◎本刊主筆 劉國偉

必須做到碳中和 什么植物生產(chǎn)航空生物燃料最給力?

◎本刊主筆 劉國偉

為了遏制航空運(yùn)輸業(yè)的溫室氣體排放，開發(fā)和使用航空生物燃料已成為航空運(yùn)輸業(yè)界的共識。十余年來，航空運(yùn)輸業(yè)界在航空生物燃料的工藝和原材料方面努力探索，苦苦尋找最合適的原材料。

美國蒙大拿州的亞麻薺種植場

原材料選擇要考慮“碳中和”

2015年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的一份特別報(bào)告指出，到2050年，航空業(yè)的溫室氣體排放將從全球總排放的2%增加到3%。在這種大趨勢下，要實(shí)現(xiàn)2009年國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)的承諾（航空業(yè)2020年的碳排放量達(dá)到峰值不再增長，到2050年減少為2005年的一半），可謂壓力重重。至少在航空生物燃料的選材上，就遠(yuǎn)非易事。

首先，從航空燃料的特點(diǎn)來說，生物燃料必須滿足多個(gè)硬指標(biāo)：1.盡可能高的能量密度，也就是通常所說的“燒起來有勁兒”；2.潤滑指標(biāo)要好，使用后對發(fā)動(dòng)機(jī)部件不會(huì)造成額外磨損；3.“傾點(diǎn)”必須非常低，也就是在非常低的溫度下燃料仍然能夠保持流動(dòng)的液態(tài)，如此就不會(huì)因?yàn)楦呖諟囟鹊慕档投Y(jié)。

其次，要從生物燃料生產(chǎn)、加工和使用的全過程來衡量是否實(shí)現(xiàn)了減排，為此國際上引入了一個(gè)“碳中和”（又譯“碳中性”）的概念，也就是看一種材料的種植、加工和運(yùn)用在整個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)了溫室氣體排放的平衡。2011年美國麻省理工學(xué)院對14種航空生物燃料的來源進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)如果清除熱帶雨林后種植棕櫚，再用提煉的棕櫚油研制燃料，會(huì)使二氧化碳排放比之前多出55倍。這顯然是背離了減排的初衷。

再次，就是要避免出現(xiàn)大家熟知的“與人爭糧”局面。第一代生物燃料受到諸多指責(zé)，很大程度上是人們對“拿口糧當(dāng)油燒”的后果估計(jì)不足。2013年，美國用47億蒲式耳（1蒲式耳在美國等于35.238升）的玉米（該國總產(chǎn)量的40%），生產(chǎn)了130億加侖的乙醇燃料，此舉打亂了西半球的糧食供應(yīng)，引發(fā)了許多貧困經(jīng)濟(jì)體的不滿。因此，在開發(fā)航空生物燃料方面，以玉米、大豆等糧食作物為原料引發(fā)了許多爭議。

挪威著名環(huán)保組織貝隆納將航空生物燃料的原料劃分為四代，目前第二第三代在市場上占主流。

還有，就是原材料往往具有地域性，南橘北枳說的就是這個(gè)道理。所以，能進(jìn)入業(yè)界法眼的航空生物燃料原材料并不多。據(jù)挪威著名環(huán)保組織貝隆納的代際劃分方法，航空生物燃料的原材料來源可以分為4代：第一代就是大家常說的人類口糧（糖、棕櫚油、菜籽油等）；第二代包括秸稈、木纖維和廢棄物等；第三代是藻類；第四代是真正的突破所在，即太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)和高級藻類等，這些原材料在產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化工藝和價(jià)格等方面各有優(yōu)劣。

在第二代中，有一類被市場和研究機(jī)構(gòu)非常看好的材料來源，即制取非食用油脂的經(jīng)濟(jì)作物，下面我們先對其進(jìn)行介紹，然后再了解一下目前唱主角的第二類和第三類中的木纖維和藻類。

亞麻薺：不占用農(nóng)作物耕地

亞麻薺是航空生物燃料原材料中的后起之秀。這種一年生草本植物屬于十字花科，生于農(nóng)田或草地，高度從30厘米到80厘米不等，看起來并不起眼，在西伯利亞、中亞、日本、歐洲和北非等地區(qū)均有分布，我國境內(nèi)的內(nèi)蒙古和新疆北部也有生長。亞麻薺具有出苗快、抗寒、耐旱、較耐貧瘠、抗倒伏能力強(qiáng)和良好的抗病蟲草害等優(yōu)點(diǎn)，最突出的是含油量高（35%至38%），生長周期僅有80到100天，對肥料需求量低，能夠與小麥和其他谷物交替種植。2009年，美國密歇根理工大學(xué)對以亞麻薺為原料的航空燃油生命周期進(jìn)行測定顯示，其碳排放比化石燃料減少84%。

2014年，美國波音公司和南非航空聯(lián)合研發(fā)，用一種不含尼古丁的煙草種子來提取航空生物燃料。

亞麻薺的諸多優(yōu)點(diǎn)引起了歐盟的極大興趣。歐盟的航空生物燃料的原材料主要來自亞麻薺油和餐飲業(yè)廢棄油（國內(nèi)俗稱“地溝油”），歐盟目前的研發(fā)創(chuàng)新活動(dòng)就集中在航空生物燃油的商業(yè)化應(yīng)用上。考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性、生態(tài)環(huán)境友好型和原材料可持續(xù)，特別是不占用農(nóng)作物耕地，歐盟利用貧瘠荒廢土地分別在西班牙（總計(jì)超過1.5萬公頃）和羅馬尼亞（面積只有200公頃）建起了5座亞麻薺種植基地，在芬蘭建立起年產(chǎn)4萬噸的生物燃油煉制廠，已基本達(dá)到預(yù)期的盈利水平。

2011年9月，美國海軍航空武器試驗(yàn)中心在加州進(jìn)行航空生物燃料AV-8B飛機(jī)飛行試驗(yàn)。

就收成而言，根據(jù)天氣好壞和種植條件的不同，每公頃的亞麻薺年收成在500千克至2500千克之間。

亞麻薺油能在飛機(jī)上投入使用，這是日本航空公司（JAL）在2009年1月通過示范航班來證實(shí)的，該航班也是第一個(gè)使用3種可持續(xù)生物燃料原料組合的示范航班。在飛行中，飛機(jī)4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中的一臺(tái)使用了按照1比1比例混合的生物燃料和傳統(tǒng)燃料，其中的生物燃料實(shí)際上是三種第二代生物燃料原料的混合物：亞麻薺油（84%），麻風(fēng)樹油（16%以下）和藻類油（不到1%）。2011年6月，波音公司在巴黎航展上發(fā)布其747新機(jī)型時(shí)，所有4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都燃燒了來自亞麻薺的生物燃料混合物（占15%）。

美國軍方對亞麻薺制成的航空生物燃油也有著濃厚興趣。2010年，美國空軍和海軍先后在3種不同機(jī)型上使用了含有亞麻薺成分的生物燃油，證明使用此類生物燃油，能滿足軍用飛機(jī)的苛刻需求，說明亞麻薺制成的生物燃油在性能上是令人放心的。

2016年1月22日，歐盟首座生物質(zhì)航空燃油加油設(shè)施，在挪威奧斯陸機(jī)場投入商業(yè)化運(yùn)營，荷蘭皇家航空、德國漢莎航空和北歐航空成為第一批飛機(jī)生物燃油客戶。有報(bào)道稱，“生物燃油價(jià)格相對傳統(tǒng)燃油已基本具備平等競爭的能力”。

麻風(fēng)樹：二戰(zhàn)時(shí)曾用于做潤滑油

麻風(fēng)樹（桐油樹）是原產(chǎn)美洲熱帶地區(qū)的大戟科開花植物，是一種有毒的半常綠矮樹，耐旱性和抗蟲性很好，可以在許多國家的荒地上種植，不需要與糧食作物搶耕地。幼苗種下后，麻風(fēng)樹在3年后就達(dá)到產(chǎn)量高峰，每公頃的種子產(chǎn)量約有3.5噸，種子中含有27%至40%的油脂，提煉出來后有多種用途，早在二戰(zhàn)期間就被用于制成機(jī)械潤滑油。本世紀(jì)初，麻風(fēng)樹油作為生物燃料的潛質(zhì)被發(fā)現(xiàn)了，2007年高盛公司曾將麻風(fēng)樹作為未來生物燃料生產(chǎn)的最佳候選原材料之一。

目前，麻風(fēng)樹的規(guī)?；N植在很多國家和地區(qū)已經(jīng)展開了。全球最大的麻風(fēng)樹種植項(xiàng)目投資商“第一油（D1Oil）”公司是這方面的代表，該公司全球布局，在贊比亞種植了17.4萬公頃的麻風(fēng)樹，在印度約有500萬公頃的麻風(fēng)樹種植土地的交易選擇權(quán)，在布基納法索取得了99萬公頃麻風(fēng)樹種植土地的交易選擇權(quán)，此外該公司還在南非、中國、澳大利亞、新西蘭和加納等國家擁有種植園。

2008年12月底，新西蘭航空公司首次在波音747-400客機(jī)上使用了含有麻風(fēng)樹油的生物燃料，試飛完成后，發(fā)動(dòng)機(jī)被取下來由專業(yè)人員進(jìn)行仔細(xì)研究，最后確認(rèn)了這種航空生物燃料的安全性。

在我國，2011年10月28日是值得銘記的一天——中國國航使用現(xiàn)役波音747-400型客機(jī)加載由中石油與美國霍尼韋爾旗下UOP公司合作生產(chǎn)的航空生物燃料，在首都國際機(jī)場執(zhí)行了驗(yàn)證飛行，取得成功。飛行中使用的燃油是由麻風(fēng)樹油制成的生物燃料和普通航空燃油以1比1的比例混合而成。

木質(zhì)纖維素：“封印”巨大能量

這張來自荷蘭皇家圖書館的二戰(zhàn)時(shí)期的日本宣傳畫，畫面上方的口號意為“從種植到收獲，盡量好好照料麻風(fēng)樹，盡量多多收獲”。當(dāng)時(shí)，日本強(qiáng)制被占領(lǐng)的印尼種植麻風(fēng)樹以制造機(jī)械潤滑油。

麻風(fēng)樹適應(yīng)性非常強(qiáng)，能在碎石、沙土和鹽堿化土地上繁衍，果實(shí)產(chǎn)量很高。

美國阿拉斯加州，一位工人手捧木材加工后的殘留廢棄物，這些木質(zhì)纖維素是加工航空生物燃料的優(yōu)質(zhì)原材料。

亞麻薺、麻風(fēng)樹具有可集中生產(chǎn)的特點(diǎn)，但從種植成本和時(shí)間周期上看，它們都需要較大的資本投入。相比之下，量大價(jià)廉的木質(zhì)纖維素更有優(yōu)勢，既可將木質(zhì)廢棄物變廢為寶，又具有取材廣泛的優(yōu)點(diǎn)。有資料顯示，僅我國的農(nóng)林廢棄物儲(chǔ)量每年就達(dá)9.2億噸左右，如果其中40 %被充分利用，即可替代約4000萬噸石油。

但目前業(yè)界在獲取純凈的木質(zhì)纖維素方面，仍面臨技術(shù)瓶頸，這是因?yàn)樵煳镏鞯纳駚碇P，讓纖維素糾結(jié)在一起形成緊密的植物纖維，這種天然結(jié)構(gòu)把能量牢牢地“封印”在植物內(nèi)部。借助現(xiàn)代工藝，可以將被“封印”后的植物纖維結(jié)構(gòu)“暴力拆遷”，這個(gè)過程需要不菲的設(shè)備和技術(shù)投資。所以，當(dāng)前業(yè)界一邊在木質(zhì)纖維素的提取上做研發(fā)，一邊在尋找能集中使用的富含纖維素的、生長迅速的植物，于是，一種名為柳枝稷的植物進(jìn)入了研究者的視野。

柳枝稷是美國本土的一種多年生植物，生命力極其頑強(qiáng)，對生活環(huán)境不挑不撿，甚至能在礫石遍布的荒灘上扎根，在某些地方甚至被認(rèn)為是有害的野草。此外，柳枝稷的生長期很長，一次種植可以連續(xù)收獲10年左右。生長期內(nèi)無須刻意打理，投入的減少意味著成本更低，排放的溫室氣體也更少，很好地體現(xiàn)了“碳中和”的理念。柳枝稷具有大量的纖維素，整個(gè)植株中有約70%的成分由纖維素構(gòu)成，所以其作為生物燃料原材料的價(jià)值很大。

英國生物燃料網(wǎng)文章稱，要滿足當(dāng)前航空燃料的需求，需要種植270萬平方公里的麻風(fēng)樹，或者約81萬平方公里的谷物，或者6.8萬平方公里的藻類，相比之下藻類占地最小。

有研究表明，柳枝稷可以提高土壤質(zhì)量，因此有專家主張使用美國保護(hù)與儲(chǔ)備計(jì)劃的休耕地種植柳枝稷，一舉兩得。

在柳枝稷研究和開發(fā)方面，美國能源部生物能源技術(shù)辦公室（BETO）目前與美國國家實(shí)驗(yàn)室及私營企業(yè)合作研制生物燃料，用來當(dāng)飛機(jī)燃料或直接取代汽車中的汽油。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、聯(lián)合生物能源研究所和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室也聯(lián)手，對利用柳枝稷生產(chǎn)航空燃料的工藝進(jìn)行開發(fā)。

藻類：可充分利用鹽堿地

藻類被視為航空生物燃料的第三代原材料。這主要是因?yàn)樵孱惪筛咝Ч潭ǘ趸?，且可充分利用灘涂、鹽堿地等空間。英國生物燃料網(wǎng)報(bào)道稱，種植藻類所需的面積遠(yuǎn)小于糧食作物和麻風(fēng)樹，因此藻類資源的開發(fā)已成為近年來能源戰(zhàn)略領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)。

挪威環(huán)保組織貝隆納認(rèn)為，在海藻種植的知識和實(shí)踐上，歐洲落后于亞洲，但歐洲起步很快，僅僅在挪威，近年來就有18家公司在挪威西海岸的26處地點(diǎn)獲得了海藻企業(yè)的執(zhí)照。然而，美國的步子甚至更快。美國加州的“所樂諸酶（Solazyme）”公司，擅長在封閉的發(fā)酵池中種植藻類植物。2014年，所樂諸酶公司位于巴西的藻類工廠投入商業(yè)運(yùn)營。去年有數(shù)據(jù)顯示，該廠的產(chǎn)能達(dá)到了每年10萬噸。目前，投入藻類航空生物燃料開發(fā)的公司還有霍尼韋爾、索樂納和薩普海爾能源等。

在實(shí)際應(yīng)用方面，美國大陸航空公司2009年1月在波音737客機(jī)上使用了混合了藻類油和麻風(fēng)樹油的生物燃料進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，結(jié)果令人滿意。2011年11月，美國大陸航空公司利用藻類制取的生物燃料，完成了從美國休斯頓到芝加哥的商業(yè)飛行。

除了前面所述的原材料外，象草、海蓬子甚至煙草等也是業(yè)界關(guān)注的航空生物燃料原材料。許多專家認(rèn)為，現(xiàn)階段乃至很長一段時(shí)期，航空生物燃料不應(yīng)被視為石油基航空燃料的直接替代品，而應(yīng)被視為一種節(jié)能產(chǎn)品，這樣會(huì)更貼近現(xiàn)實(shí)。

放眼未來，航空生物燃料前途無限，但要想在天空上替代化石能源，各國在資本、技術(shù)、財(cái)稅政策和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面還有很長的路要走。

（本文參考了英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志、美國福布斯網(wǎng)、英國生物燃料網(wǎng)以及維基百科等的信息，在此一并致謝。）

本欄目責(zé)編/鄭挺穎 zhengtingying@vip.163.com