆，或者是将三分之二的土地面积专门用于油菜生产。

新材料藻类 英国Aberystwyth大学的首席研究员Jessica Adams博士认为，在未来的能源生产中，海藻生物燃料可能会非常重要。2012年，阿拉巴马大学的Rodrigo E. Teixeira教授在离子液体中使用一种简单、经济的反应，从湿海藻中提取出了生物燃料油脂。

过去，生物燃料的研究重点是陆生植物，然而这会导致在使用土地种植粮食或燃料作物之间的冲突。在这个星球上，海水是无限的资源，海洋生态系统是一个未被开发的资源，占全球生物质的50%以上，而且据称海藻本身就能比等量的快速生长的陆生植物，比如甘蔗，生产出更多的生物质；而且，藻类可以使用目前无利可图的土地和来自不同行业的废水来生产。如果在废水中生长，则不会影响现有的粮食和燃料作物的用地和用水。此外，藻类不是人类食物链的一部分，因此不会带走人类的食物资源。

2012年11月，美国加州大学圣地亚哥分校在Algal Research上在线发表了一项研究成果。该研究表明，海洋藻类是一个可行的、可持续的用以替代淡水藻类生产生物燃料的来源。使用海水种植用于生产生物燃料的藻类将使得生产不再受淡水或与其关联的因素的约束。这一研究将消除人们对于商业的大规模专门用淡水生产藻类的顾虑，因为将不再需要使用淡水。仅在美国，就有大约1000万英亩的土地由于土壤含盐量高而不再适合于传统农业生产，但它们可以支持藻类生产设施。加州大学圣地亚哥分校的生物学家与Sapphire Energy公司的科学家合作，希望2013年每天能在新墨西哥州的Columbus生产100桶的绿色原油。

海带也可以作为陆地种植生物燃料的替代，尽管它的化学成分会基于季节发生变化。如果在7月份收获，海带中的碳水化合物水平最高，能确保用于生产生物燃料的最优糖释放。

废弃物、工业副产品或工业废气 西班牙Ecofasa公司的开发人员从垃圾中生产出了生物燃料。燃料以一般的城市废物为原料，经由细菌产生脂肪酸，可用于制造生物燃料。

2012年9月，苏格兰一家威士忌酒厂Tullibardine成为世界上第一个将其副产品（残渣）转化为先进的生物燃料（生物丁醇），使其能为汽油或柴油车辆提供动力燃料的酒厂。除了具有明显的环境效益，这一项目还有潜力导致整个苏格兰威士忌酒行业的成本节约，它能解密隐藏的价值，并帮助提振经济。

在新西兰Lanzatech公司工作的科学家开发了一种技术，可以用工业废气（如钢铁厂的一氧化碳）作为微生物发酵过程的原料来生产乙醇。2011年10月，Virgin Atlantic航空公司宣布加入Lanzatech的委托，在上海建立一个从钢铁生产的废气中生产航空燃料的示范工厂。

其他2013年，研究人员开发出一种从大肠杆菌中得到的转基因细菌，它可以将葡萄糖转变成生物燃料汽油。而且研究人员相信，将来他们可以“调整”基因，实现从稻草或畜禽粪便中生成汽油。

2011年7月，牛津大学的一份报告指出了使用龙舌兰生产生物燃料的显著优点。不同于其他的生物燃料原料，龙舌兰可以在贫瘠的土地上生长，因此对全球粮食生产和生物多样性的影响有限。同时，龙舌兰有很多好的特性，如产量高、含糖量高、能在天然水有限的环境中成长的能力等。

新技术2013年7月，芬兰VTT技术研究中心的研究结果表明，使用它们的新技术，可以以每公升小于一欧元的成本从木质纤维素生物质中生产高品质的生物燃料。这项新技术能将木材原料一半以上的能量转移到最终的产品中，并且技术已经为在欧洲建立商业规模的生产厂做好了准备。

美国爱荷华州立大学的工程师使用高频率声波分解植物材料，以产生生物燃料。这一研究表明，用超声波预处理各种原料——包括柳枝稷、玉米秸秆、软木——可以不断提高必要的将生物质转化为高价值的燃料和化学品物质的化学反应。这种方法潜在的成本节约非常令人振奋。经济模型显示，一旦实施，这项技术的投资回收期低于一年。相对于传统的需要多个步骤和周期相对较长的方法，这一方法更快，也没那么复杂。在生物燃料生产中应用超声波可以加速酯交换反应，这是将油转化为生物柴油的主要化学反应。在一个案例中，研究人员发现，传统方法通常需要45分钟将豆油转化为生物柴油，但是将豆油置于超声波中，这一转化只需要不到一分钟。

2012年9月，纽卡斯尔大学参与了一个880万英镑的项目，探索在世界上最恶劣的环境中生长的植物用作生物燃料的潜力。具有夜间光合作用的物种，如龙舌兰和菠萝，可以在每年只有20～40厘米的降水情况下茁壮生成，这远低于当前需要50～100厘米降水的生物燃料作物。该研究最终是要将夜间光合作用这一属性引入快速成长的树种中，比如杨树，使它能够在夜间吸收二氧化碳，并在白天叶面毛孔保持关闭时处理这些碳。如果成功的话，这一研究可能会让杨树在生物质生产中的用水量减少80%，从而可以在更边远更贫瘠的地域栖息生长。长远来说，通过保持在干燥和温暖世界中（气象学家预测在未来的60年会是这样的天气）的粮食作物的生产力，该研究具有帮助解决粮食安全的潜力。

2011年6月，英国Warwick大学和加拿大British Columbia大学的研究人员发现了一种细菌中的酶，可以使生物燃料的生产更高效。项目领导Timothy Bugg教授说，要让生物燃料成为可持续的替代化石燃料的燃料，就需要从植物中提取最大可能的能量。这项研究可以开启那些目前高不可攀的生物燃料来源。通过让木本植物和非食用作物的副产品在经济上可行，该项目的最终希望是能够生产不与粮食生产竞争的生物燃料。

生物燃料的发展障碍及未来

与生物燃料的生产和使用相关的问题包括各种社会、经济、环境和技术问题，并且已经在受欢迎的媒体和科学期刊中讨论过，包括对放缓油价的影响、“食品与燃料”的争论、对贫困的影响、碳排放水平、可持续生物燃料的生产、森林砍伐和土壤侵蚀、生物多样性的丧失、对水资源的影响、以及对能量平衡和效率的影响。大规模的生物燃料生产，尤其是在美国，对已经不稳定的全球市场的粮食生产造成的影响而引发的担忧日益增长，因而一直遭到批评。增加生物燃料的生产会由于过量使用化肥而对水质造成不利影响，并且会导致人们不期望看到的土地使用变化，如森林砍伐等。

要克服这些问题的一个步骤是开发最适合在世界的每个区域生长的生物燃料作物。如果每个区域都使用其特定的生物燃料作物，那么使用化石燃料将这些生物燃料运输到其他地方进行处理和消费的需求就会减少。此外，世界上的某些地区也不适合生产那些需要大量的水和肥沃的土壤的作物，因此，当前的生物燃料作物，如玉米，要想在全球范围内的不同环境中生长是不切实际的。

生产生物燃料所需的更大面积的土地将是美洲生物燃料产业发展的一个巨大限制。在美国，如果要用乙醇取代目前所有汽油消费量，需要有更多的土地用于玉米生产，这比当前整个农业的可用地面积还要大。促进生物燃料的核心是技术。如果没有合适的技术进步，那么为满足美洲的需求，土地面积将是生物燃料发展的重大挑战。

发展中国家生物燃料生产的障碍包括落后的基础设施和有限的财务资源等。为吸引外来投资者，发展中国家需要评估可以用于生物燃料作物的未使用的土地，教育农民，并遵守国际燃料质量和可持续性标准，以确保生物燃料可以在国际市场上进行交易。

尽管燃烧生物质原料的一个问题是会排出大量的污染物，例如颗粒物和多环芳烃，但大量的研究仍然表明，生物燃料比化石燃料对环境的影响要明显小得多，因为由二氧化碳、甲烷和一氧化二氮排放形成的全球变暖潜值和能量平衡系统需要从生命周期的角度来评估。这就要考虑到上游工序在二氧化碳封存后维持不变，以及额外发电所需的步骤。燃烧生物质而不是煤，能让全球变暖潜值减少148%。

由于不断增加的碳排放、减少石油进口和对石油的依赖、能源供应多样化、和农业部门发展的需要，未来发展高级生物燃料势在必行。