科学123: “能源草”能替代煤炭吗？

（已发于博闻网）

什么是能源草
煤炭和石油等化石燃料在社会经济发展和工业化进程中，发挥了重要作用。但是，在经济迅速发展的今天，这些传统能源的两大弊端日益凸现出来：首先，这些化石燃料的形成需要漫长时间，在短时间内难以再生，最终会逐渐枯竭并导致能源危机；其次，燃烧化石燃料会迅速提高大气中的二氧化碳含量，加剧温室效应，引起全球变暖和随之而来的一系列生态灾难。

各国科学家和研究机构都在努力寻找可以替代化石燃料的新能源。本月中旬，一些利用“能源草”可以替代煤炭发电的消息在网上迅速传播开来。“一亩地产出的能源草相当于4吨煤炭；通过种植能源草，可以满足火力发电厂对燃料的需求”，这些介绍使得能源草一时间成为闪亮的能源新星。那么，什么是能源草？它有什么特点？它真的能够取代煤炭吗？本文将向你逐一解答这些问题。此外，通过阅读本文，你还将了解到其他生物能源，以及目前开发利用生物能源所面临的问题。

实际上，能源草是一系列可以作为燃料使用的草本植物的统称，一般是禾本科多年生高大的丛生草本植物，如芦竹、象草、柳枝稷、草芦等。国外已经将这些植物作为重要的能源植物（Energy source plant）进行开发利用。这些植物都具有以下特点：

l 生长快，产量高。光合作用效率高，生长迅速是燃料草的首要特点。例如，一亩柳枝稷一年的干草产量为1.2吨，而一亩象草一年可生产出3.6吨干草。

l 易管理。能源草的根系发达，对炎热、寒冷、干旱、盐碱等环境都有较强的适应性。经一年种植，可以连续收获10-15年。

l 热值高。1公斤干能源草的热值大多高于14.5MJ，相当于同等重量的煤炭的70%-80%（1公斤原煤的热值平均为20.9 MJ）。此外，通过改进燃烧和集热设备，可以进一步提高能源草的利用效率。

l 环保。能源草燃烧时放出的二氧化碳与它生长时吸收的大致相当，不会像燃烧传统的化石燃料那样使大气中的二氧化碳含量急剧上升。虽然能源草也可能产生甲烷和一氧化碳等温室气体，但是通过改进燃烧技术，还是可以控制这些温室气体的排放。使用能源草在一定程度上还是有助于控制全球变暖。

用能源草做燃料的问题
因为具有上述几大优点，有学者认为，能源草完全可以取代煤炭成为电力工业中的能源。然而，在现阶段能源草利用中，还存在一些问题。

目前，能源草的能量利用方式主要还是直接燃烧，这种方式对生物能的利用率比较低。据报道，在火力发电中，1亩地一年产出的能源草相当于4吨煤。乍一看，这些草还是不错的燃料。但是稍微计算一下，我们就会发现其中的问题。目前，一个热电厂每天最少要消耗2000吨煤，一年就是72万吨。那么，要填饱一个中小型电厂的肚子，一年至要种18万亩能源草，这个面积几乎相当于一个中等规模县的耕地总面积的10%-30%。如果将影响能源草产量的因素（干旱、盐碱化）考虑在内，需要的种植面积可能会更大。大规模的生产能源草，很可能会挤占耕地。

虽然能源草对环境的耐受性较强，可以种植在干旱、盐碱等恶劣环境中。但是大量种植能源草很可能会对当地原有的生态系统产生负面影响。由于能源草具有生长繁殖迅速的特点，一旦能源草失去控制在环境中蔓延开来，势必会抢夺土著物种的生存环境，从而造成新的生态灾难。

这样算来，用能源草替代化石燃料，还真不是件容易的事。

明星能源草——象草
象草是一种原产非洲的多年生草本植物，隶属于禾本科狼草属，拉丁学名为Pennisetum purpureum。象草生长迅速，植株可高达3-4米。因为大象喜欢食用这种植物，所以得名“象草”。

由于象草生长迅速，干物质（植物体去除水分之后的物质）积累效率较高，对生存环境不挑不拣，所以被多个国家引种。新鲜象草叶片柔软多汁，营养丰富，是多种家禽家畜的美味佳肴，它最初正是作为饲料被引入我国的。此外，在象草制成的基质上种植食用菌（如香菇），还可以提升食用菌的品质。

凭着不错的光合作用效率和干物质产量，象草进入了生物能开发研究人员的视野当中。目前，利用方式还仅限于直接燃烧。同其他生物能一样，如何能提高能量利用率仍然是摆在象草能源利用面前的一道难题。

其它重点开发的生物能源
由于生物能源具有可再生和环保等化石燃料没有的特性，各国政府和研究机构都在花大力气大力开发生物燃料，其中包括替代汽油的玉米乙醇、甘蔗乙醇和纤维素乙醇，以及替代柴油的生物柴油和藻类柴油。目前，玉米乙醇、甘蔗乙醇和生物柴油已经投入工业化生产和销售使用。

玉米乙醇和甘蔗乙醇都是利用酵母发酵将碳水化合物转化为乙醇。所不同的是，在生产玉米乙醇时，必须用酶把玉米中的淀粉转化为糖分，才能进行发酵。而甘蔗中的糖含量较高，可以直接发酵制造酒精。目前，美国是玉米乙醇的主要生产和消费国，而巴西则是甘蔗乙醇的主要生产和消费国。生物柴油则是通过改变植物油（菜籽油或大豆油）的化学成分得到的。德国主要使用菜籽油，而美国在使用大豆油。

表面上看来，生物能源的出现为人们解决能源和环境问题带来了希望。但事实并非这么简单。

目前，无论是在玉米乙醇、甘蔗乙醇还是生物柴油的生产中都还需要化石燃料。大多数情况下，在种植收割和生产蒸馏生物能源时都需要用到化石燃料。特别是在生产玉米乙醇时，需要耗费大量的化石燃料进行蒸馏处理。这样一方面提高了生物能源的生产成本，另一方面对减少温室气体排放所做的贡献变得十分有限。

另一方面，目前生物燃料的原料大多是粮食作物。在粮食产量不变的情况下，大量生产生物燃料，很可能影响正常的粮食和食品供应。为了应对这个问题，研究人员还在努力寻找制造纤维素乙醇和藻类柴油的方法。前者生产过程是，先利用热处理和酸处理将纤维素从植物中分离出来，再利用特殊的酶将其转化为糖，最后利用细菌和酵母将这些糖发酵成为酒精；而后者则是通过大量培养藻类，而后，通过特殊设备提取收集藻类细胞中的油滴制成。目前，这两种生物能源面临共同的问题就是转化效率较低，且生产成本过高。

看来，完全使用生物能源替代化石燃料，还有很长的路要走。

本文作者：史军（已发于<a href="http://science.bowenwang.com.cn/energy-source-plant.htm">博闻网</a>） 什么是能源草 煤炭和石油等化石燃料在社会经济发展和工业化进程中，发挥了重要作用。但是，在经济迅速发展的今天，这些传统能源的两大弊端日益凸现出来：首先，这些化石燃料的形成需要漫长时间，在短时间内难以再生，最终会逐渐枯竭并导致能源危机；其次，燃烧化石燃料会迅速提高大气中的二氧化碳含量，加剧温室效应，引起全球变暖和随之而来的一系列生态灾难。 各国科学家和研究机构都在努力寻找可以替代化石燃料的新能源。本月中旬，一些利用“能源草”可以替代煤炭发电的消息在网上迅速传播开来。“一亩地产出的能源草相当于4吨煤炭；通过种植能源草，可以满足火力发电厂对燃料的需求”，这些介绍使得能源草一时间成为闪亮的能源新星。那么，什么是能源草？它有什么特点？它真的能够取代煤炭吗？本文将向你逐一解答这些问题。此外，通过阅读本文，你还将了解到其他生物能源，以及目前开发利用生物能源所面临的问题。 实际上，能源草是一系列可以作为燃料使用的草本植物的统称，一般是禾本科多年生高大的丛生草本植物，如芦竹、象草、柳枝稷、草芦等。国外已经将这些植物作为重要的能源植物（Energy source plant）进行开发利用。这些植物都具有以下特点： l 生长快，产量高。光合作用效率高，生长迅速是燃料草的首要特点。例如，一亩柳枝稷一年的干草产量为1.2吨，而一亩象草一年可生产出3.6吨干草。 l 易管理。能源草的根系发达，对炎热、寒冷、干旱、盐碱等环境都有较强的适应性。经一年种植，可以连续收获10-15年。 l 热值高。1公斤干能源草的热值大多高于14.5MJ，相当于同等重量的煤炭的70%-80%（1公斤原煤的热值平均为20.9 MJ）。此外，通过改进燃烧和集热设备，可以进一步提高能源草的利用效率。 l 环保。能源草燃烧时放出的二氧化碳与它生长时吸收的大致相当，不会像燃烧传统的化石燃料那样使大气中的二氧化碳含量急剧上升。虽然能源草也可能产生甲烷和一氧化碳等温室气体，但是通过改进燃烧技术，还是可以控制这些温室气体的排放。使用能源草在一定程度上还是有助于控制全球变暖。 用能源草做燃料的问题 因为具有上述几大优点，有学者认为，能源草完全可以取代煤炭成为电力工业中的能源。然而，在现阶段能源草利用中，还存在一些问题。 目前，能源草的能量利用方式主要还是直接燃烧，这种方式对生物能的利用率比较低。据报道，在火力发电中，1亩地一年产出的能源草相当于4吨煤。乍一看，这些草还是不错的燃料。但是稍微计算一下，我们就会发现其中的问题。目前，一个热电厂每天最少要消耗2000吨煤，一年就是72万吨。那么，要填饱一个中小型电厂的肚子，一年至要种18万亩能源草，这个面积几乎相当于一个中等规模县的耕地总面积的10%-30%。如果将影响能源草产量的因素（干旱、盐碱化）考虑在内，需要的种植面积可能会更大。大规模的生产能源草，很可能会挤占耕地。 虽然能源草对环境的耐受性较强，可以种植在干旱、盐碱等恶劣环境中。但是大量种植能源草很可能会对当地原有的生态系统产生负面影响。由于能源草具有生长繁殖迅速的特点，一旦能源草失去控制在环境中蔓延开来，势必会抢夺土著物种的生存环境，从而造成新的生态灾难。 这样算来，用能源草替代化石燃料，还真不是件容易的事。 明星能源草——象草 象草是一种原产非洲的多年生草本植物，隶属于禾本科狼草属，拉丁学名为Pennisetum purpureum。象草生长迅速，植株可高达3-4米。因为大象喜欢食用这种植物，所以得名“象草”。 由于象草生长迅速，干物质（植物体去除水分之后的物质）积累效率较高，对生存环境不挑不拣，所以被多个国家引种。新鲜象草叶片柔软多汁，营养丰富，是多种家禽家畜的美味佳肴，它最初正是作为饲料被引入我国的。此外，在象草制成的基质上种植食用菌（如香菇），还可以提升食用菌的品质。 凭着不错的光合作用效率和干物质产量，象草进入了生物能开发研究人员的视野当中。目前，利用方式还仅限于直接燃烧。同其他生物能一样，如何能提高能量利用率仍然是摆在象草能源利用面前的一道难题。 其它重点开发的生物能源 由于生物能源具有可再生和环保等化石燃料没有的特性，各国政府和研究机构都在花大力气大力开发生物燃料，其中包括替代汽油的玉米乙醇、甘蔗乙醇和纤维素乙醇，以及替代柴油的生物柴油和藻类柴油。目前，玉米乙醇、甘蔗乙醇和生物柴油已经投入工业化生产和销售使用。 玉米乙醇和甘蔗乙醇都是利用酵母发酵将碳水化合物转化为乙醇。所不同的是，在生产玉米乙醇时，必须用酶把玉米中的淀粉转化为糖分，才能进行发酵。而甘蔗中的糖含量较高，可以直接发酵制造酒精。目前，美国是玉米乙醇的主要生产和消费国，而巴西则是甘蔗乙醇的主要生产和消费国。生物柴油则是通过改变植物油（菜籽油或大豆油）的化学成分得到的。德国主要使用菜籽油，而美国在使用大豆油。 表面上看来，生物能源的出现为人们解决能源和环境问题带来了希望。但事实并非这么简单。 目前，无论是在玉米乙醇、甘蔗乙醇还是生物柴油的生产中都还需要化石燃料。大多数情况下，在种植收割和生产蒸馏生物能源时都需要用到化石燃料。特别是在生产玉米乙醇时，需要耗费大量的化石燃料进行蒸馏处理。这样一方面提高了生物能源的生产成本，另一方面对减少温室气体排放所做的贡献变得十分有限。 另一方面，目前生物燃料的原料大多是粮食作物。在粮食产量不变的情况下，大量生产生物燃料，很可能影响正常的粮食和食品供应。为了应对这个问题，研究人员还在努力寻找制造纤维素乙醇和藻类柴油的方法。前者生产过程是，先利用热处理和酸处理将纤维素从植物中分离出来，再利用特殊的酶将其转化为糖，最后利用细菌和酵母将这些糖发酵成为酒精；而后者则是通过大量培养藻类，而后，通过特殊设备提取收集藻类细胞中的油滴制成。目前，这两种生物能源面临共同的问题就是转化效率较低，且生产成本过高。 看来，完全使用生物能源替代化石燃料，还有很长的路要走。

科学123

2012年3月13日星期二

“能源草”能替代煤炭吗？

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