標題扯淡的生物燃料

來自科學網

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

化石燃料，例如石油，煤炭和天然氣，都是古代沉積的動植物和微生物的遺體演變而來。因此，從能量來源的角度講，化石燃料其實是光合作用的間接產物。

由此，人們自然的聯想到能否利用目前存在的生物質來生產生物燃料，例如生物柴油、沼氣和生物氫氣。關于生物燃料的好處，我們經常讀到文章講它是一種二氧化碳中性的能源，也就是說不會增加大氣中二氧化碳的濃度，所以有助于緩解全球變暖；并且生物燃料能夠降低汽油和天然氣的進口量，從而降低許多國家能源的海外依賴率。本文中，我將展開討論生物燃料生產中的能量轉化效率，并從能量轉化效率的角度將生物燃料與其他的清潔能源生產進行比較，從而得出一些顯而易見的結論，并提出我個人的一些看法。

光合作用的能量轉化效率（從太陽能到生物能）

首先，有必要討論一下光合作用的能量轉化效率,以及通過提高光合作用來提高生物質產量的途徑。光合作用包括兩個部分，一是光反應，二是暗反應。在光反應中，植物通過光合色素吸收太陽光的能量并將其聚集到反應中心。然后通過電子和質子傳遞合成了生物體中通用的能量載體分子三磷酸腺苷（ATP）和具有還原能力的輔酶Ⅱ（NADPH）。換言之，在這個過程中植物吸收的太陽以ATP和NADPH的形式儲存起來；然后在隨后的暗反應中，植物利用ATP和NADPH中所存儲的太陽能將從空氣中所吸收到的二氧化碳和從土壤中吸收的水合成為碳水化合物。

植物光合色素只能吸收和利用太陽輻射能量的47%，因為綠光，紫外光和紅外線等波段的能量不能為光合所利用。理論上講，合成一個NADPH分子需要8個光子的能量；但是事實上則需要9.4個光子。根據一個光子所攜帶的平均能量計算，光合作用在理論上僅僅能將11.8 %的太陽能通過合成NADPH的形式存儲。因此，11.8 %也將是生物氫氣生產中的太陽能轉換效率的上限。

不幸的是，從能量轉化效率的角度講，光合作用在弱光條件下最高。在20%的日照強度下，光合作用即達到最高值，意味著在晴朗的夏日正午日照最強的時候，80%的太陽能竟無法為光合作用所利用。其理論上的原因很可能是由于光合反應中心的電子傳遞的限制造成。更為不幸的是，在高光強條件下，光合反應組件“磨損”加劇，以至于其中的一個叫做D1蛋白的組件，植物一小時得更換三次！生物學上將這種現象稱為“光抑制”。顯然，“光抑制”現象是對太陽能的極大浪費；但是在經歷了漫漫35億年進化后的今天，光合作用終究也沒有克服“光抑制”。

暗反應的過程也同樣存在嚴重的能量浪費。這主要是由于將二氧化碳還原成碳水化合物的RuBisCO酶，時常錯誤的將氧氣作為反應對象，導致了大量能量被用于糾正這一錯誤，其比例高達植物所吸收的太陽能的1/3！另外，暗反應的高效進行需要充足的水，但是很多時候植物處于缺水狀態，極大的降低能量轉化效率。

考慮到光反應和暗反應中的種種限制因素，4.5%的太陽能轉化效率是C3植物的光合作用的理論上限�，F實的農業生產中，即使是楊樹一類的速生樹木，其太陽能轉化效率僅僅在1%的水平。

生物燃料

根據生物燃料的單產（公斤/公頃）以及生物燃料的能量密度（焦耳/公斤），我們可以輕松的計算出生物燃料生產過程中太陽能的轉化效率。其結果是，德國的生物柴油（油菜籽加工而來）含有低于0.1 %的初始太陽能，生物乙醇低于0.2%，沼氣大約是0.3%。值得注意的是，這些數值沒有扣除生產中投入的額外能量（包括生產相應化肥和農藥的能量投入，耕作、播種、施肥、噴藥、收獲和運輸的能量投入）。這些能量投入超過了生物燃料本省能量的50%，并且主要來源于化石燃料。因此，生物燃料并非是完全二氧化碳中性。特別是，當使用小麥和玉米作為原料生產生物乙醇時，其額外的能量投入更高，以致于許多科學家認為從生物乙醇的能量中扣除額外的能量投入后，結果接近于零�？梢钥隙ㄊ�，通過使用生物燃料來降低二氧化碳排放，其作用杯水車薪。以整株植物為原料來生產生物燃料的第二代技術，可以將生物燃料的單產翻番，但是也需要更多的額外能量投入。例如，在“費托合成”的方法生產合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體）時，生物源的合成氣中氫氣含量偏低，需要添加額外的氫氣�？偨Y說來，通觀單位土地上太陽能到生物燃料的轉化效率，我的結論是，生物燃料生產的土地利用效率極其低下。巴西通過甘蔗來生產酒精也是一樣。

生物燃料的替代途徑

目前商業推廣的太陽能發電面板的能量轉化效率已經達到了15%的水平。這些電能，絕大部分都可以被有效的存儲到蓄電池中。從太能轉化效率來看，太陽能到蓄電池的效率是太陽能到生物燃料的150倍！并且，如果用蓄電池驅動車輛，80%的能量將轉化為驅動能量；而生物燃料中只有20%的能量轉化為動力。因此，從太陽能到驅動能量，光伏發電/蓄電池/電動機這一組合的太陽能利用效率是生物燃料途徑的600倍！

  提高光合作用的效率

誠然，提高光合作用和生物質產量是有一定空間的。首先，通過改造光合色素來擴大有效光合波段具有理論的可能性，例如將紫外和綠光變成光合有效輻射就是一個方向。另外一個更加現實的途徑是，通過改變光子收集原件和光反應中心的布局來優化電子傳遞速度、降低光抑制現象以及提高光合作用的光飽和點。在暗反應方面，目前有研究表明，紅色藍藻在碳水化合物合成中對二氧化碳結合的專一度要比植物高，從而降低了暗反應過程中的能量浪費；因此這一途徑很可能也會提高高等植物在碳水化合物合成過程中的能量利用效率。

當前生物氫氣的生產主要是利用氫氣合成酶在光合系統I（光反應中的兩個系統之一）中富集電子的一側合成氫氣。如果能夠將具有分解水能力的光合系統II也利用起來話，通過分解水來生產氫氣，就可以將目前的能力轉化效率提高一倍，明顯提高與光伏太陽能發電的競爭能力。但是，從目前蛋白質工程的技術水平上看，其實現遙遙無期。

當前普遍看好以藍藻作為原料生產生物燃料的潛力。但是許多人對該體系的太陽能轉化效率的估計過分樂觀，有些數值甚至已經高于光合作用中能量轉化的理論上限。我承認與高等植物相比，藍藻體系具有兩大優勢，一是所有細胞全部參與光合作用，二是充足的供水。但是，其限制條件也相當明顯：1）光反應中的“光抑制”， 2）暗反應中的能量浪費，3）養殖和收獲藍藻以及隨后的生物燃料生產過程中的巨大額外能量的投入。

 展望

前面已經敘述了提高光合作用能量轉化效率對提高生物燃料能量轉化效率的重要意義，并且提高光合作用能量轉化效率也是提高作物產量、保證全球食品安全的重要途徑，但是這些都不能挑戰光伏發電/蓄電池/電動機這一系統突出的高能量轉換效率的地位。目前，對于光伏發電/蓄電池/電動機這一能量轉換系統，其主要限制因素是當前蓄電池的電能儲存能力水平較低。但是，近年來的蓄電池技術的發展取得了令人欣喜的進展；例如本雜志就報道的一種硫－鋰－鐵的新型電池1，其蓄電能力是普通鋰電池的10倍！該技術一旦實現商業化，那么配有該電池的電動汽車，其充電一次的行使里程將等同于傳統燃油汽車一箱汽油的里程。同時，這種高效儲能電池也是儲存電能的一項有效手段。在更遠的將來，當常溫超導材料實現商業化后，也許就不需要進行大規模的儲存電能。屆時，全球范圍內的位于不同時區的光伏發電場將通過超導電纜連接成一個整體，從而實現持續不斷的電力供應。

建議

種植能源植物生產生物燃料將不可避免的與糧食作物爭地，同時考慮到該系統低下的太陽能利用效率，我們不應將寶貴的耕地和水資源用于生物燃料的生產。種植能源作物將不可避免的推高糧食價格，加劇貧困人口的糧食危機。最好利用生物質的方式之一是生產高附加值的化工原料。即使利用生物質直接燃燒來取暖或者發電，也比通過生產生物燃料來驅動汽車或取暖要好的多。生產生物燃料過程中所投入的額外的化石能源，也應該直接用于交通運輸。

通過在熱帶雨林地區種植棕櫚樹來生產生物燃料是一項非常危險的方案。因為熱帶雨林土壤中的泥炭將被暴露在空氣中，與氧氣反應形成二氧化碳，其結果是釋放出的二氧化碳將比棕櫚樹所吸收的二氧化碳還要多。同時，熱帶雨林在全球氣候中起著極其重要的作用，并且也是寶貴的藥用植物資源庫。從降低大氣二氧化碳濃度的角度來講，我們更應該做的是將種植能源植物的土地改造成森林；因為在1%光合太陽能轉化效率條件下，一平方米的森林可以從大氣中吸收2.7公斤的二氧化碳，而如果用同樣一平方米的能源作物來生產生物燃料的話，將最終導致0.31 公斤的二氧化碳凈排放量！

電動車一定是個人交通工具的未來。