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本文为69期小红猪抢稿译文

译者:史成超

校对:费戈登,

亦感谢史军为本文提供的关键性指导

小红花等级:3朵

作者:Bob Holmes

在西班牙的沙漠里,绿色的污泥在纵横交错的管道里安静地冒着泡。它吸收着荒漠的阳光,吞噬着附近工厂排放的CO2,迅速地成长着。每天,工人们刮掉一些污泥,将他们带走转化为石油。照这样看,人们在一天内做着地质学上要4亿年才能完成的工作。

确实,这不是什么普通的石油。它属于一类神奇的“负碳”燃料,能把碳从大气中抽出并一劳永逸地封锁起来。其中倒也没什么深奥的原理——你栽种某种植物(在这里是藻类),待它们从空气中吸收一定的CO2,将它们的油份榨出,就能得到碳含量丰富的残渣。它们正是“负碳燃料”的关键。如果将这残渣中的碳贮存起来,暂时阻止它们分解到空气中,空气中CO2的减少量就会超过这些生物燃料的排放量。

这可不是什么账面花招——这大概是短期内最实用的气候改善方案了。虽然它还处于萌芽阶段,可像通用电气,英国石油公司和谷歌这样的公司都纷纷为此掏腰包了。

每当你开车或者搭飞机到某个阳光明媚的地方去,大气层里的碳就多了一点点,地球也就又暖了一点点。生物燃料是缓解这一问题的方法,因为植物在生长时从大气中吸取CO2,从而不会增加碳足迹。今天,最广泛使用的生物燃料是由玉米制得的乙醇。

理论上,这样的燃料应该能够实现“碳平衡”,也就是说,从大气中每吸收100个碳原子,燃烧时这100个碳原子正好返回大气。不幸的是,这没那么简单。农民翻土、施肥和收获时(更别提运行乙醇工厂燃烧的天然气和煤了),需要大量的化石燃料支撑,这使得碳平衡成为天方夜谭。

你可能会说,“so easy”,只要在生物燃料生产过程中捕捉排放的碳就行了。例如生产乙醇的同时,也能得到纯CO2这个副产品。为此,今年早些时候,农业巨头阿彻·丹尼尔斯·米德兰公司(ADM)开始在伊利诺伊州的迪凯特建造全美首个大型碳捕捉及储存项目。它将公司乙醇工厂中的CO2抽吸,压缩并就近存入地下。计划每年可以储存超过一百万吨CO2(见图表)。

然而靠ADM的乙醇不能实现真正的碳平衡:生产乙醇的能耗令碳排放量只比化石燃料减少了两三成。

或许可以用可再生能源替代所有乙醇工厂消耗的化石燃料。但这不能解决粮食作物生产生物燃料的另一大难题:它们与食物竞争土地。2010年,玉米酿成的乙醇占美国运输燃料的8%,用掉的玉米却占了全国总量快40%。如果乙醇替代了所有的化石燃料,它要么会把食品价格推得突破天际,要么逼着农民找新的土地——最可能是两者同时。为了削减大气中的温室气体,我们需要想些办法。“问题是我们能找到的这些办法里,有多少不会让这些生物和土地提供的其它服务打折扣?”约翰内斯·莱曼,康奈尔大学伊萨卡分校(纽约)的土壤学家如是说。

这正是为什么藻类这么前途无量,尤其是单细胞、蓝绿色的变体,也就是我们所说的蓝藻。它们远比地上的作物长得快,可以达到大豆20倍。它们产石油的能力也能通过基因工程轻易提高。最厉害的是,他们能在海水或者不能耕种的碱地上的微咸水中生长,不会妨碍食物生产或者破坏森林(Science, vol 314, p 1598)

这些特点对“生物燃料系统”(BFS)公司尤其有吸引力,这家西班牙阿利坎特的小公司做的生意是将蓝藻细菌变成“蓝色石油”。公司在位于西班牙沿海沙漠上的水泥厂旁搭建了试点工厂,后者排放藻类生长所需的CO2。

蓝色石油

BFS主席伯纳德·埃斯托洛耶佐用数据揭示了生产过程如何降低碳排量,结果发表在《新科学家》杂志上。为获得一桶石油,这些藻从水泥作坊的烟囱中吸收超过两吨的CO2。然而,这里不是所有的CO2都能永别大气层。培育藻类需要定期混合,这需要能量,而提供肥料和制造石油的过程(已获得专利)需要高温高压,自然也需要能量。这些过程需要的所有化石燃料总共排放700千克CO2。燃料自己被使用(比如在汽车引擎里)又会再放出450千克。剩余的碳——大约相当于900千克CO2——呆在剩余物中,那是一种无机碳污泥,可以被填埋或者混入水泥中。“它们永远不会回到大气中。” 埃斯托洛耶佐说。

BFS的试点工厂每天每公顷藻大约生产2.5桶原油。埃斯托洛耶佐称,照这个速度,BFS这样的系统能替代现在全球的原油模式,只需占用利比亚沙漠四分之一大的一块地方就行。三千五百万公顷当然是很大一块地方,但如果能产出相当于我们每天使用的九千万桶石油的话,也不算太过分。这也是大约全球田地总面积的1%,工厂分散到世界各地的话,就能很快实现了。

不过,这项目还须三思而后行。尽管石油还没上市,但开销已经成为了巨大的绊脚石:BFS的设备决不便宜。光是孕育藻类的聚碳酸酯管道每公顷要花费一百万美元还多,而搅拌藻类需要大量电力。2010年国际能源总署的报告显示,藻类生物燃料的成本至少5美元每公升。

为了保证公司经济运作,BFS以补品形式售出高价值的藻类副产品,如ω-3脂肪酸。生物燃料还是新生事物的时候,这可能还管用,一旦市场上产品泛滥,营养补充剂的需求也将下降。归根结底,这也是治标不治本。

尽管是这样的形势,其它公司也不愿坐视。旧金山附近的“藻类系统”(Algae System)公司通过在海洋中种植藻类来缩减成本。它们在靠近海岸的25米塑料袋里培育藻类。袋子保证藻类浮于海水表面,那里光线最强,且自然的波浪能完成混合搅拌藻类的任务。公司还计划充入富氮废水来促进藻类繁殖。

在阿拉巴马海岸线的莫比尔湾,“藻类系统”公司正筹建一个几公顷的试点工厂,预计明年年初投入生产。如果所有部分都像在实验室里那样正常运转,应该能得到负碳的燃料,公司主席马修·阿特伍德表示。三四年内化石燃料的价格将因此下降,他补充道。

然而,藻类生物燃料还要解决肥料的难题。藻类吸收营养有如饕餮。而氮、磷这些营养物质价格着实不菲。如果是藻类系统那样小规模的公司,城市及农耕用地的废水就足够了,但随着规模扩大,这些就不再能满足需求了。“只靠人类生活产生的养分输入还不够,”斯蒂芬·乌纳什,“加州生命周期联合咨询公司”的能量分析师和工程师这样说,“你的汽车消耗的远比你在厕所中排泄的要多。”的确,据桑迪亚国家实验室(新墨西哥州)的藻类生物燃料专家,罗纳德·佩特的说法,即使只靠藻类生产十分之一的美国液体燃料,就会耗尽整个国家的氮磷供给(Applied Energy, vol 88, p 3377)。

通过提取、再利用藻渣中的氮和磷,研究者有一天可能会解决营养供应的难题,但是扩大规模后最为棘手的问题是,如何得到所需要的全部CO2。据佩特的计算,即使藻类养殖者能染指全美所有烟囱,每年也只够生产大概750亿升藻类生物燃料,还不足目前全球运输用燃料需求的一成。此外,事实上依赖这些工业烟囱生产生物燃料,仅仅是在二次利用化石燃料产能。“这只是延缓排放,” 位于比利时布鲁塞尔的“欧洲战神”环境基金的主管乔纳斯·黑塞斯说。

迄今为止,这个问题尚无周全的解决方案。一些公司正在研发浓缩提取空气中CO2的科技。位于纽约的“地球恒温器”公司,已经研发出用化学品和低温废热(大约90℃)捕获气流中的CO2的流程工艺并获得了专利。据联合创始者格拉谢拉·齐齐尔尼斯基透露,它的一个试点工厂已经在旧金山附近运营了一年多,并且第二个也正在筹建。她说,公司已经与藻类系统公司签署了技术支持协议,与其它藻类生物能源公司的合作也在商谈中。

生物燃料经营

若能解决这些难题,藻类将成为最有前景的负碳生物燃料。在那之前,一种不那么富有魅力的降低碳排放方法正方兴未艾。

生物燃料最廉价的原料是有机废料,如玉米收获后留下的玉米芯和秸秆,巨芒草等多年生草本植物,死树等。这些原材料已经用来制造乙醇,但其效率由于分解困难而受到限制。在加利福尼亚州的卡马里奥,洛杉矶北部的“冰爽星球能源系统”公司已经找到了更好的处理它们的方法。它开发了一种称为“热解”的改进工艺,即用高温、高压和催化剂把生物直接转化为汽油、柴油和喷气机油中的烃类。这意味着这家公司的燃料可以直接混入常规汽油,以此减少化石燃料的用量,换言之,它降低了汽油的碳强度(碳强度:提供一定能量排放的CO2总量)。

今年早些时候,谷歌作为投资方之一,在加州山景城总部用GRide汽车路测了5%“冰爽星球”燃料+95%汽油的混合物。副主席迈克·洛克表示,混合物降低了汽油10%的碳浓度,达到了加利福尼亚2020年的低碳燃料标准,整整提前了8年。

更值得一提的是,碳得到了封存。伴随着燃料,“冰爽星球”公司的热解过程还产出大量生物炭,一种富含碳的形似木炭的化合物。与ADM公司将碳残渣深埋或者将其掺入水泥不同,碳在“冰爽星球”公司中得以归还土壤。

这样的碳有几个优点:它不依靠合适的地质构造,也容易运输。最大的优势在于,生物炭使土壤更肥沃,提高了粮食产量,因为它的大表面积帮助持水和固定养分。“这就像分子海绵。”洛克说。莱曼是一名生物炭专家,他表示,这个东西能在土壤中持续存在数百年,符合联合国政府间气候变化专门委员会对碳封存的定义。

这还不是唯一令生物燃料负碳的手法。“冰爽星球”并没有将化石燃料浪费在向中心工厂运输物料上,相反,它将建造400个模块单元,每个每年都有能力生产4千万至2亿升汽油。这些单元会利用一切在方圆50公里内可得到的生物物料。“哪里有物料,哪里就有我们。”洛克说,“就像星巴克一样。”

“冰爽星球”的工艺流程只将半数的碳归还回大气层,将另一半以生物炭的形式储存起来,使燃料变成,按洛克的说法,“百分百负碳”。不过,为了打入市场,公司计划先实现60%负碳的版本,只储存植物中大概三分之一的碳。在这个合适的时机下,洛克认为公司应该能够以大约40美分每公升的价格卖出其燃料。

时至今日,研究设施只生产了几千公升燃料。但是,在洛杉矶附近,由谷歌、BP、GE等投资方资助的一个试点工厂会在这个月(本文发表于2012年9月)开始运作,每年会有约一百万升产量。未来20年内,他们打算据此建造2000个模块,足以满足大约全球现在液体燃料需求的10%。

“冰爽星球”带来的变革令人欢欣鼓舞。2007年,根据联合国政府间气候变化专门委员会的报告,为了使世界免于气候变化的灾难,碳排放应当在2015年前开始减少,并且到2050年需减少85%。如今我们却毫无起色。

既然我们似乎不能阻止CO2进入大气,那就只有两种方法避免麻烦。我们可以着手进行地质大工程,设计冷却整个星球的方案,与此同时,承担造成意外的巨大风险。或者,我们也可以试着将CO2从大气中收回,一步一个脚印地付出努力。“即便负碳生物燃料成了‘龙套’,它们至少也曾为碳排放量缩减做了点什么”莱曼说,“这属于一项‘无悔策略’。”

关于本文

图片出处依次为:

[1] haitibiodiesel.webs.com

[2] 译者提供

[3] lawofalgae.wiki.zoho.com

[4] s3.amazonaws.com

[5] katerva.org

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11 Responses to “[小红猪]生物燃料排碳:不只是平衡”

  1. yibo说道:

    天方夜谭。科学界应该把注意力多放在现有技术的改良上,而不是总做梦发明一种银弹,解决一切问题。

    这世界没有那么多经济资源仅仅保存碳原子。因为人类每天消耗的化石能源总量不可想像的多。仅美国一个国家,一天要消耗1800万桶石油(2011年数据)。而石油只占所有化石燃料的一小部分。

    只有经济动机才能真正减少碳排放,舍此别无它法。美国2012年碳排放量退回到1992年的水平,这不是因为美国人突然环保以来,而是便宜的天然气取代了煤成为发电主力以后的意外结果。

    所以科学界要认真形势,去发明点能减少工业能源消耗的技术(如用天然气取代煤,用天然气取代石油),去搞点现有技术的改良(重新建立一个产业需要的资金是恐怖的,而改良所需要的资金相对来说小得多,如汽车的混和动力技术比纯电动车靠谱得多,因为只需做较小的改进而无需重新发明一切) 。节约能源所产生的经济效益要大于浪费,人们才会真正的节约。

    北美north dakota 的bakken油田,从太空中可以看到那里每晚灯火通明(用google 搜 bakken flare关键字,我保证你们会终身难忘)。那里其实是渺无人烟的荒原,太空中看到的灯火只是石油公司由于没有输送天然气的管道,只能直接燃烧采油伴生天然气的火焰。从太空中都可以看到,你可以想像一下这是怎样的碳排放!!!!为什么石油公司会白白的燃烧掉每百万立方尺3-4美元的天然气?????因为输送这些天然气所花的钱远远大于这些天然气本身的价值。

    当节约收益小于浪费的时候,人类只会选择浪费。在很小的经济规模上,也许人类的良知可以起作用,在能源这种大宗商品上,没有人有那么多钱来走一条昂贵的路线!

    别指望ZF的干预。北美,欧洲,亚洲哪个ZF不是债台高筑。自救都顾不过来,能有多少资源真正投到减排上。

    至于地球的温度, 我只能说,智人20万年来的历史,大部分时代都比现在温暖。Elon Musk之流还天天把移民火星挂嘴上,真怕地球环境变化会灭绝人类的去找他吧,他号称可以送8万人上火星,然后那8万人会变成super creative. musk先生都不怕火星的气候,那地球的气候变化算毛啊(这句只是嘲笑musk先生,不代表我不关心地球的气候)。

  2. 隐矢宇说道:

    楼上不能以科学的眼光来促进人类长久发展生存,请各位无视。

    • 隐矢宇说道:

      说错了应该是“楼下”,别笑我,我自拍板砖。

      • 玥玥老爹说道:

        我觉得楼下讲的一样有理。楼主不应拍砖。市场机制对地球的影响最大,人性才是源头。道理在于角度,没有绝对的正确。

  3. 隐矢宇说道:

    其实核心在于我们一般需要化学反应时所释放的能量。以能量为核心来看的话,该文的主要线索在于如何把“制造CO2并利用相伴能量”这一过程进行逆转。

  4. 曹申蕾蕾说道:

    减少碳排放大概是人类为自己的生存的战斗吧……

  5. Illusiwind说道:

    "方兴未艾"这词看起来好怪异。似乎看见两个人名似的……

  6. 上帝哭了说道:

    现在很多的研究都没有搞清楚自己需要回答什么问题,就急匆匆的上马。可再生能源不是一边产生二氧化碳,一边把二氧化碳强力固定以后不参与循环。那样走下去只有死路一条。核心是利用太阳能,热能,核能,水力风力能等一切可利用的能量分解二氧化碳,形成氧气和高能碳水化合物。
    植物是利用光能分解二氧化碳的最成功的示范之一。
    海底火山口的微生物是利用热能分解二氧化碳的最成功的示范之一。
    它们都是分解二氧化碳,而不是形成难再次参与能量循环的碳酸盐矿物。
    人类要做的是寻找人类可利用的把光能,热能,水力风力能,核能分解二氧化碳,形成氧气和高能碳水化合物。
    很久以前人类就在做碳同位素标记,观察植物了,为什么就不能从事实里去找到方法,而消耗大量能量固定二氧化碳。而让能量转化成储存技术落后的三代能——电能。
    文中的利用藻类,植物根茎叶都只是在利用光能。
    而水力能,热能,风力能,核能方面的利用还是一片空白。。。

    研究表明如果有百分之如落在叶面的光能(100%);不能吸收的波长,丧失能量60%;反射和透光,丧失能量8%;散热,丧失能量8%;代谢,丧失能量19%;转化、储存于糖类中的能量5%;则:光能利用率=5%、光合作用效率=5%/(8%+19%+5%)=15.6%

    可想而知除了光能,还有很大一部分我们可以利用的能量。希望有识之士看到我的评论在这些方面做出突破与贡献,好好利用太阳和地球给予我能的能源。填补水力能,热能,风力能,核能方面的利用储存的空白。

    • 上帝哭了说道:

      节能减排的提法就知道人类是多么愚蠢。
      我们来进行一个理想实验,如果人类不排放,碳就固定在人类身体里,没有碳的排放就没有能量的释放,要么人类是化石,要么时间停止,很遗憾这两种情况都不是。证得节能减排的提法是错误的,应该叫做减少化石燃料的消耗。
      人类不但要利用化石燃料支持自己的生存还要用化石燃料提供能量固定二氧化碳。

      熵啊你慢点跑,人类虔诚的祈祷。

    • 玥玥老爹说道:

      很赞成楼主的思路。但我觉得核能除非聚变,不然不安全;水力同样对生态有影响;风能产能还比较少;一切的能源供给,还是来自于太阳。谈到太阳能的利用效率,我个人认为,进化了这么多亿年的生物永远能做到最大的转换效率与环境和谐性,从生物找能源的技术还是应该最优先的。

  7. 快普ERP www.kuaipu.com.cn说道:

    平衡很重要 VERSUGW