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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(zhì)能源是當前能源領(lǐng)域的一個熱點，但其發(fā)展很大程度上是與當前的高油價密切相關(guān)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(zhì)資源寶庫，可望成為穩(wěn)定提供生物質(zhì)能源原料的有效途徑。本文簡要介紹了國內(nèi)外生物能源發(fā)展狀況，并對海洋生物質(zhì)能源的發(fā)展做了展望。
隨著世界經(jīng)濟的發(fā)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(jīng)成為一個石油進口國。據(jù)國際能源機構(gòu)預(yù)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(xiàn)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(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)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(chǎn)生大量污染，對人類的生存環(huán)境產(chǎn)生著日益突出的影響。能源已成為影響世界可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。
尋找潔凈、安全和可再生能源已成為當務(wù)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(zhì)能源發(fā)展越來越受到社會的關(guān)注，成為當前實現(xiàn)能源來源多元化和國家能源戰(zhàn)略抗風險的重要選擇。
一、生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速
生物質(zhì)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(zhì)體內(nèi)的一種能量形式，作為生物質(zhì)能載體的生物質(zhì)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(zhì)能、小水電、地熱能和海洋能)之首，而且生物質(zhì)能被認為是一種CO2零排放的能源(生物質(zhì)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(zhì)能開發(fā)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(zhì)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(jīng)發(fā)酵后實現(xiàn)能源化。
1.1國外生物質(zhì)能源發(fā)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(huán)境保護和石油資源枯竭兩大難題而越來越被關(guān)注，迅速成為新經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的亮點，成為當前產(chǎn)量增長速度最快的替代燃油，2005年全球生物柴油產(chǎn)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(chǎn)量已超過3000萬噸)。美國2006年生物柴油產(chǎn)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(fā)展生物質(zhì)能源提高到戰(zhàn)略高度對待。在((可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略》中，把生物柴油列為主要發(fā)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(chǎn)品取代石化原料制品的25％；計劃到2010年，生物柴油的產(chǎn)量超過1200萬噸。到2025年，用生物質(zhì)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(chǎn)量超過100萬噸，2004年生產(chǎn)能力達225萬噸，規(guī)劃2010年產(chǎn)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(guī)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(jù)歐洲生物柴油局的數(shù)據(jù)，2007年歐盟生物柴油產(chǎn)量1029萬噸，比2006年提高70％。瑞典2005年的生物質(zhì)能源已占全國能源消耗的25％，提出2020年后利用纖維素生產(chǎn)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(qū)生產(chǎn)銷售生物柴油，生產(chǎn)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(shù)德國，現(xiàn)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(shè)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(fā)達國家仍在大力推廣使用，旨在保護生態(tài)環(huán)境和本國能源安全。
1.2國內(nèi)生物質(zhì)能源發(fā)展簡況
1.2.1我國自2001年始生產(chǎn)生物柴油，開發(fā)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(yè)作物種質(zhì)資源研究、高效生物脂肪酶開發(fā)、工程發(fā)酵酶及秸稈發(fā)酵工藝、生物柴油煉制工藝及設(shè)備等領(lǐng)域取得重要進展。目前全國生產(chǎn)生物柴油的企業(yè)已有數(shù)十家，年產(chǎn)量超過10萬噸，而在建項目總設(shè)計能力超過300萬噸。國內(nèi)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(fā)展公司，西安蘭天生物工程公司等企業(yè)年生產(chǎn)能力均超過萬噸。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會可再生能源中長期發(fā)展規(guī)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(qū)已基本實現(xiàn)車用乙醇汽油替代普通無鉛汽油。國家批準建設(shè)的4個生物燃料乙醇生產(chǎn)試點項目，已形成每年102萬噸的生產(chǎn)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(chǎn)和使用國。按照相關(guān)規(guī)劃，到2020年，中國發(fā)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(yīng)的巨大挑戰(zhàn)。
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(diào)合用生物柴油（BD—100），于2007年5月1日起實施，規(guī)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(diào)和使用。在國家標準的指標方面，我國生物柴油標準和發(fā)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(chǎn)企業(yè)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(jīng)過努力才能達到的標準。
二、當前生物質(zhì)能源發(fā)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(fā)展生物質(zhì)能源的空間有限。目前每生產(chǎn)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(guī)模以糧食為原料，顯然是不可能的；而植物纖維原料生產(chǎn)酒精，由于木素的生物難降解性，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，加之纖維素酶成本較高，造成生產(chǎn)成本過高。從長遠來看，隨著水資源缺乏和耕地的陸續(xù)減少，將導(dǎo)致生物燃料作物與食品類糧食在耕地上產(chǎn)生矛盾，發(fā)展到一定規(guī)模后，耕地面積就無法繼續(xù)增長。2006年底，國家發(fā)改委、財政部就出臺《關(guān)于加強生物燃料乙醇項目建設(shè)管理，促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)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(chǎn)大國，每年動物油和植物油的總產(chǎn)量在2000萬噸以上，其中菜籽油、棉籽油和動物油脂的產(chǎn)量居世界第一。但由于人12眾多，油脂食用消費數(shù)量巨大，每年還需要進口約1000萬噸的植物油來滿足國內(nèi)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(guī)劃和布局；其次，生物質(zhì)資源分布極其分散，如何采集、運輸?shù)榷夹枰⒁惶咨虡I(yè)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(yīng)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(chǎn)生物柴油采用單品種原料是不現(xiàn)實的，其工藝要求也會相應(yīng)提高。而最近幾年，生物柴油企業(yè)一哄而上，用劣質(zhì)設(shè)備和工藝手段，稍去雜質(zhì)就提煉形成“成品生物柴油”，賣給農(nóng)用拖拉機、發(fā)電機等使用，不僅效率差，損耗機器，還嚴重影響了正規(guī)產(chǎn)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(yōu)惠等都寫進了法律，規(guī)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(guī)定。美國能源部也通過政策法規(guī)，要求聯(lián)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(shè)置加油站，規(guī)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(zhì)能源發(fā)展帶來新的生機
我國受實際土地資源及生態(tài)穩(wěn)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(guī)模、穩(wěn)定地提供生物質(zhì)能源幾乎是不可能的。而充分利用海洋空間，發(fā)展藻類及鹽生植物等，應(yīng)當是生物質(zhì)能源原料獲取的有效途徑。
3.1藻類物質(zhì)作為生物質(zhì)能源的原料來源，具有廣闊的發(fā)展前景
海洋占地球表面的71％，是地球上尚未開發(fā)利用的最大生物質(zhì)資源領(lǐng)域。藻類作為一種數(shù)量巨大的可再生資源，是生產(chǎn)生物質(zhì)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(chǎn)1.46×1011噸生物質(zhì)，其中40％應(yīng)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(chǎn)生的生物質(zhì)總量就有約5.50×1010噸。
微藻種質(zhì)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(chǎn)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(yǎng)海洋產(chǎn)能微藻，可用海水作為天然培養(yǎng)基，以簡單礦物質(zhì)營養(yǎng)鹽、空氣為基質(zhì)，太陽光為能源進行大量繁殖和不斷地產(chǎn)能，生產(chǎn)的能源不含硫，燃燒時不排放有毒害氣體，不污染環(huán)境；微藻培養(yǎng)能大量固定CO2，從而與CO2的處理和減排相結(jié)合，起到保護環(huán)境的作用，據(jù)測算，占地l平方公里的藻類養(yǎng)殖場年可處理5萬噸CO2。微藻不因收獲而破壞生態(tài)系統(tǒng)；含有較高的脂類(20％-70％)、可溶性多糖等，可用于生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生無用生物量；易被粉碎和干燥，預(yù)處理成本較低，微藻熱解所得生物質(zhì)燃油熱值高，是木材或農(nóng)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(tǒng)農(nóng)業(yè)爭地的優(yōu)勢。通過研究工作不斷深入，通過細胞工程培養(yǎng)產(chǎn)能微藻，有望成為新的可再生能源生產(chǎn)途徑。
3.2國外藻類生物能源研發(fā)取得初步進展
國際上微藻產(chǎn)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(shù)開發(fā)出海洋工程微藻(小環(huán)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(zhì)積累的關(guān)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(huán)藻”的脂質(zhì)含量超過60％，室外培養(yǎng)脂質(zhì)產(chǎn)量可達40％以上，推算每畝年產(chǎn)1-2.5噸柴油，為高油脂藻種培育開辟了一條新技術(shù)途徑。
大型海藻能源開發(fā)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(nóng)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(fā)酵或人工發(fā)酵，進行天然氣(主要是甲烷)的開發(fā)。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(yè)開采天然氣成本的1／6左右，同時這種巨藻每年還可生產(chǎn)氯化鉀49萬噸、肥料95萬噸，另外與海底動物增殖等結(jié)合，海底魚類收獲量年增18萬噸，養(yǎng)殖貝類3.6萬噸。目前臺灣也在進行該技術(shù)的引進和應(yīng)用工作。
3.3我省具有較好的海洋生物質(zhì)能研究基礎(chǔ)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(chǔ)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(lǐng)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(chǎn)能藻株。開展了海洋微藻遺傳轉(zhuǎn)化體系構(gòu)建研究，成功實現(xiàn)多種外源基因的穩(wěn)定表達，為種質(zhì)定向分子改良奠定了基礎(chǔ)。微藻產(chǎn)油研究取得前期重要成果：細胞密度達到20克／升，產(chǎn)油量7克／平米(折合目前農(nóng)業(yè)種子產(chǎn)量2倍)。雪藻每天能在1平方米光照面積內(nèi)生產(chǎn)35.3gAFDW，該生物量相當于46.49植物種子量，是目前高產(chǎn)農(nóng)田產(chǎn)量的11倍，中國海洋大學擁有海洋藻類種質(zhì)資源庫，已收集600余株海洋藻類種質(zhì)資源，建有200余平方米的大規(guī)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(guī)模養(yǎng)殖方面走在世界前列，養(yǎng)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(lián)合創(chuàng)新，大力推動海洋生物能源發(fā)展
目前我國的微藻油脂利用，主要應(yīng)用于保健食品等領(lǐng)域，對于生產(chǎn)生物柴油還處干嘗試研究階段，國內(nèi)清華大學等單位在淡水小球藻油用領(lǐng)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(lǐng)域。因此，加強協(xié)作和集成創(chuàng)新，利用廣闊的海洋資源，大力開展海洋生物質(zhì)能源研究，對山東海洋科技自主創(chuàng)新和改善能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)都具有重大推動作用。
3.4.1充分認識藻類生物質(zhì)在能源保障戰(zhàn)略中的地位。藻類生物資源培養(yǎng)具有不占用農(nóng)業(yè)用地、高產(chǎn)、富油、資源量大、環(huán)保可再生等特點，實現(xiàn)藻類生物質(zhì)原料的規(guī)模化生產(chǎn)，對于推動生物質(zhì)能源可持續(xù)發(fā)展，緩解石油供應(yīng)壓力，保障能源安全和生態(tài)保護等都具有重要的現(xiàn)實意義。
3.4.2加快原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，推動生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。加強各單位的協(xié)作，圍繞富油微藻的篩選培育、微藻規(guī)模培育技術(shù)與設(shè)備、微藻產(chǎn)氫技術(shù)、生物柴油煉制等環(huán)節(jié)，開展聯(lián)合攻關(guān)。瞄準國家目標，積極組織聯(lián)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(chǎn)學研結(jié)合，加快技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化示范開發(fā)。加大項目支持和政策扶持力度，支持建立海洋生物質(zhì)能源研發(fā)基地，提升自主研發(fā)和工業(yè)化配套技術(shù)研發(fā)能力；通過項目合作，選擇條件的企業(yè)，建立微藻能源產(chǎn)業(yè)化基地，增強規(guī)模化生產(chǎn)能力。創(chuàng)新產(chǎn)學研合作和運行機制，依托山東海洋產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和海洋生物能源研究優(yōu)勢，推動新型海洋生物能源產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展。 |
