什么植物生产航空生物燃料最给力?

发布时间: 2017-07-03 09:43:11   作者:刘国伟   来源: 本站原创   浏览次数:
摘要: 为了遏制航空运输业的温室气体排放,开发和使用航空生物燃料已成为航空运输业界的共识。十余年来,航空运输业界在航空生物燃料...

为了遏制航空运输业的温室气体排放,开发和使用航空生物燃料已成为航空运输业界的共识。十余年来,航空运输业界在航空生物燃料的工艺和原材料方面努力探索,苦苦寻找最合适的原材料。

什么植物生产航空生物燃料最给力?居然可以有木屑和藻类,你信吗?

美国蒙大拿州的亚麻荠种植场

  • 原材料选择要考虑“碳中和”

2015年,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的一份特别报告指出,到2050年,航空业的温室气体排放将从全球总排放的2%增加到3%。在这种大趋势下,要实现2009年国际航空运输协会的承诺(航空业2020年的碳排放量达到峰值不再增长,到2050年减少为2005年的一半),可谓压力重重。至少在航空生物燃料的选材上,就远非易事。

首先,从航空燃料的特点来说,生物燃料必须满足多个硬指标:1.尽可能高的能量密度,也就是通常所说的“烧起来有劲儿”;2.润滑指标要好,使用后对发动机部件不会造成额外磨损;3.“倾点”必须非常低,也就是在非常低的温度下燃料仍然能够保持流动的液态,如此就不会因为高空温度的降低而凝结。

其次,要从生物燃料生产、加工和使用的全过程来衡量是否实现了减排,为此国际上引入了一个“碳中和”(又译“碳中性”)的概念,也就是看一种材料的种植、加工和运用在整个过程中实现了温室气体排放的平衡。2011年美国麻省理工学院对14种航空生物燃料的来源进行分析后,发现如果清除热带雨林后种植棕榈,再用提炼的棕榈油研制燃料,会使二氧化碳排放比之前多出55倍。这显然是背离了减排的初衷。

再次,就是要避免出现大家熟知的“与人争粮”局面。第一代生物燃料受到诸多指责,很大程度上是人们对“拿口粮当油烧”的后果估计不足。2013年,美国用47亿蒲式耳(1蒲式耳在美国等于35.238升)的玉米(该国总产量的40%),生产了130亿加仑的乙醇燃料,此举打乱了西半球的粮食供应,引发了许多贫困经济体的不满。因此,在开发航空生物燃料方面,以玉米、大豆等粮食作物为原料引发了许多争议。

还有,就是原材料往往具有地域性,南橘北枳说的就是这个道理。所以,能进入业界法眼的航空生物燃料原材料并不多。据挪威著名环保组织贝隆纳的代际划分方法,航空生物燃料的原材料来源可以分为4代:第一代就是大家常说的人类口粮(糖、棕榈油、菜籽油等);第二代包括秸秆、木纤维和废弃物等;第三代是藻类;第四代是真正的突破所在,即太阳能转化技术和高级藻类等,这些原材料在产量、转化工艺和价格等方面各有优劣。

在第二代中,有一类被市场和研究机构非常看好的材料来源,即制取非食用油脂的经济作物,下面我们先对其进行介绍,然后再了解一下目前唱主角的第二类和第三类中的木纤维和藻类。

什么植物生产航空生物燃料最给力?居然可以有木屑和藻类,你信吗?

挪威著名环保组织贝隆纳将航空生物燃料的原料划分为四代,目前第二第三代在市场上占主流。

  • 亚麻荠:不占用农作物耕地

亚麻荠是航空生物燃料原材料中的后起之秀。这种一年生草本植物属于十字花科,生于农田或草地,高度从30厘米到80厘米不等,看起来并不起眼,在西伯利亚、中亚、日本、欧洲和北非等地区均有分布,我国境内的内蒙古和新疆北部也有生长。亚麻荠具有出苗快、抗寒、耐旱、较耐贫瘠、抗倒伏能力强和良好的抗病虫草害等优点,最突出的是含油量高(35%至38%),生长周期仅有80到100天,对肥料需求量低,能够与小麦和其他谷物交替种植。2009年,美国密歇根理工大学对以亚麻荠为原料的航空燃油生命周期进行测定显示,其碳排放比化石燃料减少84%。

亚麻荠的诸多优点引起了欧盟的极大兴趣。欧盟的航空生物燃料的原材料主要来自亚麻荠油和餐饮业废弃油(国内俗称“地沟油”),欧盟目前的研发创新活动就集中在航空生物燃油的商业化应用上。考虑到技术经济可行性、生态环境友好型和原材料可持续,特别是不占用农作物耕地,欧盟利用贫瘠荒废土地分别在西班牙(总计超过1.5万公顷)和罗马尼亚(面积只有200公顷)建起了5座亚麻荠种植基地,在芬兰建立起年产4万吨的生物燃油炼制厂,已基本达到预期的盈利水平。

就收成而言,根据天气好坏和种植条件的不同,每公顷的亚麻荠年收成在500千克至2500千克之间。

亚麻荠油能在飞机上投入使用,这是日本航空公司(JAL)在2009年1月通过示范航班来证实的,该航班也是第一个使用3种可持续生物燃料原料组合的示范航班。在飞行中,飞机4台发动机中的一台使用了按照1比1比例混合的生物燃料和传统燃料,其中的生物燃料实际上是三种第二代生物燃料原料的混合物:亚麻荠油(84%),麻风树油(16%以下)和藻类油(不到1%)。2011年6月,波音公司在巴黎航展上发布其747新机型时,所有4台发动机都燃烧了来自亚麻荠的生物燃料混合物(占15%)。

美国军方对亚麻荠制成的航空生物燃油也有着浓厚兴趣。2010年,美国空军和海军先后在3种不同机型上使用了含有亚麻荠成分的生物燃油,证明使用此类生物燃油,能满足军用飞机的苛刻需求,说明亚麻荠制成的生物燃油在性能上是令人放心的。

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2011年9月,美国海军航空武器试验中心在加州进行航空生物燃料AV-8B飞机飞行试验。

2016年1月22日,欧盟首座生物质航空燃油加油设施,在挪威奥斯陆机场投入商业化运营,荷兰皇家航空、德国汉莎航空和北欧航空成为第一批飞机生物燃油客户。有报道称,“生物燃油价格相对传统燃油已基本具备平等竞争的能力”。

  • 麻风树:二战时曾用于做润滑油

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这张来二战时期的日本宣传画,当时,日本强制被占领的印尼种植麻风树以制造机械润滑油。

麻风树(桐油树)是原产美洲热带地区的大戟科开花植物,是一种有毒的半常绿矮树,耐旱性和抗虫性很好,可以在许多国家的荒地上种植,不需要与粮食作物抢耕地。幼苗种下后,麻风树在3年后就达到产量高峰,每公顷的种子产量约有3.5吨,种子中含有27%至40%的油脂,提炼出来后有多种用途,早在二战期间就被用于制成机械润滑油。本世纪初,麻风树油作为生物燃料的潜质被发现了,2007年高盛公司曾将麻风树作为未来生物燃料生产的最佳候选原材料之一。

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麻风树适应性非常强,能在碎石、沙土和盐碱化土地上繁衍,果实产量很高。

目前,麻风树的规模化种植在很多国家和地区已经展开了。全球最大的麻风树种植项目投资商“第一油(D1Oil)”公司是这方面的代表,该公司全球布局,在赞比亚种植了17.4万公顷的麻风树,在印度约有500万公顷的麻风树种植土地的交易选择权,在布基纳法索取得了99万公顷麻风树种植土地的交易选择权,此外该公司还在南非、中国、澳大利亚、新西兰和加纳等国家拥有种植园。

2008年12月底,新西兰航空公司首次在波音747-400客机上使用了含有麻风树油的生物燃料,试飞完成后,发动机被取下来由专业人员进行仔细研究,最后确认了这种航空生物燃料的安全性。

在我国,2011年10月28日是值得铭记的一天——中国国航使用现役波音747-400型客机加载由中石油与美国霍尼韦尔旗下UOP公司合作生产的航空生物燃料,在首都国际机场执行了验证飞行,取得成功。飞行中使用的燃油是由麻风树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。

  • 木质纤维素:“封印”巨大能量

亚麻荠、麻风树具有可集中生产的特点,但从种植成本和时间周期上看,它们都需要较大的资本投入。相比之下,量大价廉的木质纤维素更有优势,既可将木质废弃物变废为宝,又具有取材广泛的优点。有资料显示,仅我国的农林废弃物储量每年就达9.2亿吨左右,如果其中40 %被充分利用,即可替代约4000万吨石油。

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美国阿拉斯加州,一位工人手捧木材加工后的残留废弃物,这些木质纤维素是加工航空生物燃料的优质原材料。

但目前业界在获取纯净的木质纤维素方面,仍面临技术瓶颈,这是因为造物主的神来之笔,让纤维素纠结在一起形成紧密的植物纤维,这种天然结构把能量牢牢地“封印”在植物内部。借助现代工艺,可以将被“封印”后的植物纤维结构“暴力拆迁”,这个过程需要不菲的设备和技术投资。所以,当前业界一边在木质纤维素的提取上做研发,一边在寻找能集中使用的富含纤维素的、生长迅速的植物,于是,一种名为柳枝稷的植物进入了研究者的视野。

柳枝稷是美国本土的一种多年生植物,生命力极其顽强,对生活环境不挑不捡,甚至能在砾石遍布的荒滩上扎根,在某些地方甚至被认为是有害的野草。此外,柳枝稷的生长期很长,一次种植可以连续收获10年左右。生长期内无须刻意打理,投入的减少意味着成本更低,排放的温室气体也更少,很好地体现了“碳中和”的理念。柳枝稷具有大量的纤维素,整个植株中有约70%的成分由纤维素构成,所以其作为生物燃料原材料的价值很大。

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美国本土柳枝稷,其70%的成分由纤维素构成,生长期内排放温室气体少,作为生物燃料原材料有很大价值。

有研究表明,柳枝稷可以提高土壤质量,因此有专家主张使用美国保护与储备计划的休耕地种植柳枝稷,一举两得。

在柳枝稷研究和开发方面,美国能源部生物能源技术办公室(BETO)目前与美国国家实验室及私营企业合作研制生物燃料,用来当飞机燃料或直接取代汽车中的汽油。美国劳伦斯伯克利国家实验室、联合生物能源研究所和阿贡国家实验室也联手,对利用柳枝稷生产航空燃料的工艺进行开发。

  • 藻类:可充分利用盐碱地

藻类被视为航空生物燃料的第三代原材料。这主要是因为藻类可高效固定二氧化碳,且可充分利用滩涂、盐碱地等空间。英国生物燃料网报道称,种植藻类所需的面积远小于粮食作物和麻风树,因此藻类资源的开发已成为近年来能源战略领域的新兴产业。

什么植物生产航空生物燃料最给力?居然可以有木屑和藻类,你信吗?

英国生物燃料网文章称,要满足当前航空燃料的需求,需要种植的藻类占地最小。

挪威环保组织贝隆纳认为,在海藻种植的知识和实践上,欧洲落后于亚洲,但欧洲起步很快,仅仅在挪威,近年来就有18家公司在挪威西海岸的26处地点获得了海藻企业的执照。然而,美国的步子甚至更快。美国加州的“所乐诸酶(Solazyme)”公司,擅长在封闭的发酵池中种植藻类植物。2014年,所乐诸酶公司位于巴西的藻类工厂投入商业运营。去年有数据显示,该厂的产能达到了每年10万吨。目前,投入藻类航空生物燃料开发的公司还有霍尼韦尔、索乐纳和萨普海尔能源等。

在实际应用方面,美国大陆航空公司2009年1月在波音737客机上使用了混合了藻类油和麻风树油的生物燃料进行了飞行试验,结果令人满意。2011年11月,美国大陆航空公司利用藻类制取的生物燃料,完成了从美国休斯顿到芝加哥的商业飞行。

除了前面所述的原材料外,象草、海蓬子甚至烟草等也是业界关注的航空生物燃料原材料。许多专家认为,现阶段乃至很长一段时期,航空生物燃料不应被视为石油基航空燃料的直接替代品,而应被视为一种节能产品,这样会更贴近现实。

什么植物生产航空生物燃料最给力?居然可以有木屑和藻类,你信吗?

2014年,美国波音公司和南非航空联合研发,用一种不含尼古丁的烟草种子来提取航空生物燃料。

放眼未来,航空生物燃料前途无限,但要想在天空上替代化石能源,各国在资本、技术、财税政策和产业结构等方面还有很长的路要走。

(本文参考了英国《经济学人》杂志、美国福布斯网、英国生物燃料网以及维基百科等的信息,在此一并致谢。)

责编:郑挺颖

网编:吴燕芳


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