欢迎来到中国化学会官方网站!

新会员申请 | 登录会员中心 | 关于我们

所在位置:中国化学会 > 期刊/书籍 > 书籍 - 用阳光驱动世界 - 第二章 获取生物质储存的太阳能
用阳光驱动世界 - 第二章 获取生物质储存的太阳能

  在CS3的第2次会议上所做的开场报告中,英国伦敦帝国学院的詹姆斯∙巴勃博士把植物描述为一个已经工作了25亿年的由光合作用所驱动的“宏观反应容器”。没有光合作用,地球上就没有植物,也没有储存于地球表面的丰富的化石燃料。也就是说,不能像植物今天所做的那样把太阳能转化为碳水化合物。当许多国家已经着手开发这个已存的自然转换太阳能的丰富资源时,对于由植物生物质驱动的燃料(“生物燃料”)可以满足世界能源需求到什么程度的问题是有着明显的不确定性和疑问的。多数CS3有关生物燃料的讨论涉及到这个不确定性以及改进生物燃料生产的途径。本章总结了这些讨论。

生物燃料是解决办法吗?

  CS3与会代表同意,生物质并不是全球能源挑战的一个完全的解决办法。如巴勃解释的那样,它的用途受到2个相关因素的限制。首先,相对来说,自然界的光合作用是一个效率不高的过程,大多数植物最多能把所吸收的太阳能的不超过约4.5%转化为碳水化合物燃料(巴勃报告之后,对最优的约4.5%进行了一些讨论,一些CS3的与会者认为,大多数植物的太阳能转化效率要低得多。不仅是辐照在植物上的阳光被反射掉[因而没被吸收],而且在很高的光强下,光合作用过程变成饱和了。巴勃解释说,4.5%是最大值,太阳能的转化效率是随时间和植物而变化的。例如,在植物的迅速生长期的一定时间,其累积生物质更快,把光能转化为化学键的效率要高得多。此外,在简单的给定光的数量下,一些植物因它们的基因组成而要比其它的一些累积更多的生物质。)。在生物燃料可以变为一种更广泛的实际解决办法之前,生物质谷物的太阳能转化效率需要通过例如基因或生物化学工程来改善。

  其次,燃料生物质需要土地。光能转化为地球上的生物质的化学键的速度等价于每年约100兆兆瓦-小时(TWh ),这个值并不很高。他说:期望在2050年能够把地球上1/3的土地生物质收成下来以用于生物燃料的生产是不现实的。再说,即便如此,这还需要改善燃料生物质的太阳能转化效率。

  尽管生物燃料的生产也许不是解决全球问题的实际办法,但CS3的与会者还是同意:生物燃料的生产在某些情况下可以作为一个局部或地区性的好办法。例如,巴西在过去几十年中已经成功地把糖甘蔗(Saccharum sp.)转化为生物乙醇。今天,从糖甘蔗衍生出来的生物燃料为巴西提供了约1/3的能源,在巴西销售的约一半的汽车都使用生物乙醇和汽油的共混物来开动。另一方面,在美国,对生物燃料(大多是玉米基(Zea mays)生物燃料)的使用还仅占全国能源需求的约3%。美国能源部已经预测,这个数字到将来可能增加到30%,但巴勃对这个预测有一些疑问。比如,对于是否有足够可以利用的土地物质能达到生物燃料生产所需的水平。

  不论生物燃料的生产是否是解决全球问题的实际办法,生物乙醇的生产在全世界还是在增长。例如,巴勃介绍的北意大利塑料公司已经证明,每公顷收获5~10吨的干物(冬、夏两季各种1次),预计可以生产约1吨的生物乙醇。巴勃强调指出,公司的底线并非效率,而是成本和是否赢利。在这种情况下,公司已经决定他们可以种植的生物质的数量和把它转化为生物燃料的速度,以赚取足够的利润。(在巴勃报告之后,有人对生产1吨燃料是否太乐观、肥料和水的数量以及收割所需要的能源是否都已经在计算中考虑提出了疑问。巴勃声明,公司已经考虑了这些因素。他指出,未来的生物燃料谷物有望对能量的需求比今天使用的更少。)

  在巴勃报告之后,对于在能源领域生物燃料不是全球解决办法但它仍然具有独特作用的说法有些评论。美国卡罗拉多国家再生能源实验室(NREL)的马克∙戴维斯(Mark Davis)博士对它们作为运输应用的液体燃料的适合性进行了评论。他说,其它的太阳能技术,如光伏(PV)电池,在电力生产中将可能更为占优势,但难以设想把PV电池和一些其它的今天正在开发的技术用来生产液体燃料。德国穆尔海姆的马普学会碳研究所的费尔迪∙舒特(Ferdi Schüth)博士提到,对于生物燃料可以帮助来满足世界的能源需求的程度的许多说法过于夸张,虽然很大程度上未来的能源系统将可能是以电力为基础的,但一些仍将是以材料为基础的,生物质是最容易获得的材料基燃料。

改进生物燃料生产的途径

  为了优化生物燃料的生产并在可以与石化燃料竞争的规模上生产生物燃料,该领域应如何向前推进呢?巴勃也对此展开了讨论。最重要的是,由于燃料生物质常常要与用于食物的谷类争地,科学家们已经提出采用农业的纤维生物副产品替代食物本身来生产生物燃料。但是,为了把生物燃料的生产从以食物为基础变为用纤维为基础,科学家们需要开发“能源谷物”(即非食用植物)和新的生长与收割这些谷物的农业经济实践。例如,许多化学家正在研究采用一种高产的牧草Miscanthus替代玉米(或其它的食用谷物)来作为生物燃料源。此外,化学家们需要开发更好的有机和合成催化剂以把纤维素转化为简单的糖并把这些简单的糖转化为燃料产品。如巴勃所解释的那样,纤维素的结构非常复杂,很难破坏。一些化学家正在接近于解决这个问题,他们通过考察白蚁和其它害虫中的天然酶并对那些同样的酶是否可以用于能量转换体系进行了试验。

  在巴勃报告之后进行的讨论中,戴维斯对于在生物质转化的开始(把多糖破碎为更小的分子)和终端(把这些小分子重新构建为燃料产品)的过程中需要催化剂、更好的催化剂将减少在打断和构建化学键时需要的能量的提法表示同意。戴维斯在评论中还指出,为降低生物燃料的生产成本,需要对化学工艺进行改变,从而使生物燃料的成本降低。总之,采用不同类型的谷物(例如,用Miscanthus来替代糖和玉米)、开发更好的收割技术和改变某些化学工艺步骤都将降低成本,从而使生物燃料的生产对石化燃料更具竞争力。

  作为正在进行的构建更好的生物燃料转化用催化剂的一个例子,日本东京工业大学的原道一(Michikazu Hara)博士介绍了他的研究小组正在进行的用颗粒基和碳基固体酸催化剂把纤维素转化为糖的工作。与其它酸催化剂不能重复使用和反应完全之后必须被分离以及作为废物处理掉不一样,他们的固体酸可以在其后的反应中重新使用。

  大多数CS3对生物燃料的讨论聚焦于土地生物质,不过,中国科学院植物研究所的黄芳博士介绍了她的研究小组采用微藻(microalgae)作为燃料的生物质源的实验。

能源是一个系统水平的课题

  戴维斯对生物燃料生产成本的讨论引出了有关考察生物质到生物燃料转化的全生命周期的重要性的讨论。那就是,生产生物燃料需要多少能量?哪一步能量损耗最大?哪里可以改进?即使在巴西,生物乙醇已经广泛使用了几十年,但生物乙醇的全生命周期仍然不清楚。CS3的与会者同意,并不仅是生物燃料需要考虑全生命周期,在所有的太阳能技术中都需要考虑一个能量转化过程的全生命周期。例如,即使对于人工光合成,对其技术的成熟而言,重要的是不仅要考虑能量输出而且要考虑构建器件和执行过程所需要的能量。不过,戴维斯强调,在对太阳能转换技术的生命周期和系统水平的分析评估时需要十分小心,因为结果高度取决于哪些因素被考虑和分析的假设是什么。许多生物燃料的生命体系分析是基于从玉米衍生出来的假设,它涉及十分高强度的农业实践。如果在对不是从玉米得到的生物燃料进行评估时采用同样的假设,那么结果也许就并非是它们应有的那样了,因为这种生物燃料并不是能量集约的。

生物燃料的使用

  德国亚琛技术与大分子化学研究所的瓦尔特∙莱特纳博士引出了不仅把生物质作为燃料来源而且作为附加值的来源的讨论。他指出,生物质可以生产出其它任何材料所不能生产的产品。生物质已经经常被用来生产高价值的碳基化学品,如作为润滑剂和医药工业中的高电解质油。他重申:除了在某些地区之外,还不清楚从糖甘蔗和玉米得到的乙醇“第一代”生物燃料和从向日葵和大豆得到的生物柴油是否是一个可持续发展的解决办法。由于那些如巴勃和戴维斯所讨论的使用液体纤维素作为原料库的“第二代”生物燃料有更高的能量含量以及其它一些因素,因而它们将是一个更好的选择。但是,即便如此,它们仍然不是一个全球的解决办法。因此,他呼吁应该考虑“第三代”生物质转化途径,其一是他们研究所的科学家们已经采取的把生物质转化为具有附加值的产品。这些产品可以包括燃料,也包括化学品、润滑剂、药物以及用其它技术不能生产的其它产品。
 

获取已经存在于自然界的太阳能

从非作物生物质衍生出来的生物燃料使得人们可以容易地从自然界已经转化到植物质中的太阳能的巨大宝库中获取能量。在生物燃料可以变成可承受、可持续发展的能源而被广泛使用之前必须要做到什么呢?在CS3的总结会上,大家认定下述是最紧迫的科学挑战之一:
开发能够用来创制更多生物质的生物化学方法; .
开发改进生物质转化效率的催化过程。 .

中国化学会秘书处

地  址:北京市中关村北一街2号
联系电话:+86-10-82449177
邮政编码:100190


传  真:+86-10-62568157
网  址:http://www.chemsoc.org.cn


个人会员:qiaoqinzhao@iccas.ac.cn
学术交流:cmdeng@iccas.ac.cn
国际事务:hanlidong@iccas.ac.cn
化学竞赛:wlbai@iccas.ac.cn


学术奖励:yuehe@iccas.ac.cn
期  刊:haolinxiao@iccas.ac.cn
单位会员:wangyr@iccas.ac.cn
产学研合作与促进:binjiao@iccas.ac.cn


All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society 中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

门户网站、会员系统、会议系统 技术支持:深圳市学术科技有限公司 www.szac.cn