|
趙中華，石磊，劉珊珊
(國家海洋科學研究中心青島266071)
摘要：生物質能源是當前能源領域的一個熱點，但其發展很大程度上是與當前的高油價密切相關的，存在與人爭糧，威脅糧食安全等嚴重制約因素，而巨大的海洋生物質資源寶庫，可望成為穩定提供生物質能源原料的有效途徑。本文簡要介紹了國內外生物能源發展狀況，并對海洋生物質能源的發展做了展望。
隨著世界經濟的發展，能源需求不斷加大，國際油價一懂圓路攀升。我國從1993年起已經成為一個石油進口國。據國際能源機構預測，從2002年至2030年，全球新增能源需求的21％來自中國，2006年我國石油表現消費量達到34655萬噸，石油對外依存度已達47％。這將對國家安全和國民經濟發展產生嚴重影響。
石化資源屬不可再生資源，來源日趨減少，供給嚴重不足，價格飛漲，另一方面在使用過程中產生大量污染，對人類的生存環境產生著日益突出的影響。能源已成為影響世界可持續發展的重要瓶頸。
尋找潔凈、安全和可再生能源已成為當務之急，這在減少對石油的依賴性，保證國家能源安全方面具有深遠意義。在此背景下，生物質能源發展越來越受到社會的關注，成為當前實現能源來源多元化和國家能源戰略抗風險的重要選擇。
一、生物質能源產業發展迅速
生物質能是指直接或間接通過植物光合作用，將太陽能以化學能的形式貯存在生物質體內的一種能量形式，作為生物質能載體的生物質資源極其豐富，是目前僅次于煤炭、石油、天然氣的世界第四大能源消費品種，消費總量居六大可再生能源(太陽能、風能、生物質能、小水電、地熱能和海洋能)之首，而且生物質能被認為是一種CO2零排放的能源(生物質利用過程中排放CO2的量等于其生長過程中吸收的CO2量)。所以，生物質能開發成為全球可再生能源的重要熱點之一。
生物柴油和燃料乙醇是目前唯一作為汽油添加劑進入市場，可替代石油燃料的大宗生物質能源。生物柴油主要以大豆和油菜籽等油料作物，油棕和黃連木等油料林木果實，工程微藻等油料水生植物以及動物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料；燃料乙醇主要以玉米，小麥等糧食作物，以及木薯、甜高粱等非糧作物經發酵后實現能源化。
1.1國外生物質能源發展簡況
生物柴油的研究最早是從20世紀70代開始的，隨著環境保護和石油資源枯竭兩大難題而越來越被關注，迅速成為新經濟產業的亮點，成為當前產量增長速度最快的替代燃油，2005年全球生物柴油產量增加了80％，遠遠超過燃料乙醇等替代燃料的增長速度(2005年全球燃料乙醇的產量已超過3000萬噸)。美國2006年生物柴油產量約為2.5億加侖，較2005年的7500萬加侖提高了兩倍多。
美國把發展生物質能源提高到戰略高度對待。在((可再生能源發展戰略》中，把生物柴油列為主要發展目標之一，提出到2020年生物燃油取代全國燃油消費量的10％，生物基產品取代石化原料制品的25％；計劃到2010年，生物柴油的產量超過1200萬噸。到2025年，用生物質能源替代75％的中東石油進口。
歐盟主要以油菜籽油為原料，2001年生物柴油的產量超過100萬噸，2004年生產能力達225萬噸，規劃2010年產量達到800～1000萬噸，占柴油市場份額的5.75％，2020年這一比例將達到20％。規劃2020年運輸燃料的20％將用生物柴油、燃料乙醇等生物燃料替代。據歐洲生物柴油局的數據，2007年歐盟生物柴油產量1029萬噸，比2006年提高70％。瑞典2005年的生物質能源已占全國能源消耗的25％，提出2020年后利用纖維素生產的燃料乙醇全部替代石油，徹底擺脫對石油的依賴。
國際有十幾個國家地區生產銷售生物柴油，生產國有美國、歐盟成員國、阿根廷、馬來西亞、印度、日本等。推廣力度最大的當數德國，現有900多家生物柴油加油站，并在主要交通要道只準銷售生物柴油(如在跨國高速公路設置的加油站)。其零售價為每公升0.85歐元。美國生物柴油的售價約為石化柴油的2倍，盡管生物柴油的成本昂貴，但是發達國家仍在大力推廣使用，旨在保護生態環境和本國能源安全。
1.2國內生物質能源發展簡況
1.2.1我國自2001年始生產生物柴油，開發相對較晚。近幾年開展了一系列研究，在高蓄能油菜新品種培育、耐鹽堿油料作物引種及育種、含油林業作物種質資源研究、高效生物脂肪酶開發、工程發酵酶及秸稈發酵工藝、生物柴油煉制工藝及設備等領域取得重要進展。目前全國生產生物柴油的企業已有數十家，年產量超過10萬噸，而在建項目總設計能力超過300萬噸。國內海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司、福建卓越新能源發展公司，西安蘭天生物工程公司等企業年生產能力均超過萬噸。根據國家發展和改革委員會可再生能源中長期發展規劃，2010年生物燃料年替代石油200萬噸，2020年替代1000萬噸，其中，2020年生物燃料消費量占到全部交通燃料的15％左右。
燃料乙醇方面，黑龍江、吉林、遼寧，河南、安徽5省及湖北、河北、山東、江蘇部分地區已基本實現車用乙醇汽油替代普通無鉛汽油。國家批準建設的4個生物燃料乙醇生產試點項目，已形成每年102萬噸的生產能力。乙醇汽油消費量已占全國汽油消費量的20％，成為僅次于巴西，美國的第三大燃料乙醇生產和使用國。按照相關規劃，到2020年，中國發展燃料乙醇的目標是達到1500萬噸，但這同時也是對原料供應的巨大挑戰。
1.2.2標準問題
我國第一項生物柴油的國家標準(GB／T 20828—2007柴油機燃料調合用生物柴油（BD—100），于2007年5月1日起實施，規定生物柴油作為燃料組分，以5％一20％的比例與普通礦物柴油調和使用。在國家標準的指標方面，我國生物柴油標準和發達國家相比有10多項差別，具體限定也有所不同。
主要原因是歐美生物柴油的原料來源主要是油料作物，而我國的原料來源相對多元化，把他們的指標簡單拿來，會使我國生物柴油的原料受限，有些指標也不符合實際情況。以我國絕大部分生物柴油生產企業的實際看，生物柴油國家標準是一項相對比較高的標準，是需要經過努力才能達到的標準。
二、當前生物質能源發展中的制約因素
2.1原料“瓶頸”難以突破
我國人多地少，以糧食作物等為主發展生物質能源的空間有限。目前每生產1噸酒精需要3噸糧食作為原料，特別在近年全球糧食價格飛漲的情況下，大規模以糧食為原料，顯然是不可能的；而植物纖維原料生產酒精，由于木素的生物難降解性，纖維素的結晶結構，加之纖維素酶成本較高，造成生產成本過高。從長遠來看，隨著水資源缺乏和耕地的陸續減少，將導致生物燃料作物與食品類糧食在耕地上產生矛盾，發展到一定規模后，耕地面積就無法繼續增長。2006年底，國家發改委、財政部就出臺《關于加強生物燃料乙醇項目建設管理，促進產業健康發展的通知》，要求立即暫停核準和備案玉米加工項目，并對在建和擬建項目進行全面清理。
我國是一個油脂生產大國，每年動物油和植物油的總產量在2000萬噸以上，其中菜籽油、棉籽油和動物油脂的產量居世界第一。但由于人12眾多，油脂食用消費數量巨大，每年還需要進口約1000萬噸的植物油來滿足國內消費需要。
中國有近1億公頃鹽堿地，5400萬公頃荒山荒林，但真正能開墾的，目前還沒有一個可操作的規劃和布局；其次，生物質資源分布極其分散，如何采集、運輸等都需要建立一套商業化的機制，這些目前都不明確。再次，荒山荒林和鹽堿地的水資源供應等也難以保證。
2.2工藝方面
由于我國地域遼闊，動植物資源分布不平衡，所以我國生產生物柴油采用單品種原料是不現實的，其工藝要求也會相應提高。而最近幾年，生物柴油企業一哄而上，用劣質設備和工藝手段，稍去雜質就提煉形成“成品生物柴油”，賣給農用拖拉機、發電機等使用，不僅效率差，損耗機器，還嚴重影響了正規產品的銷售。
2.3政策方面
《中華人民共和國可再生能源法》于2006年1月1日正式施行，可再生能源的地位確認，價格保障、稅收優惠等都寫進了法律，規定不得以任何方式阻礙生物柴油進入加油站等主要銷售渠道。但總體來看，還缺乏有力的扶持措施。歐盟各國降低生物柴油稅率，并對生物柴油在歐洲汽車燃料中的銷售比例作出硬性規定。美國能源部也通過政策法規，要求聯邦、州和公共部門必須有一定比例的車使用生物柴油。
德國的推廣力度最大，實行完全免稅，在跨國高速公路上設置加油站，規定主要交通千道只準銷售生物柴油。相比較之下，我國的扶持政策還顯薄弱。
三、海洋為生物質能源發展帶來新的生機
我國受實際土地資源及生態穩定狀況制約，由森林或耕地進行大面積的能源植物種植，大規模、穩定地提供生物質能源幾乎是不可能的。而充分利用海洋空間，發展藻類及鹽生植物等，應當是生物質能源原料獲取的有效途徑。
3.1藻類物質作為生物質能源的原料來源，具有廣闊的發展前景
海洋占地球表面的71％，是地球上尚未開發利用的最大生物質資源領域。藻類作為一種數量巨大的可再生資源，是生產生物質能源的重要潛在原料資源。地球上生物每年通過光合作用可固定8×1010噸碳，生產1.46×1011噸生物質，其中40％應歸功于藻類光合作用。每年僅海洋中的水生植物(主要是海藻)，通過光合作用產生的生物質總量就有約5.50×1010噸。
微藻種質資源豐富，世界各地報道的海洋微藻超過4000種，具有光合作用效率高、生物產量高、生長繁殖快、生長周期短和自身合成油脂等特點。工程培養海洋產能微藻，可用海水作為天然培養基，以簡單礦物質營養鹽、空氣為基質，太陽光為能源進行大量繁殖和不斷地產能，生產的能源不含硫，燃燒時不排放有毒害氣體，不污染環境；微藻培養能大量固定CO2，從而與CO2的處理和減排相結合，起到保護環境的作用，據測算，占地l平方公里的藻類養殖場年可處理5萬噸CO2。微藻不因收獲而破壞生態系統；含有較高的脂類(20％-70％)、可溶性多糖等，可用于生產生物柴油或乙醇。某些微藻還能光合作用釋放出氫氣，可望成為生產氫氣的一條新途徑，光合作用效率高(倍增時間約3—5天)，沒有葉、莖、根，不產生無用生物量；易被粉碎和干燥，預處理成本較低，微藻熱解所得生物質燃油熱值高，是木材或農作物秸稈的1.6倍，且不含硫，燃燒時不排放有毒害氣體。
不同的微藻能在不同自然條件下長期生長，因此可利用不同類型水資源、開拓荒山丘陵和鹽堿灘涂等非耕作水土資源，具有不與傳統農業爭地的優勢。通過研究工作不斷深入，通過細胞工程培養產能微藻，有望成為新的可再生能源生產途徑。
3.2國外藻類生物能源研發取得初步進展
國際上微藻產油研究始于上世紀40年代。90年代，美國國家可再生能源實驗室(NREL)已運用基因工程技術開發出海洋工程微藻(小環藻)，從300株微藻中篩選建立了主要包括綠藻和硅藻的富油微藻庫。通過控制脂質積累的關鍵酶(乙酰輔酶A羧化酶，ACC)基因的高效表達，實驗室條件下“工程小環藻”的脂質含量超過60％，室外培養脂質產量可達40％以上，推算每畝年產1-2.5噸柴油，為高油脂藻種培育開辟了一條新技術途徑。
大型海藻能源開發利用方面，美國能源部曾在20世紀80年代初在加州沿海建立了400萬平方公里的海底農場，專門種植多年生巨藻，以特殊的船只采收水下2米的海藻，一年收割3次。利用天然細菌發酵或人工發酵，進行天然氣(主要是甲烷)的開發。Ifl前其年合成天然氣達220億多立方英尺，可滿足5萬人口家庭年需求，單位成本僅為工業開采天然氣成本的1／6左右，同時這種巨藻每年還可生產氯化鉀49萬噸、肥料95萬噸，另外與海底動物增殖等結合，海底魚類收獲量年增18萬噸，養殖貝類3.6萬噸。目前臺灣也在進行該技術的引進和應用工作。
3.3我省具有較好的海洋生物質能研究基礎和較強的人才隊伍
中科院海洋研究所、中國海洋大學、中科院青島生物能源與過程研究所等單位基礎研究力量較強，承擔了多項國家及省部級研究課題，在能源微藻領域取得一些重要進展。
中科院海洋研究所先后獲得了綠藻，金藻、黃藻、硅藻和甲藻等海洋微藻100多株。其中很多株系是油脂含量在30％一40％的高產能藻株。開展了海洋微藻遺傳轉化體系構建研究，成功實現多種外源基因的穩定表達，為種質定向分子改良奠定了基礎。微藻產油研究取得前期重要成果：細胞密度達到20克／升，產油量7克／平米(折合目前農業種子產量2倍)。雪藻每天能在1平方米光照面積內生產35.3gAFDW，該生物量相當于46.49植物種子量，是目前高產農田產量的11倍，中國海洋大學擁有海洋藻類種質資源庫，已收集600余株海洋藻類種質資源，建有200余平方米的大規模程控海藻培育室，目前保有油脂含量接近70％的微藻品種。
目前，在微藻大規模養殖方面走在世界前列，養殖的微藻種類包括螺旋藻、小球藻、鹽藻、棚藻、雨生紅球藻等。
3.4加強聯合創新，大力推動海洋生物能源發展
目前我國的微藻油脂利用，主要應用于保健食品等領域，對于生產生物柴油還處干嘗試研究階段，國內清華大學等單位在淡水小球藻油用領域取得初步成果，但海洋藻類生物能源利用方面基本屬空白。目前利用基因工程等改變微藻的脂肪代謝，使其集聚增加或合成新的脂類化合物，以提高人類所需的脂類含量研究是當代基因工程的重要潛在和熱點領域。因此，加強協作和集成創新，利用廣闊的海洋資源，大力開展海洋生物質能源研究，對山東海洋科技自主創新和改善能源供應結構都具有重大推動作用。
3.4.1充分認識藻類生物質在能源保障戰略中的地位。藻類生物資源培養具有不占用農業用地、高產、富油、資源量大、環?？稍偕忍攸c，實現藻類生物質原料的規模化生產，對于推動生物質能源可持續發展，緩解石油供應壓力，保障能源安全和生態保護等都具有重要的現實意義。
3.4.2加快原始創新和集成創新，推動生物能源產業發展。加強各單位的協作，圍繞富油微藻的篩選培育、微藻規模培育技術與設備、微藻產氫技術、生物柴油煉制等環節，開展聯合攻關。瞄準國家目標，積極組織聯合申請國家項目，爭取國家、省等各類科技計劃支持。
3.4.3突出產學研結合，加快技術創新和產業化示范開發。加大項目支持和政策扶持力度，支持建立海洋生物質能源研發基地，提升自主研發和工業化配套技術研發能力；通過項目合作，選擇條件的企業，建立微藻能源產業化基地，增強規?；a能力。創新產學研合作和運行機制，依托山東海洋產業基礎和海洋生物能源研究優勢，推動新型海洋生物能源產業的形成和發展。 |
