生物燃料研究
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生物燃料研究范文第1篇
收稿日期:2010-07-28
作者简介:陈丁丁(1982―),男,江西武宁人,助理工程师,主要从事环境工程方面研究。
中图分类号:Tk01
文献标识码:C
文章编号:1674-9944(2010)08-0207-03
1 引言
环保生物燃料电池并非刚刚出现的一项技术。1910年英国植物学家马克•比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流,于是他用铂作电极放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里,成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。1984年美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池,使用的燃料为宇航员的尿液和活细菌,不过放电率极低。传统的燃料电池是利用氢气发电,但从来没有尝试使用富含有机物的污水来发电。环保生物燃料电池是一种特殊的燃料电池,以自然界的微生物或酶为催化剂,直接将燃料中的化学能转化为电能。
2 环保生物燃料电池的工作原理
环保生物燃料电池(Microbial Fuel Cell MFC)是以微生物作为催化剂将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置,由阳极区和阴极区组成,中间用质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)分开,如图1所示。环保生物燃料电池的工作过程分为几个步骤:在阳极区,微生物利用电极材料作为电子受体将有机底物氧化,这个过程要伴随电子和质子(NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上;电子通过导线转移到阴极区,同时,由NADH释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区,电子、质子和氧气反应生成水,随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行,在外电路获得持续的电流[1],其反应式如下:
阳极反应:
C.6H.12O.6 + 6H.2O 6CO.2 + 24H++24e-,
E.0=0.1014V
阴极反应:
6O.2+24H++24e-12H.2O,
E.0=1.123V
图1 生物燃料电池结构示意图
3 环保生物燃料电池的利用领域
3.1 废水同步的处理与发电
3.1.1 单一槽设计
电池装置和氢燃料电池有点相似,是一个圆柱形的树脂玻璃密闭槽。微生物燃料电池是单一反应槽,里面装有8条阳极石墨棒,围绕着一个阴极棒,密闭槽中间以质子交换膜间隔。密闭槽外部以铜线组成的闭合电路,用作电子流通的路径。当污水被注入反应槽后,细菌酶将污水中的有机物分解,在此过程中释放出电子和质子。其中电子流向阳极,而质子则通过槽内的质子交换膜流向阴极,并在那里与空气中的氧以及电子结合生成干净的水。从而完成对污水的处理。与此同时,反应槽内正负极之间的电子交换产生了电压,使该设备能够给外部电路供电。单一反应槽是微生物燃料电池设计的创新。大部分燃料电池的设计以两反应槽为主,分别为阳极槽和阴极槽,在阳极槽中以厌氧方式维持微生物生长;阴极槽中则需维持在有氧环境下,使电子与氧结合并且与质子形成水分子。而单一反应槽以质子交换膜连接两槽,其功能不仅可分开两槽水溶液,还可以避免氧气扩散至另一槽内。两槽式的电解槽,需以外力方式提供溶氧至阴极,而单一槽微生物燃料电池可以以连续注水方式将空气带入阴极,从而减少通氧设备的花费。在发电量方面,在实验室里,该设备能产生72W的电流,可以驱动一个小风扇。虽然目前产生的电流不多,但该设备改进的空间很大。从提交发明报告到现在,已经把该燃料电池的发电能力提高到了350W,这一数值最终能达到500~1000W。技术成熟后,可以批量生产的微生物燃料电池的发电能力将获得很大提高,可以产生500kw的稳定电流,大约是300户家庭的用电量。
3.1.2 不间断上流微生物燃料电池
华盛顿大学的研究人员日前称,他们把利用废水发电的微生物燃料电池技术又向前推进了一步。去年他们已研究出了这一利用废水发电的新技术,现在,他们又把新技术的发电量比去年提高了10倍。如果利用这一技术能使发电量再提高10倍的话,食品和农业加工厂就有望能安装这种设备用于发电,并能为附近居民提供清洁和可再生电能[2]。华盛顿大学环境工程学项目成员、化学工程助教拉思安晋南特博士在“环境科学技术”网站上介绍了这种不间断上流微生物燃料电池(UMFC)的设计以及工作原理。同过去那些让微生物在含有营养液的封闭系统中工作的实验不同的是,安晋南特为微生物提供的是源源不断的废水。由于食品和农业加工中会不停排放废水。因此,安晋南特的技术更容易在这些工厂得到应用。利用废水发电的微生物燃料电池技术,是在阳极室内安装价格低廉的U型质子交换膜,将阳极和阴极分开。废水中含有的有机物,可为细菌群提供丰富食物,使其得以生存和繁衍。这些细菌在电池阳极电极上形成生物膜,同时在食用废水中有机物时向阳极释放电子,电子通过与阳极和阴极相连的铜导线移动到阴极,废水中的质子则穿过质子交换膜回到阴极,同电子和氧原子结合生成水。而电子在导线中的运动过程就形成了人们所需要的电流。继2005年首次完成了废水发电的微生物燃料电池设计后,安晋南特新推出的U型设计增加了质子交换膜的面积、缩短了两极距离,因此降低了因阻力引起的能耗,使电池发电能力提高了10倍,每立方米溶液的发电量从3W/m3增加到了29W/m3。如果微生物燃料电池系统能够维持20W/m3的电力输出,就可以点亮小功率的灯泡。
3.1.3 利用太阳能和光和细菌的环保生物燃料电池
Noguera与土木与环境工程教授Marc Anderson、助理教授Trina McMahon,细菌学教授Timothy Donohue,研究员Isabel Tejedor Anderson,以及研究生Yun Kyung Cho和Rodolfo Perez合作发展出一种能在污水处理厂应用的大规模微生物燃料电池系统。目前,研究人员们把微生物封装在密闭的无氧测试管中,测试管的形状被做成类似电路的回路。当处理废物时,先把有机废水通入管中,作为副产品电子向阳极移动,然后通过回路流到阴极。另外一种副产品质子通过一块离子交换膜流到阴极。在阴极中,电子和质子与氧气发生反应形成水。一块微生物燃料电池理论上最大可以产生1.2V电压。但是可以像电池一样把足够多的燃料电池并联和串联起来产生足够高的电压来作为一种有实际应用的电源。目前该研究小组正在利用他们在材料科学、细菌学和环境工程方面的优势来最优化微生物燃料电池的结构。
3.2 新型的环保燃料电池
英国牛津大学科研人员研制出一种新的环保生物电池,这种环保生物电池装有一种生化酶,可以吸收空气中的氢和氧来发电。这种生化酶是从一种需要氢气来维持新陈代谢的细菌中分离出来的。这种酶的独特之处在于可以与那些如一氧化碳和硫化氢等常规的电池催化剂并存。这种酶是“生长型”的,因此能够以价格低廉、可再生等特点取代传统价格昂贵的铂基催化剂。这种电池消耗的是大气中的氧气和氢气。所使用的酶是从自然界中利用氢气进行新陈代谢的细菌中分离出来的。这种酶的特性是具有高选择性,能够忍受对传统的燃料电池催化剂具有毒害作用的气体,例如一氧化碳和硫化氢。研究人员表示,由于这种酶能够生长,所以对比于其他的氢燃料电池所使用昂贵的铂催化剂而言,这是一种廉价的、可更新的环保燃料电池。
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3.3 生物医学的应用
环保生物燃料电池还可以造出另一种重要产品,根据电信号立即测出病人血糖水平的仪器。对于向包括起博器和胰岛素生成器等在内的可植入电控医学设备供电来说,环保生物燃料电池非常有用。这些设备需要无限的电源,这是因为更换这些设备的电池可能需要外科手术。BFC从活的生物体内提取燃料(例如从血流中提取葡萄糖)来产生电流。只要生物个体是活的,这种燃料电池就可以持续起作用[5]。
2010年8月 绿 色 科 技
第8期
4 结语
尽管环保生物燃料电池经数十年研究仍距实用遥远,燃料电池研究从20世纪90年代初开始又成为热门领域,现在仍在升温阶段。几种燃料电池已经处在商业化的前夜。另外,近20年来生物技术的巨大发展,为环保生物燃料电池研究提供了巨大的物质、知识和技术储备。所以,环保生物燃料电池有望在不远的将来取得重要进展。随着生物和化学学科交叉研究的深入,特别是依托生物传感器和生物电化学的研究进展,以及对修饰电极、纳米科学等研究的层层深入,环保生物燃料电池研究必然会得到更快的发展。环保生物燃料电池作为一种绿色环保的新能源,在生物医学等各个领域的应用的理想必然会实现。
参考文献:
[1] 韩保祥,毕可万.采用葡萄糖氧化酶的生物燃料电池的研究[J].生物工程学报,1992,8(2):203~206.
[2] 贾鸿飞,谢 阳,王宇新.生物燃料电池[J].电池,2000,30(2):86~89.
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[4] 尤世界,赵庆良.废水同步生物处理与生物燃料电池发电研究[J].环境科学,2006,9(9):17~18.
[5] 宝 ,吴霞琴.生物燃料电池的研究进展[J].电化学,2004,2(1):1~8.
The Research and Foreground of Biofuel Cell
Chen Dingding
(Wuning Environmental Protection Bareau, Wuning JiangXi 332300,China)
Abstract:Biofuel cell is a device converting chemical energy into electrical energy directly with the biocatalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction condition and goodbiology consistence. And, Biofuel cell are capable of converting chemical energy presented in organic wastewater into electricity energy with accomplishments of wastewater treatments simultaneously , which possibly captures considerable benefits in terms of environments and economics.
生物燃料研究范文第2篇
关键字：微生物燃料电池；黑臭底泥；降解有机物；产电；除臭
中图分类号：TU992 文献标志码：A
近年来，水体污染日益严重，城市黑臭河道日益增多，给人民的生活生产造成了严重的影响。我国每年投入大量的人力物力解决河道黑臭问题，而传统的底泥清淤、底泥固化等处理方式治标不治本，同时消耗的大量的能源；而微生物燃料电池以其节能减排、变废为宝的优势受到人们广泛关注。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是利用厌氧或兼性微生物的催化作用，在氧化有机物、无机物的过程中提取电子并将其转移至电极上，将化学能直接转化为电能的装置[1]。以城市河道黑臭底泥为底物的微生物燃料电池在新能源的开发和河道治理上提供了一个很好的思路。
有效微生物群（EM菌）是由乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌、醋酸菌、双歧杆菌、放线菌七大类微生物中的10属80种有益微生物共生共荣组成的[2]，EM技术是目前世界上应用范围最大的一项生物工程技术，和一般生物制剂相比，它具有结构复杂、性能稳定、功能齐全的优势，表现出前所未有的高科技水平。
本研究将EM技术与MFC技术结合，构建了以黑臭底泥为底物的微生物燃料电池（MFC)，研究装置的产电性能、降解有机物和除臭效果，为解决河道黑臭底泥污染提供新思路。
1 材料和方法
1.1 双室微生物燃料电池装置的构建
双室微生物燃料电池装置由阳极、阴极和质子交换膜三个部分组成，见图1。该装置由有机玻璃材料制成，阴阳两极室体积各为192.5 mL，极室的尺寸设计为70 mm×50 mm×55 mm（长×宽×高）。每个极室上方开3个小孔，分别为导线出口、底物进出口以及二氧化碳等废气出口。阴阳两极室之间由质子交换膜相隔。阳极极板为软碳布，阳极中加入EM菌，阴极为铂金材料。以黑臭底泥为阳极室底物及产电菌菌源和电子供体，以铁氰化钾/磷酸盐（100 mM/L）缓冲液作为阴极电解液和电子受体。
图1 MFC构造外电路
如图1所示，将铜导线与电极连接，用于引出并传递电子，外电路由铜导线与可变电阻箱（0-9999.9Ω）连接而成。多用电表并联于外电阻两端，用于测外电路电压，并与计算机连接，实时采集数据并保存于计算机中。
1.2 阳极底物的选择
本研究选取福州市乌龙江分支乌兮河河道黑臭底泥作为底物，构建典型的双室微生物燃料电池。乌兮河为城市内河中典型的黑臭河道，死鱼、生活垃圾漂浮于河中，河水呈灰黑色，臭味异常。其污染主要来源于附近几个大型养猪场以及城市垃圾。
1.3 MFC工作原理
MFC是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
阳极：(CH2O)n CO2 + H+
阴极：Fe(CN)63- + e- Fe(CN)64-
微生物燃料电池阳极室内，产电菌在细胞内将黑臭底泥中的可降解有机物质代谢分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水，从而完成整个微生物燃料电池的电子传递过程。其实质是脱氢、失电子的过程，其中有酶、辅酶、电子传递体的参与。
1.4检测项目与方法
CODCr：重铬酸钾滴定法，WFZ UV-2000紫外可见分光光度计；臭阈浓度：臭阈值法[3]。
2 结果与分析
2.1 MFC产电性能
MFC在启动和运行期间外电路负载均采用1000 Ω。城市河道黑臭底泥中含有丰富的有机物，产电微生物通过降解有机物产生电子，电子通过阳极板流向外电路最终到达阴极，形成电流和电压。微生物燃料电池一个产电周期的产电情况见图2。
图2 MFC运行一个周期的电压变化情况
由图2可以看出，电池构建后初始电压为60 mV左右，MFC经历一个启动阶段，而后迅速升高至200 mV左右，进入较稳定的产电阶段。随着有机物被消耗，外电压逐渐降低，当外电压低于50 mV时，认为一个产电周期结束。
图3为MFC运行时内阻变化情况，与传统的燃料电池内阻相同，MFC内阻是指在运行过程中，电流通过MFC内部时受到的阻力。
图3 MFC运行时内阻变化情况
由图3可知，微生物燃料电池初始内阻较大，约为2700Ω，之后迅速下降，降幅明显大于中后期。电池内阻的变化主要由电解质和质子交换膜对电子和离子的传导阻碍、电极表面活化反应、反应物或反应产物向电极表面或溶液扩散等因素造成。此外，由于活性物质的存在，MFC的内阻通常不是常数。与传统燃料电池相似， MFC的最大输出功率与其开路电压的平方成正比，与其内阻成反比。因此，电池内阻是影响MFC产能的关键因素。
在微生物燃料电池启动成功后，还考察了其电能输出情况。当电压达到稳定值时，通过改变外电路电阻（10-9999Ω），分别得到了微生物燃料电池的功率密度曲线和极化曲线，如图4。
图4 功率密度和电压变化情况
由图4可知，在开路状态下，即电流密度为0时，功率密度为0。随着电流密度的增大，功率密度开始上升，当电流达到一定的数值时，功率密度达到峰值，约270 mV/m2。随着电流的继续增大，功率密度开始下降，造成这种变化的主要原因是电池内部的极化作用。实验测得 ，当外电阻Rext=1000 Ω时，K3[Fe(CN)6]阴极MFC的最大功率为269.5 mA/m2，此时，外电阻Rext等于内电阻Rint。
同时可以看出，K3[Fe(CN)6]阴极MFC产生的开路电压为0.68 V，通过极化曲线计算得到，内电阻Rint=－E/I=999 Ω，这与上述得到的结论Rext=1000 Ω相符。
2.2 MFC降解有机物性能
电池启动后，每隔一段时间用注射器从反应器取样口取出2 mL泥水样本，此处取样时间为电池运行的第45、63和122小时，经离心分离后，取上层清液用重铬酸钾法测定其COD。取样周期及电压变化情况如图5所示，对应的MFC运行时COD变化情况如图6所示。
图5 MFC运行时电压变化情况
图6 MFC运行时COD变化情况
从图5可以看出，每次取样均会使电压突降。主要是由于取样过程中影响了产电菌电子的产生和传递，使电流不能稳定输出，从而影响电压。
图6分别测定了新鲜底物注入反应器前、电池运行过程中以及产电周期结束后的COD值。由图可知，黑臭底泥的COD呈下降趋势。初始COD值为807.3 mg/L，一个产电周期结束后COD降为390.6 mg/L。这是由于电池运行时，产电菌附着在极板上，形成生物膜，从而降解有机物。运行稳定后，微生物生长状况良好，对有机物的降解速率明显高于前期启动阶段和后期电压下降阶段。结果表明，当电池运行一个周期后，COD的降解效率达51.6%，展现出了良好的运行效果和潜力。
2.3 MFC除臭性能
由微生物除臭的原理可知，微生物除臭是多种微生物共同作用的结果。在本研究中，选用EM菌作为生物除臭的特殊菌种，能使光和菌、乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌、醋酸菌、双歧杆菌、放线菌七大类微生物中的10属80种有益微生物共生共荣，从而提高除臭性能。
该研究采用臭阈值表示除臭效果。表1为有添加EM菌和无添加EM菌除臭效果的比较结果。
表1 产电周期结束后污泥水样的臭阈值
序号 初始污泥 无添加EM菌 有添加EM菌
1 8330 4500 1520
2 8050 4310 1590
3 8470 4630 1470
4 8230 4440 1580
5 8170 4530 1690
平均值 8250 4482 1570
MFC运行过程中，产电的同时降解臭气，由表1可以看出，在无添加EM菌的情况下，臭阈值由原来的8250降为4482。投加EM菌后，臭气降解效果明显增加，臭阈值由原来的8250降为1570，除臭效果是未加EM菌的3倍。可知，投加EM菌能有效提高其除臭性能，同时不影响MFC的产电性能。
3 结论
1）构建的黑臭底泥为底物的双室微生物燃料电池装置具有良好的产电性能，最大输出功率密度可达到269.5 mA/m2。
2）MFC对于城市内河黑臭底泥有机污染有良好的降解效果，MFC运行一个周期后，COD的降解效率达51.6%。
3）投加EM菌的MFC臭域值约为无EM菌装置的1/3，除臭效果显著增加，同时产电性能未发生明显变化。因此，EM技术与MFC技术相结合，能够促进除臭和降解有机物的效果。
参考文献：
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[3] 水和分水检测分析方法（第四版）[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.
生物燃料研究范文第3篇
地膜覆盖栽培技术的使用与大力推广为农业增产做出了巨大贡献，但在粮食和经济作物产量增加的同时，土壤中大量难以降解的塑料地膜残余物逐年上升，造成了环境污染，影响了生态平衡。大多农民使用的地膜厚度薄、强度差、易老化、难回收，非常容易残留在地里，导致“白色污染”。每年有几百万吨的地膜被弃于土壤中，是一个不可忽视的污染源。据调查，连续35年覆膜的土地，其中的废弃地膜可使小麦减产5%9%，蔬菜减产2%10%，玉米产量下降10%，棉花产量下降10%23%。此外，牛羊误食残膜碎片，可导致肠胃功能失调，严重时造成死亡。
调查结果引起了我们的震惊和思索：能不能找到合适的方法加速降解农田土壤中日益增多的残留农膜呢？我们学校的科技辅导员帮我们查阅了资料，并介绍了从事微生物研究的科研机构和辅导老师，确定了项目的可行性。于是，我们开始了关于农膜降解的研究。
研究过程
技术路线
研究技术路线见图1。
菌源样品
5份菌源样品分别采自生活小区垃圾堆、保定市垃圾处理厂、保定市纺织厂排水沟、保定市区河流底泥及郊区农田土壤。用采样铲采集垃圾、污泥及农田地表土壤以下1015cm深处土样各约100g于牛皮纸袋中，记录采样时间、地点等信息并标号，风干、过40目筛，4℃冰箱放置备用，采样时间为2010年7月，要求所有样品在3周内处理完毕。
实验方法
高效PVA（聚乙烯醇）降解菌株的分离筛选。实验共采集了保定市郊垃圾处理厂、纺织厂排水沟土壤、河流底泥等5个土壤样品，每个样品筛选3批，共进行了15批次的驯化与分离。
菌株的种属鉴定。根据《常见细菌系统鉴定手册》，分为形态观察、生理生化实验和16SrDNA序列分析3方面进行。
高效PVA降解菌株培养条件优化（产芽孢工艺研究）。内容包括斜面菌种活化、种子制备、液体培养等。
菌株对PVA的降解效果研究，包括菌株芽孢液制备、摇瓶中的降解实验、土壤模拟降解实验等。
实验结果与分析 土样中PVA降解细菌的分离筛选
为了提高筛选效率，采用PVA平板透明圈初筛的方法，经初筛共得到8株呈现透明圈亦即具备降解PVA能力的菌株（见图2），分别为1-16、1-21、2-1、2-2、3-3、3-4、3-9和4-2菌株。
对初筛所得8株菌株进行培养，然后测定各菌株对发酵液中的PVA降解率。结果显示，3-4菌株的降解率最高，48h后达到35.43%。
3-4菌株的种属鉴定
经基因组提取、扩增和序列测定，得到该菌株及相应标准菌株的进化距离并构建了系统发育树。将3-4菌株的形态及生理生化特征与《常见细菌系统鉴定手册》中相应属、种的有关性状相对照，发现3-4菌株形态及生理生化特征与解淀粉芽孢杆菌较为一致，因此鉴定菌株3-4为解淀粉芽孢杆菌（液化淀粉芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens）。经科技查新，国内报道中尚未见过该菌株用于PVA降解的报道。
解淀粉芽孢杆菌3-4菌株的产芽孢条件优化
实验结果表明，PVA降解菌株的摇瓶培养产芽孢条件为：2%麸皮，0.5%玉米浆，0.05%KH2 PO4 ，0.3%ZnCl2 ，Na2 HPO4·12H2 O0.4%。最佳的发酵参数为pH8.0，种龄14h，装瓶量50mL/250mL三角瓶，30℃，200r/min。在此优化条件下，其芽孢产率可达95%以上，总生物量为2.69×109 CFU。
菌株的降解应用效果
摇瓶发酵降解实验。在摇瓶降解基础培养基中加入不同浓度的PVA及一定量菌株芽孢液，30℃、200r/min条件下摇床培养96h，不同时间测定残留量绘制降解率曲线见图3。结果表明，菌液对摇瓶中添加不同浓度的PVA均有降解效果，在浓度为10mg/mL时降解率最高，在96h时达到72.10%；浓度为25mg/mL时，96h降解率为53.59%；菌液对PVA塑料的降解率要低于对纯品PVA的降解，分析可能是由于PVA塑料除含有PVA外还有淀粉基体等其他物质，因此降解得相对缓慢。
模拟土壤降解实验。菌液对土壤中PVA纯品的降解实验结果见图4。由图可知，随着时间的延长，菌液对土壤中的PVA降解率呈增加趋势，在降解28天时，土壤中的大部分PVA可被降解。菌液对土壤中PVA塑料的降解实验结果表明，菌株的施入量对PVA塑料的降解速率有一定影响，菌液加入量越多降解就越快，达到一定值时降解速率的增加则不再明显。在菌剂加入为4mL时，28天可将PVA塑料降解63.25%。实验证实，从微生物方面讲，菌液不会引起不良生态效应；菌液对受试土壤理化指标无明显影响，表明该菌株具有良好的大规模应用前景。
本研究创新点及推广前景
分离筛选出高效降解PVA的新菌株解淀粉芽孢杆菌3-4。经科技查新，该菌应用于PVA的微生物降解在国内文献尚未见报道。
首次进行了PVA降解菌株（解淀粉芽孢杆菌3-4菌株）的生产工艺研究。研究结果为利用微生物菌剂降解残留PVA农膜奠定了前期科学基础。经科技查新，目前国内未见PVA菌剂菌株生产工艺的研究及解淀粉芽孢杆菌产芽孢条件的研究。
探明了所研制菌液降解PVA及PVA塑料的适用条件和实际降解效果，为PVA环境污染的微生物修复奠定了科学基础。
本研究所获的PVA降解菌株降解效率高，菌液生产工艺完善、成本低廉，降解效果明确。此菌株及其菌液生产和实际降解工艺，在PVA农膜污染治理方面有较大的应用推广价值，在其他行业的含PV污染治理方面也具有广阔的应用前景。
下一步工作设想
所获得的供试菌株为自然界的野生菌株，应具备较大的产酶及降解活性的提高空间，因此可对其开展产酶特性研究，使其降解潜力得以充分发挥；还可考虑对其实施诱变、基因工程育种等手段，进一步提高其PVA降解能力。
应尽快以小白鼠为供试动物考察菌株安全性，确保菌株的使用安全，不会对环境产生新的危害。
可进一步研究菌剂的大生产工艺和固定化工艺等，为功能菌株的大规模应用奠定基础，并深入研究适合的工艺和设备，提高其降解效率和其实用性。
进一步考察此菌株在其他PVA污染治理中的应用潜力，如对纺织废水中PVA的降解。
该项目获得第27届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组环境科学一等奖。
生物燃料研究范文第4篇
事实上，多年来，生物燃料作为一种新型能源一直被多国广为探索。不久前，中国商用飞机有限责任公司也携手波音公司进军航空生物燃料研发高地，双方成立节能减排技术中心，寻求提炼航空燃料的妙方。俄罗斯经济发展部和行业专家就建议，共同制造生物燃料。
而在这方面，英国算得上是佼佼者之一。早在2008年，英国的维珍大西洋航空公司就进行了首次使用生物燃料的航空飞行。这次飞行的机型是波音747，航程从伦敦到阿姆斯特丹，在一个飞机引擎中添加了20%的生物燃料，其原作物是椰子和巴西棕榈树。
生物燃料是当前全球应对气候变化讨论中的一个热点话题。如今，英国作为积极应对气候变化的国家，非常重视推动生物燃料的发展，在政策、商业、科研等方面都做了大量工作。虽然全球整个生物燃料市场的前景还面临一些争论，但英国的生物燃料产业仍在稳步发展。
用废弃食用油换乘车打折卡
据统计，在2009/2010财年英国车辆所使用的生物燃料中，约71%是生物柴油，约29%是生物乙醇，还有很小一部分的生物甲烷。
目前，一些英国公司正在通过国际合作发展生物燃料。例如英国石油公司与美国Martek生物科学公司签署了合作协议，共同开发把糖分转变为生物柴油的技术。英国“太阳生物燃料”公司前几年曾在非洲大量投资，购买土地种植麻风树，以便从麻风树果实中提炼生物燃料。
在英国国内，一些公司通过回收废弃食用油来生产生物燃料。例如英国最大的公交和长途公共汽车运营商STAGECOACH就有这样一个项目，该公司向居民发放免费容器盛装废弃食用油，居民以此换取乘车打折卡，所收集的废油被送到一家能源公司制成生物柴油，供STAGECOACH公司的部分车辆作为燃料使用。
虽然生物燃料现在还主要应用于车辆，但英国一些航空公司已率先进行了航空业使用生物燃料的探索。例如“维珍大西洋”公司在2008年进行了全球首次使用生物燃料的试飞，在一架波音747客机的一个引擎中加入了20%的生物燃料，从伦敦飞到了阿姆斯特丹。
科学界热衷生物燃料
英国生物燃料应用领域的拓展，与科学研究关系密切。
据介绍，英国科学界非常热衷于研究生物燃料，相关研究走在世界前列。有些研究关注如何降低生物燃料的成本，如帝国理工学院等机构研究人员在《绿色化学》上报告说，用木材制造生物燃料时常需要将木材粉碎成很小的颗粒，这个过程需要消耗不少传统能源，估计每粉碎一吨木材需消耗约8英镑的能源。但如果在粉碎过程中加入某种离子液体作为剂，可以把这个环节所消耗的能源量降低80%，把粉碎每吨木材消耗的能源成本降低到约1.6英镑。据估算，最后得到的生物乙醇的价格有望因此降低10%。
除成本研究外，还有些研究在探索使用不同的原材料来生产生物燃料。使用甘蔗、玉米等农作物来制造生物燃料常被指责与民争粮、与粮争地，但如果使用通常废弃的秸秆等部位来制造生物燃料就可以避免这个问题。秸秆的主要成分是纤维素，如何分解纤维素一直是个难题。
英国约克大学等机构的研究人员在美国《国家科学院学报》杂志上说，他们从真菌中发现了一种名为GH61的酶，它能够在铜元素的帮助下以较高的效率分解纤维素，使其降解为乙醇，然后用以制造生物燃料。
此外，树木枝干和许多植物的茎秆中还含有许多通常难以分解的木质素，英国沃里克大学等机构研究人员在《生物化学》杂志上说，一种红球菌能分泌一种具有分解木质素能力的酶。这种红球菌可以大量培养，因此也可以用于分解植物茎秆制造生物燃料。
民众自制生物燃料
尽管生物燃料在英国获得商界及科学界人士的“全方位”支持，但对于大部分英国民众来说，是否在开车时使用生物燃料仍取决于它的价格，单纯出于环保目的而使用生物燃料的人群毕竟还是少数。
对于使用柴油发动机的汽车来说，许多车辆不需要改装就可以烧生物柴油，而现在英国一些加油站出售的柴油价格在每升1.4英镑左右，有公司出售的生物柴油售价在1.25英镑左右，但每升生物柴油能驱动车辆行驶的距离通常低于传统柴油，因此消费者往往会随着油价的波动和性价比的变化，选择是否使用生物燃料。
有意思的是，有些具备相应知识的英国民众还自制生物燃料，这样会比买油便宜得多。
根据英国《每日电讯报》报道，萨默赛特郡的詹姆斯・莫菲就是这样一个例子。他从两家餐厅购入废弃食用油，每升只需10便士；在筛去渣滓后，向其中加入甲醇和氢氧化钠等化学物质，经过加热和沉淀等过程，就能得到自制的生物柴油。
他说，自己开车每月消耗150升生物柴油，制造这些生物柴油的成本是每升约18便士，这比市场价格要便宜得多。根据英国税务海关总署的规定，民众每年自制生物柴油2500升以下无需交纳任何费用。因此，像莫菲这样自制生物柴油的民众可以给自己省下一大笔钱。
政府稳步推进
除了有民众的支持，生物燃料还获得官方的力挺。
在英国能源与气候变化部2011年的《英国可再生能源路线图》中，有关机构专门列出了有关生物燃料的目标。其中提到，在2009/2010财政年度，英国道路上行驶的车辆使用生物燃料的比例占道路交通所用总燃料的3.33%，这个比例在近几年一直处于增长之中，英国计划到2014年将其提高到5%。
由于生物燃料主要用于供给车辆，英国交通部也参与了相关管理工作，负责《可再生交通燃料规范》的实施。根据这项法规，英国每年销售量在45万升以上的燃料供应商必须使生物燃料等可再生能源在其销售量中达到一定比例，如果自身销售的生物燃料达不到相应比例，则需要花钱从其他超额完成任务的燃料供应商那里购买相应份额。
这个比例是逐年上升变化的，目前的指向是前面提到的在2014年5%的目标。客观地说，这是一个稳健的目标，每年的上升幅度不大，显示出英国政府稳步推进生物燃料发展的态度。
此外，英国政府还对生物燃料的标准进行了规定，即与传统化石燃料相比至少能减排温室气体35%以上，并且原料产地的生物多样性不能因为生产生物燃料而受到影响。这是为了让生物燃料能够切实起到保护环境的效果。
前景还不明朗
需要说明的是，英国的生物燃料虽稳步发展，但仍称不上达到“快跑”的程度。
一方面，英国商界虽然在发展生物燃料方面做出了诸多探索，但并没有出现特别明显的增长，一些项目还遇到了问题。比如有报道称太阳生物燃料公司在非洲某些国家的项目已经终止，维珍大西洋公司虽然率先探索在飞机上应用生物燃料，但现在全球已有多家航空公司实现了使用生物燃料的商业化飞行，而维珍大西洋公司却没有太多进一步的消息。这可能与联合国气候变化谈判结果波动和全球生物燃料市场本身的前景也还面临一些争论有关。
生物燃料研究范文第5篇
生物燃料主要是指以生物质为原料制取的燃料乙醇和生物柴油。生物燃料的发展动因，一是源于国家石油安全的需求，即作为汽油和柴油的替代能源，以达到缓解石油过度依赖进口的危机；二是源于国家环境保护的需要，利用生物燃料的清洁性降低机动车污染物排放。燃料乙醇是指用玉米、木薯、甘蔗、甜高梁以及农作物秸秆等生物纤维制取的液体燃料；生物柴油是指用废食用油、油料植物(麻疯树、黄连木等)和油料水生植物(藻类)等为原料制取的液体燃料。生物燃料可直接与汽油或柴油按一定比例混合后作为汽车动力燃油使用，起到替代汽油和柴油的作用。而汽车用汽油和柴油在我国交通部门油品消费中占很大比例，因此，生物燃料替代潜力的分析和研究将主要围绕汽车用油展开。
燃料乙醇(俗称酒精)，以玉米等农作物或秸秆为原料，经发酵、蒸馏而制成，生产工艺技术成熟。燃料乙醇以10％比例与汽油搀和作为汽车动力燃料(E10)，在减少汽油消耗的同时，还能有效改善油品的使用性能和降低汽车尾气污染。国家汽车研究中心的实验结果表明，汽车使用燃料乙醇汽油，其动力性能基本不变。从机理上讲，汽油加入10％燃料乙醇后热值降低3％，但含氧量增加3.5％，可将原汽油不能完全燃烧的部分充分燃烧，从而保证其动力性能，使总体油耗持平。美国的研究结果表明，E85高比例燃料乙醇汽油与传统汽油相比，前者辛烷含量低28％，但能源利用率高于后者；前者每公里耗油量是后者的85％，温室效应排放量只是后者的75％，每升造价也低于后者近0.80美元。
生物柴油的生产方法有化学法、生物酶法和工程微藻法三种。我国生产普遍采用化学法，即利用酯交换反应，通过去掉植物或动物脂肪中的甘油分子制取生物柴油。一旦甘油分子从植物油或动物脂肪中除去后，生物柴油的分子成分与石油柴油相似，可以直接用于任何柴油发动机，而不需要对发动机作任何更改。江苏工业学院精细化工重点实验室研究了生物柴油与O#柴油的调和油性质，结果表明，生物柴油与我国僻柴油的主要性能指标相接近(除闪点外)。美国科学家的大量试验结果显示：生物柴油作为车用替代燃料，其排放指标可满足欧洲Ⅱ和Ⅲ排放标准。英国能源技术支持单位(ETSU)还对生物柴油与柴油进行全生命周期的C02排放研究，结果表明，生物柴油的全生命周期CO2排放仅仅为柴油的1/5左右。燃料乙醇汽油与纯汽油的全生命周期排放比较结果是：燃料乙醇在CO、CO2的排放方面低于汽油，而Nox、CH4排放相当于或略高于汽油。由此可看出生物燃料的清洁性。
二、国内外生物燃料开发利用的现状
生物燃料生产和应用在国际上已呈高速发展趋势，发展燃料乙醇产业已成为各国政府调控农产品供需矛盾、解决石油资源短缺以及保护城市大气环境质量的重要措施。巴西始终处于燃料乙醇发展的领先地位。目前巴西国内有400万辆汽车使用纯燃料乙醇，其他车辆使用25％的乙醇汽油。美国1/3汽油中掺100k的燃料乙醇，美国总统布什希望到2025年用燃料乙醇取代3/4的进口石油，2030年燃料乙醇将占美国运输燃油消费总量的20％。法国自2006年秋季开始使用B30乙醇汽油车辆，2007年E85高级乙醇汽油正式面市，目前生物燃料占所有燃料的比重只有1.25％。法国政府的目标是，2008年使生物燃料比重提高到5.75％，2010年达到7％，2015年达到10％。印度政府规划，2011－2012年间，实现生物柴油替代20％的石油柴油。美国每年销售20亿加仑的生物柴油，占普通柴油消耗量的8％。由于生物柴油更容易与柴油混合，因此随着柴油车的发展，生物柴油将有更大的应用规模。目前德国1/3的新增汽车为柴油车，几乎所有的出租车都是柴油车。奥地利则接近50％。欧洲每两部新增车辆中有一辆柴油车。目前德国大众和奔驰汽车等多家公司，已经在巴西和美国等国家推出多种利用生物燃料的车型，以迎合市场的需求。
我国目前已成为全球第三大燃料乙醇生产国，排名第一和第二的分别是巴西和美国。我国政府批准建设的四家以消化玉米陈化粮为主的燃料乙醇生产企业，2006年生产能力达163万吨。车用燃料乙醇汽油扩大试点工作在9个省的27个地市开展，车用燃料乙醇汽油销量达到1000万吨左右，占全国汽油消费量的20％左右。广东首条以木薯作原料的燃料乙醇生产线也在清远落户，而盛产糖蜜和木薯的广西也正计划在南宁和贵港兴建两个乙醇燃料生产基地。此外河南天冠集团年产3000吨的生物质纤维乙醇生产项目已在镇平县奠基，这是国内首条千吨级利用生物质纤维生产燃料乙醇的产业化试验生产线。但是要实现大规模的工业化生产，还有很长一段路要走。
此外，我国生物柴油也开始进入了准备推广阶段。海南正和公司在河北已开发了11万亩黄连木种植基地，每年可产果实2－3万吨，可获得生物柴油原料8000－12000吨。该公司计划在此基础上建立年产生物柴油5－20万吨的炼油化工厂。海南正和公司在河北邯郸建成年产l万吨的生物柴油工厂。四川古杉集团建成年产3万吨生物柴油工厂。福建源华公司建成年产3万吨的生物柴油工厂。北京等省市也已经建成一定规模的生产线。上述这些生产线目前均是利用垃圾油或植物油脚、餐饮废油等为原料生产生物柴油。2005年我国的生物柴油生产关键技术研究取得重大进展，产品各项指标达到美国ASTM6751标准，使用性能良好，完全能够作为柴油内燃机燃料。在今后5年内，我国将建成年产2－5万吨规模的生物柴油产业化示范工程。
我国政府非常重视替代能源问题，《可再生能源法》中明确指出国家鼓励生产和利用生物质液体燃料。国家发展改革委、财政部关于加强生物燃料的通知中强调：发展生物燃料涉及原料供应、生产、混配、储运、销售以及相关配套政策、标准、法规的制定等各个方面，业务跨多个部门，是一项复杂的系统工程。因此，应按照系统工程的要求统筹规划。根据国情，政府要求积极稳妥地推进生物燃料产业的发展，走“非粮”路线，不与农业争地。生物燃料发展在我国不仅具有石油替代作用，而且对解决粮食深加工转化、稳定粮价和提高农民收入以及减少环境污染、保持生态平衡等诸多方面都具有十分重要的意义，还能创造许多新的就业机会。因此，推广使用生物燃料必将成为中国可持续发展的一项长期战略。
生物燃料作为替代燃油具有节能、环保的优势，但是要积极稳妥地发展生物燃料，许多问题仍值得深入研究和探讨。需要关注最多的问题是：未来我国生物燃料究竟有多大发展潜力，发展生物燃料的资源保障性如何，生产的技术经济性如何，以及汽车利用这种替代燃油的技术适应性和社会需求性如何。针对这些重要问题，本研究利用中国能源环境综合政策评价模型的
技术模型(IPAC－AIM)，从我国社会发展、能源需求以及环境制约条件下对生物燃料的需求端，以及从生物燃料生产的资源开发和制取技术的生产供应端，全面分析生物燃料作为车用替代燃油的发展潜力问题。
三、对生物燃料开发利用的评价
1、生物燃料开发的资源保障性评价
我国生物质资源非常丰富，可供生物燃料制取的资源种类将随着今后不同的生产阶段而改变。目前，我国燃料乙醇处于小规模生产阶段，主要利用玉米陈化粮为原料。若按10％乙醇汽油计，我国年燃料乙醇需求量在480万吨左右，根据1吨酒精消耗3.2吨玉米量估算，需用玉米量约1536万吨，可是我国每年大约只有400－600万吨玉米陈粮。由此看来，玉米燃料乙醇的发展因受玉米陈化粮资源的限制而不能持续。当陈化粮用完后，燃料乙醇生产将逐步转向利用其他经济作物，如甜高梁、木薯等作原料，并且作为调节粮食市场供求的一种手段，将燃料乙醇生产纳入到饲料生产中。因为燃料乙醇在生产过程中只消耗粮食中的淀粉，同时对蛋白质等其它营养物质是一个浓缩过程，也就是说，是优质高蛋白饲料(DDGS)的生产过程。国家可以通过宏观调控和市场机制，将部分饲料粮先生产燃料乙醇，然后将其副产品(优质高蛋白饲料)放回饲料市场。
粗略估算，我国每年饲料用玉米大约有8000－10000万吨，其中加工成现代混合饲料的玉米用量占50％(周立三，2000)。如有计划地从饲料粮中拿出15％，先生产500万吨燃料乙醇，同时联产500万吨DDGS饲料投放饲料市场，它的饲养价值(优质蛋白质总量)与1500万吨粮食相比，不但不会减少，反而得以增加。这种将燃料乙醇生产与饲料生产综合利用的协调发展形式，扩大了燃料乙醇的资源潜力。另外，积极种植不与口粮争地、争水的高产、耐旱、耐盐碱的经济作物，如甜高粱、木薯、甘蔗等，也可为生产燃料乙醇开发更多的原料资源。有专家估计，利用易改造的盐碱地种植甜高梁，可以提供年产4000万吨燃料乙醇的原料。在不远的将来，通过生物质纤维(秸秆和薪柴等)生产燃料乙醇技术，可以为大规模燃料乙醇生产提供取之不尽的生物质资源。根据粗略估算，我国每年来自农业废弃物的秸秆可利用量约6亿吨，如果利用其中的50％制取燃料乙醇，按照7－8吨秸秆生产1吨燃料乙醇计，可以提供年产3700万吨燃料乙醇的原料。
从我国生产生物柴油的资源情况看，由于受原材料价格的影响，现阶段较适合作为制取生物柴油的原料主要有酸化油、地沟油和泔水油。有关资料显示，我国每年消耗植物油1200万吨，直接产生油脚酸化油250万吨，大中城市餐饮业产生地沟油200多万吨，这些油品的价格基本在2000－3000元/吨左右，是目前我国生物柴油生产的主要原料。价格高于4500元/吨的原料油如菜籽油、棉籽油、大豆油基本不在现阶段考虑之内。木本油脂植物如麻疯树、黄连木、文冠果等，尚处于试点培育阶段，只能作为未来几年后的生物柴油原料。粗略估计，如果利用非农业和林业规划用地的无林地和退耕还林地(约6700万公顷)种植油脂植物，按种植黄连木或麻疯树计算，以每公顷油料林出油1-5吨计，则可生产生物柴油近亿吨。此外，我国约有5000万亩可开垦的海岸滩涂和大量的内陆水域可以发展工程藻类资源。按照美国可再生能源实验室运用基因工程等现代生物技术开发出含油量超过60％的工程藻类，若按每亩生产2吨以上生物柴油计算，我国未来的工程藻类也可提供制取数千万吨的生物柴油原料。
综上所述，我国未来的资源潜力可提供5000－8000万吨左右的燃料乙醇。燃料乙醇原料的利用路线为：近期利用玉米陈化粮，之后开发经济作物，中远期则利用农林生物质资源。生物柴油原料的利用路线为：近期利用废油，中期开发油料植物，远期则发展工程藻类。总体看，我国生物燃料资源可以满足未来大规模开发利用生物燃料的需求。
2、生物燃料生产的技术经济性评价
从以玉米为原料制取燃料乙醇的技术经济性看，由于玉米原料价格偏高，生产1吨燃料乙醇需3.3吨玉米，仅原料成本就达4620元(1吨玉米价格1400元左右)，企业在国家每吨补贴1600元基础上可保本获微利。需要提及的是，国家对燃料乙醇的补贴是一种多赢之举。因为，加入WYO后，我国政府将粮食出口补贴改为对粮食加工生产企业的补贴，因此，对燃料乙醇的补贴不但是国家对燃料乙醇产业的支持，也是国家带动粮食生产和农民增收，同时创造大量就业机会的措施。有专家估算，按我国每年生产400万吨燃料乙醇推算，可拉动160亿元以上的直接消费，创造约50万个就业岗位，在生产、流通、就业等相关环节都可以给国家创造收入。以木薯等代粮作物为原料制取燃料乙醇技术正在研发阶段，其经济性好于玉米燃料乙醇，直接成本可控制在2500元/吨范围内。从长远看，燃料乙醇生产应以农林废弃物纤维质为原料。从上海奉贤2005年的“纤维素废弃物制取燃料乙醇技术”项目看，已完成的年产600吨乙醇中试示范生产线，按每7－8吨秸秆生产1吨燃料乙醇计，每吨燃料乙醇的生产成本在4300－5500元左右。从安徽丰原已经运行的秸秆燃料乙醇项目看，生产规模为5万吨/年，秸秆原料成本2100元/吨(约6吨玉米秸秆生产1吨乙醇，秸秆按350元/吨计)；其他成本3800元/吨(包括酶制剂、耗水电和蒸汽及其他加工费等)，总生产成本约5900元/吨。虽然目前利用秸秆纤维素制取燃料乙醇的成本高于玉米燃料乙醇，但随着技术的逐步成熟，其生产成本将会降低。另外，由于燃料乙醇具有与MTBE汽油添加剂同样的作用，所以，如果考虑到燃料乙醇的这一作用，对燃料乙醇的定位和定价来说都还有较大空间。
生物柴油的生产方法有化学法、生物酶法和工程微藻法三种，化学法是我国目前的常用方法。据不完全统计，我国万吨以下生物柴油产业化制备技术大部分采用酸碱催化间歇式化学法。由于投资少、上马快，投资回收期短，普遍为我国中小企业所接受。化学法生产中使用碱性催化剂，要求原料必须是毛油，比如未经提炼的菜籽油和豆油，原料成本将占总成本的75％。因此，采用廉价原料降低成本是生物柴油能否市场化的关键。正和公司以食用油废渣为原料制取生物柴油的经济性表明，每1.2吨食用油废渣生产1吨生物柴油，同时获得甘油50－80公斤，按当时的生物柴油售价为2300－2500元/吨估算，每生产1吨生物柴油获利为300－500元，现在，柴油价格涨到4900元/吨，更显现出生物柴油的市场竞争力。贵州省利用麻疯树果实生产的生物柴油，通过自有核心技术建设的首条年产300吨麻疯树生物柴油中试生产线，通过国家质检部门和国外大型汽车公司的指标检测，其关键指标均优于国内零号柴油，达到欧Ⅱ排放标准。
但是，上述的这些利用化学法合成生物柴油技术
还存在能耗高、生产过程产生大量废水和废碱(酸)等污染问题。为解决上述问题，人们开始研究用生物酶合成法制取生物柴油。2005年清华大学用生物酶法制取生物柴油中试成功，生物柴油产率达90％以上。生物酶法的无污染排放优点已日益受到重视，但是如何降低反应成分对酶的毒性是亟待解决的问题。工程微藻法是以富油的工程藻类为原料的生产方法。藻类的高脂肪含量可降低生物柴油的生产成本，生产的生物柴油不含硫，燃烧时不排放有毒害气体，排入环境中也可被微生物降解，不污染环境。专家评价，利用工程微藻生产生物柴油是未来发展技术的一大趋势。
由此可见，在一些具有经济性的生物燃料制取技术得到广泛应用的同时，更多的正在孕育发展的高新技术层出不穷，这种发展势头预示着我国生物燃料生产技术和产业将迎来更好的发展前景。
3、现代汽车技术利用生物燃料的可能性评价
目前，我国汽车利用燃料乙醇多采用混合燃料方式，即在不改动汽车发动机情况下以小比例与汽油混合，如燃料乙醇汽油E10(90％汽油，10％燃料乙醇)。其他利用方式有在线混合方式和双燃料方式，在线混合方式可以根据汽车发动机的工况调节燃料乙醇的比例，但需要改造汽车发动机；双燃料方式具有突出的高替代率、高热效率和高净化碳烟效果，但目前尚有问题需要解决。生物柴油与燃料乙醇一起混入车用柴油的方法，可以形成更理想的高比例含氧燃料，大幅度降低汽车的碳烟和微粒排放。由此可知，生物燃料作为替代燃料应用于汽车的关键问题，还在于混合动力汽车技术和先进柴油汽车技术的发展。
目前，采用生物混合燃料技术、具备较高燃油经济性以及低排放特性的混合动力新车型有若干多种，目前全球使用生物燃料的主要车型有：Ford FocusBioflex型；Ford Focus C-Max Bioflex型；Saab 9/5berline 2.0t Bio-Power型；Saab 9/5 break 2.0t Bio-Power型；Volvo C30 Flexifuel型；Volvo S40 Flexifuel型；Volvo S50 Flexifuel型。主要包括E85燃油混合动力车、燃料乙醇与电力混合动力车、纯燃料乙醇E100的运动概念车、满足欧4排放标准的现代柴油车技术以及在降低排放和降低油耗上有高效率的均质压燃混合动力车发动机技术，等等。虽然这些汽车技术目前在我国以及外国仍处于研发和示范阶段，但在不久的将来都将成为交通行业高效、经济、有益环保、面向未来的新型汽车技术。混合动力汽车和先进柴油车技术与生物燃料结合，是我国未来公路交通满足节能、环保需求的最佳技术选择。
四、生物燃料作为替代燃料的发展情景
1、社会经济发展对生物替代燃料的需求
伴随着国民经济的持续快速发展和居民收入水平的稳步提高，我国已进入汽车大众消费的成长期。在未来较长的成长期阶段，汽车保有量的持续快速增长，使车用燃油消耗成为我国石油消费中增长最快的部分。相比石油消费的快速增长趋势，我国的石油供应，在探明储量没有重大突破的情况下，仅能保持低速增长，无法满足国内需求的状态已成定局，并且依赖国际石油供应的比例将逐步加大，对我国石油供应和石油安全造成极大的挑战。解决这一严峻问题的战略措施是加强节能和发展替代能源，在众多车用替代能源中，生物燃料以其清洁、可再生以及低污染的优势具有很好的发展前景。
影响我国未来公路交通油品需求的主要因素包括人口发展趋势、经济发展趋势、汽车车辆和周转量增长趋势、公路交通的发展模式等等，这些因素之间的相互关系在模型中被一一构建，主要参数的设置简单叙述如下。
GDP和人口是交通运输需求的主要驱动因素。按照目前我国经济发展势头估计，将2010－2020年GDP的增长速度设置为8％。人口数2010年为13.93亿人，2020年为14.72亿人(社科院人口所)。
车辆周转量是反映公路交通需求的重要基础参数。伴随着我国经济的持续快速发展、人均收入水平的提高以及城市化的快速推进，预计在2010－2020年间，我国汽车保有量将以12％－15％的增长速度转向10％的增长速度发展，汽车保有量将比现在增长4倍。其中轿车的发展速度将高于汽车平均发展速度，估计2020年，我国人均轿车保有量约每千人75辆(接近目前世界人均水平)。依据国家交通发展规划和经济建设对公路交通服务量的需求，对公路交通周转量的预测主要考虑了车辆拥有量、车辆负荷率以及每年的运行距离等因素。预计2010年、2020年和2030年的公路交通周转量分别比2005年增长3倍、6倍和9倍。如此大的周转量增长，将导致巨大的交通油品需求量。
未来公路交通发展模式是预测未来交通油品需求量的重要参数。关于未来交通模式的设置，本研究选择了25种汽车技术，除一些正在应用的普通汽柴油客货车外，充分考虑了新型汽车技术如混合动力车、清洁燃料车、先进柴油车、电动车和地铁等技术的广泛推广应用。通过在不同情景中，对未来各种类型车辆在公路交通中所占份额以及这些车辆所消耗油品比例等重要参数的设置，作为预测未来公路交通油品需求量的重要参数。由于篇幅所限，25种公路汽车技术的市场份额设置就不一一列出。其结果是，在常规燃油发展情景中，先进的汽油车，特别是先进柴油车得到大力发展，其保有量比例将由目前的4％提高到17％；在生物燃料替代情景中，除先进的汽油车和柴油车得到大力发展外(保有量比例提高到27％)，混合动力车也得到快速发展，在我国汽车保有量比例将由目前的7％增加到52％，其中，生物燃料的混合动力车将占很大比例。
2、展望生物燃料未来的发展情景
为分析我国未来社会发展中汽车对油品的需求，研究中设定了两个发展情景，即常规燃油发展情景和生物燃料替代情景，通过比较两个情景中油品的消费状况，展望未来生物燃料的发展情景。两种发展情景的定义如下。
(1)常规燃油发展情景。在此发展情景中主要考虑目前国家已有的交通节能和环境政策，如发展清洁车辆，施行欧洲汽车排放标准；发展公共交通，2020年公共交通将占公路机动车客运周转量的40％；促进柴油车发展，满足未来交通运输中客运和货运大容量的需求等；执行国家现有的生物液体燃料鼓励政策，参照车用燃料乙醇E10在我国的推广历程以及生物燃油制取技术的常规发展速度，估计生物燃料开发应用的发展趋势。即2010年燃料乙醇汽车仍处于区域化推广应用阶段，从目前的9个省市推广应用到15个省市，即全国有50％的车辆使用E10燃料；生物柴油处于技术准备阶段。2020年，继续推广E10车用燃料，车辆使用E10燃料的比例达到80％。生物柴油进入小规模应用阶段。
(2)生物燃料替代情景。此情景是在常规燃油发展
情景基础上，为满足我国能源供应安全需求、环保和气候变化需求以及可持续社会经济发展需求，在国家采取节能降耗和发展替代燃料的战略举措指导下，达到降低汽车油品需求量的目的。一方面，在发展汽车工业的同时，要降低能耗和保护环境，尽快引进新一代先进汽车；加速推广低能耗汽油汽车、低能耗柴油小汽车、混合动力汽车、清洁燃料汽车；扩大公共交通的承载比例，在轨道交通和公共交通体系完善的情况下，提高车辆运行效率，减少交通需求。另一方面，要强化推行车用生物燃料替代的扶持政策，考虑了国家可再生能源发展规划以及相关政策对车用替代燃料所产生的影响，加大投资力度，大幅度提高生物燃料的开发利用进程。对于燃料乙醇，2010年E10车用燃料在全国范围推广使用，即全国有90％－100％的车辆使用E10燃料。2020年，在使用E10燃料比例达100％基础上，进一步在使用E10燃料条件较好的省市推广使用E25车用燃料，使E25燃料车占汽油车的比例达到30％，在东北三省以及北京、天津、河北、河南、山东、江苏等连接而成的大区域内推广使用。对于生物柴油，2010年按照国家鼓励发展节能型轿车和柴油车的政策，在上海等省市示范推广使用柴油出租车和公共汽车，并要求新增的车辆也使用现代柴油车；2020年在上海、北京、广州等大城市推广使用柴油出租车、公共汽车和小轿车，并且这些车的车用燃料均使用搀和10％－20％的生物柴油的混合燃料。基于我国社会发展预测，特别是公路交通发展预测基础之上，根据对上述情景量化为模型参数的设置，应用IPAC模型对汽车油品需求量得到以下预测结果(见下表)。
在常规燃料发展情景中，未来20年，我国汽车的油品需求总量分别是2010年1.2亿吨，2020年2.2亿吨和2030年2.9亿吨。汽车以汽油和柴油为主要燃料将一直持续下去，到2030年，汽车消耗的汽、柴油占交通油品需求总量的比例仍在95％以上。因此，提高传统汽油和柴油车辆的效率和环保性能，以及提高油品质量是公路交通能源问题的重点。在2010－2020年期间，先进柴油车从早期发展阶段到推广示范阶段，柴油车辆将不断增加，柴油需求量快速增长，柴油占公路交通油品消费的比例将从45％提高到59％，需求量将达到1.7亿吨。另一方面，在国家对生物燃料的鼓励政策支持下，生物燃料在资源丰富地区得到示范和推广应用。从生物燃料总体的替代能力看，2010年至2030年在我国公路交通的油品消耗中，生物燃料的替代能力将从3％提高到5％，替代作用不十分明显。
在生物燃料替代情景中，未来20年，我国汽车的燃油需求总量分别是2010年1.1亿吨，2020年2.1亿吨，2030年2.7亿吨。在国家鼓励发展节能型轿车和柴油车政策支持下，燃油经济性高的先进汽车技术被广泛推广使用，预计2010－2020年的汽车平均百公里油耗将比2000年降低20％－40％，2010年我国乘用车的油耗量将比目前水平降低15％左右，从而使汽车油品需求总量减少。虽然汽车仍以汽油和柴油为主要燃料；但是，汽柴油的比例在逐步减小，由2010年的93％降低到2020年的89％和2030年的85％。特别是低能耗的混合动力车(包括生物燃料)的广泛推广和使用，其车辆的市场份额从2005年的7％提高到2020年的30％和2030年的52％，使石油油品消耗量逐步降低，而生物燃料比重逐步增加。由于国家鼓励开发利用可再生能源液体燃料的政策得以充分实施，2010年在全国范围内100％推广使用E10车用燃料，燃料乙醇的需求量达到670万吨；2020年，使用E25燃料车比例占汽油车的30％，燃料乙醇的需求量达到1670万吨。随着先进柴油车和柴油小轿车的推广使用，这些柴油车的车用燃料均使用搀和10％－20％的生物柴油，届时生物柴油在公路交通中替代柴油的比例将从2010年的2％增加到2020年的6％和2030年的11％。从生物燃料总体的替代能力看，2010年至2030年，在我国公路交通的油品消耗中，生物燃料所占份额将从7％提高到17％，具有相当明显的替代作用。
3、生物燃料具有相当明显的车用燃料替代潜力
综上所述，本研究利用能源研究所构建的中国能源环境综合政策评价模型中的技术模型，重点对我国未来公路交通行业的生物燃料替代问题进行了分析。在今后的10－20年中，我国快速的经济建设，对公路交通汽车拥有量以及客货运周转量有巨大的需求，从而导致成倍增长的汽车油品消耗量，对我国本已薄弱的石油供应问题造成更严重的威胁。因此，节能降耗和发展替代燃料是降低我国公路交通油品消耗量的重要战略选择。生物燃料替代情景的研究结果表明，生物燃料在我国未来公路交通中将逐步展现出很强的燃料替代能力。这种替代能力，一方面来自于完全满足大规模生物燃料生产的资源潜力，以及层出不穷的生物燃料制取的高新技术潜力；另一方面来自于先进的混合动力汽车技术，特别是生物燃料混合动力技术在我国的推广应用前景。除此之外，更重要的是，这种替代能力源于国家能源战略和可持续发展的需要。展望未来，国家鼓励开发和利用生物液体燃料的政策得以充分实施，新型生物燃料混合动力技术逐步成熟，成为高效、经济、有益环保的普遍应用汽车技术。届时，在我国公路交通中，生物燃料将发挥非常显著的燃料替代作用。本研究表明，从生物燃料总体的替代能力看，2010－2030年，在我国公路交通的油品消耗中，生物燃料所占份额将从7％提高到17％，替代车用油品的数量为700万吨(2010年)、2300万吨(2020年)和4000万吨(2030年)，具有相当明显的替代能力。
五、我国生物燃料未来发展有明确的政策支持
我国政府十分重视生物替代燃料的发展，针对我国生物燃料初期发展所面临的问题，国家发改委组织相关部门研究和制定专项发展规划和一系列指导性政策，如《生物燃料乙醇产业发展政策》和《生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》，财政部也在制定生物燃料的财税扶持政策。这些政策对我国生物燃料未来的发展将产生有力的支持。
