將草煉成油：第二代生物燃料油有競爭力嗎？

　　科學家正致力于研究，怎樣將農業廢棄物、木材及生長更為迅速的草本植物，轉化為種類繁多的生物燃料（甚至是航空燃油）。然而在這些新一代生物燃料完全替代傳統化石能源之前，它們必須具備與60美元/桶的原油競價的能力。

　　撰文喬治·W·休伯（GeorgeW.Hube）

　　布魯斯·E·戴爾（BruceE.Dale）

　　翻譯仉磊章曉慶

　　審校李十中

　　現在，我們都應該清醒地認識到，對石油過分依賴，會讓國家安全、經濟安全及環境安全遭受威脅。但文明不能因此停下前進的步伐，我們必須找到新的能源來保障世界運輸系統的順利運轉。以非糧原料或農業廢棄物為原料轉化的液態燃料——纖維素生物燃料（Cellulosicbiofuel）有利于環境安全，技術可行性強，近期內最有希望替代傳統化石能源。

　　生物燃料可以用植物或植物制品為原材料。目前，第一代生物燃料以可食用作物為原料，主要包括玉米、大豆（美國）、甘蔗（巴西）。用可食用作物制造生物燃料是最簡單可行的，因為把這些可食用作物轉化為燃料的技術是現成的。然而，第一代生物燃料并非長久之計，原因很簡單：沒有足夠的耕地能夠滿足發達國家10%的液態燃油原料需求。這種對糧食作物的額外需求還使2008年家畜飼料價格大幅上升，雖然沒有達到去年媒體所預言的、近似歇斯底里的高價，但部分糧食價格還是有一定上漲。一旦將玉米生長、收獲及加工期間的所有排放納入經濟成本預算，第一代生物燃料顯然并不是我們所期望的、對環境安全具有積極影響的能源形式。

　　第二代生物燃料主要以纖維素質材料為原料，如富含纖維素、生長迅速的草本植物，因此將英文汽油（gasoline）單詞中前綴“gas”去掉，引入“grass”（草），就組成了形象生動的專有名詞“草油”（grassoline）。可轉化為草油的原料有很多，從木材廢料（鋸木屑、木質建筑殘片）到農業廢棄物（玉米秸稈、小麥莖稈），再到“能源作物”[生長迅速、纖維含量高、專門種植用作草油原料的草本和木本植物]。這些原料作物耕作成本低（與每桶石油有等價能效的草油為10到40美元）、量大，更關鍵的是，這些作物的種植生產不會干擾和危及糧食生產。大多數能源作物能夠在不能用作農田的邊際土地上快速生長。還有一些能夠在被廢水或者重金屬污染的土壤中生長并凈化土壤，如生長周期較短的灌木柳樹（short-rotationwillowcoppice）。

　　纖維素類植物生物質（biomass，指某一系統中全部或特定的生物總量）豐富，能夠可持續地收獲，來制造生物燃料。美國農業部和能源部的研究顯示，在不減少作為人類食物、動物飼料及出口生物質份額的前提下，美國每年能夠生產13億噸（干重）生物質。如此大量的生物質每年至少能夠產生1,000億加侖（約3,790億升）草油，大約相當于每年美國汽油、柴油消耗總量的一半（見第23頁圖表）。放眼全球，每年纖維素類生物質生產量能夠轉化的生物燃料相當于340億~1,600億桶原油，已經超過了目前全球每年30億桶原油的消耗量。纖維素類生物質能夠轉化成任何類型的燃料，如乙醇、普通汽油、柴油，甚至航空燃油。

　　現在，科學家仍然更擅長發酵玉米籽粒（有效成分為淀粉），而不是打斷纖維素分子鏈，使它們轉變成可發酵單糖，但最近這方面取得了突破性進展。量子化學計算模型（quantum-chemicalcomputationalmodel）之類的強大工具的引入，使化學工程師能夠在原子水平控制反應進程。目前科學家將研究重心集中在，如何快速將這種微觀尺度的控制級別提升到煉制廠這樣的工業水平。盡管此領域依然處于起步階段，一些示范工廠已經開始運行，第一個商業化生物燃料煉制廠預計在2011年建成。人類歷史上的能源新紀元──草油時代也許很快就要到來。

　　自然界把纖維素賦予植物作為主要骨架結構，這種由葡萄糖分子緊密咬合并層層疊加的“腳手架”，為植物提供了抵抗重力和生物降解的支撐性架構。為了釋放纖維素里的能量，科學家必須先破壞進化賦予植物的這種異常穩定的結構。

　　一般來說，這種“解封”過程先要將固體生物質解構成聚合度更低的小分子物質，隨后將它們轉化成燃料。工程師一般采用控溫方式進行這種操作。低溫（50℃~200℃）情況下，生物質裂解產生的單糖可以被發酵成乙醇或其他形式的燃料，玉米及糖類作物（如甘蔗）采用的就是這種轉化方式。生物質在高溫（400℃~600℃）下會直接轉化為生物質原油（Biocrude），再經過提煉就可以成為汽油或者柴油。極端高溫（高于700℃）下，生物質會直接變成氣體并進一步轉化為液態燃料。

　　到目前為止，還沒人知道到底哪種方法能夠以最低的成本獲得最高的能量。或許不同生物質材料需要不同的處理方法。比如說木材廢棄物需要高溫處理，而低溫方式對草本植物更為適合。

　　熱化學平臺——熱解合成油

　　生物質經高溫裂解生成合成氣（syngas），是目前技術上最有發展前途的研究熱點。合成氣是一氧化碳和氫氣組成的混合氣體，可以由任何含碳的物質制得。通過德國科學家于20世紀20年代發明的費托合成（Fischer-Tropschsynthesis,FTS），合成氣通常可以轉化成柴油、汽油或者乙醇。第二次世界大戰期間，德意志第三帝國（ThirdReich）就利用FTS將德國的煤礦石轉化為液體燃油。目前多數傳統化石能源公司都擁有合成氣轉化技術，準備在汽油價格過高時將這種熱油轉化技術引入市場。

　　氣化是生產合成氣過程的第一步反應。生物質被裝入反應器中加熱到700℃以上，通入蒸汽或者氧氣，產生一氧化碳、氫氣和焦油的混合物。清除焦油后，將混合氣體壓縮到20~70個大氣壓，使它們通過一種專門設計的固體催化劑反應器生成液體燃料（這種固體催化劑可以捕獲單獨的反應物分子，優先催化特定的化學反應）。合成氣轉化催化劑最初是為把天然氣及煤礦石轉化成燃油而開發的，但它也同樣適用于處理生物質。

　　盡管該技術已經比較成熟，反應器的成本卻非常昂貴。2006年在卡塔爾建立的、用FTS將天然氣轉化為液態燃油的工廠耗資16億美元，平均每天生產34,000桶液態油。如果一個生物質煉制工廠的投資達到這種規模，該煉制廠必須每天轉化5,000噸生物質，持續15到30年，才能生產足夠的燃料以收回投資。將這么多生物質集中到一個地點完成生產存在嚴峻的后勤和經濟性挑戰，所以合成氣技術的研究主要集中在如何降低投資成本方面。（更多內容，請閱讀《環球科學》2009年第8期）