纤维素生物燃料 - 概述

　　以纤维素质材料为原料制造的生物燃料，如富含纤维素、生长迅速的草本植物。将英文汽油 (gasoline)单词中前缀“gas”去掉，引入“grass”(草)，就组成了形象生动的专有名词“草油”(grassoline)。可转化为草油的原料有很多，从木材废料(锯木屑 、木质建筑残片)到农业废弃物(玉米秸秆、小麦茎秆)，再到“能源作物”。这些原料作物耕作成本低(与每桶石油有等价能效的草油为10到40美元)、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。还有一些能够在被废水或者重金属污染的土壤中生长并净化土壤，如生长周期较短的灌木柳树(short-rotation willow coppice)。

　　纤维素生物燃料 - 生物燃料

　　生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。受世界石油资源、价格、环保和全球气候变化的影响，20世纪70年代以来，许多国家日益重视生物燃料的发展，并取得了显著的成效。中国的生物燃料发展也取得了很大的成绩，特别是以粮食为原料的燃料乙醇生产，已初步形成规模。 ia

　　第一代生物燃料

　　以可食用作物为原料，主要包括玉米、大豆(美国)、甘蔗(巴西)。用可食用作物制造生物燃料是最简单可行的，因为把这些可食用作物转化为燃料的技术是现成的。

　　缺点 ：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。这种对粮食作物的额外需求还使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，但部分粮食价格还是有一定上涨。一旦将玉米生长、收获及加工期间的所有排放纳入经济成本预算，第一代生物燃料显然并不是我们所期望的、对环境安全具有积极影响的能源形式。

　　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。

　　目前，生物燃料产量不断增长，其中部分原因是人们急于寻找可以替代石油，对环境破坏较小的燃料。美国正在设法减少对政局动荡地区提供石油的依赖，但是这种趋势导致粮食价格猛涨，因为美国农场主放弃种植小麦和大豆，而转产玉米，以供乙醇生产。国际货币基金组织也警告说，全球用于生物燃料的谷物生产不断增加有可能对世界贫困产生严重影响。

　　第二代生物燃料

　　以纤维素质为原料，来源于农业废弃物(如麦草、玉米秸秆、玉米芯等)、工业废弃物(如制浆和造纸厂的纤维渣)、林业废弃物和城市废弃物(如废纸、包装纸等。原料作物耕作成本低(与每桶石油有等价能效的草油为10到40美元)、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。还有一些能够在被废水或者重金属污染的土壤中生长并净化土壤。

　　与第一代生物燃料相比，第二代生物燃料具有非常大的优势。首先，汽车发动机不需要改造就可以直接使用掺入了生物乙醇的汽油或柴油;其次，生产第二代生物乙醇的催化酶技术未来几年成本还将快速下降，大规模工业生产的可行性非常强;第三，秸秆等纤维素类农业废弃物大量存在，比如中国每年农业生产大约产生7亿吨秸秆，供给非常充足。而且从长期来看，生产废弃物还可以用来生产生物高分子新材料。

　　纤维素生物燃料 - 技术手段

　　能量封印

　　自然界把纤维素赋予植物作为主要骨架结构，这种由葡萄糖分子紧密咬合并层层叠加的“脚手架”，为植物提供了抵抗重力和生物降解的支撑性架构。为了释放纤维素里的能量，科学家必须先破坏进化赋予植物的这种异常稳定的结构。

　　一般来说，这种“解封”过程先要将固体生物质解构成聚合度更低的小分子物质，随后将它们转化成燃料。工程师一般采用控温方式进行这种操作。低温(50℃～200℃)情况下，生物质裂解产生的单糖可以被发酵成乙醇或其他形式的燃料，玉米及糖类作物(如甘蔗)采用的就是这种转化方式。生物质在高温(400℃～600℃)下会直接转化为生物质原油(Biocrude)，再经过提炼就可以成为汽油或者柴油。极端高温(高于700℃)下，生物质会直接变成气体并进一步转化为液态燃料。

　　到目前为止，还没人知道到底哪种方法能够以最低的成本获得最高的能量。或许不同生物质材料需要不同的处理方法。比如说木材废弃物需要高温处理，而低温方式对草本植物更为适合。

　　热化学平台——热解合成油

　　生物质经高温裂解生成合成气(syngas)，是目前技术上最有发展前途的研究热点。合成气是一氧化碳和氢气组成的混合气体，可以由任何含碳的物质制得。通过德国科学家于20世纪20年代发明的费托合成(Fischer-Tropsch synthesis, FTS)，合成气通常可以转化成柴油、汽油或者乙醇。第二次世界大战期间，德意志第三帝国(Third Reich)就利用FTS将德国的煤矿石转化为液体燃油。目前多数传统化石能源公司都拥有合成气转化技术，准备在汽油价格过高时将这种热油转化技术引入市场。

　　气化是生产合成气过程的第一步反应。生物质被装入反应器中加热到700℃以上，通入蒸汽或者氧气，产生一氧化碳、氢气和焦油的混合物。清除焦油后，将混合气体压缩到20～70个大气压，使它们通过一种专门设计的固体催化剂反应器生成液体燃料 (这种固体催化剂可以捕获单独的反应物分子，优先催化特定的化学反应)。合成气转化催化剂最初是为把天然气及煤矿石转化成燃油而开发的，但它也同样适用于处理生物质。

　　纤维素生物燃料 - 前景

　　美国奥克拉大学的科研人员正试图开发利用柳枝稷制造乙醇的方法，具体说就是把柳枝稷切碎，加热后把产生出来的一氧化碳、二氧化碳和氢气喷入一个生物反应器，反应器里的微生物使这些气体变成乙醇。另一种方法是从柳枝稷的纤维素中提炼糖，然后把糖制成燃料，目前面临的问题主要是成本费用过高。

　　奥克拉大学已经培养出几种高产量的柳枝稷。该校教授泰利亚费洛说：“柳枝稷的种子对野生动物特别是鸟类是有价值的，所以对环境也有好处。柳枝稷比其他的多年生草更容易种植，在无法种植玉米和其他作物的荒地上，柳枝稷能够生长，只需要最低限度的肥料和水，柳枝稷就可以有很高的产量。”

　　美国有广袤的土地供柳枝稷生长。如果柳枝稷能成为可替代燃料的来源，那么这种新燃料将是取之不尽的。

　　德国大众公司等欧洲汽车制造商就与德国佛莱堡科伦工业集团开展合作，共同开发取自稻草或秸秆的第二代生物燃料，该工业集团年产2万吨的“第二代生物柴油”项目已于2008年启动。美国能源部通过资金支持国家可再生能源实验室与企业合作，对纤维素催化酶进行优化，大大地降低其成本，使第二代生物燃料技术有望于2010年投入实现产业化和商业化，UOP公司等许多新能源企业纷纷组建第二代生物燃料生产厂。巴西石油公司则研究从秸秆、稻壳等农业废弃物中提炼乙醇，并加紧生产厂的建设。从去年开始，许多国家对第二代生物燃料的投入呈几何数字增长。

　　目前的关键技术是催化酶技术，酶是一种生物催化剂，可使生物化学反应在温和的环境下进行得更加迅速、效率更高。新型酶制剂能将植物中的纤维素分解成可发酵糖，并进一步转化为乙醇。就在几年前，该技术的成本还比较高，这两年来，随着生物技术的不断创新，其成本已经下降数倍，从而使第二代生物燃料越来越具有竞争力。目前的新型酶制剂非常适合用秸秆这种大量存在的农业废弃物来生产乙醇。

　　“生物燃料的使用对改变美国依赖石油进口的局面带来了巨大的机会。”美国能源部能源效率与可再生能源部副部长亚历山大﹒卡斯纳(Alexander Karsner)先生表示。

　　纤维素生物燃料 - 存在问题

　　尽管该技术已经比较成熟，反应器的成本却非常昂贵。2006年在卡塔尔建立的、用FTS将天然气转化为液态燃油的工厂耗资16亿美元，平均每天生产34,000桶液态油。如果一个生物质炼制工厂的投资达到这种规模，该炼制厂必须每天转化5,000吨生物质，持续15到30年，才能生产足够的燃料以收回投资。将这么多生物质集中到一个地点完成生产存在严峻的后勤和经济性挑战，所以合成气技术的研究主要集中在如何降低投资成本方面。

　　按照能源部的新研究计划，科学家们将关注如何使生物质的产出最大化，以及优化生产的过程——纤维材料降解到糖之后，优化发酵过程使糖转变为乙醇。能源部研究计划的核心是利用生物技术发展一个新能源工业：新能源产品能够储存和传输;能够分配给现有的加油站等基础设施;现有设施只需作适度的调整;能够供给目前的大部分汽车使用。