生物燃料：从动植物提取绿色能源

　　2019年6月5日，“世界环境日”当天，美国联合航空公司的一架使用生物燃料的波音客机抵达洛杉矶国际机场。

　　6月2日，美国马拉松石油公司宣布，北达科他州首个大豆加工工厂已经破土动工，这座耗资3.5亿美元、计划于2023年投产的工厂生产出的精炼植物油，被马拉松石油公司作为原料，用来生产生物柴油。

　　生物燃料，主要包括燃料乙醇、生物柴油以及生物航空燃油等，在能源领域被称作“绿色燃料”。随着能源危机、气候变化等问题的愈演愈烈，生物燃料逐渐成为未来能源的发展趋势，开发和利用包括生物燃料在内的可再生绿色能源成为全世界的紧迫课题。

　　就可再生能源范围内，生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇、生物柴油和生物航空燃油，可以部分替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。虽然生物燃料在能量密度上稍差于化石燃料，但是在生产能耗和环保方面都是化石燃料所无法比拟的。

　　“燃烧生物燃料比燃烧化石燃料排放更少”，这是能源界已经基本达成的共识。数据显示，生物燃油可降低二氧化碳排放50%-80%，最高达到90%。据统计，2008年至2020年间，美国使用生物液体燃料，累计减少温室气体排放近9.8亿吨。

　　目前，生物燃料的原料主要包括：大豆、油菜籽、玉米等粮食作物，椰子油、棕榈油、麻风子油、亚麻油等植物果实，餐饮废油、动物脂肪等厨余油脂以及微藻生物。比如，全球生物柴油的主要生产原料是大豆油，占比约67%，其次则是玉米油和菜籽油。美国马拉松石油公司生产的生物柴油就是以大豆为原料。

　　由于一些生物燃料要消耗粮食，国际能源界开始将目光转向更为环保节约的原料。以生物柴油为例，欧美主要采用油菜籽、芥菜籽以及大豆为主要原料，而巴西则使用蓖麻子和葵花子，加拿大渔业比较发达，澳大利亚和新西兰畜牧业比较发达，所以这3个国家主要以动物脂肪为主要生产原料。

　　在亚洲，日本作为亚洲生物柴油的第一生产国，主要采用食用废油为原料，而菲律宾则使用椰子，印度使用棉花籽，印尼和马来西亚以棕榈为原料。今年4月下旬，印尼曾一度发布棕榈油出口禁令，虽然5月23日禁令解除，但印尼依旧要求保障其国内棕榈油供应。

　　油脂生产生物燃料的生产成本主要取决于油脂原料的获得成本。尽管目前以棕榈油等可食用油脂为原料生产的生物燃料的价格相对低，但本质上仍存在“与粮争地”的问题。因此，只有降低非食用油脂原料的获得成本，才能提升油脂转化路线的经济可行性。

　　值得一提的是，生物燃料的原材料之一的微藻，其产油率是其他产油作物的数倍，具有产油周期短、单位面积产量高，且不与粮争地不破坏生态等优势，被称为“奇迹作物”。据国际能源署发布的生物能源报告显示，2011年全球微藻油的产量水平约为3800升/(公顷·年)，随着微藻培育和油脂提取技术的进步，全球微藻油产量有望迎来飞跃式的增长。“微藻时代”的到来，终究将是时间问题。

　　随着多国应对气候变化的计划推出，以及能源转型的步伐加快，用生物燃料来帮助运输燃料脱碳被赋予了更多期望，也在石油行业掀起了一股进入生物燃料市场的浪潮。

　　一向对低碳转型小心谨慎的美国石油公司，也开始积极布局可再生生物燃料业务，改造旗下传统炼油厂。2021年8月25日，埃克森美孚公司旗下的帝国石油公司宣布，将在加拿大的一个新设施生产生物柴油。项目将于2024年启动，每天生产约2万桶生物柴油，预计每年将减少加拿大运输业约300万吨的碳排放。

　　在美国西部，不少炼油厂正在改造成生物燃料厂。菲利普66公司在2020年8月12日就宣布将加州一家炼油厂改造成生物燃料厂，用农产品和废弃物提炼的燃料替代汽油。霍利前线公司计划将其位于怀俄明州的一处炼油厂改造成生物柴油厂。而马拉松石油公司除了位于北达科他州的生物燃油厂外，还将把其位于加利福尼亚州的马丁内斯炼油厂改造成终端设施。

　　欧洲石油公司也在进一步向生物燃料领域扩张。荷兰皇家壳牌公司计划在荷兰建一个大型生物燃料装置，该生物燃料装置将是欧洲最大的生产可持续航空燃料和用废弃物制可再生柴油的装置之一。与此同时，壳牌正在减少其炼油厂数量，2020年10月共有14家炼厂，而到了2021年9月，只剩几个能源和化学品园区。其目标是到2030年将传统燃料产量减少1/2以上，并生产更多公路运输和航空低碳燃料。

　　作为西班牙最大的生物燃料生产商，雷普索尔公司致力于成为生物燃料领域的领导者，计划到2025年将生物燃料年产能提高到130万吨，到2030年超过200万吨。法国道达尔公司在2020年已经实现年产20万吨生物柴油和航空燃料。今年7月，道达尔又宣布将与法国威立雅环境集团合作，加速开发利用二氧化碳培养微藻的技术，以生产生物燃料为长期目标。8月，该公司还宣布正在开发一种用于赛车比赛的100%可再生燃料。

　　在运输业，发展生物燃料对于重型运输、海运和航空等较难实现电气化的部门在脱碳方面意义重大。生物燃油与传统成品油高度类似，可以在不改变现有消费方式的基础上，直接使用生物燃油替代传统柴油、航空煤油等不可再生的一次能源。同时，使用生物燃油，仅对飞机、轮船等交通工具的发动机进行较小的改动，甚至无需改动就可以直接使用，这对于未来的交通运输业的能源格局将产生巨大的变化。

　　国际能源署预测,到2050年，全球生物液体燃料消耗量将达11亿吨,占全世界交通运输燃料的27%。2021年起，全球多国已提出将对船运业进行碳排放监管；欧盟已多次宣布将船运业纳入欧盟碳排放交易体系之中；美国也表示将在2050年实现该国船运温室气体净零排放。

　　而国际航空业也开始积极使用生物燃油。国际航空运输协会、国际民航组织、美国航空管理局、飞机和发动机生产厂家、航空公司等都在积极推动航空生物燃油。美国商业新闻社预测，到2027年，生物航空燃料市场规模将从2020年的6600万美元增至29.75亿美元，2021~2027年的复合年增长率达到72.3%。去年6月，英国希思罗机场宣布首次使用完全由废弃食用油、动物脂肪等可持续原料制成的生物航空煤油。而去年5月，法航荷航集团执飞了首架采用可持续航空燃料的洲际航班，所用燃料由道达尔在其位于法国南部的拉梅德生物精炼厂和勒阿弗尔附近的欧德乐工厂利用废弃食用油制成。

　　因此，提前布局生物燃料产业化发展，对于石油公司抢占未来能源市场，保持国际竞争力具有重要意义。从短期来看，转型生物燃料是由政策利好驱动的市场关注，但从长期来看，则是碳中和背景下产业结构、能源结构和生活方式的彻底变革。未来全球能源需求结构将持续调整，化石燃料需求将下滑，可再生燃料等将占据更大市场份额。

　　不过，实现降碳减排的气候目标仅靠原有的生产商远远不够。国际能源署报告显示，要实现可持续发展目标，在2030年前，交通生物燃料产量需要保证每年10%的增长。而这一增长率在2019年仅为6%，且国际能源署预测，此后5年的平均产量增长率仅为3%。

　　虽然生物燃料在全世界范围内已经开始应用于各个领域，但目前并没有成为国际能源的主要力量。究其原因，主要有以下几个方面局限。

　　原料来源不稳定。作为原材料的厨房废弃油脂和木本油料作物，由于多种原因来源并不稳定。全世界每年产生大量厨房废弃油脂，但由于来源分散而增加了回收难度。统计显示，原料收集成本占生物燃料成本的70%-80%。而木本油料则受季节影响，难以保持持续性供给。粮食类原料存在“与人抢粮”以及“与人争地”的问题，现有的油料作物尚不满足生长周期短、含油量高的特点。而进口原料则受制于天气、国际市场变动等因素的影响，今年以来逐渐凸显的全球粮食危机就对国际生物燃料产生了直接影响。

　　生产工艺不成熟。现有较为成熟的工艺都存在一定弊端，要么燃料稳定性不够，要么燃料润滑性较差。目前世界各国航空使用生物燃料试飞，大多是以一定比例的生物燃料加入传统航空油料中，虽然全球大部分航空公司进行的试飞实验结果表明，生物燃料与传统燃料混合能够在不改变飞机发动机结构的情况下提高飞行效率，但生物燃料是否足够安全，是否会腐蚀或者侵袭到发动机的材质，还需要进一步探讨与验证。

　　产品成本高。以生物航空燃油为例，其成本是石油航煤的数倍，在成本方面不具备竞争优势。虽然航空公司也会购买一定量的生物航空燃油，但考虑成本问题，购买量自然不会很大。此外，生产成品油还会产生的外部间接成本，即所有的转化过程势必造成新的污染源，包括排放二氧化碳和其他污染物；提炼后的废渣尤其是提炼废弃油脂的废渣如果处理不好，同样会产生污染，而处理污染的成本，最终都会加到成品油价里。

　　作为新兴能源的生物燃料，现阶段完全代替航空煤油是不太现实的，使用哪种燃料归根结底都取决于成本。因此，在技术不断实现突破的前提下，如何建立完善的产业，以规模化实现降成本是生物燃料发展的关键。

　　当下，生物燃料最大的问题在于原料供应。在今年全球粮食危机的大背景下，厨房废弃油脂和木本油料作物则成为重要的原料来源。木本油料作物应尽量不占用耕地和居民用地，采用可适应恶劣环境的作物为原料，例如耐旱、耐盐碱等环境的生物质。完善厨房废弃油脂回收体系，建立餐厨垃圾收集、运输、管理一体化的运营模式。比如，英国为监督废弃油的去向、方便废弃油的回收和利用，政府强制要求餐馆安装烹饪废弃油回收系统；荷兰废弃油的回收全部由政府出资，减免了生物航空燃油炼制企业的高额回收成本；在日本，废弃油由专业的回收公司进行回收，并由政府以高价购买。

　　生物燃料如果要想完全取代石油产物，不仅仅要解决成本问题，还要建立一条完整的生物燃料供应链。欧美各国曾对亚麻荠种植及应用进行过探索。作为一款生长周期短(4个月)、产油率高(30%–45%)、所需的肥料、杀虫剂、除草剂等投入量少的古老油料作物，亚麻荠除了获取油脂，其残渣则被加工成饲料，借助副产品的附加值，生物燃料成本过高的不足，甚至实现整条产业链的扭亏为盈。

　　此外，在生物燃料的使用方面，可以通过制定政策引导消费方积极参与。欧盟航空公司制定了碳排放交易体系，规定了各航空公司的碳排放配额。在这个体系中，以2004-2006年各航空公司飞往和飞离欧盟的年均碳排放量值为该航空公司的排放基准线年航空公司的累积碳排放量不能超过基准线年不能超过基准线%。排放体系实行初期，各航空公司可免费获得一定比例的免费排放配额，但免费配额逐年减少，非免费配额需要通过有偿方式拍卖获得。

　　微藻，即微体藻类，大小从几微米到几百微米不等，能高效生产脂类、蛋白质、多糖等有机物，环境适应能力强、个体小、繁殖速度快——其中，脂质可通过酯交换反应转化为生物柴油。

　　作为光合效率最高的光合生物之一，微藻可大量提供非粮食可再生的生物质能，其大量积累脂质，可高效生产生物燃油，一些产油微藻的脂肪酸总量可达干重的50%-90%，更为关键的是，微藻含有丰富的生物活性物质，在制备生物燃油的同时可进行高值化综合利用，相对降低微藻产油的成本。

　　在20世纪70年代，美国能源部以发展可持续能源为目的，对微藻开展了大规模搜集、筛选和鉴定工作，最终获得了300多种产油微藻——即脂质占细胞干重比例超过20%的微藻。其中，微拟球藻的脂质比例高达68%。据估计，每公顷养殖面积上，藻类年产油量可达1.5万至8万升。

　　微拟球藻为何能具有这么高的脂质比例呢？答案在于它独特的固碳能力。光合作用是自然界生物固碳的基础。地球上每分钟通过光合作用大约可以将300万吨二氧化碳和110万吨水转化为200万吨有机物质，同时释放出210万吨氧气。

　　不过，目前微藻生物柴油的生产成本依然较高，这是限制其商业化生产的瓶颈。除继续开发产油性能优良的藻种以外，需要实现微藻生产的综合利用。例如，从微藻中获得DHA、类胡萝卜素、活性多糖等高附加值产品，将废弃的藻渣作为水产业的饵料等。