微藻有望破解能源危机

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海洋微藻有望破解“后石油时代”能源危机

海藻也能榨取柴油,听起来匪夷所思,但这决不是天方夜谭。“在显微镜下,它就像一个油葫芦,比油菜籽、花生的含油量高7至8倍,比玉米高十几倍。”山东省科技厅副厅长、山东海洋工程研究院院长李乃胜说。

目前,驻鲁的海洋专家已经在实验室取得了初步成果,培育出的富油微藻,最高含油比已经达到68%,并在此基础上制取生物柴油。有专家认为,海洋微藻的能源化利用,有望成为“后石油时代”破解能源危机的一把钥匙。

据了解,山东有十几个课题组在从事微藻研究,已发现、筛选、培育几十个富油藻种,并开始运用基因工程技术来改造藻种。还有一些技术力量正在进行微藻生物柴油制备技术的研究。

    14%的盐碱地种微藻可满足全国一半的用油需求

我国从1993年起已经成为一个石油进口国。进口原油不但用去大量外汇,而且主要从局势不稳定的中东地区进口,一旦有突发事件发生,就会造成石油供应减少或中断,将严重威胁国家安全和国民经济的发展。

“从国家发展的战略高度考虑,寻找可再生资源已成为当务之急。”中国海洋大学教授管斌认为,利用藻类生物质生产液体燃料,对缓解人类面临的粮食、能源、环境三大危机,有着巨大的潜力,对于减少对石油的依赖、保证国家能源安全具有深远意义。

据了解,我国的有机碳组成中,海洋藻类占了1/3,藻类是一种数量巨大的可再生资源,也是生产生物质能源的潜在资源,其中微型藻类的含油量非常高,可以用于制取生物柴油。

中科院海洋研究所专家韩笑天说,利用微藻生产生物能源具有潜在的应用前景。微藻能够有效地利用太阳能,通过光合作用固定二氧化碳,将无机物转化为氢、高不饱和烷烃、油脂等能源物质;而且微藻生物能源可以再生,燃烧后不排放有毒有害物质,对大气二氧化碳没有净增加。

“微藻是未来重要的可再生能源之一。”中国海洋大学教授潘克厚说,微藻的种质资源丰富,不会因收获而破坏生态系统,可大量培养而不占用耕地;另外,它的光合作用效率高,生长周期短,倍增时间约3至5天,有的藻种甚至一天可以收获两季,单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍。而且微藻脂类含量在20%至70%,这是陆地植物远远达不到的,可用于生产生物柴油或乙醇,还可望成为生产氢气的一条新途径。

微藻的产油效率相当高,在一年的生长期内,一公顷玉米能产172升生物质燃油,一公顷大豆能产446升,一公顷油菜籽能产1190升,一公顷棕榈树能产5950升,而一公顷的微藻能产生物质燃油95000升。

据专家介绍,微藻的个体小,木素含量很低,易被粉碎和干燥,用微藻来生产液体燃料所需的处理和加工条件相对较低,生产成本低。而且微藻热解所得生物质燃油热值高,平均高达33MJ/kg,是木材或农作物秸秆的1.6倍。

潘克厚说,微藻在生长过程中还可利用废弃二氧化碳,从而与二氧化碳的处理和减排相结合,国外已经有利用发电厂排放的废弃二氧化碳生产微藻的尝试,占地1平方公里的养藻场一年可以处理5万吨二氧化碳。

中科院青岛生物能源与过程研究所生物制氢团队负责人郭荣波说,微藻比植物有更高的光能转化效率,据估计,微藻生物质产量可达到陆地植物的300倍。而且微藻生长的适应性强,海水、淡水都可以养殖,微藻农场可设于任何地点,可以在盐碱地、粘土地、滩涂以及浅海、湖泊养殖,不与粮争地,不与人争粮。“我国盐碱地面积达1.5亿亩,如果用14%的盐碱地种植微藻,在技术成熟的条件下,生产的柴油量就可满足全国50%的用油需求。”

专家们认为,我国在薯干、玉米等发酵生产酒精技术上已比较成熟,但每生产一吨酒精需要3吨粮食作为原料。如果每年生产一千万吨酒精,就需要三千万吨玉米,这比我国玉米生产基地吉林年产量还要大。随着可利用的土地不断减少,在世界范围内,粮食供给越来越成为影响人类生存的大问题,如果每年生产几千万吨酒精,都以粮食为原料,显然是不可能的,而利用微藻来制取酒精和生物柴油,显然是“一举数得”。

    微藻制油已为日美等国关注

美国从1976年起就启动了微藻能源研究,研究以化石燃料产生的废气生产高含脂微藻。这一计划因为研究经费精减、藻类制油成本过高,而于1996年中止。但是,美国的科学家已经培育出富油的工程小环藻,这种藻类在实验室条件下脂质含量可达到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高3至12倍),户外生产也可增加到40%以上。这为未来研究提供了坚实基础。

2006年11月,美国绿色能源科技公司和亚利桑那公众服务公司在亚利桑那州建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相连接的商业化系统,成功地利用烟道气的二氧化碳,大规模光合成培养微藻,并将微藻转化为生物“原油”,其产率可达到每年每英亩提供5000至10000加仑生物柴油和相当量生物乙醇的水平。

2007年,由美国能源部圣地亚国家实验室牵头,美国国内十几家实验室和上百位科学家组成的联盟宣布了由国家能源局支持的“微型曼哈顿计划”,计划在2010年实现微藻制备生物柴油的工业化。美国能源局计划在各项技术全面进展的前提下,将微藻产油的成本于2015年降至2至3美元/加仑。

2007年3月,以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收二氧化碳,转化太阳能为生物质能的技术,在离电厂烟囱几百米处的跑道池中规模培养海藻,并将其转化为燃料,每5公斤藻可产1升燃料。

据中国海洋大学教授潘克厚等海洋专家介绍,在微藻产乙醇方面,美国也已开发出利用微藻替代糖来发酵生产乙醇的专利,目前还没有工业应用;日本两家公司联合开发出利用微藻将二氧化碳转换成燃料乙醇的新技术,计划在2010年研制出有关设备。

    微藻制油应列为国家工程

鉴于微藻的重要能源价值以及世界各国能源微藻研究的进展,有专家建议,我国应立即启动微藻产乙醇、产油技术的研究,对微藻产氢也要注意跟踪动态,作好长远计划。

我国在能源微藻基础研究方面有很强的力量:南北众多高校和科研院所承担了多项国家及省部级微藻分类、育种和保存技术研究,拥有一大批淡水和海水微藻种质资源;另外,大连化物所等单位在产氢微藻,中国海洋大学、清华大学等单位在产油微藻方面具有一定工作基础;我国在微藻大规模养殖方面走在世界前列,养殖的微藻种类包括螺旋藻、小球藻、盐藻、栅藻、雨生红球藻等。

从事这一研究的专家建议,利用微藻制取生物柴油,具有重要的政治、经济、科学意义,国家对此应加大科技支持力度,使之上升为国家项目。微藻制油需要国家立项支持,科技部、发改委、财政部、能源局等部委在科技立项时,要向微藻制油倾斜。

其次,尽快依托驻在青岛的海洋科技力量,建立能源微藻研究的国家重点实验室。山东汇聚了我国海洋科技力量的半壁江山,拥有一支海洋科技领域的“国家队”。近期山东打算整合几个海洋院所的科研力量,形成一个技术平台,争取在藻种筛选、培育上有所突破,建立一个富油藻种库。

第三,动员感兴趣的企业研究微藻制油的自动化设备,对愿意利用微藻生产柴油的企业,出台鼓励政策,尽快促成微藻制油的产业化。(王海鹰)

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