生物燃料：可持续能源新希望？

关键词： 生物燃料 生物柴油 生物乙醇 挑战与机遇

生物燃料知多少？

全球生物燃料需求（历史数据与增长模型）

图源IEA，纵轴单位为 每年十亿升

本文主要讨论生物柴油和生物乙醇，两者作为生物燃料的核心：

生物柴油： 学名脂肪酸烷基酯，主要由植物油（如大豆油、菜籽油）或动、植物油脂（像动物脂肪、废弃油脂）与酒精经一系列化学反应转化而来。

生物乙醇： 则是通过微生物发酵玉米、甘蔗等富含糖类、淀粉或纤维素的生物质原料而得的可再生生物燃料。

它们具备诸多优点：

1. 环保可再生

生物降解性极高，三周后分解率可达 98%，使用生物柴油替代普通柴油，温室气体排放可减少超 80% 。从全生命周期看，生物燃料碳循环优势独特。植物生长时借光合作用吸收二氧化碳并固定，以这些植物为原料制成的生物燃料燃烧时，释放的二氧化碳与植物吸收量近乎等同，形成相对闭合的碳循环，对大气二氧化碳净增量影响极小。反观普通柴油，作为化石燃料，从开采、炼制到燃烧，会把地下封存的碳以二氧化碳形式大量释放，加剧温室效应。

生物燃料全生命周期循环

图源 Recent advances and viability in biofuel production

2. 清洁燃烧

硫及有害物质排放量低，守护我们的蓝天。由研究可知，PM（颗粒物）、CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）均属于有害物质，而生物柴油在燃油中的比例越高，大多数有害物质排放会得到有效的降低。

生物柴油对重型高架引擎的平均排放影响

图源 Biodiesel Education

3. 促进经济发展

带动农业、油脂加工等相关产业，创造更多就业机会。生物燃油的兴起会促使农民扩大相关作物种植面积，以满足生物燃料产业的原料需求，这些农产品多了生物燃料原料这一用途，直接增加农民收入。研究表明，美国生物柴油的生产和消耗量在近20年间快速增长。

美国生物柴油生产，出口和消费

图源 Biodiesel Education

发展路上的绊脚石

然而，生物燃料的推广并非一帆风顺，宏观来讲有三个难题：

1. 原料困境

为获取更多原料种植土地，森林遭砍伐，生物多样性受损，甚至可能引发粮食危机。同时，农作物种植受气候、政策等影响，产量不稳定，导致原料供应波动。（例如，在大豆产区发生严重干旱，大豆产量会大幅度下降，影响生物产油原料供应）

2. 商业化难题

原料由于稀缺成本高、投资回收期长、市场需求不足、政策不稳定、运营维护成本高等，都制约着生物燃料的商业化进程。

3. 技术瓶颈

预处理技术能耗高、成本高，转化效率有待提升，且催化剂存在活性低、成本高昂等问题，目前生产规模也较小，难以大规模工业化生产。以生物乙醇为例，第二代原料技术较为成熟，第三代与第四代原料规模尚处与研发过程中，暂时少有商业化大规模铺开。但第二代原料的问题也比较明显，具体会在后文分析。

生物燃料化工技术成熟度（TRL 9为最高）

生物乙醇化工技术成熟度（TRL 9为最高）

图源 A comprehensive review of bioethanol production from diverse feedstocks: Current advancements and economic perspectives

具体来讲，生物燃油无论是生物柴油还是生物乙醇，根据原材料的不同分为四代（①可食用，②不可食用，③天然藻类，④转基因藻类/蓝细菌），但这四代都有自身的局限性以及难突破的问题，表现如下：

1. 资源消耗挑战

第一代 - 原料为粮食作物：大量使用粮食作物作为原料，挤压粮食供应，致使食品价格上涨；过度依赖土地种植，引发森林砍伐等连锁反应，导致生物多样性丧失。

第二代 - 原料为农作物和森林残留物、城市固体废物：生产过程中耗水量大，能源投入也高；加工设备昂贵且复杂，大宗储存和运输成本不菲。

2. 生产过程挑战

第二代 - 原料为农作物和森林残留物、城市固体废物：需要大规模无菌区域进行栽培，生产成本高且提取效率低；产物可能对细菌发酵效率产生抑制作用。

第三代 - 原料为微藻和大型藻类：生产过程相对缓慢，高碳水化合物菌株在生产环境中具有竞争优势；回收酶催化剂存在困难，购买酶成本高昂且无法重复使用，酶活性容易耗尽；产物也可能抑制细菌发酵效率。

3. 生态环境挑战

第三代 - 原料为微藻和大型藻类：存在入侵物种风险，可能对生态系统造成严重破坏。

第四代 - 原料为转基因藻类和蓝细菌：种植过程中转基因藻类有意外释放到环境的风险，室外养殖系统中的转基因微藻可通过风、水、动物和自然灾害等途径逃逸到环境中。

4. 技术研发挑战

第四代 - 原料为转基因藻类和蓝细菌：工艺尚不成熟，目前处于研发阶段；大规模培养菌株时，会面临比实验室环境复杂得多的情况，影响基因特性；收获的副产品可能含有质粒或 DNA 染色体，增加基因转移风险；制造过程昂贵且难以实现无污染，如玻璃片价格贵且易碎，蓝藻细胞还会产生剧毒脂肪醇和脂肪酸等。

生物乙醇技术瓶颈

表格自绘

生物柴油技术瓶颈

表格自绘

突破困境的曙光

面对挑战，我们并非束手无策。提高技术水平，改进预处理方法；及时更新设备，提升原料利用率和转化效率；增强公众意识，推动更多资本投入研发，都是可行之策。比方说针对生物燃油的原料困境，目前人们已经在全球范围内持续搜寻第一代和第二代的原料替代品，也可让原材料来自于食物残渣/厨房废油，针对厨废的利用开发提取技术实现循环经济。另外，还可以通过开发藻类技术，既能改善空气污染，无需占用大量耕作土地。

人类在全球范围内持续搜寻生物燃油的原料替代品

图源 Recentimprovements to ensure sustainability of biodiesel production

生物燃料虽目前难以大规模应用，但随着政策支持不断加强，未来各国将通过税收激励、补贴等促进其发展。更多企业和机构也将投入研发，降低成本，提升竞争力，生物燃料市场份额有望持续增加。资金与成本往往最为关键。例如微藻因其生长速度快且数量丰富，是生物柴油生产中被广泛研究的特定原料之一。然而，微藻生物柴油的收获、加工、运输以及专用设备都很昂贵，这增加了生产成本。

非食用原料扩大生物柴油生产需要突破的方向

（经济>物流>环境>社会）

图源 Recentimprovements to ensure sustainability of biodiesel production

目前很多人所关心的是变废为油，根据美国官方信息，作为美国能源I-Corps计划的一部分，CUBES团队采访了82名炼油厂。超过90％的利益相关者表示纤维素生物燃料（由草，木材或农作物剩菜剩饭产生的人）在经济上尚不可行。但是，他们表示牛粪是可靠且低成本的原料，一些利益相关者称沼气为新的淘金热。基于此反馈，CUBES团队将重点转移到了厌氧消化中，该过程使用微生物分解肥料，将其变成沼气。然后，这种沼气可以用作可再生天然气，以产生电力和热量，或者用作可持续航空燃料（SAF）。该计划有助于实现DOE超过降低70％的温室排放量的目标。

文案团队 | 叶兆嘉，纪宇阳，高凡

审核 | 王昕也，朱鑫垚

文案团队

上下滑动查看

业务 合作 / 成为 志愿 者

请扫码添加小助手微信