藻类生物燃料的成本仍然太高

随着美国努力在 2050 年实现清洁能源经济和净零碳排放，生物燃料似乎正大行其道。这些可再生来源的液体可以直接替代耗油汽车或工业流程的能源，而不必改变整个电网基础设施。

特别是，政府似乎正在加大对可以满足部分美国人能源需求的绿色粘性物质的关注：藻类。

今年 2 月初，美国能源部生物能源技术办公室 (BETO) 宣布新一轮 1900 万美元的资助，用于提高藻类系统捕获二氧化碳能力的项目。该项目有两个目标：减少温室气体排放和培育藻类用于生物燃料和其他生物产品。

此次公告以前几年的资助为基础，包括 2021 年夏季发放的一轮总额为 800 万美元的赠款。虽然这些数字与能源部 2022 年 403 亿美元的总预算相比相形见绌，但人们对藻类生物能源的兴趣似乎日益浓厚——甚至还有一场新的学生竞赛，以利用水生生物进行创新。

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德克萨斯大学奥斯汀分校分子生物科学研究助理教授 Schonna Manning 表示，最终目标是利用生物能源取代对化石燃料的依赖。Manning 还是该大学藻类培养物收集中心的研发主任，该中心将其库存出售给水产养殖和生物技术公司以及个人研究人员和小企业主。但正如她指出的那样，藻类生产的不同阶段都存在一些障碍，从培养到收获，再到将生物体转化为可上市产品的下游操作。

从技术上讲，大多数主流能源都来自藻类。为化石燃料行业提供动力的原油是远古藻类沉积物的产物。经过数百万年的高温高压，植物和真核生物等海洋生物转化成了如今构成石油的碳氢化合物。但改造藻类以按需生产石油可以为能源需求提供碳密集度较低的解决方案。这些获奖项目代表了一系列方法，包括利用直接空气捕获的藻类和动物饲料。

亚利桑那州立大学的亚利桑那藻类技术创新中心使用大型开放式水道池来培养藻类。藻类技术用于制造可再生产品，如生物燃料、塑料替代品和保健食品，这些产品既是营养丰富的食品，也可以用作药品，类似于绿茶和人参。

曼宁指出的一个关键问题是，尽管这些池塘看上去像豌豆汤一样稠密，但藻类只占池塘总体积的百分之一。其余的漂浮生物质是水。这是大规模培养藻类的主要挑战之一：为了产生高密度，需要从方程中去除大量的水（其中大部分最终会在系统中重复使用）。根据曼宁的估计，收获和脱水过程可能占资本成本的 70%。

为了寻找解决方案，太平洋西北国家实验室的工程师们从地球的演化过程中获得灵感，提出了一种名为热液液化的燃料形成方法。他们不是单独提取石油，而是在极高的温度和压力下烹饪藻类、蛋白质等，以模拟石油在水下形成的过程。虽然目前只进行了小规模的实验，但这可能是一种避免昂贵的脱水成本的解决方案。

伊利诺伊州可持续技术中心的另一个新资助项目旨在利用附近发电厂排放的烟气中的二氧化碳以及污水处理厂的营养物来降低养殖和资源成本。该系统将位于伊利诺伊州斯普林菲尔德的城市水电厂内，旨在种植藻类作为动物饲料的替代品。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校动物科学助理教授、斯普林菲尔德项目参与者乔希·麦肯表示，蛋白质是饲料中最昂贵的大分子之一。如果藻类的成本与更成熟的饲料相比具有竞争力，那么它将成为畜牧生产者的一种廉价而优质的选择。

麦肯指出，由于牲畜是最不挑剔的消费者之一，问题不在于它们是否会食用藻类。问题更多的在于，藻类的生产成本是否足够低，是否能提供足够的营养。麦肯希望，这个种植项目的独特方法将弥补其中的一些担忧。通过创造一种富含蛋白质的替代品，藻类原料可能能够取代大豆和其他需要大量土地和水才能生长的传统原料。研究人员预计今年春天将首次收获，之后麦肯将进行分析，评估藻类的营养水平，并据此为农产品销售定价。

与此同时，成本仍然是藻类生物燃料的一个棘手因素。价格估计取决于生产商和规模，但到目前为止，还没有一种燃料足以与目前全国平均每加仑 3.53 美元的汽油价格相媲美。杜克大学的海洋藻类工业化联盟项目正在尝试以每加仑 5 美元的价格在商业规模上生产藻类生物燃料。

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虽然没有确凿的证据证明藻类生物燃料燃烧时排放的温室气体比化石燃料少，但其净二氧化碳产量低于传统燃料。一公斤藻类生长大约需要消耗 1.8 公斤二氧化碳；相比之下，一棵成熟的树木每年吸收约 22 公斤二氧化碳。此外，光合作用生物不需要淡水或可耕地来生长，从而减少了对日益稀缺的自然资源的需求。

但在生产生物燃料之前，需要先收集藻类中发现的微小油滴。曼宁说，这些细胞的宽度约为 10 微米或 0.001 毫米。

“我们在这里寻找的是细节。我们寻找的是微小的细胞，我们寻找的是这些细胞内存在的微小油滴，”她说。“因此，藻类的油脂产量存在很大差异，[每种生物]的油脂含量从 15% 到 50% 不等。”

有时为了增加这些脂质储存，藻类会处于压力或饥饿状态，从而导致油脂产量增加。种植者可以通过抑制硫和氮等营养物质或增加温度和光照来提高油脂含量。特定种类的藻类也发挥着作用。

总而言之，伟大的实验将继续下去。尽管美国几十年来一直在研究工业级藻类，但 BETO 最近的推动为该领域增添了新的紧迫性。能源效率和可再生能源办公室在一份关于最近拨款的新闻稿中表示：“藻类技术不仅提供了卓越的碳汇，而且还是一种多功能材料产品，为从燃料到塑料的可持续发展挑战提供了解决方案。”但在成本下降之前，这些想法将停留在实验室和跑道池塘中——仅此而已。