[小红猪]生物燃料排碳:不只是平衡

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[小红猪]生物燃料排碳:不只是平衡在西班牙的沙漠里,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)。

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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。

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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)。

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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’。”

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关于本文

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[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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