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趙中華，石磊，劉珊珊
(國家海洋科學(xué)研究中心青島266071)
摘要：生物質(zhì)能源是當(dāng)前能源領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，但其發(fā)展很大程度上是與當(dāng)前的高油價(jià)密切相關(guān)的，存在與人爭(zhēng)糧，威脅糧食安全等嚴(yán)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(jiǎn)要介紹了國內(nèi)外生物能源發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)海洋生物質(zhì)能源的發(fā)展做了展望。
隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求不斷加大，國際油價(jià)一懂圓路攀升。我國從1993年起已經(jīng)成為一個(gè)石油進(jìn)口國。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，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(fèi)量達(dá)到34655萬噸，石油對(duì)外依存度已達(dá)47％。這將對(duì)國家安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
石化資源屬不可再生資源，來源日趨減少，供給嚴(yán)重不足，價(jià)格飛漲，另一方面在使用過程中產(chǎn)生大量污染，對(duì)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(dāng)務(wù)之急，這在減少對(duì)石油的依賴性，保證國家能源安全方面具有深遠(yuǎn)意義。在此背景下，生物質(zhì)能源發(fā)展越來越受到社會(huì)的關(guān)注，成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)能源來源多元化和國家能源戰(zhàn)略抗風(fēng)險(xiǎn)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(xué)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(fèi)品種，消費(fèi)總量居六大可再生能源(太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、小水電、地?zé)崮芎秃Ｑ竽?之首，而且生物質(zhì)能被認(rèn)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(diǎn)之一。
生物柴油和燃料乙醇是目前唯一作為汽油添加劑進(jìn)入市場(chǎng)，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(shí)，工程微藻等油料水生植物以及動(dòng)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(shí)現(xiàn)能源化。
1.1國外生物質(zhì)能源發(fā)展簡(jiǎn)況
生物柴油的研究最早是從20世紀(jì)70代開始的，隨著環(huán)境保護(hù)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(jì)產(chǎn)業(yè)的亮點(diǎn)，成為當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(biāo)之一，提出到2020年生物燃油取代全國燃油消費(fèi)量的10％，生物基產(chǎn)品取代石化原料制品的25％；計(jì)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(jìn)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(dá)225萬噸，規(guī)劃2010年產(chǎn)量達(dá)到800～1000萬噸，占柴油市場(chǎng)份額的5.75％，2020年這一比例將達(dá)到20％。規(guī)劃2020年運(yùn)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(duì)石油的依賴。
國際有十幾個(gè)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(dāng)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(zhǔn)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(jià)為每公升0.85歐元。美國生物柴油的售價(jià)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(dá)國家仍在大力推廣使用，旨在保護(hù)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(jiǎn)況
1.2.1我國自2001年始生產(chǎn)生物柴油，開發(fā)相對(duì)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(jìn)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(xiàng)目總設(shè)計(jì)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(huì)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(fèi)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(shí)現(xiàn)車用乙醇汽油替代普通無鉛汽油。國家批準(zhǔn)建設(shè)的4個(gè)生物燃料乙醇生產(chǎn)試點(diǎn)項(xiàng)目，已形成每年102萬噸的生產(chǎn)能力。乙醇汽油消費(fèi)量已占全國汽油消費(fèi)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(biāo)是達(dá)到1500萬噸，但這同時(shí)也是對(duì)原料供應(yīng)的巨大挑戰(zhàn)。
1.2.2標(biāo)準(zhǔn)問題
我國第一項(xiàng)生物柴油的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB／T 20828—2007柴油機(jī)燃料調(diào)合用生物柴油（BD—100），于2007年5月1日起實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)方面，我國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)達(dá)國家相比有10多項(xiàng)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(duì)多元化，把他們的指標(biāo)簡(jiǎn)單拿來，會(huì)使我國生物柴油的原料受限，有些指標(biāo)也不符合實(shí)際情況。以我國絕大部分生物柴油生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際看，生物柴油國家標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)相對(duì)比較高的標(biāo)準(zhǔn)，是需要經(jīng)過努力才能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。
二、當(dāng)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(jià)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(yuǎn)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(cái)政部就出臺(tái)《關(guān)于加強(qiáng)生物燃料乙醇項(xiàng)目建設(shè)管理，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，要求立即暫停核準(zhǔn)和備案玉米加工項(xiàng)目，并對(duì)在建和擬建項(xiàng)目進(jìn)行全面清理。
我國是一個(gè)油脂生產(chǎn)大國，每年動(dòng)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(dòng)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(fèi)數(shù)量巨大，每年還需要進(jìn)口約1000萬噸的植物油來滿足國內(nèi)消費(fèi)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(gè)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(yùn)輸?shù)榷夹枰⒁惶咨虡I(yè)化的機(jī)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(dòng)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(shí)的，其工藝要求也會(huì)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(jī)、發(fā)電機(jī)等使用，不僅效率差，損耗機(jī)器，還嚴(yán)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(rèn)，價(jià)格保障、稅收優(yōu)惠等都寫進(jìn)了法律，規(guī)定不得以任何方式阻礙生物柴油進(jìn)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(duì)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(shí)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(zhǔn)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(jī)
我國受實(shí)際土地資源及生態(tài)穩(wěn)定狀況制約，由森林或耕地進(jìn)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(dāng)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(bào)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(diǎn)。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(jiǎn)單礦物質(zhì)營養(yǎng)鹽、空氣為基質(zhì)，太陽光為能源進(jìn)行大量繁殖和不斷地產(chǎn)能，生產(chǎn)的能源不含硫，燃燒時(shí)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(hù)環(huán)境的作用，據(jù)測(cè)算，占地l平方公里的藻類養(yǎng)殖場(chǎng)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(shí)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(shí)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(zhēng)地的優(yōu)勢(shì)。通過研究工作不斷深入，通過細(xì)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(jìn)展
國際上微藻產(chǎn)油研究始于上世紀(jì)40年代。90年代，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)已運(yùn)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(dá)，實(shí)驗(yàn)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(dá)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(jì)80年代初在加州沿海建立了400萬平方公里的海底農(nóng)場(chǎng)，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(xì)菌發(fā)酵或人工發(fā)酵，進(jìn)行天然氣(主要是甲烷)的開發(fā)。Ifl前其年合成天然氣達(dá)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(shí)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(dòng)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(tái)灣也在進(jìn)行該技術(shù)的引進(jìn)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(qiáng)的人才隊(duì)伍
中科院海洋研究所、中國海洋大學(xué)、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(qiáng)，承擔(dān)了多項(xiàng)國家及省部級(jí)研究課題，在能源微藻領(lǐng)域取得一些重要進(jìn)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(shí)現(xiàn)多種外源基因的穩(wěn)定表達(dá)，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(xì)胞密度達(dá)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(dāng)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(xué)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(qiáng)聯(lián)合創(chuàng)新，大力推動(dòng)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(duì)于生產(chǎn)生物柴油還處干嘗試研究階段，國內(nèi)清華大學(xué)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(dāng)代基因工程的重要潛在和熱點(diǎn)領(lǐng)域。因此，加強(qiáng)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(duì)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(dòng)作用。
3.4.1充分認(rèn)識(shí)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)藻類生物質(zhì)原料的規(guī)模化生產(chǎn)，對(duì)于推動(dòng)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(hù)等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
3.4.2加快原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，推動(dòng)生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。加強(qiáng)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(zhǔn)國家目標(biāo)，積極組織聯(lián)合申請(qǐng)國家項(xiàng)目，爭(zhēng)取國家、省等各類科技計(jì)劃支持。
3.4.3突出產(chǎn)學(xué)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(xiàng)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(xiàng)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(qiáng)規(guī)模化生產(chǎn)能力。創(chuàng)新產(chǎn)學(xué)研合作和運(yùn)行機(jī)制，依托山東海洋產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和海洋生物能源研究?jī)?yōu)勢(shì)，推動(dòng)新型海洋生物能源產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展。 |
