第二代生物乙醇2015年有望真正实现商业化
2009-07-10 10:13:43   来源：经济日报   评论：0 点击：

  上月末，美国众议院以微弱优势通过了千呼万唤的《美国清洁能源安全法案》。新法案规定，美国到2020年时的温室气体排放量要在2005年的基础上减少17％。这一法案仍需要得到美国参议院投票通过和总统签署才能正式生效。

　　近来，美国政府开始重视发展清洁能源。今年5月初，美国政府宣布了一项高达18亿美元的支持生物乙醇发展的国家战略计划。其中，11亿美元将用于对生物乙醇的金融支持，对那些符合严格环保标准的生物乙醇生产企业，美国政府将提供金融支持，例如贷款担保等；另外的7亿美元将用于支持对第二代生物乙醇的研究开发。

　　当前，很多国家倡导第二代生物乙醇的研制与商业化，开发第二代生物乙醇的机构和工厂如雨后春笋般出现。作为国家能源战略多元化的重要渠道和应对全球气候变化的解决方案，第二代生物乙醇得到了不少国家政府的支持，美国、巴西、法国、日本等国纷纷采用减税、贷款担保或直接的财政补贴为生物燃料产业更快发展“保驾护航”。

　　与此同时，很多私人企业也在第二代生物乙醇的生产和应用中跃跃欲试。

　　今年年初，多家国际航空公司，包括美国大陆航空、新西兰航空公司和日本航空公司，都试飞了由第二代生物乙醇驱动的飞机，这些生物乙醇的原料取材广泛，包括亚麻荠、麻风树和海藻等植物。在试飞过程中，这些飞机都有一台发动机使用了50％的第二代生物乙醇和50％常规航油相混的燃料。据日本航空公司机师介绍，这台发动机与另外三台全部使用常规航油的发动机相比，性能没有发现任何不同。

　　不过，在如火如荼的试飞和各类政策支持之下，全球第二代生物乙醇的开发还未走出试验阶段，更没有实现大规模的商业规模生产。据业界专家估计，第二代生物乙醇的真正商业化要等到2015年。

　　即便如此，作为国际公认的在运输领域唯一可大规模替代石油和柴油的新能源，第二代生物乙醇得到了各方面的认可，各国致力于发展第二代生物乙醇的政策措施不断出台。

　　第一代生物乙醇

　　商业性有优势 环保性受质疑

　　第二代生物乙醇的开发刚刚起步，第一代生物乙醇却早已是相当成熟的技术。早在二战时期，人们就开始研制第一代生物乙醇。至今，经过几十年的发展，第一代生物乙醇已在一些国家占有不少市场份额。

　　现在各国一般将生物乙醇按一定比例掺入汽油中用作混合燃料，乙醇掺入汽油能让燃料变“绿”主要因为：一是提高了燃料的辛烷值，取代了污染环境的含铅添加剂进而改善了汽油的防爆性能，从而降低汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放；二是乙醇的含氧量高，掺入汽油后可以促进燃料充分燃烧，将原汽油中不能完全燃烧的部分充分燃烧，从而使油耗相应减少。

　　更为重要的是，由于生物乙醇的原料基本是植物，而植物是可再生的，用植物制造的生物乙醇，燃烧后产生的二氧化碳释放到大气中，通过光合作用又能促进新的植物生长，这样就形成了一个可再生循环系统。

　　生物乙醇不仅有这些技术优点，而且在实际的商业运作中也取得了成功。据清华大学新能源研究所副所长李十中教授介绍，去年11月中旬在巴西举行的国际生物燃料大会上，各国确认以目前的技术水平全球可以用生物乙醇替代10％的汽油使用（在2008年，第一代生物乙醇实际产量是5000万吨）。例如在巴西，现在销售的汽车90％都是灵活燃料汽车（Flexible Fuel Vehicle），这种车可以使用纯汽油或不同比例的汽油同乙醇燃料相混合的燃料，还可以使用纯乙醇燃料。灵活燃料汽车安装了造价便宜的电子感应器，用于分析乙醇与汽油的比例，然后自动调节发动机。现在巴西全国有35000个加油站提供乙醇燃料，汽油中至少含有25％的生物乙醇，是世界上惟一在全国范围内不供应纯汽油的国家。

　　从商业角度看，目前巴西的甘蔗乙醇成本为446美元／吨，其中原料成本为341美元／吨，加工成本105美元／吨。另外乙醇生产厂还可以用甘蔗渣发电，刨去这方面的收入，巴西乙醇制造商估算，只要国际原油价格不低于50美元一桶，甘蔗乙醇就很有价格竞争力。

　　另外，国际公认的生物能源产业另一大优势是，与化石产业相比，它能创造更多的就业岗位，而且投资相对较低。巴西生物乙醇产业已有数据显示，每生产一单位能源，生物乙醇产业提供152个工作岗位，石油产业提供1个，水电提供3个，煤炭提供4个。2007年，巴西燃料乙醇产业提供了76万个就业岗位，其中一半种植甘蔗，一半从事加工。

　　从国际范围来看，第一代生物乙醇是在交通运输领域唯一已部分替代传统化石燃料使用的新能源。2007年，美国生产玉米生物乙醇1950万吨，进口132万吨，替代了4.5％的汽油；巴西生产1749万吨燃料乙醇，替代了国内50％的汽油；欧盟2006年生物燃料使用量为538万吨油当量（生物柴油428万吨，生物乙醇125万吨），占运输燃料消耗的1.8％。

　　然而，本世纪以来，一些科学家开始质疑，在生产和运输过程中，第一代生物乙醇耗费的化石燃料和排放的温室气体一点也不比传统能源少。但这种论点并没有得到大多数科学家和国际能源机构的认可。不过一个不争的事实是，一些区域为了种植经济性更好的生物乙醇原料，砍伐了不少热带雨林，背离了发展生物乙醇的初衷。

　　随着2008年全球粮食价格的上涨，人们开始把第一代生物乙醇当作粮价上涨的原因之一，尤其是以玉米为原料的第一代生物乙醇，被指责为“与人争食，与粮争地”。

　　第一代生物乙醇产业的继续发展面临环保性和道义上的双重质疑。

　　发展第二代生物乙醇，期待技术突破

　　商业化之路任重道远

　　然而，第二代生物乙醇虽然具备了种种优点，但仍受制于当前的技术与成本。

　　在技术方面，“虽然解决了原料问题，但第二代生物乙醇还是遇到了巨大的挑战。”丹麦科技大学环境和资源系方成博士解释说，“因为原料是木质，或是纤维架构，许多单糖被木质素和纤维素结构锁住无法释放出来，大大地影响了发酵的效率，从而降低了生物乙醇的出产率。现今的生产工艺一般都需要对原料进行预处理，再用纤维素降解酶将纤维素结构切断，释放出发酵所需要的糖，或者蒸汽加热进行预处理。这些释放出来的糖进一步发酵产生乙醇，后续的步骤则跟第一代生物乙醇的工艺相同。”

　　以秸秆为例，其中主要含有三种成分：纤维素、半纤维素和木质素。李十中教授介绍说，其中纤维素含量达到了40％，要把纤维素乙醇转化为葡萄糖，需要找到合适的酶，这是技术难点之一；而半纤维素因为结构比较松散，可以很容易转化为木糖，但如何将木糖转化为乙醇，目前也是技术难点。

　　要把纤维素和木质素分解成可直接用于转化燃料的单糖，传统的化工方法效果有限而且成本昂贵，人们只有求助它在自然界中的生物“克星”：能分解纤维素的酶。

　　现在，全球很多研究机构和生物公司都在进行纤维素破解工作。作为世界上工业酶制剂生产的最大厂商，丹麦诺维信公司目前正致力于寻找到这种“合适的酶”。

　　诺维信公司（中国）沟通经理朱晓青告诉记者，寻找到“合适的酶”并不是一件容易的事。首先，这种“合适的酶”并不是某种单一的酶，而是像“分层的鸡尾酒”一样，是不同成分的酶的组合。酶，是微生物在新陈代谢时排出的一种物质。自然界微生物生产出的酶，很难正好符合纤维素分解时需要的“分层鸡尾酒”似的比例要求，而诺维信发现，可以先通过确定制造纤维素乙醇所需要的酶的基因片段，然后到自然界去寻找相应的基因片段，把它们加入基底，得到一种合适的微生物。这种微生物所生产出的酶就是适合制造纤维素乙醇的酶。

　　朱晓青解释说，“目前第二个难题是纤维素结构很稳定，打破它的分子链也需要‘合适的酶’。比如破解玉米秸秆，即使是同一块田地生长出来的，对于不同年份的玉米秸秆，也需要不同的‘合适的酶’来破解。实验室与大规模商业生产之间的差别就在这里。业界的目标就是把酶的选择性降到最低，能够把酶变成像抗生素一样‘广谱’，这样酶的成本才能大幅下降。”

　　现在第二代生物乙醇的生产成本约为3.02—3.79美元／加仑，根据国际能源机构的预测，随着技术进步，第二代生物乙醇有望在2020年左右实现商业化生产，那时的成本将降至2.08—2.27美元／加仑。

　　诺维信全球总裁Steen Riisgaard将这个时间表推前到了2015年前后。他日前表示，如果届时油价维持在80—120美元一桶，即使没有任何政府补贴，第二代生物乙醇也会具备市场竞争力。

　　总之，技术进步是第二代生物乙醇未来商业化的关键。举个例子来说，在第二代生物乙醇的生产中，酶制剂的成本占到总成本的20％到30％，因此从商业角度来看，酶是成本控制中很关键的一环。生物乙醇的整个商业链条，包括原料的搜集和运输、预处理、酶作用水解、发酵得到纤维素乙醇，然后将乙醇与石油混合并在终端销售。朱晓青说，“在整个过程中的成本里，如果仅酶制剂这一环节的成本就达到20％—30％，显然是偏高了，因此，诺维信未来的目标就是把酶制剂成本降下来。”

　　目前，诺维信正在全球多个地方实施第二代生物乙醇量产的尝试，希望通过技术突破把酶制剂成本降下来。诺维信今年年初投资1.6亿美元在美国内布拉斯加州建立了一个纤维素酶工厂。在中国，诺维信与合作伙伴中粮集团以及中国石化集团签署了三方合作开发第二代生物乙醇的合作框架协议。据诺维信中国区总裁柯铭介绍，这项合作协议的签署意味着纤维素乙醇从原料搜集、运输、纤维素乙醇生产、汽油混合、分销到最终加油站这条完整产业链正在中国市场上形成。

　　由于第二代生物乙醇的环保性、对国家能源战略安全的意义以及可以促进农民增收和社会就业，不少国家已将其纳入国家能源战略发展规划之中。

　　美国也计划在2022年实现年产360亿加仑的生物乙醇。美国环保署预计，到2022年，美国将会年产160亿加仑第二代生物乙醇（纤维素乙醇）、150亿加仑的第一代生物乙醇、40亿加仑的高级生物燃料和10亿加仑的生物柴油。美国环保署署长Lisa Jackson说，美国的新能源目标是寻求一种渐进的改革，即逐渐从以玉米为原料的第一代生物乙醇转变到第二代生物乙醇上来。

　　欧盟则提出，到2020年在欧盟能源的总消费中，可再生能源要占20％，每个成员国的运输燃料中生物燃料要达到10％。

　　第二代生物乙醇

　　环保性能优越 商业潜力巨大

　　正是基于对第一代生物乙醇存在严重缺陷的反思，从学术界到产业界，对于第二代生物乙醇的研究应运而生。第二代生物乙醇，与使用粮食作为原料的第一代生物乙醇不同，它不以粮食为原料，而是以农业废弃物或非粮作物为主要原料。第二代生物乙醇原料的主要来源有三种：一是农业残留物，如玉米秸秆；二是林业残留物，如木屑；三是能源作物，如柳枝稷等。

　　这些外表毫不起眼的原料，不仅来源广泛，而且很多可以在干旱、贫瘠的土壤上种植，第二代生物乙醇已经成为许多国家开发生物燃料的新宠。许多国家因地制宜，将海藻、柳枝稷、麻风树、松子、蓖麻等非粮作物或者咖啡豆残渣、玉米秸秆、稻壳、甘蔗渣等农业废弃物作为第二代生物乙醇的原料。

　　“第一代生物乙醇的底物通常是植物中的糖，通过发酵得到乙醇，过程类似于啤酒或红酒的发酵过程。第一代生物乙醇所用的原料一般来自农业作物，较为常用的是甘蔗、玉米、小麦和甜菜这些富含糖的农作物。”丹麦科技大学环境和资源系的方成博士介绍两代生物乙醇不同之处时说，“第二代生物乙醇使用的原料则不直接来自农作物及食品，而是来自于农作物的残渣，比如农作物的枝干、叶片、麸皮这些不能被食用的部分，原料甚至可以来自木屑、果皮和水果残渣，或者不做食品用途的作物，比如种植成本低且附加值高的经济作物，如茅草、麻风树等。”

　　除了原料来源广泛，并且不“与人争食，与粮争地”外，研究表明，第二代生物乙醇在环保方面远较第一代出色。为了完整科学地计算一种新能源的环保性，对于生物乙醇，需要计算在其整个生命周期中所能产生的能量和所消耗的能量孰大孰小。而生命周期指的是生物乙醇在生产和运输过程中耗费的能量，以及因为要种植原料而被砍伐的森林所本来能吸收的温室气体。根据美国政府标准，对于第一代生物乙醇，要求达到温室气体减排20％的指标（与同等功率的化石燃料相比较）；对于第二代生物乙醇，则要求达到50％到60％的温室气体减排指标。可见第二代生物乙醇环保性能之突出。

　　李十中教授还介绍说，2004年美国国家能源委员会曾从资源丰富性、二氧化碳减排性、与基础设施相容性、2020年与汽油的竞争性四个方面与氢能、玉米乙醇、秸秆乙醇和生物柴油作了对比，结论显示出了秸秆乙醇（第二代生物乙醇）的巨大优越性。