美国发掘最绿色替代能源:水藻

■ 毕新忠 王化水 顾家瑞

美国发掘最绿色替代能源:水藻

■ 毕新忠 王化水 顾家瑞

在美国科罗拉多州柯林斯堡发电厂里，两条平行的长约18 m的轨道就像大型雪橇的两个滑板。一端是一个设有仪表盘的洗衣机大小的箱体。没有机器在运转，没有物体在发热，也没有任何声响。新的替代能源——水藻正在受到关注。

世界很多国家都在寻找清洁燃料。水藻是一种只要有阳光和水便可生长并能转化为燃料油的生物。美国科学家和能源公司开始启动用水藻转化燃料油的计划。从水藻中提取的植物油可以转化成生物柴油，这种生物柴油几乎可以当作所有柴油机的燃料。

水藻将成为“最绿色”的能源

目前，各国专家正积极倡导使用“绿色”能源，比如太阳能发电、风力发电、水力发电等。还有一些科学家则更进一步，开始寻找更“绿色”的能源，那就是用水藻提炼燃油。科学家乐观地预测，只需种水藻提炼燃油，就能让人类摆脱对天然石油的依赖。科学家很早就提出用植物来提炼燃油，比如从油菜子和大豆中提炼燃油，不过很少人会想到用水藻来提炼燃油。但是，这种绿色植物现在却异军突起，成为最有力的竞争者，因为它有许多品质是其他植物所不具备的。

水藻是由简单的水生有机体组成的，通过光合作用储存光能，生产植物油；而植物油可以转化成生物柴油，可以为任何柴油发动机提供动力。水藻有几个重要的优点是其他油料植物所不具备的，比如水藻可以种植在更广泛的地方，而且能够迅速繁殖，更难能可贵的是，水藻几乎不需要特别的养分，它们需要的只是阳光、水和二氧化碳。此外，水藻生长的面积和体积比率是最高的。

水藻不仅能生产“绿色”油料，更可以吸收大量的二氧化碳，净化空气，可以说是一举两得。事实上，许多发电厂在厂区和周边地区种植水藻，吸收发电所产生的二氧化碳。在这方面，美国麻省理工学院做得最好，他们正在进行这方面的实验，利用发电厂产生的二氧化碳种植水藻。小规模的试验发现，这是一种可行性的概念，他们下一步要进行大规模的试验。

不过，要想进入后石油时代，让水藻油成为畅销产品，需要解决许多问题。生产生物柴油，首先遇到的就是选择水藻品种的问题。水藻有数千种，选到正确的种类是至关重要的。另外，水藻生长的速度极快，必须控制好种植的数量，如果太多，阳光就会不够，造成大批死亡，而如果太少则达不到所需要的数量。要解决这个问题，需要借助计算机来控制水藻的生长速度，也就是控制营养成分，不过这样会增加成本，减少水藻业的经济利益。

即使成功地收获了水藻，还要面临着另一个难题，那就是如何把油提取出来。从大豆、油菜等植物中提取油是用冷压法，而水藻却不像大豆、油菜子有那么多的纤维，不能使用标准的榨油方法。不过从理论上说，从水藻中提炼油并没有想象的那么难。美国科学家证实，在水藻中加入化学添加剂就可以提炼出油来，在水藻浆中加入甲醇或者乙烷是目前最好的选择，相对来说有效又可以节省成本。

瞄准以水藻为原料的新型生物能源

生物能源在美国可再生能源中所占的比例最大，从1998年的43%增加到2008年的53%。美国国会2008年5月通过一项包括加速开发生物能源的法案，要求10年后从石油中提炼出来的燃油的消费量减少20%，代之以生物燃油。这需要每年生产350×108gal（1 gal=3.785 L）生物燃油。2004年以来，美国生物能源的研究与开发朝着从玉米、大豆等农作物中提取乙醇的方向发展，专家称之为第一代生物能源。不过不少专家现在认为，美国有可能跳过以玉米、大豆为代表的第一代生物能源，直奔以水藻为代表的新型生物能源。

从水藻中提炼生物原油的研究，可以追溯到20世纪70年代的石油危机。危机解除后，美国政府几度中断研究经费，有关项目未能推进。近年油价飞涨导致水藻研究提速，现在已进入研究与开发的最后成熟阶段。按照计划，2010年启动多点示范工程，2011年同美国军方和政府签订第一批政府采购合同，2012年签订第一批商业合同，2013年将大批量商业生产并降低销售价格，2015年将以低售价抢占市场份额，2020年将主宰生物原油市场。美国军方对开发水藻资源最感兴趣，因为其飞机、舰艇、坦克、装甲车等是世界上消费柴油最多的“油耗子”。2009年12月和2010年1月，新西兰航空公司、美国大陆航空公司、日本航空公司，先后用掺有水藻中提炼的生物燃油的混合航空汽油试飞成功。

美国全国水藻联合会研发部部长维尔·瑟蒙德认为，与第一代生物能源相比，新型生物能源具有无与伦比的优点：

第一，玉米、大豆只能在可耕地上种植收获；而水藻可以在沟渠、池塘、海滩以及其他不适宜耕种的地上养殖，从而节省大量宝贵的耕地。

第二，在1 acre（1 acre=6.07亩）耕地上种植大豆、欧洲油菜子、棕榈，一年能够提炼出来的燃油分别为 50、150、650 gal；而在1 acre水面上养殖水藻，1年能够提炼出来的燃油为10000 gal，后者分别为前者的200、69、15倍。这是因为大豆等农作物受季节影响，1年只种一季，水藻一般不受季节影响，而且繁殖得非常快，1天可以增长1倍。美国现有20多家养殖水藻的小企业。

第三，水藻在进行光合作用的过程中，需要吸收空气中大量的碳，因而能够净化大气，起到环境保护作用。现在美国专家提出在污染排放严重的企业，如煤炭发电厂周围建设水藻养殖场，这样可以实现低排放乃至零排放目标，一举多得，既发展“绿色”循环经济，又增加新的增长点。

早在2008年5月，美国国会批准布什政府拨款10亿多美元研发生物燃油。奥巴马就职后，尽管陷入金融危机和严重经济衰退，美国政府毅然在刺激经济的计划中拨款约8亿美元加速生物燃油的研究与开发。美国能源部以合作伙伴的形式，注资约10亿美元支持生物能源研究项目，旨在2012年前出成果。这些科研经费有一部分流入有关水藻的研究与开发项目。美国政府还硬性规定，凡是在成品油中掺入一定比例生物燃油的炼油厂，其生产的成品油每加仑可享受1美元补贴。美国民间对水藻研究与开发项目的投资也非常踊跃，微软公司的比尔·盖茨一次就投入1亿美元。许多私人投资者认准这是一本万利的赚钱项目。一个有趣的现象是：集聚在休斯敦的世界各大石油公司的代表，对美国加速开发水藻，非但不反对、不反感，反而怀有极大的兴趣，他们出席有关下一代生物能源的研讨会，他们在会上提出的问题比记者提出的还要多。他们所代表的世界著名石油公司，大多支持甚至投资参与水藻能源的研发项目。

据美国全国水藻联合会会长巴里·科恩介绍，从水藻里可以提炼出生物柴油、汽油乃至航空汽油，水藻残渣还可以发电。从近期看，美国不可能生产出足够多的大豆、玉米用来提炼乙醇，欧洲也不可能种植出足够多的向日葵、油菜子用来提炼生物原油。现在美欧生物炼油厂的炼制能力过剩，约有一半设备长期闲置，原因就是生物原料严重短缺。这为水藻后来居上提供了天赐良机。从长远看，从水藻里提炼出来的柴油、汽油最终有可能为美国所有交通工具提供燃料。如果说石油是“黑色金子”，那么水藻则是“绿色钻石”，其市场前景非常广阔。

开发低成本水藻生物柴油生产工艺

美国联合环境和能源有限责任公司2010年表示，研究人员首次成功地开发出经济且有利于环境的水藻油转换成生物柴油成果。该公司相信新的研究成果将有望帮助美国实现无需进口石油燃油的目标。

目前利用水藻油生产生物柴油方法所存在的问题之一是生产成本过高。联合环境和能源有限责任公司的研究人员说，他们新开发的生产方法至少比现有方法减少40%的成本。他们还表示，新开发的水藻生物柴油生产方法还有另一个优势，在生产过程中没有废水产生，因而不会造成环境污染。

他们开发的水藻生物柴油生产工艺同其他工艺相比，一个显著的优势是使用了自己研制的享有专利权的固体催化剂，而不是目前其他方法使用的液体催化剂。固体催化剂有两个特点，一是它们能重复使用；二是它们可以让生物柴油连续流水式生产。过去的生产方式速度较慢，工人需要加酸来中和碱性催化剂以达到净化生物柴油的目的。使用固体催化剂，则免除了这一过程。

能源公司投入巨资用于生物燃料研发

埃森克美孚公司将投入3亿美元用于生物燃料研发，这可能是迄今为止对生物燃料的最大一笔投入。该公司称，如果一切进展顺利，可能会再追加3亿美元投资。

这个大馅饼砸中的是美国合成基因公司。美国颇具传奇色彩的生物学家和创业家克雷格·文特尔是该公司的共同创立者，但这笔钱并不是砸向某人，而是水藻。

除了埃克森美孚，还有很多国际知名能源公司投资水藻产油项目。美国能源部实验室和加利福尼亚州Live Fuels公司正在开展合作项目，从水藻中提炼油品。陶氏化学公司总部设在加利福尼亚州的生物燃料公司Algenol也在合作建设一座水藻农场。

Algenol公司首席执行官保罗·伍兹说，生产过程产生的氧气可提供给电厂，电厂产生的废气二氧化碳可以用来培植更多的水藻。

Algenol公司在生物反应器中培植水藻，装满盐水的水槽上面覆盖着富有弹性的塑料薄膜。水中充满二氧化碳，喂食着水藻。水藻通过光合作用，将二氧化碳和水转化为乙醇、氧气和水。

美国合成基因公司的克雷格·文特尔提出采用工业化方式大规模培植转基因单细胞水藻，以便生产可用作燃料的碳氢化合物。很多公司正通过分解富含油的水藻细胞获得油时，文特尔却成功设计出一条从另一种生物体通往实验水藻内部的分泌途径。现在，这些水藻可以释放出漂浮在培养容器表面的藻类油。

研究人员需要对数千种藻类进行精挑细选，选出最适合的水藻。埃森克美孚也投入资金进行相应研发工作。陶氏化学目前已在一块24 acre土地上建成3100个生物反应器，尝试将氧气和水从乙醇中分离出来。

文特尔认为，即使使用目前已有的技术，每英亩水藻能够制造出的燃料已是每英亩玉米能够制造出的燃料的10倍多，而目前所有藻类燃料公司面临的最大挑战就是成本。如何在单位面积内以低廉成本获得尽可能多的藻类，降低成本，这是未来藻类燃料公司急需解决的问题。

文特尔也表示，培植水藻需要大量资金，而且，还需要将二氧化碳直接灌入藻类培植场。不过他认为，可以在不适宜耕作的土地上建立藻类养殖场，只要二氧化碳的来源能够得到保证。而很多时候，这两个条件不一定能够同时得到满足。

研究人员估计，要用上水藻类生物燃料，大概还需要5～10年时间。