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海藻产油不是梦Comments>>

发表于 2010-09-17 11:37 | Tags 标签:, , ,

1900年的巴黎世博会,柴油机的发明者德国工程师鲁道夫·狄塞耳(Rudolf Diesel)的雄心绝不止于内燃机的更新换代,他更希望能同时带给世界一场空前的燃料革命。在展示台上,狄塞耳往柴油机里加入的燃料是什么呢?一种可再生能源--花生油。1912年,在世人瞩目的眼光中,狄塞耳做出了如下预言,“植物油作为引擎燃料,今天看来可能不值一提,但随着时间推移,他总有一天会和石油一样重要”。

次年,狄塞耳在比利时登上一艘客轮后随即神秘失踪,一个多月后,人们在斯凯尔特河中发现了他的尸体。狄塞耳的死亡原因众说纷纭,而其中一条猜想,就是忌惮他推广植物油的石油大亨雇人下了毒手。

而历史证明,狄赛尔不仅仅是伟大的发明家,也是伟大的预言家。一百年后的2009年5月,美国能源部长朱棣文在白宫发表演说,“发展下一代生物燃料对终结我们对海外石油的依赖,以及解决气候危机都十分关键。”他随即宣布将在新生物燃料研究领域投入8亿美元。

如果说来自玉米高粱等粮食作物生产的乙醇是第一代生物燃料,朱棣文提到的下一代生物燃料又在何方呢?

人们充满期冀的目光投向了一团小小的绿意。

藻类。

藻类能源研究史

把藻类作为能源作物的构想起源于二十世纪中叶,五六十年代的一系列实验证明,在周围环境缺少氮元素或硅元素等必须矿物质时,某些藻类会在这种“饥饿”状态下产生大量脂质,最终在细胞内形成油滴。虽然缺乏养分能刺激藻类产油,但养分太过贫乏时,又会造成藻类抑制细胞分裂,生长也过度放缓,总产油量将不升反降。因此,要让藻类大量产油,矿物质的含量控制必须十分精确。兴味索然的研究者并没有花费太多力气去寻找微妙的最优条件,这方向的研究被搁置了约二十年。

七十年代早期的石油禁运导致油价一路高企时,美国政府才猛然警觉到自己对化石燃料的过度依赖。这场危机最终推动美国能源部开展了水生物种计划(Aquatic Species Program)。最初的研究是用藻类的生物质进行厌氧分解,以产生甲烷(沼气)与氢气。1978年前后的一系列实验也成功地把产气的成本控制在一个相当有竞争力的范围内。后来随着部分能大量产油的藻类品系被发现,脂类燃料--即俗称的“生物柴油”才成为研究重心。某些藻类内含的油脂(主要是三酸甘油酯)能占到干重的60%以上。例如硅藻类的一种隐秘小环藻(Cyclotella cryptica)就是许多研究者共同瞩目的品种,它的细胞壁合成需要硅,在缺硅环境下即大量产油。

从1978到1996年,美国能源部下属的国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)一直支持着这项研究计划,十八年间总计约投入2500万美元。研究者们从美国各地收集了三千多种藻类,测试它们在温度盐度酸碱度各异的水体中的产油能力,并最终筛选出三百多种希望之星--大多是绿藻和硅藻。

但炼油总成本依然是个问题。1995年的石油价格是每桶 20美元。而同期的藻类柴油成本在每桶59到186美元之间。与化石燃料相比,藻类柴油实在太不划算了。1996年,因削减预算,水生物种计划被最终喊停。当时的研究计划领导者之一,现在明尼苏达双城大学任教的约翰·希恩(John Sheehan)回想往事时发出了这样的感叹,“藻类并非解决能源危机的王牌--或许所谓的‘王牌’根本不存在。”

脱颖而出的新一代藻类柴油

“藻类就是解决之道,就是最终答案。”辛西娅·华纳(Cynthia Warner)斩钉截铁地如是说。

2008年1月,阴郁的乌云笼罩着伦敦。当时还身为英国石油公司(BP)炼油部门高管的辛西娅在她宽敞的办公室中会见了蓝宝石能源公司的CEO杰森·派尔(Jason Pyle),蓝宝石能源公司是藻类柴油公司中的领军者之一,他们刚刚获得了大笔风险投资,连比尔盖茨的瀑布投资公司(Cascade Investment)也在他们身上下注了一亿美元。

起初辛西娅只把这看成一次礼节性的会谈--不过是“又一个生物燃料的大饼”,但随着杰森充满热情的介绍,她的兴趣被逐渐唤起。他们从中午12:30开始,一连谈了七个小时,最后辛西娅完全被杰森说服了。2008年底,49岁的辛西娅从英国石油公司辞职,离开了她服务了二十多年的石油业,,举家横越大西洋,从伦敦搬到了加州,不再每日指挥来自五大洲的一万多下属,转而成为了蓝宝石能源这家仅百余名雇员的新创公司的总裁。

“我承认放弃在石油业的一切起初确实有点令我动摇,”辛西娅表示,“但一旦我了解藻类技术的潜能,我立刻意识到绝不能把这个机会拱手让人。”

任何能源要有效替代化石燃料,都必须克服两大难关--产量与成本。而与其他燃料作物相比,藻类在这两点上都有着过人之处。

首先,藻类的单位产量极高。藻类是地球上长得最快的生命体之一,在适宜的培养条件下,它的质量可以在数小时内倍增,这是其他植物望尘莫及的。同时,与其他作物的季节性产出不同,藻类可以不断生长、持续收割。美国能源部今年五月提供的一份《藻类生物燃料路线图》报告中提及,目前特定藻类的出油量已经达到大豆的60倍。研究更显示未来每英亩藻类最高可年产6500加仑的油(每平米年产6升),这个产量是传统燃料作物油棕榈的十倍,葵花的六十倍,大豆的一百三十五倍。

其次,在耕地面积已经很有限的情况下,能利用各种水质的水体的藻类无疑拥有最广泛的种植空间--淡水、半盐水、海水,甚至油田采出水、工业污水,原本无法利用的贫瘠的非耕地,各种环境恶劣的穷山恶水,都可以成为藻类生长的乐土。

第三,藻类生产的油类蕴含着巨大的燃烧热能。来自玉米甘蔗的第一代生物燃料--乙醇每单位供给的能量大约只有汽油的三分之二。伊利诺伊大学芝加哥分校的化工教授约翰·雷加尔布托(John Regalbuto)曾在科学杂志上撰文表示,乙醇要取代石油的致命弱点就在于生产成本高而能量密度不足。而藻类可以产出十六碳甚至更长的烃类分子,单位能量比起四碳到十二碳混合的汽油有过之而无不及。

单位产量高,种植面积广,能量密度高--这三者令藻类当之无愧地成为生物能源的潜在产量之王。

比起产量上压倒性的优势来,藻类柴油在成本上的情形就要复杂一些。

经济成本与环境成本,两本难算的帐

藻类的种植方法和炼油工序里存在着许多技术细节--水源、碳源、其他肥料、光照控制、收割与精炼……每个环节的耗费共同决定了藻类柴油的经济成本。

目前种植藻类主要有两大流派,一是种在开放的池塘中,一是种在封闭的光合反应器(Photobioreactor)中。

开放式池塘养藻对设备要求较低,但极大地受到日夜与季节间的天气变化影响,冬日和夜间低温都会大大影响产量。此外,池塘每日需要补充的水量也很可观。1998年,美国在新墨西哥州的罗斯威尔(Roswell)--就是那个以传说中坠毁飞碟而著名的小镇--进行了露天的藻类种植试验。结果显示,一公顷水面每天的蒸发量可达49吨左右。还有一点,池塘容易受到外来藻类品种污染,不易控制单一栽培。

封闭式光合反应器的优点在于水分不易散失,可以长期省水省肥地培养藻类。但缺少了水分蒸腾这一天然降温手段,就需要额外耗费能量控温。此外,密闭的容器内部容易形成细菌菌落的生物被膜(biofilm)结构,造成细菌大量繁殖,因此需要定期清洁,这也是一大笔开支。

还有一个问题,一般而言,光合反应器中藻类的密度会比露天池塘大,伴随高密度而来的另一个问题,就是如何确保管中的藻类都能得到足够的光线。为了优化光照,目前采取的通用手段是把用泵让藻类不断翻动,结果是消耗了大量的能量,产生了额外的碳排放。

正是这部分碳排放给清洁能源也蒙上了一丝阴影。

理论上,燃料作物吸收空气中的二氧化碳,通过光合作用合成自身的生物质,这些生物质经过转化、燃烧后再回到大气。因为碳元素守恒,所有释放出的碳全部来源于植物从大气中固定的碳,因此大气中的二氧化碳总量不会因之增加--完美的零碳排放。

实践上就并非如此完美了,种植、收集、提纯、精炼都是耗能过程,于是生物燃料仍然会给环境带来压力。不久前,剑桥大学的研究者安娜·斯蒂芬森(Anna Stephenson)建立了一个计算机模型来模拟计算藻类柴油从生产到燃烧总共产生的碳足迹,得出了一个惊人的数字--数据显示,藻类燃料居然可能产生四倍于普通柴油的温室气体排放量。

“用管状的生物反应器种植藻类时,泵需要克服的摩擦力太大,结果藻类柴油每产生一兆焦耳热量,就带来320克的碳足迹”她说,“而提取、提炼、燃烧等热量的普通柴油才不过86克碳足迹。”

这一数字几乎足以令环保人士立刻把藻类弃之如敝履,不过安娜的模型也显示,露天池塘中生产的藻类柴油要环境友好得多,相应的碳足迹是19克,不到普通柴油的四分之一。

然而露天池塘种植的另一项环境风险上升了,那就是转基因藻类逃逸的可能。

转基因藻类的潘多拉之盒

在美国总统奥巴马今年七月召开的生物伦理委员会会议上,俄亥俄州立大学的生态学家阿利森?斯诺(Allison Snow)就描绘出了一幅糟糕的末日情形--具有各种农药抗性的转基因藻类逃逸到环境中大量繁殖,产生毒素,消耗殆尽水体中的氧气,造成水中其他生物大量死亡,生态平衡被严重破坏……

这一极端可能性不是完全不存在,但几率实在不高。研究者们普遍认为,适应实验室中培养条件的“娇生惯养”转基因藻类一旦到了大自然中,绝不是它们天生天养的表亲们的对手。其实,就在1998年罗斯威尔的露天藻类种植试验中,池塘里就发生了外来藻类的入侵事件。结果是产油低而繁殖快的野生型藻类占尽竞争优势,在养殖池中大获全胜,

此外,在过去的十五年间,其实已经发生了数起疏忽造成的转基因藻类外流事件,但从没造成过严重的环境后果。

这方面的权威,合成生物学家克雷格·文特尔(Craig Venter)就表示,虽然理论上最好给转基因藻类设计一个“自杀基因”以策万全,但他认为现阶段的转基因藻类还是非常安全的。

克雷格在科学界声誉卓著,他曾共同领导完成人类基因组测序,更在今年造出了史上第一个人造生命。而他目前的研究重点之一,正是能生产生物柴油的转基因藻类。

从2004年开始,克雷格就驾着自己特制的帆船--可以安然在各种极端天气下航行的“魔法师二世号(Sorcerer II)”--在全世界各大洋上扬帆,用船上装备的拖网捕捞各种微生物和藻类,然后把它们带回实验室进行基因改良工作。

今年,克雷格与石油巨擘埃克森美孚公司联合宣布,将投入6亿美金研究让转基因藻类直接把二氧化碳转化为石油。面对蜂拥而来的记者,文特尔踌躇满志地表示:“当年的人类基因组测序工作和如今的挑战相比简直不值一提。全球每年消耗300亿桶石油,30亿吨煤炭,而我们要找出能替代这一切的燃料。如果成功,我们不但能在未来十到二十年间停止消耗石油,而且能让大气中的二氧化碳开始下降。”

“许多业内公司将大规模藻类种植视为现代化的农业,但我们视之为工业化生产,经基因改良的藻类能合成并分泌八碳、十碳、甚至更长碳链的烃类化合物。每个藻类好比一个化工厂,或是一个微型油井。我们可以源源不断地得到简单加工就可以使用的理想燃料,它应该具有如下特性--高能量、疏水性、极低的凝固点,最好是零下一百度仍保持流动性,这样才有潜力成为在高空飞行的飞机燃料。”

疑虑与期冀的人们

烧海藻的飞机听起来像是天方夜谭,但现实中却已经实现了第一步。蓝宝石能源公司就已经与美国大陆航空和日本航空公司合作测试了燃料。尽管如此,许多人依然用警惕的双眼打量着藻类柴油。

来自航空环境联合会的杰夫·伽扎德(Jeff Gazzard)就对生物柴油提出了不信任案,理由是目前的飞机引擎都是为石油来源的航空煤油而设计,生物柴油万一凝结,会对飞机内部结构燃料系统中的零件造成损害,带来潜在的安全隐患。

美国最大的玉米乙醇生产商Poet LLC总裁马克·斯托尔斯(Mark Stowers)也表示了类似的顾虑,“石油是两千多种分子的混合物,我不认为科学家可以模拟出这全部的两千种分子,制造出我们今天用的汽油。”

“他们还不能从藻类中直接生产汽油,具体成本也不清楚,还有尾气排放如何影响也是未知,太多的不确定性,”马克说,与之相比,“乙醇是一个已经广泛应用了三十年以上的燃料,而且已被确切地证明有助于减少尾气排放,提高燃料品质。”

但现实是,人们需要藻类。2009年,美国可再生燃料的产量是两亿六千万桶(110亿加仑),美国计划到2022年时,把可再生燃料的年产提到八亿六千万桶(360亿加仑),预计其中三亿六千万桶将来自玉米产生的乙醇,而还有五亿桶的缺口待补。

就连美国军方也倒向了藻类。隶属五角大楼的美国国防高级研究项目署(DARPA)在今年二月宣称,他们已经把从藻类中提炼油的成本降至2美元一加仑,就算需要进一步精加工成喷气机燃料,总成本也能少于每加仑3美元。这一价格已经非常接近有竞争力的区间。DARPA的目标是每加仑1美元,届时,美国空军将再不受缺油的困扰。到明年,所有美军飞机引擎中燃烧的燃料一半将来源于石油,另一半来自其他资源--当然包括藻类柴油。

藻类,这团小小的绿意,究竟是不是未来能源的希望所在?不远的将来,此刻心中疑虑与期冀并存的人们就会知道最终的答案。当然,信奉“人有多大胆,藻有多大产”的研究者们也并非无所畏惧,克雷格在今年的美国国会听证会上保证他会小心行事,“你我此刻呼吸的氧气四成来自海洋藻类,”他说,“我们可绝不想搞砸这件事。”

已发表于《周末画报》

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11 Responses to “海藻产油不是梦”

  1. xidianwangyu说道:

    看能占到沙发不

  2. 说道:

    省成本的事还是留给咱中国人来做吧,中国可是零成本“地沟油”的故乡哟~!

  3. Metaverse说道:

    最好解释下碳足迹的定义,虽然能GOOGLE到……藻类柴油59-1XX美刀每桶,跟现在的原油价格差不了多少。。。

  4. www.100868.org说道:

    哎 没办法啊

  5. madjeter说道:

    松鼠会的达人们来辨辨这个消息的真假吧!
    《紧急通告!转基因主粮的严重危害,在我国又一次大面积显现》
    http://www.chcj.net/thread-1721953-1-1.html
    《“先玉335”是美国先锋公司选育的杂交玉米对中国动物的危害》
    请百度”先玉335“

  6. 霍森布鲁斯说道:

    假设用藻类所产燃料代替现有石油燃料,需要怎么样的种植规模啊。

  7. Tay说道:

    TO LZ,
    Great intro to this topic~! learned a lot.
    Actually i've just started working on this area, can u share me some sources in ur story?
    Thx! =)

  8. sunliuf1说道:

    花了一年时间研究各国的微藻燃料的技术文献和经济分析报告后,总结
    1建造及运行费用太高而利润太低。资本市场不喜欢风险高而利润低的行业
    2影响藻类生长的因素太多,通过人工控制藻类生长环境不现实也不经济
    3种植、收集、提纯、精炼的技术都不成熟
    4商业运作模式还非常模糊,由于前期投资费用超过了农民的承受范围,公司无法把建造成本及种植风险转嫁给农民,无法形成合约种植模式(农民投资种植,公司收购,即公司的资本要求和投资风险都很低),无法最大剥削农民的利益(想想公司花钱建造种植园并雇人种植和农民花钱种植公司收购这两种模式谁的利润最大风险最低)
    5藻类作为生态链的低端,自然有其存在的价值。但这种低层次的价值是否值得我们去开发利用?有时候人类是无法代替自然去完成自然界最初的工作。它们依靠的是低效率高面积,为了达到它们的水平我们必须高效率低面积,但我们有能力超越自然达到高效率吗?
    搞工程的大多从技术角度和经济效益上去分析工程项目,如果上面两个指标都非常堪忧的话,这个项目上马的可能性几乎为零。当然你喜欢研究藻类的话也可以去试一下,说不准过几年藻类技术能有飞越。
    由于不是专业的藻类能源研究人员,上文可能有不妥的地方。欢迎武汉水生研究所和青岛生物能源所的同学拍砖。
    上面的同学如果你需要我收集的藻类能源资料,发邮件到sunliuf1@163.com(留下QQ)索取,我将通过QQ传递文件

  9. Sunny Zhao说道:

    好期盼能实现。

  10. RICK说道:

    若是可行,那么殖民其它星球的能源问题也就可以解决了!!

    在火星上大面积种植微藻,既能产氧气又能给殖民者提供能源,嘿嘿嘿

  11. craeszghen说道:

    很多技术当初都是看似不可行的,赚不到钱的。至于藻类能否成为实用的生物燃料,现在还言之过早。

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