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微型曼哈頓計劃

2012-7-5 22:09:04   來源:網絡   作者:沼氣網   【 】 瀏覽:  評論:5687

微型曼哈頓計劃-藻類生物原油研究重受青睞

 

  藻類是最低等、最古老的一類植物。雖說結構簡單,它卻能產出一種生物“原油”,這種生物“原油”相當于石油的原油,可用來提煉汽油、柴油、航空燃油,以及作為塑料制品和藥物的原料。同時,多數藻類植物還能制造出大量的碳水化合物等中間產品,這些產品經過發酵處理可以轉化為乙醇燃料?梢哉f,藻類植物與生物燃料“緣分”很多。

  科學家們研究發現,從綠藻等藻類植物中提煉油還有很多優勢,不僅產油效率高,工藝簡便,而且整個產油過程非常清潔。首先,藻類植物對生長環境并不太挑剔,可以長在露天池塘里,也可以在農田的邊角地段,它不會像玉米那樣占用農田。第二,藻類植物可通過現有煉油設備產油,這些原油可進一步提煉成各種油品。第三,據測算,每英畝藻類植物產油的數量,要比目前作為生物柴油主要來源的大豆的多得多。第四,藻類植物能捕獲電廠廢氣中的二氧化碳,有助于控制溫室氣體排放。美國圣地亞國家實驗室的生物燃料與生物能源技術專家安德魯?克瑞穆說:“藻類植物有產出大量石油的潛能。近期,我們可以利用藻類產出的生物原油替代一部分生物柴油,未來它們將可以替代更多的生物柴油。”

  實際上,有關藻類作為一種生物燃料的研究已有多年。20年前,美國國家再生能源實驗室曾對此項目進行了近10年的研究,只不過當時的結論并不令人滿意。由于當時油價較低,藻類制油的成本沒有競爭力,項目也于1996年被迫停止。

  不過,如今的能源環保形勢,包括居高不下的原油價格、新的技術進步,以及布什政府不斷強調可再生清潔燃料等,這些重新激起了人們開發藻類生物燃料的興趣,特別是高油價使得藻類制油的成本具有競爭力;新的基因和蛋白質技術能使人們更深入地了解藻類植物產油的機理,讓它們產出更多的“原油”。另外,藻類植物又能有效地對付二氧化碳溫室氣體。

  目前,在美國一些藻類生物燃料開發公司正在展示他們這方面的新技術,與此同時,一些大型的研究項目也開始啟動,它們的近期目標是要讓藻類生物燃料在2010年能替代上百萬加侖的化石燃料。

  

微型曼哈頓計劃-“微型曼哈頓計劃”引領潮流

 

  “微型曼哈頓計劃”就是上述項目中一個代表。倡導這一計劃的“點燃燃料”公司,在公司網頁上寫到:作為美國國家實驗室和科學家的聯盟,他們此項計劃的任務是實現到2010年讓藻類產油的工業化,以及未來每天生產百萬桶生物原油的目標。為此,他們將以美國能源部圣地亞國家實驗室牽頭,組織十幾家實驗室以及上百位專家參與來完成這一宏偉工程。

  理論上說,如果種植2000萬至4000萬英畝的藻類,它們產生的生物原油總量可以達到目前美國原油進口數量,也就是說可以真正起到“替代進口”的作用。“點燃燃料”公司的目標就是要將這一設想變成現實。根據計劃,一部分科學家將尋找并培育符合產油率高等條件的藻類植物;一部分科學家將致力于研究如何降低藻類植物生長及其收獲成本;另一部分人則研究如何從藻類植物中提取油脂。

  “微型曼哈頓計劃”的出臺帶動了藻類生物燃料開發熱潮。目前,除了“點燃燃料”公司之外,科羅拉多州的“索力克”生物燃料公司也正在開發類似的藻類制油工藝。不久前,尤他州州立大學的科學家曾宣布利用一種全新技術從藻類中提取出了油,并將其轉化為生物柴油燃料,他們期望到2009年時能得到在價格上有競爭力的藻類生物柴油。該大學化學和生物化學教授斯費爾德表示:“藻類制油或許是人類在21世紀面臨的最大的科學挑戰。目前,有很多解決世界能源問題的想法,但是就是沒有一個能長期使用。”

  

微型曼哈頓計劃-藻類制油工業化仍需努力

 

  不過,像制造原子彈那樣,藻類制油工業化進程也并不會一帆風順,目前仍有一些技術問題需要進一步研發,特別是在為降低生產成本方面的需要解決的難題。

  科研人員面臨一個主要的技術挑戰在于:一些藻類植物能夠產出相當于其自身重量60%%的油,但這種情況只是當它處于“饑餓”狀態時,才會出現。恰恰是在這個時候,這些藻類植物又會喪失其本來吸引人的優點,如具有快速繁殖及生長的能力。研究人員希望找到控制藻類植物產油的分子開關。如果一旦發現這樣的開關,就可以生物方式干預其產油的過程,進而提高產油率,進一步降低成本。

  隨著藻類植物產油生物機理的了解,研究人員又發現另一個問題,也就是如何以低成本方式在露天池塘中培育藻類。一般說來,露天養殖很容易導致其他物種入侵,因此降低藻類的產量。生物燃料公司的科技顧問委員會主席大衛?金斯伯說,他們目前正在與圣地亞國家實驗室以及國家再生能源實驗室合作,期望能為藻類植物高產創造出良好的生態環境系統,這樣系統讓其所有營養物質轉化為藻類植物易于吸收的形式,以此扼殺或阻止外來物種入侵。

  同時,關于利用藻類植物收集二氧化碳技術的前途問題,綠色燃料公司最近公布的測試結果顯示,當陽光合適的話,藻類能夠吸收發電廠排出的80%%的二氧化碳,能有效地降低由化石能燃料燃燒直接排放的二氧化碳數量。不過,這一技術還有成本方面的問題。

  

微型曼哈頓計劃-藻類成為再生能源新突破點

 

  目前,美國聯邦政府對藻類制油項目的興趣十分濃厚。據科學家艾瑞克?杰維斯透露,美國國家再生能源實驗室將在未來6—12月內重新啟動藻類制油研發項目。

  專家們認為:布什在其國情咨文為美國設立了這樣的宏偉目標,即在2017年,生產350萬加侖的可再生燃料,替代目前20%%的汽油消耗量。這一目標對美國來說也是一大挑戰,一方面,以大豆、玉米生產乙醇燃料爭議不斷,并且已導致了這些農作物食品的價格上漲,引起了墨西哥農民的抗議;另一方面,其他生物質能,如木屑、長草和纖維素等資源雖然比較豐富,但是需要特殊的加工工藝,盡管這些能源技術已在一些小廠開始示范,但并未能證明它們能有效商業化。在這樣的情況下,美國也準備將尋找再生能源燃料的目光投向藻類植物這一新的能源突破點上。

微型曼哈頓計劃-曼哈頓計劃與生物能源

 

 生物質能源是地球上最普遍的一種可再生能源,它是通過植物光合作用,將太陽能以化學能的形式貯存在生物體內的一種能量形式,被稱為綠色能源。就我國生物燃料資源來說,18億畝耕地生產的糧食、60億畝山林草場生產的樹木雜草、300萬平方公里(折合45億畝)海域生產的海藻大致各占三分之一。我國的渤海、黃海、東海、南海,按自然疆界可達473萬平方公里,向外海延伸至國際公共海域,可以說蘊含著可供開發的海量的生物燃料資源。

  就全球來說,藻類也是一種數量巨大的可再生資源,也是生物燃料的重要來源。地球上生物每年通過光合作用可固定8×1010噸碳,生產14.6×1010噸生物質,其中一半以上應歸功于藻類光合作用。

微型曼哈頓計劃-  關于美國的微型曼哈頓計劃

 

  二次世界大戰期間,美國完成了研制原子彈的曼哈頓計劃。2007年,又推出微型曼哈頓計劃,其宗旨是向海洋藻類要能源,以幫助美國擺脫嚴重依賴進口石油的窘境。能以“微型曼哈頓計劃”命名,其重要性可見一斑。

  微型曼哈頓計劃由美國點燃燃料公司倡導發起,以美國國家實驗室和科學家的聯盟為主體,到2010年實現藻類產油的工業化,達到每天生產百萬桶生物原油的目標。為此,美國能源部以圣地亞國家實驗室牽頭,組織十幾家科研機構的上百位專家參與這一宏偉工程。

  理論上說,如果種植2000萬至4000萬英畝的藻類,它們產生的生物原油總量可以達到目前美國原油進口數量,也就是說,可以真正起到替代進口的作用。微型曼哈頓計劃的目標就是要將這一設想變成現實。根據計劃,一部分科學家將尋找并培育產油率高的藻類植物;一部分科學家將致力于研究如何降低藻類植物的收獲成本;另一部分人則研究如何從藻類植物中提取油脂。

  微型曼哈頓計劃的出臺帶動了藻類生物燃料開發熱潮。目前除了“點燃燃料”公司之外,科羅拉多州的索力克生物燃料公司也正在開發類似的藻類制油工藝。尤他州州立大學的科學家也宣布利用一種全新技術從藻類中提取出了油,正在將其轉化為生物柴油,他們期望到2009年能生產出在價格上有競爭力的藻類生物柴油。

  這一計劃重新燃起了美國新一輪的藻類生物“原油”研發熱潮。實際上,有關藻類作為一種生物燃料的研究已開展多年。20年前,美國國家再生能源實驗室曾對此進行了研究,只不過由于當時油價太低,藻類制油的成本沒有競爭力,使研究計劃于1996年中止。

  當前,新的能源和環保形勢,重新激起了人們開發藻類生物燃料的興趣,特別是高油價使得藻類制油的成本具有競爭力;新的基因和蛋白質技術使人們能夠更深入地了解藻類植物產油的機理,讓它們產出更多的“原油”。另外,藻類植物又能有效地吸附二氧化碳等溫室氣體。所以,美國的一些藻類生物燃料開發公司正在投巨資開發這方面的新技術,與此同時,一些大型的研究項目也開始啟動,它們的近期目標,是要讓藻類生物燃料在2010年能替代上百萬加侖的化石燃料。

微型曼哈頓計劃-我國發展海藻生物能源的意義

 

  藻類是最低等、最古老的一類植物,雖然結構簡單,但卻能產出相當于石油的“生物原油”。這種“生物原油”可用來提煉汽油、柴油、航空燃油,以及作為塑料制品和藥物的原料。同時,多數藻類植物還能制造出大量的碳水化合物等中間產品,這些產品經過發酵處理可以轉化為乙醇燃料。

  利用藻類,特別是微藻,發展“生物原油”有許多其他陸地植物不具備的特殊意義。

  第一,生長環境要求簡單。微型藻類幾乎能適應各種生長環境。不管是海水、淡水,室內、室外,還是一些荒蕪的灘涂鹽堿地、廢棄的沼澤、魚塘、鹽池等都可以種植微藻。第二,微藻產量非常高。一般陸地能源植物一年只能收獲一到兩季,而微藻幾天就可收獲一代,而且不因收獲而破壞生態系統,就單位面積產量來說比玉米高幾十倍。第三,不占用可耕地。藻類可以長在海洋、生長在露天池塘?衫貌煌愋退Y源、開拓荒山丘陵和鹽堿灘涂等非耕作水土資源,具有不與傳統農業爭地的優勢。第四,產油率極高。微藻含有很高的脂類(20%~70%)、可溶性多糖等,1公頃土地的年油脂產量是玉米的552倍、大豆的213倍、油菜籽的80倍。第五,加工工藝相對簡單。微藻光合作用效率高(倍增時間約3~5天),沒有葉、莖、根,不產生無用生物量,易于被粉碎和干燥,預處理成本比較低微。而且微藻熱解所得生物質燃油熱值高,是木材或農作物秸稈的1.6倍。第六,有利于環境保護。藻類植物能捕獲空氣中的二氧化碳,有助于控制溫室氣體排放。微藻種植可與CO2的處理和減排相結合(占地1平方公里的養藻場可年處理5萬噸CO2),而且微藻不含硫,燃燒時不排放有毒有害氣體,整個產油過程非常清潔。

  據估算,我國鹽堿地面積達1.5億畝,假如用14%的鹽堿地培養種植微藻,在技術成熟的條件下,生產的柴油量可滿足全國50%的用油需求。

 

微型曼哈頓計劃- 國外海藻生物能源的研究現狀

 

  在大型海藻能源開發利用方面,美國能源部曾在20世紀80年代在加州沿海建立了400萬平方公里的海底農場,專門種植多年生巨藻,以特殊的船只采收水下2米的海藻,一年收割3次。利用天然細菌發酵或人工發酵,進行天然氣(主要是甲烷)的開發。目前其年合成天然氣達220億立方英尺,可滿足5萬人口家庭年需求,單位成本僅為工業開采天然氣成本的1/6左右。目前我國臺灣地區也在進行該技術的引進和應用工作。

  國際上微藻產油研究始于上世紀中葉。美國從1976年起啟動的微藻能源研究項目證明,工程小環藻在實驗室條件下脂質含量可增加到60%以上,比自然狀態下微藻的脂質含量提高3~12倍,戶外生產也可增加到40%以上,推算每畝年產1噸~2.5噸柴油。美國已開發出利用某種微藻替代糖來發酵生產乙醇的專利,目前還沒有工業應用。美國國家能源部計劃在2010年實現微藻制備生物柴油的工業化,將微藻產油的成本于2015年降至2~3美元/加侖。

  2007年3月,以色列一家公司展示了利用海藻吸收二氧化碳轉化太陽能為生物能源的技術,在離電廠煙囪幾百米處的跑道池中規模培養海藻,并將其轉化為燃料,每5公斤藻可產1升燃料。日本兩家公司聯合開發出利用微藻將二氧化碳轉換成燃料乙醇的新技術,計劃在2010年研制出相關設備。

我國海藻生物能源的研究基礎

  到目前為止,一些沿海發達國家都不同程度地啟動了海洋微藻能源技術的研究工作,以美國微型曼哈頓計劃為代表,但基本上都處于科研開發階段,還沒有一個國家正式推出工業化產品。因此,我國就海洋微藻能源科研來說基本上與發達國家同步,甚至在某些方面具有一定優勢。

  我國微藻基礎研究力量較強,擁有一大批淡水和海水微藻種質資源,在微藻大規模養殖方面走在世界前列,養殖的微藻種類包括螺旋藻、小球藻、鹽藻、柵藻、雨生紅球藻等。大連化學物理研究所等單位在產氫微藻、清華大學等單位在產油淡水微藻方面具有一定的研究基礎。

  山東省的海洋科技力量比較集中,以青島為中心匯集了一批堪稱“國家隊”水平的海洋科研機構。中科院海洋研究所獲得了多株系油脂含量在30%~40%的高產能藻株,微藻產油研究取得前期重要成果,如:細胞密度達到20克/升,產油量7克/平方米(是目前農業種子產量的2倍);雪藻每天能在1平方米光照面積內生產35.3克AFDW(去灰分干重),該生物量相當于46.4克植物種子量,是目前高產農田產量的11倍。中國海洋大學擁有海洋藻類種質資源庫,已收集600余株海洋藻類種質資源,目前保有油脂含量接近70%的微藻品種,在山東無棣縣實施的裂壺藻(油脂含量50%,DHA含量40%)養殖項目正在建設一期工程,在利用灘涂能源植物,如堿篷、海濱錦葵、油葵以及地溝油制備生物柴油方面開展了一系列研究,取得了一些重大技術突破。

  山東省科技廳于2008年3月28日組織了海洋微藻能源技術座談研討會,就發展海洋微藻能源的發展思路、發展方向、關鍵技術的自主創新等科技問題進行了深入探討,重點針對能源微藻的生物煉制、優良藻種篩選、油脂合成的代謝調控、灘涂植物能源以及工業化開發等領域的技術創新,進行了專題研討,提出了許多新的見解,對加快發展海洋微藻能源的重要性和發展前景形成了共識。

 

微型曼哈頓計劃- 發展海藻生物能源的建議

 

  在海洋微藻能源產業化方面,由于前段時間石油價格的飆升,生產成本問題已不再重要。需要集中解決的是技術問題,譬如優質富油藻種的培育,適于藻類液化反應系統的設計、液態產物的分離和收集、液化過程中固體和氣體產物的回收和循環利用、能耗的降低等。

  迄今為止,微藻能源開發沒有成熟的技術,沒有成功的生產工藝,沒有可借鑒的技術標準,沒有現成的工業設備,因此它是一個全新的自主創新領域。為此,提出如下幾點建議。

  加強對海藻生物燃料的戰略性認識。建議把海藻能源列為未來生物質燃料產業的重要組成部分,特別是沿海地區,把海藻能源列入新能源的戰略規劃,從實際意義上實施中國的微型曼哈頓計劃,大力強化海藻加工技術創新,從規劃、政策層面支持海藻能源產業的發展。

  加強富油海洋微藻的科學研究。建議立項支持富油海洋微藻的研究工作,主要包括:1.富油藻種的篩選培育。重點加強藻種的生理生化分析、遺傳突變與良種培育、微藻的分子生物學與遺傳學研究。利用轉基因等分子水平的生物技術培育生長快、收率高、成本低的優良工程藻種,盡快實現富油微藻藻種的大規模篩選和低成本微藻產物收集。2.微藻產/儲油機理的研究。查明微藻生油儲油的機理,提高光合作用效率,推動轉基因工程靶向選擇等方面的研究工作。3.微藻加工關鍵技術的研究。圍繞微藻油脂的高效提取,進行液化、分離、產氫、熱解等關鍵技術的研究,創造出中國特色的微藻加工提取系列技術。

  加強微藻能源相關設備的研制。建議依托大型海藻加工企業,如青島明月海藻集團、煙臺東方海洋集團、威海尋山集團,開展微藻加工提油設備的研制開發。在改造原有設備的基礎上,引進消化吸收某些國外先進設備和技術,研制從微藻培養、養成、收集到煉制等一系列設備,大幅度提高設備國產化率和產品性能。

  建立微藻能源特色試點基地。建議國家有關部委和地方政府選擇擁有較強技術和人才優勢的科研院所,建立微藻能源研發基地,提升自主研發和工業化配套技術研發能力;選擇有雄厚技術積累和資金實力的海藻加工企業,建立微藻能源產業化基地,增強規;a能力。以國家重大科技項目為紐帶,促進兩類基地的緊密合作,盡快為全國海洋微藻能源產業作出示范。

  發展新型海藻能源產業。在技術突破和基地試點的基礎上,著眼未來生物質能源產業,建立高素質的海洋微藻能源產業體系,突出產學研結合,突出技術集成,大力推動新型海洋生物能源產業的形成和發展,為“后石油時代”破解能源危機提供一條重要途徑。(作者為山東省科技廳副廳長、青島國家海洋科學中心主任)


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