标题扯淡的生物燃料

来自科学网

Hartmut Michel 哈特穆特·米歇尔 （E-mail: hartmut.michel#biophys.mpg.de）

化石燃料，例如石油，煤炭和天然气，都是古代沉积的动植物和微生物的遗体演变而来。因此，从能量来源的角度讲，化石燃料其实是光合作用的间接产物。

由此，人们自然的联想到能否利用目前存在的生物质来生产生物燃料，例如生物柴油、沼气和生物氢气。关于生物燃料的好处，我们经常读到文章讲它是一种二氧化碳中性的能源，也就是说不会增加大气中二氧化碳的浓度，所以有助于缓解全球变暖；并且生物燃料能够降低汽油和天然气的进口量，从而降低许多国家能源的海外依赖率。本文中，我将展开讨论生物燃料生产中的能量转化效率，并从能量转化效率的角度将生物燃料与其他的清洁能源生产进行比较，从而得出一些显而易见的结论，并提出我个人的一些看法。

光合作用的能量转化效率（从太阳能到生物能）

首先，有必要讨论一下光合作用的能量转化效率,以及通过提高光合作用来提高生物质产量的途径。光合作用包括两个部分，一是光反应，二是暗反应。在光反应中，植物通过光合色素吸收太阳光的能量并将其聚集到反应中心。然后通过电子和质子传递合成了生物体中通用的能量载体分子三磷酸腺苷（ATP）和具有还原能力的辅酶Ⅱ（NADPH）。换言之，在这个过程中植物吸收的太阳以ATP和NADPH的形式储存起来；然后在随后的暗反应中，植物利用ATP和NADPH中所存储的太阳能将从空气中所吸收到的二氧化碳和从土壤中吸收的水合成为碳水化合物。

植物光合色素只能吸收和利用太阳辐射能量的47%，因为绿光，紫外光和红外线等波段的能量不能为光合所利用。理论上讲，合成一个NADPH分子需要8个光子的能量；但是事实上则需要9.4个光子。根据一个光子所携带的平均能量计算，光合作用在理论上仅仅能将11.8 %的太阳能通过合成NADPH的形式存储。因此，11.8 %也将是生物氢气生产中的太阳能转换效率的上限。

不幸的是，从能量转化效率的角度讲，光合作用在弱光条件下最高。在20%的日照强度下，光合作用即达到最高值，意味着在晴朗的夏日正午日照最强的时候，80%的太阳能竟无法为光合作用所利用。其理论上的原因很可能是由于光合反应中心的电子传递的限制造成。更为不幸的是，在高光强条件下，光合反应组件“磨损”加剧，以至于其中的一个叫做D1蛋白的组件，植物一小时得更换三次！生物学上将这种现象称为“光抑制”。显然，“光抑制”现象是对太阳能的极大浪费；但是在经历了漫漫35亿年进化后的今天，光合作用终究也没有克服“光抑制”。

暗反应的过程也同样存在严重的能量浪费。这主要是由于将二氧化碳还原成碳水化合物的RuBisCO酶，时常错误的将氧气作为反应对象，导致了大量能量被用于纠正这一错误，其比例高达植物所吸收的太阳能的1/3！另外，暗反应的高效进行需要充足的水，但是很多时候植物处于缺水状态，极大的降低能量转化效率。

考虑到光反应和暗反应中的种种限制因素，4.5%的太阳能转化效率是C3植物的光合作用的理论上限。现实的农业生产中，即使是杨树一类的速生树木，其太阳能转化效率仅仅在1%的水平。

生物燃料

根据生物燃料的单产（公斤/公顷）以及生物燃料的能量密度（焦耳/公斤），我们可以轻松的计算出生物燃料生产过程中太阳能的转化效率。其结果是，德国的生物柴油（油菜籽加工而来）含有低于0.1 %的初始太阳能，生物乙醇低于0.2%，沼气大约是0.3%。值得注意的是，这些数值没有扣除生产中投入的额外能量（包括生产相应化肥和农药的能量投入，耕作、播种、施肥、喷药、收获和运输的能量投入）。这些能量投入超过了生物燃料本省能量的50%，并且主要来源于化石燃料。因此，生物燃料并非是完全二氧化碳中性。特别是，当使用小麦和玉米作为原料生产生物乙醇时，其额外的能量投入更高，以致于许多科学家认为从生物乙醇的能量中扣除额外的能量投入后，结果接近于零。可以肯定是，通过使用生物燃料来降低二氧化碳排放，其作用杯水车薪。以整株植物为原料来生产生物燃料的第二代技术，可以将生物燃料的单产翻番，但是也需要更多的额外能量投入。例如，在“费托合成”的方法生产合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）时，生物源的合成气中氢气含量偏低，需要添加额外的氢气。总结说来，通观单位土地上太阳能到生物燃料的转化效率，我的结论是，生物燃料生产的土地利用效率极其低下。巴西通过甘蔗来生产酒精也是一样。

生物燃料的替代途径

目前商业推广的太阳能发电面板的能量转化效率已经达到了15%的水平。这些电能，绝大部分都可以被有效的存储到蓄电池中。从太能转化效率来看，太阳能到蓄电池的效率是太阳能到生物燃料的150倍！并且，如果用蓄电池驱动车辆，80%的能量将转化为驱动能量；而生物燃料中只有20%的能量转化为动力。因此，从太阳能到驱动能量，光伏发电/蓄电池/电动机这一组合的太阳能利用效率是生物燃料途径的600倍！

  提高光合作用的效率

诚然，提高光合作用和生物质产量是有一定空间的。首先，通过改造光合色素来扩大有效光合波段具有理论的可能性，例如将紫外和绿光变成光合有效辐射就是一个方向。另外一个更加现实的途径是，通过改变光子收集原件和光反应中心的布局来优化电子传递速度、降低光抑制现象以及提高光合作用的光饱和点。在暗反应方面，目前有研究表明，红色蓝藻在碳水化合物合成中对二氧化碳结合的专一度要比植物高，从而降低了暗反应过程中的能量浪费；因此这一途径很可能也会提高高等植物在碳水化合物合成过程中的能量利用效率。

当前生物氢气的生产主要是利用氢气合成酶在光合系统I（光反应中的两个系统之一）中富集电子的一侧合成氢气。如果能够将具有分解水能力的光合系统II也利用起来话，通过分解水来生产氢气，就可以将目前的能力转化效率提高一倍，明显提高与光伏太阳能发电的竞争能力。但是，从目前蛋白质工程的技术水平上看，其实现遥遥无期。

当前普遍看好以蓝藻作为原料生产生物燃料的潜力。但是许多人对该体系的太阳能转化效率的估计过分乐观，有些数值甚至已经高于光合作用中能量转化的理论上限。我承认与高等植物相比，蓝藻体系具有两大优势，一是所有细胞全部参与光合作用，二是充足的供水。但是，其限制条件也相当明显：1）光反应中的“光抑制”， 2）暗反应中的能量浪费，3）养殖和收获蓝藻以及随后的生物燃料生产过程中的巨大额外能量的投入。

 展望

前面已经叙述了提高光合作用能量转化效率对提高生物燃料能量转化效率的重要意义，并且提高光合作用能量转化效率也是提高作物产量、保证全球食品安全的重要途径，但是这些都不能挑战光伏发电/蓄电池/电动机这一系统突出的高能量转换效率的地位。目前，对于光伏发电/蓄电池/电动机这一能量转换系统，其主要限制因素是当前蓄电池的电能储存能力水平较低。但是，近年来的蓄电池技术的发展取得了令人欣喜的进展；例如本杂志就报道的一种硫－锂－铁的新型电池1，其蓄电能力是普通锂电池的10倍！该技术一旦实现商业化，那么配有该电池的电动汽车，其充电一次的行使里程将等同于传统燃油汽车一箱汽油的里程。同时，这种高效储能电池也是储存电能的一项有效手段。在更远的将来，当常温超导材料实现商业化后，也许就不需要进行大规模的储存电能。届时，全球范围内的位于不同时区的光伏发电场将通过超导电缆连接成一个整体，从而实现持续不断的电力供应。

建议

种植能源植物生产生物燃料将不可避免的与粮食作物争地，同时考虑到该系统低下的太阳能利用效率，我们不应将宝贵的耕地和水资源用于生物燃料的生产。种植能源作物将不可避免的推高粮食价格，加剧贫困人口的粮食危机。最好利用生物质的方式之一是生产高附加值的化工原料。即使利用生物质直接燃烧来取暖或者发电，也比通过生产生物燃料来驱动汽车或取暖要好的多。生产生物燃料过程中所投入的额外的化石能源，也应该直接用于交通运输。

通过在热带雨林地区种植棕榈树来生产生物燃料是一项非常危险的方案。因为热带雨林土壤中的泥炭将被暴露在空气中，与氧气反应形成二氧化碳，其结果是释放出的二氧化碳将比棕榈树所吸收的二氧化碳还要多。同时，热带雨林在全球气候中起着极其重要的作用，并且也是宝贵的药用植物资源库。从降低大气二氧化碳浓度的角度来讲，我们更应该做的是将种植能源植物的土地改造成森林；因为在1%光合太阳能转化效率条件下，一平方米的森林可以从大气中吸收2.7公斤的二氧化碳，而如果用同样一平方米的能源作物来生产生物燃料的话，将最终导致0.31 公斤的二氧化碳净排放量！

电动车一定是个人交通工具的未来。