纤维素生物燃料最有望替代石油能源

　　尽管该技术已经比较成熟，反应器的成本却非常昂贵。 2006 年在卡塔尔建立的用 FTS 将天然气转化为液态燃油的工厂耗资 16 亿美元，平均每天生产 34,000 桶液态油。

　　如果一个生物质炼制工厂的投资达到这种规模，该炼制厂必须每天转化 5,000 吨生物质，持续 15 30 年，才能生产足够的燃料以收回投资。将这么多生物质集中到一个地点完成生产存在严峻的后勤和经济性挑战，所以合成气技术的研究主要集中在如何降低投资成本方面。

　　现在都应该清醒地认识到对石油过分依赖，会让国家安全、经济安全及环境安全遭受威胁。但文明不能因此停下前进的步伐，必须找到新的能源来保障世界运输系统的顺利运转。以非粮原料或农业废弃物为原料转化的液态燃料 — 纤维素生物燃料（ Cellulos biofuel 有利于环境安全，技术可行性强，近期内最有希望替代传统化石能源。

　　生物燃料可以用植物或植物制品为原材料。目前，第一代生物燃料以可食用作物为原料，主要包括玉米、大豆（美国）甘蔗（巴西）用可食用作物制造生物燃料是最简单可行的因为把这些可食用作物转化为燃料的技术是现成的

　　然而，第一代生物燃料并非长久之计，原因很简单：没有足够的耕地能够满足发达国家 10% 液态燃油原料需求。这种对粮食作物的额外需求还使 2008 年家畜饲料价格大幅上升，虽然没有达到去年媒体所预言的近似歇斯底里的高价，但部分粮食价格还是有一定上涨。一旦将玉米生长、收获及加工期间的所有排放纳入经济成本预算，第一代生物燃料显然并不是所期望的对环境安全具有积极影响的能源形式。

　　第二代生物燃料主要以纤维素质材料为原料，如富含纤维素、生长迅速的草本植物，因此将英文汽油 gasolin 单词中前缀 “ ga 去掉，引入 “ grass 草）就组成了形象生动的专有名词 “ 草油 ” grassolin 可转化为草油的原料有很多，从木材废料（锯木屑 木质建筑残片）农业废弃物（玉米秸秆、小麦茎秆）再到能源作物 ” 这些原料作物耕作成本低（与每桶石油有等价能效的草油为 10 40 美元）量大，更关键的这些作物的种植生产不会干扰和危及粮食生产。大多数能源作物能够在不能用作农田的边际土地上快速生长。还有一些能够在被废水或者重金属污染的土壤中生长并净化土壤，如生长周期较短的灌木柳树（ short-rot willow coppic

　　纤维素类植物生物质（ biomass 指某一系统中全部或特定的生物总量）丰富，能够可持续地收获，来制造生物燃料。美国农业部和能源部的研究显示，不减少作为人类食物、动物饲料及出口生物质份额的前提下，美国每年能够生产 13 亿吨（干重）生物质。如此大量的生物质每年至少能够产生 1,000 亿加仑（约 3,790 亿升）草油，大约相当于每年美国汽油、柴油消耗总量的一半放眼全球，每年纤维素类生物质生产量能够转化的生物燃料相当于 340 亿～ 1,600 亿桶原油，已经超过了目前全球每年 30 亿桶原油的消耗量。纤维素类生物质能够转化成任何类型的燃料，如乙醇、普通汽油、柴油，甚至航空燃油。

　　现在科学家仍然更擅长发酵玉米籽粒（有效成分为淀粉）而不是打断纤维素分子链，使它转变成可发酵单糖，但最近这方面取得了突破性进展。量子化学计算模型（ quantum-chem comput model 之类的强大工具的引入，使化学工程师能够在原子水平控制反应进程。目前科学家将研究重心集中在如何快速将这种微观尺度的控制级别提升到炼制厂这样的工业水平。尽管此领域依然处于起步阶段，一些示范工厂已经开始运行，第一个商业化生物燃料炼制厂预计在 2011 年建成。人类历史上的能源新纪元 ─ 草油时代也许很快就要到来。

　　能量封印

　　自然界把纤维素赋予植物作为主要骨架结构，这种由葡萄糖分子紧密咬合并层层叠加的脚手架 ” 为植物提供了抵抗重力和生物降解的支撑性架构。为了释放纤维素里的能量，科学家必须先破坏进化赋予植物的这种异常稳定的结构。

　　一般来说，这种 “ 解封 ” 过程先要将固体生物质解构成聚合度更低的小分子物质，随后将它转化成燃料。工程师一般采用控温方式进行这种操作。低温（ 50 ℃ ～ 200 ℃ ）情况下，生物质裂解产生的单糖可以被发酵成乙醇或其他形式的燃料，玉米及糖类作物（如甘蔗）采用的就是这种转化方式。生物质在高温（ 400 ℃ ～ 600 ℃ ）下会直接转化为生物质原油（ Biocrud 再经过提炼就可以成为汽油或者柴油。极端高温（高于 700 ℃ ）下，生物质会直接变成气体并进一步转化为液态燃料。

　　目前为止，还没人知道到底哪种方法能够以最低的成本获得最高的能量。或许不同生物质材料需要不同的处理方法。比如说木材废弃物需要高温处理，而低温方式对草本植物更为适合。

　　热化学平台 — 热解合成油

　　生物质经高温裂解生成合成气（ synga 目前技术上最有发展前途的研究热点。合成气是一氧化碳和氢气组成的混合气体，可以由任何含碳的物质制得。通过德国科学家于 20 世纪 20 年代发明的费托合成（ Fischer-Tropsch synthesis, FTS 合成气通常可以转化成柴油、汽油或者乙醇。第二次世界大战期间，德意志第三帝国（ Third Reich 就利用 FTS 将德国的煤矿石转化为液体燃油。目前多数传统化石能源公司都拥有合成气转化技术，准备在汽油价格过高时将这种热油转化技术引入市场。

　　气化是生产合成气过程的第一步反应。生物质被装入反应器中加热到 700 ℃以上，通入蒸汽或者氧气，产生一氧化碳、氢气和焦油的混合物。清除焦油后，将混合气体压缩到 20 70 个大气压，使它通过一种专门设计的固体催化剂反应器生成液体燃料 这种固体催化剂可以捕获单独的反应物分子，优先催化特定的化学反应）合成气转化催化剂最初是为把天然气及煤矿石转化成燃油而开发的但它也同样适用于处理生物质。