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第二代生物燃料

  第二代生物燃料指的是擺脫利用玉米等糧食作物為原料轉(zhuǎn)化為生物燃料的應(yīng)用模式,繼而以麥稈、草和木材等農(nóng)林廢棄物為主要原料,采用生物纖維素轉(zhuǎn)化為生物燃料的模式,發(fā)展纖維素乙醇。

   1簡介

  第二代生物燃料以非糧作物乙醇、纖維素乙醇和生物柴油等為代表,原料主要使用非糧作物,秸稈、枯草、甘蔗渣、稻殼、木屑等廢棄物,以及主要用來生產(chǎn)生物柴油的動物脂肪、藻類等。由此可見,第二代生物燃料與第一代最重要的區(qū)別之一,就在于是否以糧食作物為原料。

  此外,在環(huán)境保護方面,第二代生物燃料的表現(xiàn)也遠較第一代出色。據(jù)美國能源部研究,更注重生態(tài)效應(yīng)的第二代生物燃料有望減少最高達96%的溫室氣體排放;而第一代以玉米為原料的燃料乙醇,平均僅可以減少約20%的溫室氣體排放。而且,第二代生物燃料,尤其是纖維素乙醇的取材范圍相當廣泛,秸稈、枯草等農(nóng)業(yè)廢棄物均可入料。對農(nóng)業(yè)廢料的循環(huán)利用保證了生物能源的可持續(xù)發(fā)展,解決了第一代生物燃料生產(chǎn)過程中耗費更多能源和使用更多化學物質(zhì)的問題,同時也降低了對人類健康的潛在威脅。

  2分代

  第二代生物燃料即非糧食乙醇燃料,其實第二代生物燃料也分為二代:第一代主要用甜高粱、木薯等非糧食農(nóng)作物進行提取,優(yōu)點是淀粉及糖含量高,能替代玉米、小麥等糧食作物,而下一代則以纖維素為主要原料,例如植物的莖葉、農(nóng)作物秸稈、林業(yè)剩余物等都可以轉(zhuǎn)化為燃料,擴大生物燃料的作物種類,更可以廢物利用,這也是當前國際研究的重點。

  優(yōu)勢和不足

  與第一代生物燃料相比,第二代生物燃料具有非常大的優(yōu)勢。首先,汽車發(fā)動機不需要改造就可以直接使用摻入了生物乙醇的汽油或柴油;其次,生產(chǎn)第二代生物乙醇的催化酶技術(shù)未來幾年成本還將快速下降,大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的可行性非常強;第三,秸稈等纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物大量存在,比如中國每年農(nóng)業(yè)大約產(chǎn)生7億噸秸稈,供給非常充足。而且從長期來看,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物還可以用來生產(chǎn)生物高分子新材料。雖然第二代生物燃料在減少碳排放等方面具有很強的優(yōu)勢,但是仍然無法擺脫生物燃料的致命缺陷,即能源密度低。能源密度低使得生產(chǎn)生物燃料的企業(yè)不得不保持巨大的能源供應(yīng)腹地,而運輸這些原材料的能耗到底能不能被產(chǎn)生的燃料完全對沖還是一個未知數(shù)。不僅如此,原本應(yīng)該返回土地圈的秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物被用來制造能源是否會對生態(tài)產(chǎn)生影響,這種影響是否會導致生態(tài)的不平衡也很難估量。

  3技術(shù)

  纖維素原料熱裂解等更有潛力的第二代生物燃料生產(chǎn)技術(shù)正取代玉米基乙醇汽油等燃料生產(chǎn)技術(shù)。

  快速熱裂解技術(shù)。德國魯奇公司與卡爾斯魯厄研究中心合作建設(shè)以纖維素為原料制取生物燃料的中試裝置。技術(shù)路線是:先將秸稈、木屑等薄壁植物研磨后送反應(yīng)器,快速加熱到500℃,使其裂解冷凝成漿液;再將漿液送煉油廠轉(zhuǎn)化為合成氣;合成氣通過費托工藝轉(zhuǎn)化為所需燃料。此燃料能以任何比例與化石燃料調(diào)和使用。該裝置每年可轉(zhuǎn)化約20萬噸干燥木質(zhì)纖維素原料,產(chǎn)能約13.4萬噸/年。此路線比合成甲醇更有效率。2011年兩家將共建氣化裝置。

  酶發(fā)酵技術(shù)。瑞士Syngenta公司等企業(yè)合作開發(fā)利用酶發(fā)酵的第二代生物燃料技術(shù),包括開發(fā)一系列與纖維素乙醇有關(guān)的新型酶制劑。這些酶可將經(jīng)過預處理的纖維素轉(zhuǎn)化為混合糖,這是關(guān)鍵步驟。將纖維素轉(zhuǎn)化成生物燃料要有三個突破:預處理(纖維素的化學制備)、糖化(通過酶將預處理后的纖維素轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵的糖)和發(fā)酵(開發(fā)新的微生物將糖發(fā)酵成乙醇或其他燃料)。

  水生物技術(shù)。水生藻類物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為生物柴油,通過產(chǎn)生糖類物質(zhì)發(fā)酵后變?yōu)橐掖?。法國Eco-Solution公司擁有的專利技術(shù),可使反應(yīng)器中海藻生長速度快于自然生長。該公司認為開放式池塘和光反應(yīng)器結(jié)合的方法經(jīng)濟性最好。

  4應(yīng)用

  第二代生物燃料已成為許多國家開發(fā)生物燃料時的新寵。德國大眾公司等歐洲汽車制造商就與德國佛萊堡科倫工業(yè)集團開展合作,共同開發(fā)取自稻草或秸稈的第二代生物燃料,該工業(yè)集團年產(chǎn)2萬噸的“第二代生物柴油”項目已于2008年啟動。美國能源部通過資金支持國家可再生能源實驗室與企業(yè)合作,對纖維素催化酶進行優(yōu)化,大大地降低其成本,使第二代生物燃料技術(shù)有望于2010年投入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化,UOP公司等許多新能源企業(yè)紛紛組建第二代生物燃料生產(chǎn)廠。巴西石油公司則研究從秸稈、稻殼等農(nóng)業(yè)廢棄物中提煉乙醇,并加緊生產(chǎn)廠的建設(shè)。從2008年開始,許多國家對第二代生物燃料的投入呈幾何數(shù)字增長。

  對于第二代生物燃料的關(guān)鍵技術(shù)是催化酶技術(shù),酶是一種生物催化劑,可使生物化學反應(yīng)在溫和的環(huán)境下進行得更加迅速、效率更高。新型酶制劑能將植物中的纖維素分解成可發(fā)酵糖,并進一步轉(zhuǎn)化為乙醇。就在幾年前,該技術(shù)的成本還比較高,這兩年來,隨著生物技術(shù)的不斷創(chuàng)新,其成本已經(jīng)下降數(shù)倍,從而使第二代生物燃料越來越具有競爭力。目前的新型酶制劑非常適合用秸稈這種大量存在的農(nóng)業(yè)廢棄物來生產(chǎn)乙醇。

  5現(xiàn)狀

  美國2007年底通過的《能源獨立和安全法》規(guī)定,2008年美國使用的可再生燃料應(yīng)為90億加侖(1加侖約合3.785升),到2022年將達到360億加侖,其中必須有210億加侖為第二代生物燃料。

  瑞典政府規(guī)定,凡購買第二代生物燃料轎車的人,可獲得政府每輛車1萬瑞典克朗(約合1200美元)的補貼,甚至有些城市還對這類汽車免收停車費。

  肯尼亞在環(huán)保組織“綠色非洲基金會”的幫助下,2007年底之前已經(jīng)在1563萬平方米的土地上種植了200萬棵麻風樹。這種樹又被稱為“生物柴油樹”,經(jīng)改性后的麻風樹油可適用于各種柴油發(fā)動機,并達到歐Ⅱ排放標準。在馬里,有700個社區(qū)已經(jīng)在使用麻風樹生產(chǎn)的生物燃料來滿足能源需求。莫桑比克能源部今年呼吁用干椰子肉和麻風樹生產(chǎn)生物燃料,政府還成立了專門工作組來制定選用土地的標準。斯威士蘭、贊比亞和津巴布韋等國家也正在進行類似的嘗試。

  作為世界上最大的使用非糧作物生產(chǎn)乙醇的國家,巴西近年來大量利用甘蔗渣發(fā)電,產(chǎn)生了很好的效果。巴西能源調(diào)查公司新近公布的一項調(diào)查結(jié)果表明,用甘蔗渣生產(chǎn)的電量已占巴西全國發(fā)電總量的4%。目前,巴西和哥倫比亞的研究機構(gòu)已從棕櫚油中提煉出第二代生物柴油。利用蓖麻子、松子、葵花子、鱷梨等生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)也處于研制之中。

  6未來

  2008年11月,巴西政府在圣保羅舉辦了有90個國家和24個國際組織參加的“國際生物燃料大會”。大會預計,以纖維素乙醇為代表的第二代生物燃料將在2015年后實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

  不過,世界最大石油天然氣集團之一道達爾集團的煉油與銷售部農(nóng)業(yè)開發(fā)主管雅克·布隆迪卻認為,第二代生物能源的一些關(guān)鍵工藝涉及一系列復雜過程和技術(shù),需要很大的投資和大量的原材料,要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還需經(jīng)歷一個漫長的過程。他說,第二代生物燃料的實際生產(chǎn)成本還是一個重要的未知數(shù)。另外,在生物質(zhì)燃料的經(jīng)濟可行性研究方面,原料收集也是一個受關(guān)注的問題。生物質(zhì)原料極其分散,采集成本、運輸成本和生產(chǎn)成本都可能成為制約燃料乙醇業(yè)發(fā)展的瓶頸。


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