从生物燃料原料的开发现状看生物燃料发展的利与弊

张 玉 玺

（银川能源学院 石油化工系， 宁夏 银川 750105）

生物燃料(biofuel)泛指由植物、动物、微生物等生物质通过热裂解、酯化等反应生产的固体、液体或气体燃料。其主要的产品有沼气，生物乙醇、生物柴油、生物煤油、固态的原型和成型燃料等。可替代由化石原料制造的汽油，煤油和柴油等燃料，具有可再生性和清洁性等优点。随着石油资源的短缺，环境的不断恶化，生物燃料再次作为化石燃料的替代品成为世界各国的广泛关注的焦点。

近几年，石油价格仍在不断上涨，温室效应也在加剧，为了解决石油和环境的双重问题，生物燃料的开发力度不断加大，其带来的负效应日趋明显，联合国粮农组织的专家在2008年1月23日警告，世界急于开发和使用生物燃料，正造成玉米和其他粮食作物价格上涨，可能造成水源短缺的状况进一步恶化，并可能导致贫困人群失去他们赖以生存的土地[1]。另外生物燃料的高成本一直是制约其产业化的主要因素，面对种种质疑，生物燃料的发展究竟是利大于弊，还是弊大于利呢？

1 生物燃料原料的开发现状

早期的生物燃料所用的生产原料主要是淀粉、糖类、油料作物和餐饮垃圾油等被称为第一代生物燃料。现在陆续出现了利用农林废弃物生产的纤维素乙醇即第二代生物燃料和第三代以微藻为原料生产的微藻燃料，以及通过改造藻类的代谢途径，利用光合作用吸收二氧化碳的负碳生物燃料。

1.1 第一代生物燃料的开发现状

第一代生物燃料包括用玉米、甘蔗等粮食作物生产的粮食乙醇和用大豆，菜籽、瓜子等油料作物和动物脂肪生产的生物柴油，以下以粮食乙醇在三大生产国的发展为例，看第一代生物燃料的发展。

1.1.1 美国

美国是世界上最大的玉米乙醇生产国，美国从上世纪70年代开始发展生物燃料乙醇，2001年，美国燃料乙醇产业消耗的玉米量占玉米产量的8.36%上下。2005年，美国燃料乙醇产业消耗的玉米量达玉米总产量的16%，比2001年增长了一倍，美国从此跃升为世界头号生物燃料乙醇生产大国。从2004年到2008年，美国燃料乙醇的产量年均增长率达35.70%，以玉米为原料生产的燃料乙醇占全国燃料乙醇的95%[2]。另美国2005年颁布了《能源法案》，提出到2012年玉米乙醇达75亿加仑.可是在2007年的RFS却要求2022年可再生能源的产量提高到360亿加仑；其中来自玉米燃料乙醇的使用量2015年可达150亿加仑，并保持到2022年；随着美国《新能源法案》的实施，玉米消费需求必然大量增加。美国把大量玉米用于生产燃料乙醇，减少粮食出口，导致世界粮食价格上涨，加剧了全球粮荒。

1.1.2 巴西

巴西是世界上最大的甘蔗乙醇生产国，早在20世纪70年代就开始实施生物燃料计划，截止2005年，在中南部地区共建有235套甘蔗加工装置，其中8套只生产糖，59套只生产酒精，209套同时生产糖和酒精。2005-2006年度巴西酒精总产量达到158亿L。2006-2007年度，巴西的酒精产量预计将超过177亿L。目前巴西可再生能源(主要是甘蔗酒精、木材生物质和水电)占总能耗的44.7%，而全球的平均水平可再生能源只占总能耗的14%。自1973年至2007年，巴西生物能源的产量增加了744.4%，从360万t石油当量增加到3040万t石油当量，年均增长21.3%[3]。2007年巴西乙醇产量为180亿L，2010年巴西乙醇产量为274亿L，巴西正在评价使现有乙醇生产提高12倍的可能性，如果能实现，到2025年可望生产乙醇2050亿L（540亿加仑），即占世界生产量约50%[4]。巴西生产的甘蔗乙醇成本低，发达国家们纷纷与之建立合作，日本和荷兰已向巴西投入了部分资金，资助甘蔗乙醇项目，巴西甘蔗乙醇年产量必将增加，甘蔗的种植面积也会扩大，很可能会与粮争地。

1.1.3 中国

相对于美国、巴西等国家，中国生物乙醇的研究开发晚，其生产始于2001年；我国最早开始鼓励生物乙醇项目是出于消化“陈化粮”。2005年，建成燃料生物乙醇企业主要以玉米为原料，其玉米消耗量占全国玉米总产量2.43%。2006 -2007 年国内玉米价格上扬。2007年6月，国务院召开关于可再生能源会议，强调“在不得占用耕地，不得消耗粮食，不得破坏生态环境的原则下，坚持发展非粮食燃料乙醇”[5]。我国开始开发非粮生物乙醇，其中包括甘蔗乙醇，我国甘蔗种植主要集中在广西、云南等少数几个省份，面积有限，如果大量生产甘蔗乙醇，将会使引起食糖价格上涨，生产成本将高于粮食乙醇。但国家发改委相关人士也表示，继续推广乙醇汽油是大势所趋，非粮生物能源如红薯、木薯、甜高粱、纤维质乙醇是今后发展的重点[6]。

1.2 纤维素乙醇的开发现状

纤维素生物质是由纤维素，半纤维素，和木质素组成的复杂材料。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。木质纤维素主要来源于农业废弃物(如麦草、玉米秸秆、玉米芯等)、工业废弃物(如制浆和造纸厂的纤维渣)、林业废弃物和城市废弃物(如废纸、包装纸等)[7]。最早的纤维素乙醇生产装置于1898 年出现在德国，该装置以废木料为原料，稀酸水解纤维素生成葡萄糖，糖发酵生产乙醇。我国在20世纪中期建成了以木屑为原料采用稀酸水解生产乙醇的东北南岔木材水解厂，共生产乙醇2万多吨[8]。目前世界上还没有一家工业规模利用纤维质原料生产燃料乙醇的企业,其主要障碍是预处理、酶解成本过高、缺乏经济可行开发技术。美国能源部2002 年投资1 480 美元资助诺维信和杰能科开发新型纤维素酶，2007 年投资3 380 万美元，用于纤维素乙醇技术的开发。意大利的M&G

(Gruppo Mossi and Ghisolfi)集团作为纤维素乙醇领域研发的领头羊之一，一直在深入研究纤维素乙醇生产的各个主要技术环节,已开发的一体化纤维素乙醇生产技术PROESATM，在欧洲已建设年产4万t的纤维素制乙醇的工业化示范装置。此技术拥有的独特的预处理工艺和酶解工艺，既可降低投资和生产成本，又具有非常好的经济性和地域适应性.2012年,全球生物燃料生产用酶的最大供应商丹麦商诺维信， 2月22日面向全球发布了纤维素乙醇产业的最新创新产品—诺维信CellicCTec3(纤维素酶)，生产相同产量的纤维素乙醇，只需添加CellicCTec3酶制剂用量为1/5的其他酶制剂的量，便可确保将预处理过的木质纤维素材料转化为可发酵糖，最终将确保工厂以最低总成本生产纤维素乙醇[9]。可见纤维素乙醇的研发和生产试验在世界各国已广泛开展，不仅有大量的中试厂和示范运营，还出现了商业规模的生产设施。欧洲的一些研究机构则认为大约在2015－2020年，此外还有一些研究机构认为则有可能在2025年之后纤维素燃料乙醇才能进入规模生产和市场应用阶段。

1.3 微藻燃料的开发现状

微藻是一类古老的低等植物，广泛地分布在海洋、淡水湖泊等水域，营养丰富、光合利用度高。薇藻可以直接利用阳光、二氧化碳和含氮、磷等元素的简单营养物质快速生长，并在细胞内合成大量油脂。与大豆、油菜和麻风树等油料植物相比，微藻的生长周期短，从初生到可以制油仅需一个星期左右，而大豆等油料植物一般需要几个月。因此微藻是制备液体燃料的良好原料。微藻热解制备的生物质燃油热值高，是木材或农作物秸秆的1.4～2倍。与其他生物材料相比，微藻的产油效率相当高，在一年的生长期内，一公顷玉米能产172 L生物质燃油，一公顷大豆能产446 L，一公顷油菜籽能产1 190 L，一公顷棕榈树能产5 950 L，而一公顷的微藻能产生物质燃油95 000 L。而且不和食物争夺农田，它们可生长在田边地角，甚至是农业和生活废水中。早在20世纪50年代美国麻省理工大学就已经开始养殖海藻，进行生产生物燃料的实验[10]。到1978年，美国能源部可再生能源国家实验室也开始了薇藻燃料的研究，并进入了中试阶段，1978-1996年薇藻实验被在夏威夷等州中试放大，这一计划因为研究经费精减、藻类制油成本过高而中止。由于近几年石油价格一再飙升，为应对能源危机世界各国越来越重视海藻生物燃料的开发。美国于2007年重新启动此项目，至今此实验室已是最权威的薇藻生物燃料研究机构。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5 kg藻可产1 L燃料。2009年 2月28日上午，中国科学院与中国石油化工股份有限公司联合召开了“微藻生物柴油成套技术”项目启动会。2012年7月，该项目开发的新型软体板式光生物反应器系统采用塑料薄膜作为反应器主体，与开放池和现有光生物反应器相比，成本大为降低，为实现微藻培养的产业化提供了可能性，目前正在构建100 m2封闭式微藻培养光生物反应器系统。2012年3月，在欧盟的支持下西班牙水务公司奥科利雅计划推出利用废水培养藻类进行生物柴油生产的商业化示范项目，项目所产生物柴油可供400辆汽车使用。2012年6月27日，日本微藻燃料开发推进协会成立。该协会共有10家民营企业加盟，发起者为吉坤日矿日石能源、IHI(石川岛播磨重工业)、电装三家公司，另外还有日立工业设备技术公司、三菱商事、出光兴产等七家公司加盟该协会将致力于找出开发微海藻燃料制造技术方面存在的共性问题，通过探讨解决对策、提出必要的措施，目标是在2020年度之前确立微藻燃料一条龙的生产体系。目前微藻生物燃料的生产还处于试验阶段，其生产成本是石化燃料的几倍甚至几十倍，但随着技术的进步，其成本会大大降低，实现产业化也是指日可待，再加上国际油价的上涨，综合利用与减排效益，其综合成本一定可以实现与石化燃料相竞争。

1.4 负炭生物燃料的开发

负碳生物燃料主要指利用代谢工程技术改造藻类的代谢途径，使其直接利用光合作用吸收二氧化碳合成生物醇类和生物柴油，这是当前最新技术。实现“负碳”过程，除了要求“吸纳”并消除本身过程中产生的全部二氧化碳外，还需额外消耗一定的二氧化碳。不仅不会产生任何废弃物，而且能吸收大量的二氧化碳，有助于碳减排。更主要的是第四代技术根本不需要农作物和农场，建厂灵活性高，生产环节很少，只需要简单的三四个环节，大大降低了生产成本。可以说是未来理想的化石燃料替代品。

2 发展生物燃料的利弊分析

2.1 “与人争粮”依然是生物燃料发展的矛盾焦点

生物燃料的发展，虽然已经到了第四代，但真正实现大规模产业化的仍然是以粮食为主的第一代生物燃料，这就意味着生物燃料的生产依然要消耗大量的玉米、大豆等粮食作物。近几年，粮食价格一直在不断的上涨。从2002-2008 年初，世界银行的粮食价格指数上涨了140%[11]。经合组织与联合国粮食及农业组织2007年7月发表的一份报告《2007—2016世界农业展望》中预测，以目前生物燃料的发展速度推算，国际粮价居高不下、持续上涨的局面在接下来十年都不会改观。并且，一味发展生物燃料缓解能源危机，而不顾随之而来食物短缺的威胁并不是明智之举。

2.2 成本高是生物燃料发展的瓶颈

“与人争粮”的粮食生物燃料的发展，导致粮价不断飙升，使得原本生产成本较低的粮食乙醇，近年来生产成本也越来越高。被称为民营油企“代言人”的赵友山曾算过一笔账：按1 t玉米乙醇消耗3.3 t玉米计算，每吨玉米乙醇的生产成本可以买到2 t成品汽油或是柴油。来自汽车工业部门的一项统计分析，一般车用乙醇汽油的消耗量远高于普通汽油，使用车用乙醇汽油的车辆1年所需的费用比使用普通汽油的车辆高1 500元左右存在高能耗、低效率的现象[12]。高粮价使得世界各国把生物乙醇的生产转向了纤维素乙醇，而纤维素的生产却被纤维素原料的分散性和不易分解性拌住了脚，据测算生产规模相同的条件下，纤维素的成本是粮食乙醇的7-8倍。而藻类和负碳燃料的发展仍在实验阶段。

2.3 技术的发展是生物燃料发展的突破口

对生物燃料的质疑，究其根本原因就是现有的技术，还不能将秸秆、玉米芯和藻类等廉价的原料转化成生物石油，如何找到廉价的纤维素水解酶、降低纤维素水解成本；提高光利用率，找到微藻的最佳培养条件等都是在不久的未来技术领域要急于解决的问题，一旦变为现实，生物燃料的发展将会突飞猛进。

2.4 “环保、节能”是生物燃料发展的最大优势

生物燃料的原料可以利用农作物秸秆、畜禽粪便、地沟油、城市垃圾等废弃物，让其转化为沼气、生物乙醇，生物柴油，生物航煤等气液态产品。产品燃烧后排放的二氧化碳和有毒气体的量低于化石燃料。有关数据表明:与汽油相比,玉米乙醇排放的二氧化碳量少18%，甘蔗乙醇要少91%；生物柴油由于不含芳香族烷烃，因而燃烧后排放的废气对人体的损害低于常规柴油，生物柴油可降低90%的空气毒性，使患癌率降低94%[13]。可见，生物燃料的发展不仅可以改善我们的生活环境和大气环境，而且使大自然界的生物能得到了充分的利用。即环保，又节约能源，是未来发展的重点。

3 结 语

粮价的不断上涨,石油资源的短缺,温室效应的加剧,让生物燃料的发展充满了矛盾。但作为一个新事物，其发展必将面临着各种挑战.从现在的“与人争粮和生产的高成本“看，似乎是弊大于利。可是从技术的未来发展和产品的绿色化看，生物燃料的发展是未来能源发展的一个亮点。因此，如何科学的发展生物燃料，是以后关注的焦点。生物燃料生产成本以及粮食危机等问题正在解决中，薇藻技术，负炭效应的出现，将会使生物燃料的可持续发展成为可能。

［1］ 科技中国—欢迎光临全球最大的互联网博物馆.绿色环保百科全书-清洁技术-生物燃料 [ EB /OL]. ( 2010- 05 - 06) [ 2013- 9- 23].http: / /www.techcn.co.

［2］丁声俊.美国燃料乙醇：挨了骂挣了钱[N].中国经济导报 2010-03-30(A04).

［3］陈家瑛，陈明，卢怀谦.生物能源会燃起多大火[J].瞭望，2012（13）:25-26.

［4］钱群超.巴西：甘蔗乙醇的领军国家[J].新经， 2007，147（6）:98-100.

［5］李妍楠.大地“长”能源离我们有多远[N].中国石油报，2010-09-0 2(004).

［6］宋一平.我国生物燃料产业化前景分析[J].中国石油和化工经济分析，2007（13）:18-23.

［7］互动百科.生物燃料[ EB /OL] .( 2011- 04 - 16) [ 2013- 9- 24].http://www.hudong.co.

［8］胡徐腾.纤维素乙醇研究开发进展[J].化工进展，2011,30（1）:13 7-142.

［9］王旭辉.纤维素乙醇商业化再进一步[N].中国能源报，2012-04-23(23).

［10］李学静,张璐瑶,乔明,等.藻类生物研究开发进展[J].中外能源，2009,14（4）,23-26.

［11］李桂菊,张军,陈伟.生物燃料发展现状及利弊争议[J].能源与环境，2009（5）:85-86.

［12］韩士德，赵友山.我为什么反对玉米制汽油[J].今日科苑，2011（18）:73-75.

［13］张玉玺.生物柴油的现状与展望[J].当代化工,2007，36（6）：577-580.