口袋K号24:绿色能源生物技术:生物燃料

什么是生物燃料?

生物燃料是由植物和植物源性资源制成的替代燃料。williamhill生物燃料主要用于运输。生物燃料有两种:生物乙醇和生物柴油。

生物乙醇作为道路运输车辆汽油替代品的主要燃料,主要由纤维素(淀粉)的糖发酵过程产生。主要来源于玉米和甘蔗。另一方面,生物柴油主要由油菜籽等油料作物生产。棕榈树,以及大豆(表1)。

表1:全球主要能源作物

国家

生物乙醇

生物柴油

巴西

甘蔗

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美国

玉米

索比安

中国

甜高粱

油菜籽,葵花籽

德国

甜菜

油菜籽,葵花籽

法国

甜菜

油菜籽,葵花籽

意大利

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油菜籽,葵花籽

加拿大

谷物

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泰国

木薯

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西班牙

甜菜

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丹麦

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油菜籽,葵花籽

捷克共和国

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油菜籽,葵花籽

澳大利亚

谷物,甘蔗

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资料来源:美国农业部,美国能源部,欧洲委员会。

为什么有生物燃料?

满足未来能源需求

预计到2025年,能源需求将增长50%。预计需求增长的大部分来自发展中国家。目前绝大多数能源都来自化石燃料,有限的,不可再生和污染资源。
巴西是世界生物燃料的领导者,目前30%的运输燃料来自生物质。此外,许多国家正在制定生产和使用运输用生物燃料的新举措(2;表2)。转向生物燃料以满足运输需求将减少对石油进口的能源依赖,并可能促进农村发展,为农民提供额外的收入来源。

表2。生物燃料生产,前12个国家,2004。改编自(2)。

国家

生物乙醇(十亿升)

生物柴油(十亿升)

巴西

十五

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美国

十三

零点一

中国

---

德国

零点零二

一点一

法国

零点一

零点四

意大利

---

零点三五

加拿大

零点二

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泰国

零点二

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西班牙

零点二

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丹麦

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零点零八

捷克共和国

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零点零七

澳大利亚

零点零七

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世界总量

三十一

二点二

一些国家已经制定了提高用于运输的生物燃料比例的目标:美国计划到2025年将30%的液态石油替换为生物量衍生产品(3);印度的目标是到2012年将生物燃料的比例从5%提高到20%(4);欧盟的目标是到2010年,接近6%的燃料来自生物质(4)。

减少温室气体排放

尽管对像全球气候这样复杂的事物的理解存在不确定性,有强有力的证据表明,人类活动排放的温室气体导致了严重的全球变暖。化石燃料和电力消耗是温室气体的主要来源。京都议定书(5)根据《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC),建立了一项国际协定,旨在将大气中的温室气体浓度稳定在一个能够防止人类对全球气候产生危险干扰的水平。

生物燃料的环境优势

生物燃料的主要环境优势来自于它们是碳中性的:它们燃烧时释放的二氧化碳最初是在生物质生产过程中从大气中提取的。导致零净温室气体排放。

生物燃料还可以减少挥发性有机化合物的释放,由于在汽油中加入乙醇使燃料混合物氧化,所以燃烧得更彻底。乙醇也不需要添加铅。此外,生物燃料是可生物降解和无毒的,这意味着泄漏比化石柴油泄漏的风险要小得多。

生物燃料的成本

生物燃料的成本不仅需要根据能源来源来估算,但也包括生物燃料生产和分配所需的能源/资源(6)。williamhill能源作物的生产需要土地,肥料,还有农机,生物燃料的发酵和蒸馏需要生物量和水。生物量生产对环境的影响包括增加土壤侵蚀,以及与化肥使用增加有关的污染,农药,除草剂。

然而,计算能效非常困难,因为我们还必须考虑用可再生能源替代化石燃料产品所节约的资源,williamhill不可再生资源。能源效率计算涉及许多关于能源作物种植方式的假设,收获和加工,以及保存哪些资源,williamhill这使得这些计算有争议(6)。

此外,生物燃料的成本最终也将取决于几个需要更好处理的参数,这些参数本身很难量化。其中包括:增加供应保障;对气候变化的影响;创造就业机会;扩大生物能源部门对土地需求的影响,以及这将如何影响其他土地利用,比如粮食生产和生物多样性保护。

生物燃料的成本也与化石燃料的成本密不可分,在未来的几十年里,这种情况很可能会持续下去。因此,目前,生物燃料生产的主要驱动力是政府政策。开发第二代多年生植物,木本能源作物,提高生物精炼厂的效率,可能会将经济平衡转向更具经济竞争力的生物燃料应用。

植物生物技术和生物燃料

美国农业部(USDA)估计每年需要10亿吨干生物量来替代30%的运输燃料和生物燃料(7)。根据美国农业部的一项研究,到2050年,这种生物量可以生产出来,在满足粮食需求的同时,技术也取得了切实可行的进步,纤维和出口需求。生物量主要来源于作物残余物和多年生能源作物的种植。

因此,生物技术面临的挑战是大幅提高作物产量,同时,发展具有适宜的化学和物理特性的作物,用于生产能源(8)。

提高植物产量

植物的生长可以通过提高光合作用中的光捕获效率来改善(8,9)。最成功的方法是将光合细菌的基因导入植物中,不影响植物特定基因活性水平的变化。因此,传统的育种技术不适合开发利用太阳能效率更高的作物。

同样成功的还有控制氮代谢的基因,蛋白质和DNA中的基本元素。谷氨酰胺合成基因(GS1)在杨树中的过度表达显著增加了树高(10)。进一步的策略包括延长植物的生长期,通过减少种子休眠,或者通过阻止或延迟开花,因为植物将大量的能量投入到制造生殖结构上,而生殖结构可以被利用到营养生长中。

提高植物对非生物和生物胁迫的保护

非生物胁迫是全球农作物减产的主要原因,平均收益率降低50%以上。由于受到虫害和病原体的攻击而造成的进一步损失。发展抗逆性增强的作物,为植物配置增强的抗虫、抗病能力,因此是众多作物改良举措的中心,通过传统育种和新的生物技术方法(11)。例如,转基因水稻过度表达叶绿体谷氨酰胺合成酶基因(GS2)显示对高土壤盐度的耐受性增强。这些举措将对工厂生产力产生根本性影响。

Bt棉利用土壤细菌thurengiensis的杀虫基因进行基因工程的一个品种是一个非常成功的例子,它是一种生物技术作物,具有提高的抗虫性。转基因产生一种蛋白质,使害虫幼虫瘫痪,包括棉铃虫和亚洲和欧洲玉米螟。根据最近的一项研究(12),英国电信棉花公司向采用该技术的国家的棉花部门贡献了81.2亿美元(2005年为8美元)。Bt棉花的经济贡献来自产量的增加和生产成本的降低。

优化生物燃料来源的化学和物理属性

转变为可再生生物质资源还需要开发一套符合所需化学和物理特性的能源作物。

生产生物乙醇,注意必须从植物谷物转向玉米炉子(干叶和干茎)。树木和多年生草,以及低成本的农业和城市废物。有几种方法可以提高生物质能源的生产效率。由于纤维素和木质素的生物合成是共同调节的,降低植物中木质素的比例也会增加纤维素(13)的比例。改变细胞壁的特性也可能是一种策略,以便于关键水解剂进入,从而更有效地释放糖类进行发酵。此外,需要进行研究以确定新的潜在生物量来源。

结束语:生物燃料之路

生物燃料可以在不影响全球粮食生产的情况下,以一种对环境负责的方式,以合理的技术发展,取代目前30%的运输能源需求(8)。当前做法,然而,不要让生物燃料在经济上具有竞争力,也不能优化能源利用和排放特性。

对于生物燃料在满足未来能源需求方面发挥重要作用,需要多学科的方法,生物学家的活动,农学家,工程师,整合了能源专家和政策专家。除了发展特定的高产能源作物外,影响,生物炼油厂的效率和可持续性有待提高。需要开展研究,以加强生物燃料(包括运输、能源和能源)开发的基础设施。分布,以及生产链)。以使生物燃料的生产在经济上可持续。商业化和政策支持对成功至关重要。

社会经济问题,例如土地管理实践和生物能源的选择,应谨慎处理,使生物燃料生产不会对粮食生产或生物多样性保护产生负面影响。

同样重要的是研究以明确诊断特定生物燃料的环境影响,就燃烧排放而言,根据所使用的特定生物燃料而不同;生产生物燃料所需的能源投入;以及能源作物生产过程中使用的化肥和除草剂的环境足迹。

工具书类

  1. 先进能源倡议。2006。美国能源部。http://www.whitehouse.gov/stateoftheunion/2006/energy/index.html
  2. 2005年可再生能源:全球状况报告。注释和参考伴随文件。21世纪可再生能源政策网。http://www.ren21.net/globalstatusreport/re2005_notes_references.pdf
  3. 国家生物燃料任务。印度能源与资源研究所。williamhillhttp://www.terin.org/projects/es/jatropha.pdf
  4. 欧盟生物燃料战略。欧洲委员会。2006。http://ec.europa.eu/comm/agriculture/biomass/biofuel/index_en.htm(欧盟/通信/农业/生物量/生物燃料/指数)
  5. 联合国气候变化框架公约京都议定书。http://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.pdf
  6. 收获生物质的潜力。2005、David J.特南鲍姆。环境。健康透视。2005十一月;113(11):A750-A753。
  7. 生物质作为生物能源和生物制品工业的原料:年供应10亿吨的技术可行性。2005。美国农业部(USDA)和美国能源部(DOE)。
  8. 生物燃料和生物材料的发展道路。2006。RagauskasA.J.等。科学311:484-489。
  9. 通过能量代谢的遗传调控提高茄科植物的产量。2005。Nunes Nesia.等…Bioch。S.T.33:1430~1434。
  10. 转基因杂交杨树谷氨酰胺合成酶过表达的现场试验中的生长改善。2004。井Z.P.等。新植物学家164:137-145。
  11. 工程植物对非生物胁迫耐受的最新进展:成就和局限性。2005。维诺克B.奥特曼a.Curr。op.生物技术,16:123-32。
  12. 转基因作物:全球经济和环境影响-1996-2004年前9年。2005。格雷厄姆·布鲁克斯和彼得·巴福特。Agbioforum第8卷,第2和3第15条。
  13. 多基因共转化对树木中多种木质素性状的组合修饰。2003。锂,L.等。PNAS 100:4939-4944。

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