石油资源逐渐衰竭，原油价格节节攀升，全球变暖和环境污染日益凸显，促使人们不得不去寻找可以替代石油的可再生清洁能源。生物质能源就是世人寄予厚望的替代能源。然而，生物质能源也是一把“双刃剑”，本文辩证地阐述了乙醇燃料从用玉米和甘庶等粮食作物发展到用纤维素和水藻作原料的渐进过程，从一个侧面展现了生物质燃料的发展趋势和应用前景——
生物质燃料的复兴
当达罗·弗朗奇蒂(Dario Franchitti)驾驶着670匹马力的In-dy500跑车在2006年印第安那州举行的赛车会上获得冠车时，这位奔放的苏格兰人在体育运动史上写下了一个奇特的脚注———成了第一位用纯乙醇作燃料赢得了美国传统赛车比赛大奖的人(一种用玉米制成的辛烷含量高的燃料)。为此，美国中西部地区的农民和支持者希望，作为替代品，这种生物质燃料将取代汽油成为美国人喜爱的汽车燃料。
作为一种标志，生物质燃料的支持者们认为，可再生的乙醇燃料不仅可以提升较为单一的乡村经济的活力，还可以帮助人们逐渐摆脱对石油的依赖，进而减少二氧化碳的排放。从理论上讲，生物质乙醇燃料产生的碳来自大气，即在植物的生长过程中被其吸收，其二气化碳的吸收和排放是平衡的。
但环境保护论者发现，生物质燃料在为一些农民和企业带来巨大经济利益的同时，对改善环境的贡献却微乎甚微。因为种植玉米需使用大量的除草剂和氮肥，要比其他作物对土壤造成的侵蚀更大;而用玉米生产乙醇则要消耗掉几乎与乙醇本身所能取代的同样多的矿物燃料(目前而言，用大豆制造生物质燃料的情况稍好一些)。环境保护论者还担心，利益的驱动会刺激农民去开垦为保护土壤和野生动物而保留着的未开垦的大约3500万公顷的土地，将更多的被“封存”在这些土地中的碳释放出来。
另外，近年来由于生产生物质燃料的热潮已将玉米价格抬高到多年未见的水平，同时也创下了玉米产量的新高，其中约有1/5的玉米被用来制造乙醇(是5年前玉米总产量的两倍)。然而有人作过统计，即使将所有的玉米都用于制造生物质燃料，其所能替代的也仅仅是汽油的12%和柴油的6%，同时还会造成靠玉米和大豆喂养的牛肉、猪肉和家禽供应量的减少，更不用提早餐玉米片了。
但是，可再生能源作物的诱人前景，不得不使人为之心动。特别是有了巴西的范例:在一项利用甘庶制造乙醇的计划过了30年之后，2006年巴西政府宣布，由于乙醇和本国石油产量的提高，它的国家摆脱了对进口石油的依赖。包括英国维珍航空等公司已在设想:计划分阶段向可再生能源领域投资700亿美元。在美国，迫于环保的压力，政府在付清了用于生产乙醇补贴的大部分款项后，布什总统还打算拨出2亿美元用于可再生能源的研究，旨在2017年前用乙醇和其他燃料替代15%的汽油。
“目前用粮食作物生产乙醇的方法很不明智”，美国自然资源保护委员会的纳撒内尔·格林(Nathanael Greene)说，“应该在开发生物质乙醇的同时做到与野生动物、土壤固碳等综合利益的协调发展。”格林认为，关键在于用其他材料而不是粮食来制造生物质燃料，包括玉米秆、草、速生林，甚至水藻。将这些材料同交通工具“结合”在一起，相信“在2050年以前可以解决我们对汽油的依赖问题。”
而一个世纪前，亨利·福特(Henry Ford)的第一辆汽车就是靠酒精驱动的;鲁道夫·狄塞尔(Rudolf Diesel)也是用花生油作他的同名的发动机的燃料。但是，这两位发明家很快就发现，稍加提炼的“岩石油”(石油)其能量要大大高于植物燃料，而且廉价的有大利可图。于是，石油很快就作为驱动汽车的燃料了。
玉米乙醇燃料的利弊
在2000年，燃料乙醇主要是作为一种汽油的添加剂使用，直到另一种燃料添加剂甲基叔丁基醚(MTBE)被怀疑为致癌物质在一些国家禁止使用后，乙醇才一枝独秀。另外，随着中东局势的不稳定，石油安全成了一个热点话题。有鉴于此，美国国会要求2012年前全美国的燃料必须有75亿加仑来自乙醇或生物质柴油，2030年这一数字要提高到600亿加仑。
尽管市场对用玉米制造的乙醇需求很大，但仍不能满足美国的需要。况且，燃料乙醇还只是用作汽油的添加剂。在美国中部，1加仑乙醇的售价为2.80美元，可以与1加仑天然气3.20美元的价格竞争。由于美国目前缺乏输送乙醇的管道，只能靠载重汽车、铁路或驳船运输，造成了玉米产地以外地区的燃料乙醇价格的上升。而源于环保压力形成的巨大市场需求，更多的乙醇工厂正在美国各地建造。
“如果我们不出口玉米，而是用来制造燃料乙醇以取代进口石油，这将是一件很好的事情”，加州西部内布拉斯的一家乙醇生产厂的技术经理克里斯廷·韦茨克(Christine Weitzki)说。在这个工厂里发生的事情和自古以来用粮食转化成酒精的过程是一样的:先将玉米磨碎，掺水混合和加热，再加入酵母(酶)将淀粉转化成糖。在发酵容器中，酵母使糖转化成酒精，再通过蒸馏脱水，剩下的废料就是酒糟和一些含氮高的废水，用来喂牛和浇灌农田。
乙醇的“绿”色标签其实是“褐”色的。大多数乙醇厂的蒸馏过程烧的是天然气或煤，而燃烧和发酵过程中排放出的二氧化碳加重了环境的污染。而能量平衡(用来制造乙醇所需的矿物燃料同乙醇产生的能量之比)研究指出，燃料乙醇是一场失败的游戏，就环保而言，其消耗的矿物燃料排放的二氧化碳大于它的替代作用。从替代能源的角度而言，尽管燃料乙醇有可取之处，但无论怎样解释，玉米乙醇不是绿色的。
韦茨克则不以为然，认为他们可以做得更好———打算设计一种闭路循环系统来改善能量平衡和乙醇的温室气体效应———计划用牛粪作为两台400万加仑蒸煮器的给料以生产甲烷，再用甲烷作为锅炉的燃料。韦茨克说，这不仅对改善环境有利，而且对提高效益也有利，尤其当玉米价格不断上涨，而每桶原油价格下降到45美元时更是如此。
甘蔗乙醇燃料的利弊
如果你只知道美国的玉米乙醇，那你可能会对生物质燃料的未来丧失信心;但你了解了甘蔗乙醇的情况后，就会对其前景感到鼓舞。早在上世纪20年代，巴西就开始偿试用乙醇作为汽车的燃料。到了70年代，由于中东石油危机引发的贸易战严重影响到巴西的经济时(75%的石油依靠进口)，当时的巴西政府决心“戒掉”依赖汽油的习惯，即对新建的乙醇生产厂给予补助的同时，给予汽车制造商税收上的优惠，以激励他们设计出能直接以乙醇为燃料的动力装置。到了80年代中期，在巴西出售的汽车几乎都只以乙醇作为动力燃料。
然而到了90年代初，低石油价格导致了政府停止对燃料乙醇的补贴，而高糖价又使乙醇生产商失去了生产燃料乙醇的积极性，导致了乙醇产量的骤降，一度使以乙醇作燃料的汽车要排上2～3小时才能加上乙醇。可是，10年后石油价格又开始急剧攀升，巴西人再次想到了乙醇燃料。鉴于过去的经验教训，他们转而开始开发一种能使用双燃料的汽车，即可以适用于任何比例的汽油-乙醇混合燃料的驱动装置。到了2003年，巴西的第一辆Fotal Flex型汽车面世后便一炮打响。目前，在巴西销售的汽车中85%都是Flex型的:有小型而美观的轿车和货车，甚至可以买到Flex型的集卡车。
世界上最大的制糖和蒸馏厂之一Usina Sao Martinho座落在圣保罗州中部的主要甘蔗产区，每年生产3亿立升乙醇和50万吨砂糖。
为了满足巴西本国和国外对乙醇的需要，该公司目前正在戈亚斯州甘蔗产区建造一座年压榨300万吨甘蔗的工厂，专门用来生产燃料乙醇。
在能源的利用方面，Usina Sao Martinho称得上是个典范。该厂不消耗矿物燃料，也无须从电网中获取电能，而是靠甘蔗的废料中取得热能和电能。即便是装运甘蔗的卡车和农业机械用的也是一种柴油和乙醇的混合燃料，包括喷洒杀虫剂的飞机也是用纯乙醇作燃料。
当玉米乙醇的能量之比处于得失相当的状态时，“我们用1个单位的矿物燃料换得了8个单位的乙醇”，在巴西从事甘蔗研究的艾萨斯·迈克多(Isaias Macedo)说。他们测算，Usina Sao Martinho生产甘蔗乙醇过程产生的二氧化碳比用矿物燃料少55～90%。
目前，巴西政府计划把种植甘蔗的面积翻一番。对此，环保人士担心会引发新一轮对森林和牧场的吞噬，把牧民推向更边远地区如亚马逊河一带，进而对该地区的生物多样性产生危害。
一份联合国的最新报告称:虽然生物燃料的潜在优势很大，但其的兴起会降低粮食供给的安全性，导致全球食品价格的上涨。很多科学家担心，在未来10年中，气候的变化会引起农业生产率的下降。“农业应该是用来制止人们挨饿。如果做不到这一点，将会是一种耻辱”，圣保罗州的一位官员马赛罗·古尔特(Narceki Giykart)说，“在巴西还有数百万人在挨饿，而这种只种甘蔗的单一作法是无济于事的”。
纤维素替代粮食作物
要想从生物质燃料中得到好处而又不减少粮食供应的办法，可以用秸秆、树叶，甚至木屑来生产乙醇，而这些植物通常被倒掉、烧掉或者犁入土中作肥料。将这些植物中的纤维素———构成植物细胞壁的糖分子———打断并使之发酵，就可以生产出大量的生物质燃料。
迄今，在美国只有少数工厂在试验性用纤维素制造乙醇。设在卡罗拉多州戈登市的美国国家可再生能源实验室(NREL)，在一周时间内能将1吨生物质(破碎的玉米秆、柳枝稷、碎木)转化成70加仑的乙醇。除了纤维素和半纤维素以外，在给料中含有一种木质素的物质(能使纤维素分子结合在一起，并在结构上起到支撑的作用)。但胶质的木质素会使纤维难以破碎。
为了使纤维素分子能从木质素的束缚中解脱出来，给料往往要经过加热和用酸进行预处理，然后与酶混合在一起，便于将纤维素分解发酵，最后转化成乙醇。
目前的工艺只能将45%的纤维素转化成乙醇，效率还有待提高。
应该说，利用纤维素生产乙醇的潜力很大。据美国农业部和美国能源部2005年所作的一项研究预测:通过促进生产率的提高和在5000万公顷闲置土地上播种多年生草和速生林，可以生产13亿吨给料(木质素)用以制造乙醇。
NREL独立进行的测算表明，如果该计划实现的话，可以替代目前美国每年用在运输燃料的一半以上。NREL前主任迈克·帕切库(Mike Pacheco)认为，利用生物质燃料的最终梦想是:如果我们能提高车辆的使用效率，同时又尽可能地用纤维素乙醇;再如果我们能从水藻中制造出能源。这样，我们就会得到足够的绿色燃料，确保美国能源的自给自足。
水藻生物质燃料前途无量
差不多每一个研究生物质能的科学家都认为，不存在“魔弹”般的作物，即既能解决能源问题而又不破坏环境，而水藻———单细胞水生植物———可能比其他任何植物更接近这一梦想。在水中，除了阳光和二氧化碳外，它几乎不需要其他的东西就能快速繁殖。NREL曾有一项为期17年的水藻研究计划，上世纪90年代中期因经费原因被迫终断。2006年，该实验室又重新启动了这项计划。
目前，由麻省理工学院化学家艾萨克·伯津(Isaac Berzin)创立的绿色燃料技术公司已经开发出了一种工艺，即用水藻从发电厂排出的废气中吸取二氧化碳。水藻不仅能减少温室气体，还能吞食其他的污染物质，或将水藻转化成淀粉后，还可以加工成乙醇。令人感兴趣地是，在合适条件下，水藻的能量可以在几小时内倍增。从理论上讲，1公顷水藻每年能生产出5000加仑以上的生物燃料，远远高于玉米或大豆的产出。
“每年你只能收获一次玉米或大豆，”伯津说，“但你每天都可以收获水藻。而且，我们已经证实从波士顿到亚利桑那州都可以种植水藻。”伯津的公司已经同亚利桑那公共服务公司合作，计划在凤凰城附近的天然气发电厂周围进行水藻生物质燃料的试验。与此同时，亚利桑那州的两所大学也启动了水藻研究计划。就目前而言，他们遇到的最大挑战是如何降低水藻燃料的成本。
生物质燃料的诱惑力甚至已经扩散到中东地区的石油富国。在那里，阿拉伯联合酋长国已发起了一项耗资2.5亿美元的可再生能源计划，其中包括开发生物质燃料。也许连酋长们也意识到，石油时代不会永远地维持下去。
译后记
开发生物质燃料替代矿物燃料以减少对资源逐渐衰竭的依赖和缓解对环境造成的影响，已成为全球关注的一个热门话题。但应该清醒地认识到，生物质燃料并不是一帖“万能药”，要对它正、负影响作科学的分析和决策。
选择生物质燃料，至少应该考虑以下五方面的因素:
1.能量平衡。生物质燃料并非一次能源，制造过程中本身要消耗能源，矿物燃料的能量(输入)与制造出燃料的能量(输出)之比，后者应大于前者。
2.环境效应。生物质燃料并不一定完全是清洁的燃料，在它的生产和使用过程中都会不同程度地产生和排放出温室气体或一些其他的有害气体。
3.经济效益。将生物质燃料的生产成本、市场价格与汽油作比较，在作出制造生物质燃料的决策时，要密切注视这些变化。只有当某种生物燃料的生产成本和价格低于汽油时，才会真正具有市场价值，有利有图。
4.社会影响。以玉米乙醇为例，美国历来是玉米生产和出口大国，近年来由于把大量的玉米用作制造燃料乙醇的原料，出口量也大为减少。目前，世界上还有上亿人在挨饿，如果把大量玉米用来制造乙醇，势必会给社会安定带来不良后果。
5.原料来源。如上所述，用农作物制造生物燃料的弊端诸多，而进一步扩大种植面积以满足能源的需要，势必会遭到各方的反对。从长远看，用农作物作原料恐难以为继。
为此，译者根据各种生物质燃料的特性和数据加以整理后列入表中，并对这些特性和数据加以审视和比较，可以作出以下初步评价:
——玉米乙醇。能量平衡为1∶1.3，与汽油相比，温室气体排放只减少了22%，且用大量粮食作原料，显然不太可取。
——甘蔗乙醇。能量平衡高达1∶8，温室气体排放减少56%，且价格比汽油便宜，值得开发利用。
——纤维素乙醇。在能量平衡方面视生产方法不同，可以达到1∶2～1∶36，且大有潜力可挖，温室气体排放可减少91%;更主要的是，不利用农作物作原料，值得开发利用。
——生物柴油。用化学方法替代植物油制造生物柴油，能量消耗少于玉米乙醇，能量平衡1∶2.5，减少温室气体排放较明显(可减少68%)。目前存在的问题是产量较低，生产成本高，尚处于研发和小批量生产阶段。
——水藻乙醇。水藻是一种单细胞生物，具有很强的繁殖力，原料来源能保证。另一方面，水藻又是环境污染的产物，如果能化废为宝，既可以用来制造燃料，又可以改善环境，值得开发利用。
