■ 畢新忠 王化水 顧家瑞

美國(guó)發(fā)掘最綠色替代能源:水藻

■ 畢新忠 王化水 顧家瑞

在美國(guó)科羅拉多州柯林斯堡發(fā)電廠里，兩條平行的長(zhǎng)約18 m的軌道就像大型雪橇的兩個(gè)滑板。一端是一個(gè)設(shè)有儀表盤的洗衣機(jī)大小的箱體。沒(méi)有機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)有物體在發(fā)熱，也沒(méi)有任何聲響。新的替代能源——水藻正在受到關(guān)注。

世界很多國(guó)家都在尋找清潔燃料。水藻是一種只要有陽(yáng)光和水便可生長(zhǎng)并能轉(zhuǎn)化為燃料油的生物。美國(guó)科學(xué)家和能源公司開始啟動(dòng)用水藻轉(zhuǎn)化燃料油的計(jì)劃。從水藻中提取的植物油可以轉(zhuǎn)化成生物柴油，這種生物柴油幾乎可以當(dāng)作所有柴油機(jī)的燃料。

水藻將成為“最綠色”的能源

目前，各國(guó)專家正積極倡導(dǎo)使用“綠色”能源，比如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等。還有一些科學(xué)家則更進(jìn)一步，開始尋找更“綠色”的能源，那就是用水藻提煉燃油?？茖W(xué)家樂(lè)觀地預(yù)測(cè)，只需種水藻提煉燃油，就能讓人類擺脫對(duì)天然石油的依賴?？茖W(xué)家很早就提出用植物來(lái)提煉燃油，比如從油菜子和大豆中提煉燃油，不過(guò)很少人會(huì)想到用水藻來(lái)提煉燃油。但是，這種綠色植物現(xiàn)在卻異軍突起，成為最有力的競(jìng)爭(zhēng)者，因?yàn)樗性S多品質(zhì)是其他植物所不具備的。

水藻是由簡(jiǎn)單的水生有機(jī)體組成的，通過(guò)光合作用儲(chǔ)存光能，生產(chǎn)植物油；而植物油可以轉(zhuǎn)化成生物柴油，可以為任何柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。水藻有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是其他油料植物所不具備的，比如水藻可以種植在更廣泛的地方，而且能夠迅速繁殖，更難能可貴的是，水藻幾乎不需要特別的養(yǎng)分，它們需要的只是陽(yáng)光、水和二氧化碳。此外，水藻生長(zhǎng)的面積和體積比率是最高的。

水藻不僅能生產(chǎn)“綠色”油料，更可以吸收大量的二氧化碳，凈化空氣，可以說(shuō)是一舉兩得。事實(shí)上，許多發(fā)電廠在廠區(qū)和周邊地區(qū)種植水藻，吸收發(fā)電所產(chǎn)生的二氧化碳。在這方面，美國(guó)麻省理工學(xué)院做得最好，他們正在進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)，利用發(fā)電廠產(chǎn)生的二氧化碳種植水藻。小規(guī)模的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這是一種可行性的概念，他們下一步要進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)。

不過(guò)，要想進(jìn)入后石油時(shí)代，讓水藻油成為暢銷產(chǎn)品，需要解決許多問(wèn)題。生產(chǎn)生物柴油，首先遇到的就是選擇水藻品種的問(wèn)題。水藻有數(shù)千種，選到正確的種類是至關(guān)重要的。另外，水藻生長(zhǎng)的速度極快，必須控制好種植的數(shù)量，如果太多，陽(yáng)光就會(huì)不夠，造成大批死亡，而如果太少則達(dá)不到所需要的數(shù)量。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要借助計(jì)算機(jī)來(lái)控制水藻的生長(zhǎng)速度，也就是控制營(yíng)養(yǎng)成分，不過(guò)這樣會(huì)增加成本，減少水藻業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。

即使成功地收獲了水藻，還要面臨著另一個(gè)難題，那就是如何把油提取出來(lái)。從大豆、油菜等植物中提取油是用冷壓法，而水藻卻不像大豆、油菜子有那么多的纖維，不能使用標(biāo)準(zhǔn)的榨油方法。不過(guò)從理論上說(shuō)，從水藻中提煉油并沒(méi)有想象的那么難。美國(guó)科學(xué)家證實(shí)，在水藻中加入化學(xué)添加劑就可以提煉出油來(lái)，在水藻漿中加入甲醇或者乙烷是目前最好的選擇，相對(duì)來(lái)說(shuō)有效又可以節(jié)省成本。

瞄準(zhǔn)以水藻為原料的新型生物能源

生物能源在美國(guó)可再生能源中所占的比例最大，從1998年的43%增加到2008年的53%。美國(guó)國(guó)會(huì)2008年5月通過(guò)一項(xiàng)包括加速開發(fā)生物能源的法案，要求10年后從石油中提煉出來(lái)的燃油的消費(fèi)量減少20%，代之以生物燃油。這需要每年生產(chǎn)350×108gal（1 gal=3.785 L）生物燃油。2004年以來(lái)，美國(guó)生物能源的研究與開發(fā)朝著從玉米、大豆等農(nóng)作物中提取乙醇的方向發(fā)展，專家稱之為第一代生物能源。不過(guò)不少專家現(xiàn)在認(rèn)為，美國(guó)有可能跳過(guò)以玉米、大豆為代表的第一代生物能源，直奔以水藻為代表的新型生物能源。

從水藻中提煉生物原油的研究，可以追溯到20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)。危機(jī)解除后，美國(guó)政府幾度中斷研究經(jīng)費(fèi)，有關(guān)項(xiàng)目未能推進(jìn)。近年油價(jià)飛漲導(dǎo)致水藻研究提速，現(xiàn)在已進(jìn)入研究與開發(fā)的最后成熟階段。按照計(jì)劃，2010年啟動(dòng)多點(diǎn)示范工程，2011年同美國(guó)軍方和政府簽訂第一批政府采購(gòu)合同，2012年簽訂第一批商業(yè)合同，2013年將大批量商業(yè)生產(chǎn)并降低銷售價(jià)格，2015年將以低售價(jià)搶占市場(chǎng)份額，2020年將主宰生物原油市場(chǎng)。美國(guó)軍方對(duì)開發(fā)水藻資源最感興趣，因?yàn)槠滹w機(jī)、艦艇、坦克、裝甲車等是世界上消費(fèi)柴油最多的“油耗子”。2009年12月和2010年1月，新西蘭航空公司、美國(guó)大陸航空公司、日本航空公司，先后用摻有水藻中提煉的生物燃油的混合航空汽油試飛成功。

美國(guó)全國(guó)水藻聯(lián)合會(huì)研發(fā)部部長(zhǎng)維爾·瑟蒙德認(rèn)為，與第一代生物能源相比，新型生物能源具有無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)：

第一，玉米、大豆只能在可耕地上種植收獲；而水藻可以在溝渠、池塘、海灘以及其他不適宜耕種的地上養(yǎng)殖，從而節(jié)省大量寶貴的耕地。

第二，在1 acre（1 acre=6.07畝）耕地上種植大豆、歐洲油菜子、棕櫚，一年能夠提煉出來(lái)的燃油分別為 50、150、650 gal；而在1 acre水面上養(yǎng)殖水藻，1年能夠提煉出來(lái)的燃油為10000 gal，后者分別為前者的200、69、15倍。這是因?yàn)榇蠖沟绒r(nóng)作物受季節(jié)影響，1年只種一季，水藻一般不受季節(jié)影響，而且繁殖得非?？?，1天可以增長(zhǎng)1倍。美國(guó)現(xiàn)有20多家養(yǎng)殖水藻的小企業(yè)。

第三，水藻在進(jìn)行光合作用的過(guò)程中，需要吸收空氣中大量的碳，因而能夠凈化大氣，起到環(huán)境保護(hù)作用。現(xiàn)在美國(guó)專家提出在污染排放嚴(yán)重的企業(yè)，如煤炭發(fā)電廠周圍建設(shè)水藻養(yǎng)殖場(chǎng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)低排放乃至零排放目標(biāo)，一舉多得，既發(fā)展“綠色”循環(huán)經(jīng)濟(jì)，又增加新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

早在2008年5月，美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)布什政府撥款10億多美元研發(fā)生物燃油。奧巴馬就職后，盡管陷入金融危機(jī)和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)衰退，美國(guó)政府毅然在刺激經(jīng)濟(jì)的計(jì)劃中撥款約8億美元加速生物燃油的研究與開發(fā)。美國(guó)能源部以合作伙伴的形式，注資約10億美元支持生物能源研究項(xiàng)目，旨在2012年前出成果。這些科研經(jīng)費(fèi)有一部分流入有關(guān)水藻的研究與開發(fā)項(xiàng)目。美國(guó)政府還硬性規(guī)定，凡是在成品油中摻入一定比例生物燃油的煉油廠，其生產(chǎn)的成品油每加侖可享受1美元補(bǔ)貼。美國(guó)民間對(duì)水藻研究與開發(fā)項(xiàng)目的投資也非常踴躍，微軟公司的比爾·蓋茨一次就投入1億美元。許多私人投資者認(rèn)準(zhǔn)這是一本萬(wàn)利的賺錢項(xiàng)目。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是：集聚在休斯敦的世界各大石油公司的代表，對(duì)美國(guó)加速開發(fā)水藻，非但不反對(duì)、不反感，反而懷有極大的興趣，他們出席有關(guān)下一代生物能源的研討會(huì)，他們?cè)跁?huì)上提出的問(wèn)題比記者提出的還要多。他們所代表的世界著名石油公司，大多支持甚至投資參與水藻能源的研發(fā)項(xiàng)目。

據(jù)美國(guó)全國(guó)水藻聯(lián)合會(huì)會(huì)長(zhǎng)巴里·科恩介紹，從水藻里可以提煉出生物柴油、汽油乃至航空汽油，水藻殘?jiān)€可以發(fā)電。從近期看，美國(guó)不可能生產(chǎn)出足夠多的大豆、玉米用來(lái)提煉乙醇，歐洲也不可能種植出足夠多的向日葵、油菜子用來(lái)提煉生物原油?，F(xiàn)在美歐生物煉油廠的煉制能力過(guò)剩，約有一半設(shè)備長(zhǎng)期閑置，原因就是生物原料嚴(yán)重短缺。這為水藻后來(lái)居上提供了天賜良機(jī)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，從水藻里提煉出來(lái)的柴油、汽油最終有可能為美國(guó)所有交通工具提供燃料。如果說(shuō)石油是“黑色金子”，那么水藻則是“綠色鉆石”，其市場(chǎng)前景非常廣闊。

開發(fā)低成本水藻生物柴油生產(chǎn)工藝

美國(guó)聯(lián)合環(huán)境和能源有限責(zé)任公司2010年表示，研究人員首次成功地開發(fā)出經(jīng)濟(jì)且有利于環(huán)境的水藻油轉(zhuǎn)換成生物柴油成果。該公司相信新的研究成果將有望幫助美國(guó)實(shí)現(xiàn)無(wú)需進(jìn)口石油燃油的目標(biāo)。

目前利用水藻油生產(chǎn)生物柴油方法所存在的問(wèn)題之一是生產(chǎn)成本過(guò)高。聯(lián)合環(huán)境和能源有限責(zé)任公司的研究人員說(shuō)，他們新開發(fā)的生產(chǎn)方法至少比現(xiàn)有方法減少40%的成本。他們還表示，新開發(fā)的水藻生物柴油生產(chǎn)方法還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有廢水產(chǎn)生，因而不會(huì)造成環(huán)境污染。

他們開發(fā)的水藻生物柴油生產(chǎn)工藝同其他工藝相比，一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)是使用了自己研制的享有專利權(quán)的固體催化劑，而不是目前其他方法使用的液體催化劑。固體催化劑有兩個(gè)特點(diǎn)，一是它們能重復(fù)使用；二是它們可以讓生物柴油連續(xù)流水式生產(chǎn)。過(guò)去的生產(chǎn)方式速度較慢，工人需要加酸來(lái)中和堿性催化劑以達(dá)到凈化生物柴油的目的。使用固體催化劑，則免除了這一過(guò)程。

能源公司投入巨資用于生物燃料研發(fā)

埃森克美孚公司將投入3億美元用于生物燃料研發(fā)，這可能是迄今為止對(duì)生物燃料的最大一筆投入。該公司稱，如果一切進(jìn)展順利，可能會(huì)再追加3億美元投資。

這個(gè)大餡餅砸中的是美國(guó)合成基因公司。美國(guó)頗具傳奇色彩的生物學(xué)家和創(chuàng)業(yè)家克雷格·文特爾是該公司的共同創(chuàng)立者，但這筆錢并不是砸向某人，而是水藻。

除了埃克森美孚，還有很多國(guó)際知名能源公司投資水藻產(chǎn)油項(xiàng)目。美國(guó)能源部實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞州Live Fuels公司正在開展合作項(xiàng)目，從水藻中提煉油品。陶氏化學(xué)公司總部設(shè)在加利福尼亞州的生物燃料公司Algenol也在合作建設(shè)一座水藻農(nóng)場(chǎng)。

Algenol公司首席執(zhí)行官保羅·伍茲說(shuō)，生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的氧氣可提供給電廠，電廠產(chǎn)生的廢氣二氧化碳可以用來(lái)培植更多的水藻。

Algenol公司在生物反應(yīng)器中培植水藻，裝滿鹽水的水槽上面覆蓋著富有彈性的塑料薄膜。水中充滿二氧化碳，喂食著水藻。水藻通過(guò)光合作用，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為乙醇、氧氣和水。

美國(guó)合成基因公司的克雷格·文特爾提出采用工業(yè)化方式大規(guī)模培植轉(zhuǎn)基因單細(xì)胞水藻，以便生產(chǎn)可用作燃料的碳?xì)浠衔?。很多公司正通過(guò)分解富含油的水藻細(xì)胞獲得油時(shí)，文特爾卻成功設(shè)計(jì)出一條從另一種生物體通往實(shí)驗(yàn)水藻內(nèi)部的分泌途徑。現(xiàn)在，這些水藻可以釋放出漂浮在培養(yǎng)容器表面的藻類油。

研究人員需要對(duì)數(shù)千種藻類進(jìn)行精挑細(xì)選，選出最適合的水藻。埃森克美孚也投入資金進(jìn)行相應(yīng)研發(fā)工作。陶氏化學(xué)目前已在一塊24 acre土地上建成3100個(gè)生物反應(yīng)器，嘗試將氧氣和水從乙醇中分離出來(lái)。

文特爾認(rèn)為，即使使用目前已有的技術(shù)，每英畝水藻能夠制造出的燃料已是每英畝玉米能夠制造出的燃料的10倍多，而目前所有藻類燃料公司面臨的最大挑戰(zhàn)就是成本。如何在單位面積內(nèi)以低廉成本獲得盡可能多的藻類，降低成本，這是未來(lái)藻類燃料公司急需解決的問(wèn)題。

文特爾也表示，培植水藻需要大量資金，而且，還需要將二氧化碳直接灌入藻類培植場(chǎng)。不過(guò)他認(rèn)為，可以在不適宜耕作的土地上建立藻類養(yǎng)殖場(chǎng)，只要二氧化碳的來(lái)源能夠得到保證。而很多時(shí)候，這兩個(gè)條件不一定能夠同時(shí)得到滿足。

研究人員估計(jì)，要用上水藻類生物燃料，大概還需要5～10年時(shí)間。