基本介紹
- 中文名：纖維素生物燃料
- 原料：纖維素質材料
- 定義：是指通過生物資源生產的燃料乙
- 缺點：沒有足夠的耕地能夠滿足發達國
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纖維素生物燃料簡介
纖維素燃料
以纖維素質材料為原料製造的生物燃料，如富含纖維素、生長迅速的草本植物。將英文汽油 （gasoline）單詞中前綴“gas”去掉，引入“grass”（草），就組成了形象生動的專有名詞“草油”（grassoline）。可轉化為草油的原料有很多，從木材廢料（鋸木屑 、木質建築殘片）到農業廢棄物（玉米秸稈、小麥莖稈），再到“能源作物”。
生物燃料
生物燃料是指通過生物資源生產的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油製取的汽油和柴油，是可再生能源開發利用的重要方向。受世界石油資源、價格、環保和全球氣候變化的影響，20世紀70年代以來，許多國家日益重視生物燃料的發展，並取得了顯著的成效。中國的生物燃料發展也取得了很大的成績，特別是以糧食為原料的燃料乙醇生產，已初步形成規模。
生物燃料概述
美國科學家最新的研究成果顯示，作為目前套用最廣泛的兩種生物燃料，生物柴油和乙醇燃料儘管比化石燃料更加優越，但不可能滿足社會的能源需求。研究人員發現，即使美國種植的所有玉米和大豆都用於生產生物能源，也只能分別滿足全社會汽油需求的12%和柴油需求的6%。而玉米和大豆首先要滿足糧食、飼料和其他經濟需求，不可能都用來生產生物燃料。生物燃料並非大有可為，原因在於它的來源——農業是
一個高度耗水的行業，每年農業消耗掉的水資源高達70%，而這一切都只是為了節省不可再生能源——石油或煤炭的使用，卻沒考慮到生物能源在生產過程與運輸過程中消費掉的水資源、電能、石油等也是巨量的，生物能源的開發與利用可以說是人類拆東牆補西牆的愚蠢行為。
第一代生物燃料
以可食用作物為原料，主要包括玉米、大豆（美國）、甘蔗（巴西）。用可食用作物製造生物燃料是最簡單可行的，因為把這些可食用作物轉化為燃料的技術是現成的。
缺點 ：沒有足夠的耕地能夠滿足已開發國家10%的液態燃油原料需求。這種對糧食作物的額外需求還使2008年家畜飼料價格大幅上升，雖然沒有達到2007年媒體所預言的、近似歇斯底里的高價，但部分糧食價格還是有一定上漲。一旦將玉米生長、收穫及加工期間的所有排放納入經濟成本預算，第一代生物燃料顯然並不是我們所期望的、對環境安全具有積極影響的能源形式。
聯合國糧農組織的專家在2008年1月23日警告，世界急於開發和使用生物燃料，正造成玉米和其他糧食作物價格上漲，可能造成水源短缺的狀況進一步惡化，並可能導致貧困人群失去他們賴以生存的土地。
同年3月，聯合國食物權特別報告員齊格勒在紐約聯合國總部發表的上述評論旨在引起人們對這個問題的關注。他指出，這種考慮不周，匆忙上馬用玉米和蔗糖轉產生物燃料的做法將會導致災難。他說，這種把可耕地轉產生物燃料的做法是反人類罪行。他呼籲對這種做法實施為期5年的禁令。他認為，在這5年期間，技術進步可以利用農業廢料，如玉米芯和香蕉葉，而不是用穀物和果實本身來製造燃料。
生物燃料產量不斷增長，其中部分原因是人們急於尋找可以替代石油，對環境破壞較小的燃料。美國正在設法減少對政局動盪地區提供石油的依賴，但是這種趨勢導致糧食價格猛漲，因為美國農場主放棄種植小麥和大豆，而轉產玉米，以供乙醇生產。國際貨幣基金組織也警告說，全球用於生物燃料的穀物生產不斷增加有可能對世界貧困產生嚴重影響。
聯合國糧農組織認為第一代生物燃料
聯合國糧農組織認為第一代生物燃料第二代生物燃料
以纖維素質為原料，來源於農業廢棄物(如麥草、玉米秸稈、玉米芯等)、工業廢棄物(如製漿和造紙廠的纖維渣)、林業廢棄物和城市廢棄物(如廢紙、包裝紙等。原料作物耕作成本低（與每桶石油有等價能效的草油為10到40美元）、量大，更關鍵的是，這些作物的種植生產不會干擾和危及糧食生產。大多數能源作物能夠在不能用作農田的邊際土地上快速生長。還有一些能夠在被廢水或者重金屬污染的土壤中生長並淨化土壤。
與第一代生物燃料相比，第二代生物燃料具有非常大的優勢。首先，汽車發動機不需要改造就可以直接使用摻入了生物乙醇的汽油或柴油；其次，生產第二代生物乙醇的催化酶技術未來幾年成本還將快速下降，大規模工業生產的可行性非常強；第三，秸稈等纖維素類農業廢棄物大量存在，比如中國每年農業生產大約產生7億噸秸稈，供給非常充足。而且從長期來看，生產廢棄物還可以用來生產生物高分子新材料。
技術手段
及時手段有能量封印和依靠熱化學平台——熱解合成油兩種。
能量封印
自然界把纖維素賦予植物作為主要骨架結構，這種由葡萄糖分子緊密咬合併層層疊加的“腳手架”，為植物提供了抵抗重力和生物降解的支撐性架構。為了釋放纖維素里的能量，科學家必須先破壞進化賦予植物的這種異常穩定的結構。
一般來說，這種“解封”過程先要將固體生物質解構成聚合度更低的小分子物質，隨後將它們轉化成燃料。工程師一般採用控溫方式進行這種操作。低溫（50℃～200℃）情況下，生物質裂解產生的單糖可以被發酵成乙醇或其他形式的燃料，玉米及糖類作物（如甘蔗）採用的就是這種轉化方式。生物質在高溫（400℃～600℃）下會直接轉化為生物質原油（Biocrude），再經過提煉就可以成為汽油或者柴油。極端高溫（高於700℃）下，生物質會直接變成氣體並進一步轉化為液態燃料。
到目前為止，還沒人知道到底哪種方法能夠以最低的成本獲得最高的能量。或許不同生物質材料需要不同的處理方法。比如說木材廢棄物需要高溫處理，而低溫方式對草本植物更為適合。
熱化學平台——熱解合成油
生物質經高溫裂解生成合成氣（syngas），是目前技術上最有發展前途的研究熱點。合成氣是一氧化碳和氫氣組成的混合氣體，可以由任何含碳的物質製得。通過德國科學家於20世紀20年代發明的費托合成（Fischer-Tropsch synthesis, FTS），合成氣通常可以轉化成柴油、汽油或者乙醇。第二次世界大戰期間，德意志第三帝國（Third Reich）就利用FTS將德國的煤礦石轉化為液體燃油。多數傳統化石能源公司都擁有合成氣轉化技術，準備在汽油價格過高時將這種熱油轉化技術引入市場。
氣化是生產合成氣過程的第一步反應。生物質被裝入反應器中加熱到700℃以上，通入蒸汽或者氧氣，產生一氧化碳、氫氣和焦油的混合物。清除焦油後，將混合氣體壓縮到20～70個大氣壓，使它們通過一種專門設計的固體催化劑反應器生成液體燃料 （這種固體催化劑可以捕獲單獨的反應物分子，優先催化特定的化學反應）。合成氣轉化催化劑最初是為把天然氣及煤礦石轉化成燃油而開發的，但它也同樣適用於處理生物質。
前景
奧克拉大學已經培養出幾種高產量的柳枝稷。該校教授泰利亞費洛說：“柳枝稷的種子對野生動物特別是鳥類是有價值的，所以對環境也有好處。柳枝稷比其他的多年生草更容易種植，在無法種植玉米和其他作物的荒地上，柳枝稷能夠生長，只需要最低限度的肥料和水，柳枝稷就可以有很高的產量。”
美國有廣袤的土地供柳枝稷生長。如果柳枝稷能成為可替代燃料的來源，那么這種新燃料將是取之不盡的。
德國大眾公司等歐洲汽車製造商就與德國佛萊堡科倫工業集團開展合作，共同開發取自稻草或秸稈的第二代生物燃料，該工業集團年產2萬噸的“第二代生物柴油”項目已於2008年啟動。美國能源部通過資金支持國家可再生能源實驗室與企業合作，對纖維素催化酶進行最佳化，大大地降低其成本，使第二代生物燃料技術有望於2010年投入實現產業化和商業化，UOP公司等許多新能源企業紛紛組建第二代生物燃料生產廠。巴西石油公司則研究從秸稈、稻殼等農業廢棄物中提煉乙醇，並加緊生產廠的建設。從2007年開始，許多國家對第二代生物燃料的投入呈幾何數字增長。
關鍵技術是催化酶技術，酶是一種生物催化劑，可使生物化學反應在溫和的環境下進行得更加迅速、效率更高。新型酶製劑能將植物中的纖維素分解成可發酵糖，並進一步轉化為乙醇。就在幾年前，該技術的成本還比較高，這兩年來，隨著生物技術的不斷創新，其成本已經下降數倍，從而使第二代生物燃料越來越具有競爭力。新型酶製劑非常適合用秸稈這種大量存在的農業廢棄物來生產乙醇。
“生物燃料的使用對改變美國依賴石油進口的局面帶來了巨大的機會。”美國能源部能源效率與可再生能源部副部長亞歷山大﹒卡斯納(Alexander Karsner)先生表示。
存在問題
儘管該技術已經比較成熟，反應器的成本卻非常昂貴。2006年在卡達建立的、用FTS將天然氣轉化為液態燃油的工廠耗資16億美元，平均每天生產34,000桶液態油。如果一個生物質煉製工廠的投資達到這種規模，該煉製廠必須每天轉化5,000噸生物質，持續15到30年，才能生產足夠的燃料以收回投資。將這么多生物質集中到一個地點完成生產存在嚴峻的後勤和經濟性挑戰，所以合成氣技術的研究主要集中在如何降低投資成本方面。
按照能源部的新研究計畫，科學家們將關注如何使生物質的產出最大化，以及最佳化生產的過程——纖維材料降解到糖之後，最佳化發酵過程使糖轉變為乙醇。能源部研究計畫的核心是利用生物技術發展一個新能源工業：新能源產品能夠儲存和傳輸；能夠分配給現有的加油站等基礎設施；現有設施只需作適度的調整；能夠供給
