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研究小组的研究成果还宣称能帮助甘蔗产地扩大甘蔗的种植面积,生物能源将成为被广泛运用的,海洋微藻能源的发展可谓喜忧参半

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近年来,各种对环境污染少的新能源成为宠儿,美、德、法等一些国家开始重视并大力开发和推广可再生能源,巴西则率先提出实施能源农业战略。2005年9月,巴西农业部长罗德里格斯撰文指出,石油时代行将结束,生物能源将成为被广泛运用的新能源。这为拥有生物能源技术和充足土地资源的巴西,提供了一个具有巨大商机的出口市场,“能源农业将是巴西的出路”。
能源农业优势突出,发展潜力可观
能源农业是指为生物能源提供原料的农业生产活动。生物能源大致有两种:一种是用油菜、向日葵、油棕榈、大豆、蓖麻等油料作物加工成动力柴油,一种是从甘蔗、玉米、薯类作物或农作物秸秆中提炼、加工燃料酒精。生物柴油和燃料酒精可替代石油和煤炭等矿物能源,在使用过程中对环境所造成的污染比较小,故又称之为“清洁的”可再生能源。
当前,世界上生物能源技术的研究和应用发展相当快。美国在1999年就建成以作物秸秆为原料生产燃料酒精的生产线。欧盟对开发生物能源高度重视,计划到2010年将可再生能源在能源消费结构中的比重从2005年的2%提高到5.75%;法国计划到2007年用生物能源替代大约1100万吨的石油进口量;瑞士计划用10年时间以生物能源代替50%的石油用量;2004年,德国生物柴油消费量已达110万吨,成为全球使用生物柴油最多的国家。印度在德国专家指导下开始试种可生产生物柴油的麻疯果树,如果该计划成功,将使3300万公顷贫瘠干旱的土地变成“油田”,并创造3600万个就业机会。
与上述国家相比,巴西在开发和利用生物能源上有自己的长处,其中最重要的是多年来已积累了丰富的经验,拥有较为成熟的技术。自20世纪70年代中期起,巴西就开始利用甘蔗生产燃料酒精。经过30年的努力,巴西已建成完整的燃料酒精产业链:从种植甘蔗到生产燃料酒精,从制造燃料酒精汽车到建立燃料酒精供应站,形成了一个遍布全国各地的产销网络。巴西15%的轻型汽车使用燃料酒精,其余85%的轻型汽车使用添加25%燃料酒精的混合汽油,每年消费燃料酒精110亿升左右。最近,巴西又开发出从甘蔗渣中提取酒精的新技术,进一步提高了甘蔗的酒精产出率。
目前,全球生物能源在能源消费结构中的平均比重为13.6%,其中发达国家平均只有6%,而巴西已达到43.8%,处于世界前列。此外,巴西还有另一大优势,即它是世界上少数几个具备发展能源农业条件的国家之一,具有为生物能源提供原料保障的潜在优势。
巴西国土面积851万平方公里,现有牧场2亿多公顷,农田6200多万公顷。除了山地和荒漠,大约还有1亿多公顷的土地未开发利用,完全有条件在保证粮食生产的情况下,通过开发新的农田来扩大能源作物的种植。另外,随着养牛新技术的运用,肉牛生长周期缩短,可将牧场部分土地改种能源作物,或实行牧场—农田轮作,以增加能源作物的种植面积。巴西大部分地区都适宜种植大豆、油棕榈、花生、蓖麻、向日葵等油料作物。仅在亚马孙地区,适宜种植油棕榈的土地就达5000万公顷。在未来10年中,巴西有能力扩大甘蔗种植面积300万公顷,新增油料作物种植面积600万公顷,从而形成能源农业的产业规模。
现在,巴西已具备生物能源的生产规模。巴西是世界上最大的燃料酒精生产国和出口国。1976—2003年,甘蔗年产量从1亿多吨增长到3.5亿吨,单位面积产量从每公顷50吨提高到70吨,每公顷甘蔗提炼的酒精从2204升提高到5500升。全国有370多家甘蔗加工厂,酒精年产量为160亿升,2004年出口19亿升,2005年提高到21亿升。据专家估算,巴西是世界上能源农业成本最低的国家,每桶生物柴油的成本仅为26美元。只要石油价格超过每桶30美元,巴西生物能源的生产就有竞争力。
制定政策,鼓励出口
生物柴油和燃料酒精市场需求的快速增长,是推动能源农业发展的动力。在国际石油价格波动、双燃料动力汽车热销等多种因素的作用下,全球对燃料酒精的需求量将迅速增长。据预测,到2010年,美国、日本和欧盟的燃料酒精需求量分别是180亿—200亿升、60亿—120亿升和90亿—140亿升。巴西农业部长罗德里格斯认为,那些人口众多、能源紧缺的国家,如印尼、印度,也将是未来主要的能源进口国。他预测,到2018年,印度能源需求量将达到70亿桶石油当量,其中1/3靠进口。
为了抓住全球对生物能源需求增长的历史性机遇,巴西借鉴推广燃料酒精生产和使用的经验,加紧制定有关政策,准备通过实施能源农业战略,争取在20年后成为世界生物能源的出口大国。
第一,巴西加紧对生物柴油技术的研究与开发,支持生物柴油的推广和使用。巴西从50年前就开始进行生物柴油技术的研究,并在20世纪80年代拥有技术专利注册。近年来,巴西政府和企业加快了对生物柴油技术推广与应用的研究。巴西生产的生物柴油,主要是用大豆油、棕榈油、葵花油等为原料加工生产的,可以添加在普通柴油中,作为卡车和柴油发电机的动力燃料。有关研究证明,在柴油中掺入一定比例的生物柴油不需要更换发动机,不仅没有硫化物的排放,而且可减少48%一氧化碳和47%黑烟的排放。巴西每年消耗柴油约382亿升,占燃料油消费总量的57.7%,其中10%的柴油还需要靠进口。因此,利用充足的土地资源,大规模地种植油料作物生产柴油,对于巴西能源供应具有重要的战略意义。
巴西政府专门成立了一个跨部级的委员会,由总统府牵头、14个政府部门参加,负责研究和制定有关生物柴油生产与推广的政策与措施。2004年12月,巴西政府颁布了有关使用生物柴油的法令:在2007年前,允许柴油批发商在柴油中添加一定比例的生物柴油;从2008年起,全国市场上销售的柴油必须添加2%的生物柴油;从2013年起,添加生物柴油的比例应提高到5%。假设在占国内燃料油消费总量57.7%的柴油中添加2%的生物柴油,则意味着每年生物柴油的市场需求量约有8亿升,可节省进口柴油费用1.6亿美元。
各项鼓励生产生物柴油的政策和措施也相继出台。巴西的政策性银行——国家经济社会开发银行设立专项信贷,为生物柴油企业提供90%的融资信贷。联邦政府也设立了1亿雷亚尔(约合3400万美元)的信贷资金,鼓励一家一户的小农庄种植甘蔗、大豆、向日葵、油棕榈等,以便满足生物柴油的原料需求。一些研究机构和企业寻求联合,共同致力于生物柴油技术的推广使用。在全国27个州中,已有23个州建立了开发生物柴油的技术网络。
第二,进一步扩大燃料酒精的生产规模,加强各项配套设施建设。为了提高燃料酒精的生产能力,满足未来市场的需求,巴西正在新建41个甘蔗酒精厂,建成后可增加7000万吨的甘蔗加工能力。原有的一些甘蔗酒精厂也在改建和扩建。预计到2010年,巴西甘蔗加工能力将达到5亿吨。
燃料酒精外贸运输问题也已提上议事日程,巴西正为此加快交通基础设施建设。今年2月,巴西石油公司同中部的戈亚斯州政府签署意向书,双方投资建设一条燃料酒精出口专用管道,从戈亚斯甘蔗生产基地直达圣保罗的酒精加工厂,预计投资5亿雷亚尔。戈亚斯州是巴西第四大甘蔗产区,年产酒精7.6亿升。
第三,加强国际合作,为生物能源寻找市场。为生物能源寻找稳定的出口市场和开展国际合作,是确保能源农业战略成功的重要条件。巴西已将日本、中国、俄罗斯、印度、南非和美国等列为未来的“燃料酒精和生物柴油出口市场”,愿意同这些国家在能源农业和生物能源上进行合作。巴西企业已开始同一些日本企业就建立燃料酒精合资企业进行商讨,并对向日本出口燃料酒精的运输条件作出评估。从去年起,巴西开始向委内瑞拉和尼日利亚出口燃料酒精。巴西石油公司总裁表示,该公司今后的发展战略不仅包括石油和天然气,也包括生物能源。要致力于打造一个燃料酒精的国际市场,并负责酒精燃料的出口和运输。据巴西农业部估计,通过上述措施,巴西燃料酒精出口将从现在每年20多亿升提高到2015年的85亿升。
巴西能源农业战略能否顺利实现其目标,不仅取决于国内政策,也受制于多种复杂的外部因素,如国际石油价格的涨跌、各国所采用的能源战略等。此外,还需要加强对生物能源技术的研究,不断开发新型高效的生物能源技术,提高本国的竞争力,确保能源农业的可持续发展。

“海洋微藻作为‘后石油时代’有望破解能源危机的一把钥匙,具有产能大、无污染、可再生等优点,发展前景十分美好。但由于我国海洋微藻能源研究及应用尚处于起步阶段,仍有许多问题难以解决。因此,海洋微藻能源的发展可谓喜忧参半。”中国科学院海洋研究所研究员刘建国对记者表示。

很多甘蔗产地种植的甘蔗,都有两种渠道进行销售,一种是送进炼糖厂炼制蔗糖,另外一种就是流通到市场,供消费者食用。不过现在美国科学家们的最新一项研究成果称,甘蔗还可以改造成产油作物被当作生物柴油使用,不过该技术被市场广泛应用还需要大量时间。

未来重要的可再生能源

该科研技术来自于伊利诺伊大学的研究小组,该组长Stephen
Long说道,通过将外缘基因转入到甘蔗当中,能让甘蔗内的油类含量提高1.5%,并用遗传工程方法将甘蔗的光合作用率提高至30%,以达到产油标准。研究小组的研究成果还宣称能帮助甘蔗产地扩大甘蔗的种植面积,实现甘蔗增产和增值。

海洋微藻没有高等植物的根茎叶等细胞分化,在缺氮等条件下,某些单细胞微藻可积累干重50%以上的油脂,是最有发展前景的产油生物之一。

单单凭借甘蔗的产油量还难以支撑整个社会的需求量,目前该研究小组还在继续对大豆、高粱等农作物进行研究,以扩大生物柴油的来源物。不过该负责人也坦言,这项技术要实现,还需要大量时间的投入。

目前,我国已经成为世界上能源消耗和二氧化碳排放最大的国家之一,如何减少和摆脱对化石资源的依赖,保障能源供给安全,已经成为社会经济发展急需解决的重大战略问题。

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刘建国介绍说,目前国内外掀起了生物质能源开发的热潮,
其中利用油料作物生产生物柴油和利用产淀粉作物生产乙醇,成为生物质能源产业化开发的主流。巴西利用种植甘蔗和蓖麻来生产乙醇和生物柴油,美国利用种植玉米和大豆来生产乙醇和生物柴油,欧洲主要利用种植油菜来生产生物柴油,这些都受到了国际上的普遍重视。然而,这些生物质能源开发技术主要还是依赖农作物,大量粮食和食用油的使用造成了世界粮食的紧张和价格的上涨,导致生物质能源开发与人争土地、水和粮食资源的被动局面。

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“我国人口多、人均水土资源少的国情决定了依靠耕地大规模种植能源植物势必与粮食安全发生冲突,因此我国不能效仿国外的模式来发展生物质能,必须另辟新径。”刘建国说。

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他进一步解释:“利用海藻生产生物质能不仅有利于解决能源短缺的问题,而且将大大推动海洋生物资源开发,构建新型农村经济发展模式,有利于环境质量的改善、修复和保护。”

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据了解,山东有十几个课题组在从事微藻研究,已发现、筛选、培育了几十个富油藻种,并开始运用基因工程技术改造藻种。还有一些技术力量正在进行微藻生物柴油制备技术的研究。

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中科院海洋研究所专家韩笑天表示,海洋微藻产油主要基于微藻细胞吸收二氧化碳,光合效率高、生长繁殖快,并且在某些条件下可以大量积累油脂,经过生物冶炼可开发生物柴油和优质航空汽油,直接应用到工农业和交通领域,其优势和特点十分明显。而且微藻生物能源可以再生,燃烧后不排放有毒有害物质,对大气二氧化碳没有净增加。

海洋微藻利用天然海水作为培养基,对于淡水资源十分缺乏的中国来说具有独特的吸引力。发展海洋微藻产业可以充分利用我国广阔的海域、盐碱滩涂等非耕国土资源,不存在与传统粮食作物争地的问题。据计算,我国盐碱地达1.5亿亩,如果用1/3的盐碱地养殖微藻,所生产的生物柴油就可以满足全国的燃油需求。

“微藻是未来重要的可再生能源之一。”中国海洋大学教授潘克厚说,微藻的光合作用效率高,生长周期短,倍增时间约3~5天,有的藻种甚至一天可以收获两季,单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍。而且微藻脂类含量在20%~70%,这是陆地植物远远达不到的,可用于生产生物柴油或乙醇,还可望成为生产氢气的一条新途径。

海洋微藻能源发展之忧

刘建国指出,我国海洋微藻能源研究及应用尚处于起步阶段,存在的突出问题是成本过高,理论和现实差距大,许多关键技术有待突破,相关工程技术需要集成。

目前,生长快的微藻藻种通常含油量只有10%~20%,体积小于10微米的细胞也不易于收获,而含油量大于60%的藻种生长速度较慢,因此需要开展工程藻种的良种优化,选育细胞生长快、含油量高和易于收获的藻种。现在的研究工作多停留在实验室和小规模基础上,缺少适宜于自然阳光和温度变化条件下的细胞高密度原理与培养技术,如何规模放大是当前的主要瓶颈。此外,微藻细胞小、细胞壁大多坚硬,缺乏经济有效的藻体收获和细胞破壁技术,也是当前面临的问题。

刘建国说,微藻细胞工程培养存在多种渠道的敌害生物污染,严重影响培养效率甚至导致彻底失败,需要建立敌害生物污染综合防治技术。另外,目前关键培养装置的规模在几百吨,缺少工业化培养的大型光生物反应器装置。

建立基地集中攻关

针对微藻能源研究和应用中存在的主要问题,中科院海洋所专家建议建立模式平台基地,围绕本领域上、中、下游关键技术问题,集中开展以下攻关研究。

在组织管理层面,成立联合开发组织和管理机构,设立专门的微藻生物能源开发基金;制订优惠政策,加大投资力度并吸引社会资金,协调相关部门、机构和单位,形成产学研相结合的产业联盟。

在国家层面,集中力量建立工业化微藻产油技术集成平台,对限制微藻生物能源开发的关键理论和应用技术难点开展联合攻关,力争率先突破关键技术,优化产业化技术工艺和流程,占领国内外微藻生物能源开发的制高点。

在技术和应用层面,在我国沿海海域定期开展微藻样品系统采集,并借助科学考察机会采集国外水样,分离纯化海洋微藻种质,筛选高效产油海洋藻株,同时对某些工程微藻进行分子改良;研究有效培养用水气、肥料和设备处理的技术,建立有效的敌害生物联防体系和高纯度种源的扩大培养系统;开展光生物反应器放大技术研究,突破制约规模化放大的技术瓶颈限制;探讨微藻细胞多级收获技术,建立经济、高效的微藻收获工艺体系。

刘建国同时建议,开展微藻长期保活研究,建立同作物种子长期储藏微藻活细胞的技术,为微藻细胞工程大量培养提供所需的良种;结合高等植物油脂提取经验,探讨适宜于微藻油脂提取冶炼生物柴油的技术工艺。

小知识:什么是微藻?

微藻是一种水生浮游植物,它们能够有效利用阳光,将水和二氧化碳转换成生物能。而某些微藻可以用来制造生物柴油。