专家:藻类生物质燃料,盛名之下其实难副

一旦进入规划化生产,藻类生物质燃料就显示出既不经济又不环保的本质,凯文·福林写道。

藻类生物质燃料

图片来源:Honeywell

自20世纪初开始,现代生物燃料就被奉为可以替代汽油和柴油的环保燃料。理论上来讲,这似乎是个不错并且行之有效的主意——但是生物燃料的使用和生产并非没有问题。

编者按


中外对话将推出系列文章关注替代燃料,本文为该系列的第一篇文章。


无论是第一代生物燃料——主要是以农作物为原料制造的乙醇——还是利用动物排泄物和植物制成的第二代生物燃料,都有环境保护人士担心生物燃料生产可能会与粮食种植竞争土地和养分。

第三代生物燃料于是在人们的殷切希望和大肆的宣传中登场。与前两代生物燃料不同,第三代生物燃料以藻类为原料,因此在理论上解决了此前以农作物为原料的生物燃料与粮食生产之间可能产生的竞争问题。

石油天然气很大程度上就是来自远古时代的藻类,因此利用藻类生产生物燃料实际上就是要以现代化学工程技术优化过的技术,复制并加速化石燃料生产的过程。据称,用藻类生产生物燃料比用地表植物生产生物燃料更为高效,并且这项技术还可以很好地利用无法种植其他农作物的贫瘠土地。

美欧以及其他一些国家已经在藻类生物能源的研究开发中投入了大量资金。这些钱中有很大一部分用在了改进工艺流程、为生长在培养液中的藻类提供电力照明、以及水藻的收获和干燥。优化解决方案基本上是利用了非生物技术,不过藻类品种的选择以及生长环境也被认为是重要的因素。

藻类换燃料:太不划算

但结果证明,生物燃料不过是盛名之下其实难副。我们的研究发现,无论是从商业角度,还是从环保的角度,藻类生物燃料的生产都不具备可持续性。目前可以达到的生产规模远远小于此前声称的。实际上,从生物燃料的产量上来说,以经过长时间培养的藻类为原料的试点系统与以陆生植物为原材料的传统方法差别不大:每公顷年产量都是5000到10000升左右。

实际上,达到真正的量产规模后,以大面积水域中生长的藻类为原料的单位面积生产率与我们所见的海洋中自然藻类生长最密集的地方类似。数量上相当于每天每平方米藻类固定4克来自二氧化碳中的碳元素。

那么问题究竟出在哪里?为什么藻类生物燃料并没有达到人们的预期?其实答案很简单:这就是生物的规律。

打破藻类生物燃料梦想的并非工程设计上的缺陷,而是生物化学本身的低效。对微藻生物燃料生产的模拟表明,如果要用生物燃料替代欧盟10%的交通燃料,需要一个三倍于比利时国土面积的水域。并且要使这片水域中生长的藻类可以用来生产生物燃料,所施用的化肥量相当于目前欧盟地区粮食种植所需化肥总量的一半。讽刺的是,这片水域还需要临近重工业区,因为只有这样,微藻才能获得完成光合作用所需的二氧化碳。

规模化生产问题重重

第三代生物燃料所面临的问题一直在于无法在规模化生产中复制培养瓶中测得的生产率。在规模更大的培养环境中,为了确保藻类的培养和收获流程具有经济性,就必须到达一定的生物质密度,如此一来就很难达到理想的生长率。因为密度过高使各有机体之间出现相互遮盖的现象,这意味着它们无法获得光合作用所需的光照,无法制造出富含碳元素的化合物,从而无法以足够快的速度制造生物燃料。

人们对于藻类如何应对环境的变化也存在一些误解。其中重要的一项在于,那些重要的富碳化合物只累积于限氮环境的细胞中,而此类细胞因为限氮的缘故生长缓慢。早期的生产试验中假设富碳物质在快速生长的细胞中高水平累积,但实践证明事实并非如此。

对于生物机能本身的低效,我们难道不能通过基因改造的方式解决吗?也许可以,但我们是否真的应该篡改对于地球上的生命具有如此重要基础意义的因素,冒着破坏渔业和水资源供应的风险,制造出势不可挡的有害藻类物种?即使我们真的创造出能够用于生产生物燃料的完美藻类,还是没法解决藻类生物燃料生产需要大量化肥和二氧化碳的问题。

最终,公众为这项落空的愿景买了单,但他们的钱并没有打水漂。人类对于一件东西的需求超过了燃料,那就是食物——而关于藻类生物燃料的研究可以帮助我们理解如何才能通过更好地种植微藻来支持鱼类和贝类的养殖,以及如何更好地制造Omega-3等膳食补充剂。例如,大规模微藻生产可以为人工养殖的鱼类提供富含Omega脂肪酸的食物,这意味着我们不需要再打捞河鱼和海鱼制作鱼食了。

不管怎样,未来大规模微藻养殖仍然属于绿色产业,只不过生物燃料生产将不再是其立足点而已。

本文原刊载于《对话》,中外对话获授权转载。

翻译:子明