美國發(fā)掘最綠色替代能源:水藻

■ 畢新忠 王化水 顧家瑞

美國發(fā)掘最綠色替代能源:水藻

■ 畢新忠 王化水 顧家瑞

在美國科羅拉多州柯林斯堡發(fā)電廠里，兩條平行的長約18 m的軌道就像大型雪橇的兩個滑板。一端是一個設有儀表盤的洗衣機大小的箱體。沒有機器在運轉，沒有物體在發(fā)熱，也沒有任何聲響。新的替代能源——水藻正在受到關注。

世界很多國家都在尋找清潔燃料。水藻是一種只要有陽光和水便可生長并能轉化為燃料油的生物。美國科學家和能源公司開始啟動用水藻轉化燃料油的計劃。從水藻中提取的植物油可以轉化成生物柴油，這種生物柴油幾乎可以當作所有柴油機的燃料。

水藻將成為“最綠色”的能源

目前，各國專家正積極倡導使用“綠色”能源，比如太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、水力發(fā)電等。還有一些科學家則更進一步，開始尋找更“綠色”的能源，那就是用水藻提煉燃油。科學家樂觀地預測，只需種水藻提煉燃油，就能讓人類擺脫對天然石油的依賴。科學家很早就提出用植物來提煉燃油，比如從油菜子和大豆中提煉燃油，不過很少人會想到用水藻來提煉燃油。但是，這種綠色植物現(xiàn)在卻異軍突起，成為最有力的競爭者，因為它有許多品質是其他植物所不具備的。

水藻是由簡單的水生有機體組成的，通過光合作用儲存光能，生產(chǎn)植物油；而植物油可以轉化成生物柴油，可以為任何柴油發(fā)動機提供動力。水藻有幾個重要的優(yōu)點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，它們需要的只是陽光、水和二氧化碳。此外，水藻生長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，可以說是一舉兩得。事實上，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，美國麻省理工學院做得最好，他們正在進行這方面的實驗，利用發(fā)電廠產(chǎn)生的二氧化碳種植水藻。小規(guī)模的試驗發(fā)現(xiàn)，這是一種可行性的概念，他們下一步要進行大規(guī)模的試驗。

不過，要想進入后石油時代，讓水藻油成為暢銷產(chǎn)品，需要解決許多問題。生產(chǎn)生物柴油，首先遇到的就是選擇水藻品種的問題。水藻有數(shù)千種，選到正確的種類是至關重要的。另外，水藻生長的速度極快，必須控制好種植的數(shù)量，如果太多，陽光就會不夠，造成大批死亡，而如果太少則達不到所需要的數(shù)量。要解決這個問題，需要借助計算機來控制水藻的生長速度，也就是控制營養(yǎng)成分，不過這樣會增加成本，減少水藻業(yè)的經(jīng)濟利益。

即使成功地收獲了水藻，還要面臨著另一個難題，那就是如何把油提取出來。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，不能使用標準的榨油方法。不過從理論上說，從水藻中提煉油并沒有想象的那么難。美國科學家證實，在水藻中加入化學添加劑就可以提煉出油來，在水藻漿中加入甲醇或者乙烷是目前最好的選擇，相對來說有效又可以節(jié)省成本。

瞄準以水藻為原料的新型生物能源

生物能源在美國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%。美國國會2008年5月通過一項包括加速開發(fā)生物能源的法案，要求10年后從石油中提煉出來的燃油的消費量減少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，美國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。不過不少專家現(xiàn)在認為，美國有可能跳過以玉米、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70年代的石油危機。危機解除后，美國政府幾度中斷研究經(jīng)費，有關項目未能推進。近年油價飛漲導致水藻研究提速，現(xiàn)在已進入研究與開發(fā)的最后成熟階段。按照計劃，2010年啟動多點示范工程，2011年同美國軍方和政府簽訂第一批政府采購合同，2012年簽訂第一批商業(yè)合同，2013年將大批量商業(yè)生產(chǎn)并降低銷售價格，2015年將以低售價搶占市場份額，2020年將主宰生物原油市場。美國軍方對開發(fā)水藻資源最感興趣，因為其飛機、艦艇、坦克、裝甲車等是世界上消費柴油最多的“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。

美國全國水藻聯(lián)合會研發(fā)部部長維爾·瑟蒙德認為，與第一代生物能源相比，新型生物能源具有無與倫比的優(yōu)點：

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年能夠提煉出來的燃油為10000 gal，后者分別為前者的200、69、15倍。這是因為大豆等農(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，而且繁殖得非常快，1天可以增長1倍。美國現(xiàn)有20多家養(yǎng)殖水藻的小企業(yè)。

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

早在2008年5月，美國國會批準布什政府撥款10億多美元研發(fā)生物燃油。奧巴馬就職后，盡管陷入金融危機和嚴重經(jīng)濟衰退，美國政府毅然在刺激經(jīng)濟的計劃中撥款約8億美元加速生物燃油的研究與開發(fā)。美國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目，旨在2012年前出成果。這些科研經(jīng)費有一部分流入有關水藻的研究與開發(fā)項目。美國政府還硬性規(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美元補貼。美國民間對水藻研究與開發(fā)項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。許多私人投資者認準這是一本萬利的賺錢項目。一個有趣的現(xiàn)象是：集聚在休斯敦的世界各大石油公司的代表，對美國加速開發(fā)水藻，非但不反對、不反感，反而懷有極大的興趣，他們出席有關下一代生物能源的研討會，他們在會上提出的問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)項目。

據(jù)美國全國水藻聯(lián)合會會長巴里·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，水藻殘渣還可以發(fā)電。從近期看，美國不可能生產(chǎn)出足夠多的大豆、玉米用來提煉乙醇，歐洲也不可能種植出足夠多的向日葵、油菜子用來提煉生物原油?，F(xiàn)在美歐生物煉油廠的煉制能力過剩，約有一半設備長期閑置，原因就是生物原料嚴重短缺。這為水藻后來居上提供了天賜良機。從長遠看，從水藻里提煉出來的柴油、汽油最終有可能為美國所有交通工具提供燃料。如果說石油是“黑色金子”，那么水藻則是“綠色鉆石”，其市場前景非常廣闊。

開發(fā)低成本水藻生物柴油生產(chǎn)工藝

美國聯(lián)合環(huán)境和能源有限責任公司2010年表示，研究人員首次成功地開發(fā)出經(jīng)濟且有利于環(huán)境的水藻油轉換成生物柴油成果。該公司相信新的研究成果將有望幫助美國實現(xiàn)無需進口石油燃油的目標。

目前利用水藻油生產(chǎn)生物柴油方法所存在的問題之一是生產(chǎn)成本過高。聯(lián)合環(huán)境和能源有限責任公司的研究人員說，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)方法還有另一個優(yōu)勢，在生產(chǎn)過程中沒有廢水產(chǎn)生，因而不會造成環(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，一個顯著的優(yōu)勢是使用了自己研制的享有專利權的固體催化劑，而不是目前其他方法使用的液體催化劑。固體催化劑有兩個特點，一是它們能重復使用；二是它們可以讓生物柴油連續(xù)流水式生產(chǎn)。過去的生產(chǎn)方式速度較慢，工人需要加酸來中和堿性催化劑以達到凈化生物柴油的目的。使用固體催化劑，則免除了這一過程。

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生物燃料的最大一筆投入。該公司稱，如果一切進展順利，可能會再追加3億美元投資。

這個大餡餅砸中的是美國合成基因公司。美國頗具傳奇色彩的生物學家和創(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，還有很多國際知名能源公司投資水藻產(chǎn)油項目。美國能源部實驗室和加利福尼亞州Live Fuels公司正在開展合作項目，從水藻中提煉油品。陶氏化學公司總部設在加利福尼亞州的生物燃料公司Algenol也在合作建設一座水藻農(nóng)場。

Algenol公司首席執(zhí)行官保羅·伍茲說，生產(chǎn)過程產(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培植更多的水藻。

Algenol公司在生物反應器中培植水藻，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。水藻通過光合作用，將二氧化碳和水轉化為乙醇、氧氣和水。

美國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)模培植轉基因單細胞水藻，以便生產(chǎn)可用作燃料的碳氫化合物。很多公司正通過分解富含油的水藻細胞獲得油時，文特爾卻成功設計出一條從另一種生物體通往實驗水藻內部的分泌途徑?，F(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。

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

文特爾認為，即使使用目前已有的技術，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。如何在單位面積內以低廉成本獲得盡可能多的藻類，降低成本，這是未來藻類燃料公司急需解決的問題。

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。不過他認為，可以在不適宜耕作的土地上建立藻類養(yǎng)殖場，只要二氧化碳的來源能夠得到保證。而很多時候，這兩個條件不一定能夠同時得到滿足。

研究人員估計，要用上水藻類生物燃料，大概還需要5～10年時間。