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“草油”改变世界 油荒之下的新能源开发

来源:新周刊 作者: 2011-3-10
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摘要: 在未来的5—15年,以纤维素生物燃料为动力的汽车数量将迅速增长。科学家们经过不懈思索,已经发现了很多种能够直接或间接地“生产”石油的植物,也就是生物燃烧。什么植物能产油1978年,美国加利福尼亚大学的卡尔文,以热带植物为基础,培育出好几种能提取液体燃料的植物,它们是含有碳氢化合物的白色乳状液。割开表皮液......


  在未来的5—15年,以纤维素生物燃料为动力的汽车数量将迅速增长。



  早在亿万年前,人类还没出现之时,绿色植物就已经生存在这个广袤的大地上了,亿万年来,它们一直默默地付出着,它是大自然最原始的工厂,也是最先进的生产车间,是最绿色的,最符合自然之道的。



  数百年来,煤、石油和天然气一直是人类能源的主角,随着能源消耗量的不断增加,这些不可再生的能源日趋紧缺。在人们对能源的前景感到忧虑的时候,科学家们设想,既然煤、石油和天然气的“祖宗”都是远古时代的植物,那么能不能种植绿色植物,来速成“石油”,从而为人们所利用呢?科学家们经过不懈思索,已经发现了很多种能够直接或间接地“生产”石油的植物,也就是生物燃烧。



  植物石油被称为21世纪的绿色能源。植物界可用于制成石油的植物品种很多,不少乔木、灌木、草类、藻类等都含有可观的天然炼油物质,这些植物主要集中在夹竹桃科、大戟科、萝摩科、菊科、桃金娘科以及豆科上。折断这些植物的茎、叶,可以从伤口处看到乳白色或黄褐色液体流出来,这些液体中便含有与石油成分相似的碳氢化合物。



  什么植物能产油



  1978年,美国加利福尼亚大学的卡尔文,以热带植物为基础,培育出好几种能提取液体燃料的植物,它们是含有碳氢化合物的白色乳状液。割开表皮液体就会流出,可直接用作汽车的燃料。人们称这类植物为“石油草”,卡尔文因此获得了诺贝尔奖金。1986年,美国率先进行人工种植石油植物,每公顷年收获石油120—140桶。随后,英国、法国、日本、巴西、菲律宾、俄罗斯等国也相继开展石油植物的研究与应用,建立石油植物园这一全新的石油生产基地,人们还借助遗传基因技术培育新树种,采用更先进的栽培技术来提高产量。



  日本科学家也发现一种芳草类植物,分类上属于芒属作物,具有很强的光合作用能力,是一种理想的石油植物。这种植物生长迅速,一季就能长3米高,所以当地人称它为“象草”。象草对生长环境要求不高,从亚热带到温带的广阔地区都能生长。就产量而言,一公顷平均每年可收获12吨“生物石油”,比其他现有的任何能源植物都高产,而且种植成本很低,还不到种油菜成本的1/3,可是变成石油所产生的能量却相当于用菜籽油提炼的生物柴油的两倍。



  我国也不乏石油植物,如海南的油楠树,砍掉树干,油就会流出,一棵大一点的树每天能产油10—15公斤。与其他能源相比,石油植物的开发有很多优点。首先,它是绿色植物,不会污染环境;其次,它属于可再生资源,能有计划地种植和开采;再者,相比核能等某些能源要安全得多。



  20世纪70年代出现石油危机以后,人们开始研究煤的气化和液化,然而复杂的技术和巨大的投资,制约了气化煤和液化煤的广泛使用。而核能由于种种原因,没有实现大规模应用。生物质能、太阳能和其他可再生能源将替代石油和煤炭,逐渐成为世界能源的主角。生物能源则是其中研发价值热门之一,它的节能、环保,是现在所有的能源利用途径所缺乏的……生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。从广义上讲,生物质是植物通过光合作用生成的有机物,它的能量最初来源于太阳能,所以生物质能是太阳能的一种。



  第二代生物燃料的草油时代



  第一代生物燃料主要以可食用作物为原料,主要包括玉米、大豆、甘蔗。然而,第一代生物燃料并非长久之计,原因很简单:没有足够的耕地能够满足发达国家10%的液态燃油原料需求。此外,这种对粮食作物的额外需求使2008年家畜饲料价格大幅上升,虽然没有达到去年媒体所预言的近似歇斯底里的高价格,但部分粮食价格还是有一定上涨。



  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。同年3月,联合国食物权特别报告员齐格勒在纽约联合国总部发表的上述评论旨在引起人们对这个问题的关注。他指出,这种考虑不周,匆忙上马用玉米和蔗糖转产生物燃料的做法将会导致灾难。他说,目前这种把可耕地转产生物燃料的做法是反人类罪行。他呼吁对这种做法实施为期5年的禁令。他认为,在这5年期间,技术进步可以利用农业废料,如玉米芯和香蕉叶,而不是用谷物和果实本身来制造燃料。



  第二代生物燃料主要以纤维素质材料为原料,如富含纤维素、生长迅速的草本植物,因此将英文汽油单词中前缀“gas”去掉,引入“grass”(草),就形成了形象生动的专有名词“草油”。可转化为草油的原料有很多,从木材废料到农业废弃物,再到“能源作物”。这些原料耕作成本低、量大,更关键的是,这些作物的种植生产不会干扰和危及粮食生产。大多数能源作物能够在不能用作农田的边际土地上快速生长。



  美国农业部和能源部的研究显示,在不减少作为人类食物、动物饲料及出口生物质份额的前提下,美国每年能够生产13亿吨生物质。如此大量的生物质每年至少能够产生1000亿加仑草油,大约相当于每年美国汽油、柴油消耗总量的一半。放眼全球,每年纤维素类生物质生产量能够转化的生物燃料相当于340亿—1600亿桶原油,已经超过了目前全球每年30亿桶原油的消耗量。此外,纤维素类生物质能够转化成任何类型的燃料,如乙醇、普通汽油、柴油,甚至航空燃油。



  目前科学家将研究重心集中在如何快速将这种微观尺度的控制级别提升到炼制厂这样的工业水平。尽管此领域依然处于起步阶段,一些示范工厂已经开始运行,第一个商业化生物燃料炼制厂预计在2011年建成。人类历史上的能源新纪元草油时代也许很快就要到来。



  120公斤秸秆可产60公斤生物质原油



  早在2006年中央电视台新闻联播报道说,中国各地都有农民大量焚烧秸秆,造成环境污染。随着一项新技术的突破,农民们以后不仅不用再焚烧秸秆,还可以用它来赚钱。



  通过把木屑、稻壳、玉米杆和棉花杆等多种原料经高温加热、冷却后,提炼出一种生物质原油。在一分钟不到的时间内,然后再把这些原料的温度迅速提升到500度,这时秸秆升温后大分子变成小分子,小分子在高温下变成蒸汽状态,然后再迅速冷凝,这两种“迅速”是科学家通过几年攻关才掌握的核心技术,把秸秆提炼为类似于石油的生物质原油。



  在这种实验规模下每小时可以处理120公斤秸秆,可以产生60公斤的生物质原油,出油率高达50%以上。当然,这种生物油还要在进一步加工后才能完全替代柴油和汽油,现在也可以直接作为锅炉的燃料使用,预计规模化生产可以使每吨的生产成本控制在800元以内。据科学家介绍,中国每年仅农作物秸秆和农产品谷壳等就有7亿多吨,精致提炼后可以作为车用燃料使用,还可以分离提取高附加值的化学产品。中国科学技术大学热能工程系教授朱锡锋介绍说,如果20%(的秸秆)用来转化,就能得到1亿吨的生物油,从而可替代5000万吨的重油或是柴油。



  相比以石油、油砂和液态煤等石油替代物为原料提取的能源,“草油”也有一定的优势。首先,由于生物原料价格远低于化石能源,只要工厂建成并投入使用,运营成本就可以维护在极低水平。



  新的分析手段和计算机模拟技术,让研究者能够以10年前石油工程师根本无法想象的速度,建立更行之有效的生物炼制工艺。我们对这些生物原料性质的了解正在加深,将它们转化为燃料的方法处理速度也越来越快。政府的支持也将更好地推动生物能源的发展。今年,美国总统奥巴马签署生效的经济振兴法案中,就包含对能源部生物能源计划的资助,其中8亿美元将用于鼓励生物质燃料的研发,并为商业规模的生物能源计划提供资金。此外,该法案还包括60亿美元的贷款担保,保证2011年10月启动的“前沿生物燃料项目”顺利开展。



  如果美国政府能够继续坚持目前的生物能源政策,生物燃料工业目前所面临的贮运和转化问题都将迎刃而解。在未来的5—15年,生物质转换技术将逐步从实验室走向市场,使用纤维素生物燃料为动力的汽车数量也将迅速增长。虽然是“迟到”的转变,但即将到来的“草油”时代必将从根本上改变我们的世界。

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