必須做到碳中和 什么植物生產航空生物燃料最給力?

◎本刊主筆 劉國偉

必須做到碳中和 什么植物生產航空生物燃料最給力?

◎本刊主筆 劉國偉

為了遏制航空運輸業(yè)的溫室氣體排放，開發(fā)和使用航空生物燃料已成為航空運輸業(yè)界的共識。十余年來，航空運輸業(yè)界在航空生物燃料的工藝和原材料方面努力探索，苦苦尋找最合適的原材料。

美國蒙大拿州的亞麻薺種植場

原材料選擇要考慮“碳中和”

2015年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的一份特別報告指出，到2050年，航空業(yè)的溫室氣體排放將從全球總排放的2%增加到3%。在這種大趨勢下，要實現2009年國際航空運輸協(xié)會的承諾（航空業(yè)2020年的碳排放量達到峰值不再增長，到2050年減少為2005年的一半），可謂壓力重重。至少在航空生物燃料的選材上，就遠非易事。

首先，從航空燃料的特點來說，生物燃料必須滿足多個硬指標：1.盡可能高的能量密度，也就是通常所說的“燒起來有勁兒”；2.潤滑指標要好，使用后對發(fā)動機部件不會造成額外磨損；3.“傾點”必須非常低，也就是在非常低的溫度下燃料仍然能夠保持流動的液態(tài)，如此就不會因為高空溫度的降低而凝結。

其次，要從生物燃料生產、加工和使用的全過程來衡量是否實現了減排，為此國際上引入了一個“碳中和”（又譯“碳中性”）的概念，也就是看一種材料的種植、加工和運用在整個過程中實現了溫室氣體排放的平衡。2011年美國麻省理工學院對14種航空生物燃料的來源進行分析后，發(fā)現如果清除熱帶雨林后種植棕櫚，再用提煉的棕櫚油研制燃料，會使二氧化碳排放比之前多出55倍。這顯然是背離了減排的初衷。

再次，就是要避免出現大家熟知的“與人爭糧”局面。第一代生物燃料受到諸多指責，很大程度上是人們對“拿口糧當油燒”的后果估計不足。2013年，美國用47億蒲式耳（1蒲式耳在美國等于35.238升）的玉米（該國總產量的40%），生產了130億加侖的乙醇燃料，此舉打亂了西半球的糧食供應，引發(fā)了許多貧困經濟體的不滿。因此，在開發(fā)航空生物燃料方面，以玉米、大豆等糧食作物為原料引發(fā)了許多爭議。

挪威著名環(huán)保組織貝隆納將航空生物燃料的原料劃分為四代，目前第二第三代在市場上占主流。

還有，就是原材料往往具有地域性，南橘北枳說的就是這個道理。所以，能進入業(yè)界法眼的航空生物燃料原材料并不多。據挪威著名環(huán)保組織貝隆納的代際劃分方法，航空生物燃料的原材料來源可以分為4代：第一代就是大家常說的人類口糧（糖、棕櫚油、菜籽油等）；第二代包括秸稈、木纖維和廢棄物等；第三代是藻類；第四代是真正的突破所在，即太陽能轉化技術和高級藻類等，這些原材料在產量、轉化工藝和價格等方面各有優(yōu)劣。

在第二代中，有一類被市場和研究機構非?？春玫牟牧蟻碓矗粗迫》鞘秤糜椭慕洕魑?，下面我們先對其進行介紹，然后再了解一下目前唱主角的第二類和第三類中的木纖維和藻類。

亞麻薺：不占用農作物耕地

亞麻薺是航空生物燃料原材料中的后起之秀。這種一年生草本植物屬于十字花科，生于農田或草地，高度從30厘米到80厘米不等，看起來并不起眼，在西伯利亞、中亞、日本、歐洲和北非等地區(qū)均有分布，我國境內的內蒙古和新疆北部也有生長。亞麻薺具有出苗快、抗寒、耐旱、較耐貧瘠、抗倒伏能力強和良好的抗病蟲草害等優(yōu)點，最突出的是含油量高（35%至38%），生長周期僅有80到100天，對肥料需求量低，能夠與小麥和其他谷物交替種植。2009年，美國密歇根理工大學對以亞麻薺為原料的航空燃油生命周期進行測定顯示，其碳排放比化石燃料減少84%。

2014年，美國波音公司和南非航空聯(lián)合研發(fā)，用一種不含尼古丁的煙草種子來提取航空生物燃料。

亞麻薺的諸多優(yōu)點引起了歐盟的極大興趣。歐盟的航空生物燃料的原材料主要來自亞麻薺油和餐飲業(yè)廢棄油（國內俗稱“地溝油”），歐盟目前的研發(fā)創(chuàng)新活動就集中在航空生物燃油的商業(yè)化應用上。考慮到技術經濟可行性、生態(tài)環(huán)境友好型和原材料可持續(xù)，特別是不占用農作物耕地，歐盟利用貧瘠荒廢土地分別在西班牙（總計超過1.5萬公頃）和羅馬尼亞（面積只有200公頃）建起了5座亞麻薺種植基地，在芬蘭建立起年產4萬噸的生物燃油煉制廠，已基本達到預期的盈利水平。

2011年9月，美國海軍航空武器試驗中心在加州進行航空生物燃料AV-8B飛機飛行試驗。

就收成而言，根據天氣好壞和種植條件的不同，每公頃的亞麻薺年收成在500千克至2500千克之間。

亞麻薺油能在飛機上投入使用，這是日本航空公司（JAL）在2009年1月通過示范航班來證實的，該航班也是第一個使用3種可持續(xù)生物燃料原料組合的示范航班。在飛行中，飛機4臺發(fā)動機中的一臺使用了按照1比1比例混合的生物燃料和傳統(tǒng)燃料，其中的生物燃料實際上是三種第二代生物燃料原料的混合物：亞麻薺油（84%），麻風樹油（16%以下）和藻類油（不到1%）。2011年6月，波音公司在巴黎航展上發(fā)布其747新機型時，所有4臺發(fā)動機都燃燒了來自亞麻薺的生物燃料混合物（占15%）。

美國軍方對亞麻薺制成的航空生物燃油也有著濃厚興趣。2010年，美國空軍和海軍先后在3種不同機型上使用了含有亞麻薺成分的生物燃油，證明使用此類生物燃油，能滿足軍用飛機的苛刻需求，說明亞麻薺制成的生物燃油在性能上是令人放心的。

2016年1月22日，歐盟首座生物質航空燃油加油設施，在挪威奧斯陸機場投入商業(yè)化運營，荷蘭皇家航空、德國漢莎航空和北歐航空成為第一批飛機生物燃油客戶。有報道稱，“生物燃油價格相對傳統(tǒng)燃油已基本具備平等競爭的能力”。

麻風樹：二戰(zhàn)時曾用于做潤滑油

麻風樹（桐油樹）是原產美洲熱帶地區(qū)的大戟科開花植物，是一種有毒的半常綠矮樹，耐旱性和抗蟲性很好，可以在許多國家的荒地上種植，不需要與糧食作物搶耕地。幼苗種下后，麻風樹在3年后就達到產量高峰，每公頃的種子產量約有3.5噸，種子中含有27%至40%的油脂，提煉出來后有多種用途，早在二戰(zhàn)期間就被用于制成機械潤滑油。本世紀初，麻風樹油作為生物燃料的潛質被發(fā)現了，2007年高盛公司曾將麻風樹作為未來生物燃料生產的最佳候選原材料之一。

目前，麻風樹的規(guī)?；N植在很多國家和地區(qū)已經展開了。全球最大的麻風樹種植項目投資商“第一油（D1Oil）”公司是這方面的代表，該公司全球布局，在贊比亞種植了17.4萬公頃的麻風樹，在印度約有500萬公頃的麻風樹種植土地的交易選擇權，在布基納法索取得了99萬公頃麻風樹種植土地的交易選擇權，此外該公司還在南非、中國、澳大利亞、新西蘭和加納等國家擁有種植園。

2008年12月底，新西蘭航空公司首次在波音747-400客機上使用了含有麻風樹油的生物燃料，試飛完成后，發(fā)動機被取下來由專業(yè)人員進行仔細研究，最后確認了這種航空生物燃料的安全性。

在我國，2011年10月28日是值得銘記的一天——中國國航使用現役波音747-400型客機加載由中石油與美國霍尼韋爾旗下UOP公司合作生產的航空生物燃料，在首都國際機場執(zhí)行了驗證飛行，取得成功。飛行中使用的燃油是由麻風樹油制成的生物燃料和普通航空燃油以1比1的比例混合而成。

木質纖維素：“封印”巨大能量

這張來自荷蘭皇家圖書館的二戰(zhàn)時期的日本宣傳畫，畫面上方的口號意為“從種植到收獲，盡量好好照料麻風樹，盡量多多收獲”。當時，日本強制被占領的印尼種植麻風樹以制造機械潤滑油。

麻風樹適應性非常強，能在碎石、沙土和鹽堿化土地上繁衍，果實產量很高。

美國阿拉斯加州，一位工人手捧木材加工后的殘留廢棄物，這些木質纖維素是加工航空生物燃料的優(yōu)質原材料。

亞麻薺、麻風樹具有可集中生產的特點，但從種植成本和時間周期上看，它們都需要較大的資本投入。相比之下，量大價廉的木質纖維素更有優(yōu)勢，既可將木質廢棄物變廢為寶，又具有取材廣泛的優(yōu)點。有資料顯示，僅我國的農林廢棄物儲量每年就達9.2億噸左右，如果其中40 %被充分利用，即可替代約4000萬噸石油。

但目前業(yè)界在獲取純凈的木質纖維素方面，仍面臨技術瓶頸，這是因為造物主的神來之筆，讓纖維素糾結在一起形成緊密的植物纖維，這種天然結構把能量牢牢地“封印”在植物內部。借助現代工藝，可以將被“封印”后的植物纖維結構“暴力拆遷”，這個過程需要不菲的設備和技術投資。所以，當前業(yè)界一邊在木質纖維素的提取上做研發(fā)，一邊在尋找能集中使用的富含纖維素的、生長迅速的植物，于是，一種名為柳枝稷的植物進入了研究者的視野。

柳枝稷是美國本土的一種多年生植物，生命力極其頑強，對生活環(huán)境不挑不撿，甚至能在礫石遍布的荒灘上扎根，在某些地方甚至被認為是有害的野草。此外，柳枝稷的生長期很長，一次種植可以連續(xù)收獲10年左右。生長期內無須刻意打理，投入的減少意味著成本更低，排放的溫室氣體也更少，很好地體現了“碳中和”的理念。柳枝稷具有大量的纖維素，整個植株中有約70%的成分由纖維素構成，所以其作為生物燃料原材料的價值很大。

英國生物燃料網文章稱，要滿足當前航空燃料的需求，需要種植270萬平方公里的麻風樹，或者約81萬平方公里的谷物，或者6.8萬平方公里的藻類，相比之下藻類占地最小。

有研究表明，柳枝稷可以提高土壤質量，因此有專家主張使用美國保護與儲備計劃的休耕地種植柳枝稷，一舉兩得。

在柳枝稷研究和開發(fā)方面，美國能源部生物能源技術辦公室（BETO）目前與美國國家實驗室及私營企業(yè)合作研制生物燃料，用來當飛機燃料或直接取代汽車中的汽油。美國勞倫斯伯克利國家實驗室、聯(lián)合生物能源研究所和阿貢國家實驗室也聯(lián)手，對利用柳枝稷生產航空燃料的工藝進行開發(fā)。

藻類：可充分利用鹽堿地

藻類被視為航空生物燃料的第三代原材料。這主要是因為藻類可高效固定二氧化碳，且可充分利用灘涂、鹽堿地等空間。英國生物燃料網報道稱，種植藻類所需的面積遠小于糧食作物和麻風樹，因此藻類資源的開發(fā)已成為近年來能源戰(zhàn)略領域的新興產業(yè)。

挪威環(huán)保組織貝隆納認為，在海藻種植的知識和實踐上，歐洲落后于亞洲，但歐洲起步很快，僅僅在挪威，近年來就有18家公司在挪威西海岸的26處地點獲得了海藻企業(yè)的執(zhí)照。然而，美國的步子甚至更快。美國加州的“所樂諸酶（Solazyme）”公司，擅長在封閉的發(fā)酵池中種植藻類植物。2014年，所樂諸酶公司位于巴西的藻類工廠投入商業(yè)運營。去年有數據顯示，該廠的產能達到了每年10萬噸。目前，投入藻類航空生物燃料開發(fā)的公司還有霍尼韋爾、索樂納和薩普海爾能源等。

在實際應用方面，美國大陸航空公司2009年1月在波音737客機上使用了混合了藻類油和麻風樹油的生物燃料進行了飛行試驗，結果令人滿意。2011年11月，美國大陸航空公司利用藻類制取的生物燃料，完成了從美國休斯頓到芝加哥的商業(yè)飛行。

除了前面所述的原材料外，象草、海蓬子甚至煙草等也是業(yè)界關注的航空生物燃料原材料。許多專家認為，現階段乃至很長一段時期，航空生物燃料不應被視為石油基航空燃料的直接替代品，而應被視為一種節(jié)能產品，這樣會更貼近現實。

放眼未來，航空生物燃料前途無限，但要想在天空上替代化石能源，各國在資本、技術、財稅政策和產業(yè)結構等方面還有很長的路要走。

（本文參考了英國《經濟學人》雜志、美國福布斯網、英國生物燃料網以及維基百科等的信息，在此一并致謝。）

本欄目責編/鄭挺穎 zhengtingying@vip.163.com