微藻生物能源讲解

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1、微 藻 生 物 能 源 海洋微藻生物柴油 （1）熟悉海洋微藻生物柴油研究历史及现状 （2）掌握海洋微藻生物柴油关键技术 （3）了解目前存在的问题和发展方向 * 石 油：储量1500亿吨 可用40年 * 天然气：储量1100亿吨 可用50 年 * 煤 炭：储量5500亿吨 可用200年 全球化石能源储量 能源消费 能源供给 2006年 国内外生物能源的研究背景 我国能源消费与供给趋势我国能源消费与供给趋势 化石能源不可持续性 马尔代夫总统纳希德在水下 内阁会议上签署环保倡议书 100014001200160018002000 0 0.5 -0.5 1.0 年 北半球地表温度变化 1998年 温度

2、距平() 20世纪是过去1000年中最温暖的100年。 * 可再生能源. * 清洁能源,环境污染相对较少. * 易于储存和运输. * 分布广泛. 新 能 源 太阳能、生物能源、风能 新能源可再生能源生物能源 生物生物 氢能氢能 生物生物 柴油柴油 燃料燃料 酒精酒精 生物生物 燃气燃气 我国能源储量及可利用能源资源 煤炭：9883 石油：46 天然气：9 铀矿：25 可再生能源（亿吨标煤年）化石能源储量（亿吨标煤） 太阳能：13543 生物质能：8 水能：4.1 风能：1.7 潮汐能：0.2 2005年我国能源消费的总量为22亿T标准煤 1992年5月9日通过了联合国气候变化框架公约 ；199

3、4年3月21日生效。 1997年12月11日，通过了联合国气候变化框架公 约京都议定书；2005年2月16日生效。 国际社会为对付气候变化而制定的公约 在2008年至2012年，需将其人为温室气体排放水平在 1990年基础上平均减少5.2%。其中，欧盟为8，美国 7，日本6，澳大利亚增长8。 向发展中国家提供新的和额外的资金和技术援助。 帮助发展中国家提高应对气候变化的能力建设。 发达国家在京都议定书下的义务 减少温室气体排放的成本差异 发达国家国内减排成本平均在100美元/吨碳以上 发展中国家的平均减排成本只有几美元至几十美元 这种巨大的减排成本差异，推动了清洁发展机制（ CDM）的发展：

4、气候公约和京都议定书允许发达国家通过境外减排方 式履行在气候公约和京都议定书下的义务。 清洁发展机制基本内容 清洁发展机制（CDM）系京都议定书第12条确立的机 制，其核心内涵是：发达国家通过提供资金和技术的方式， 与发展中国家合作，在发展中国家实施具有温室气体减排效 果的项目，项目所产生的温室气体减排量用于发达国家履行 京都议定书的承诺。 简言之，就是“资金技术”换取更多的温室气体排放权 在美国宣布减排目标之后不到24小时，中国政府便作出了 国务院总理温家宝将出席哥本哈根气候变化大会的声明，与 此同时，宣布了到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排 放比2005年下降40%至45%的目标。

5、作为约束性指标纳入国 民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监 测、考核办法。会议还决定，通过大力发展可再生能源、积 极推进核电建设等行动，到2020年我国非化石能源占一次能 源消费的比重达到15%左右；通过植树造林和加强森林管理 ，森林面积比2005年增加4000万公顷，森林蓄积量比2005年 增加13亿立方米。这是我国根据国情采取的自主行动，是我 国为全球应对气候变化做出的巨大努力。” 中国CO2减排压力 减少温室气体排放的主要途径 提高生产效率尤其是提高能源效率； 削减化石燃料消费； 寻找替代化石燃料的能源 二氧化碳的收集和储存 生物质能的研究概况 早在20世纪70年代美国、

6、日本、西欧等国家就开始了生 物质能的前期探索和研究工作，如美国的海洋生物质能源计 划（1974）、水生物种计划（1978）；日本的新能源开发 计划（阳光计划，1974）、节能技术开发计划（月光计划 ，1978）、环境保护技术开发计划（1989）、能源与环境 领域综合技术开发推进计划（新阳光计划，1993）；印度 的乙醇利用计划（1975）、巴西的乙醇能源计划普洛阿 尔库尔计划（1976）等。经过多年的研究和开发，很多国 家以粮油作物为资源的生物质能开发已实现了规模化生产。 生 物 乙 醇 生物乙醇 - 应用很久源于生物的内燃机燃料, 现在巴西 和美国已广泛采用,我国也已在几个省份试用, 属于环

7、境友好 的燃料组分。 一般以10%的比例掺入汽油, 因乙醇发热量较低, 大约 1 吨乙醇可节约 0.9 吨汽油。 通常以玉米、甜高粱等粮食作物为原料经发酵过程生产。 当汽油价位低时难与竞争，需政府补贴。 正在开发中的利用玉米秸秆的纤维素、半纤维素加酸或酶 水解转化成葡萄糖然后发酵的工艺可免与粮食争原料，但成 本偏高。 生物柴油的概念 生物柴油是清洁的可再生能源，它以大豆 和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料 林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动 物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料 ，是优质的石油柴油代用品。 生 物 柴 油 1 已在欧洲和美国等地使用多年，属于源于生物的 环保型清洁燃料

8、。 2 原料为油菜籽油、大豆油、葵花籽油、棕榈油 以及厨房回收油，将其与甲醇进行酯交换反应，得 到脂肪酸甲酯（FAME）即生物柴油，并副产甘油。 生物柴油的制备方法 生 物 柴 油 3 通常掺入柴油 中的比例 10%-20%，性能变化不大， 如 100% 代替，则存在寒冷地区或季节流动性能不良和对橡 胶材料侵蚀问题。 4 原料中含不饱和脂肪酸多时，所制得的FAME 氧化稳 定性差。 5 生物柴油润滑性能好 6 生物柴油成本视原料价格而有差异，一般比石油柴油 高（除非原油价位高时），有些国家对城市公交客车使用给 予补贴。 生物乙醇和生物柴油的扩大应用 1 从生物来源和清洁燃料的角度，生物柴油和乙

9、醇汽油 是很好的代用燃料。 2 原料的来源与各国国情密切相关，要具体分析。 3 乙醇的生产原料可扩大到多种含纤维素物料，比较容易 得到。FAME 原料仅限于油料作物，数量有限。 4 专家估计在欧盟替代 5% 汽油，需占用 5% 耕地，替代 5% 柴油，需占用 15% 耕地；而在美国上述占用比例分别为 8% 和 13% 。 5 美国目标是将生物源的替代运输燃料所占比例从目前的 不足 5% 提高到2020年的 10% 和2030年的 20% 。 生物质能开发存在的问题 生物质能规模化生产逐渐引发了粮食、耕地和水 资源危机，以及土壤结构和植被生物多样性破坏等 生态问题。联合国近期公布的分析报告指出，

10、生物 质能的开发对粮食涨价的贡献达到了75。由于上 述原因，2008年，美国与欧盟相继修正甚至中止了 利用农作物开发生物质能的项目。美国、欧盟、澳 大利亚、日本、印度等国政府和企业都投入了大量 资金来进行海洋生物质能的开发，力图改变当前以 粮食作物为主要原料的局面，试图提出一种全新的 解决思路。 1. 生物柴油机遇与挑战 生物柴油已成为国际上发展最快、应用最广 的环保可再生能源，但制约其大规模发展的关 键问题是原料严重不足。 近年来，人们普遍认为微藻光自养生长过程 合成的油脂是一种极有希望的制备生物柴油的 大宗原料。 藻类生物质能源的独特优势 2. 微藻生物柴油的独特优势 微藻光自养生长过程可

11、合成大量油脂，与其他生物质相比，具有5大优点： l 光合作用效率高、含油量高、微藻生物柴油的面积产率非常高 l 可固定大量的CO2，这不仅对于CO2减排问题的解决具有重要的潜在 价值，且可使微藻生长所需碳源成本（1万元/吨螺旋藻）降为0 l 可利用废水中的N、P等营养，不仅可降低水体富营养化，且可使微 藻生长所需N源成本（0.30.4万元/吨螺旋藻）、P源成本（0.3万元/吨 螺旋藻）降为0 l 不与农作物争地(可用滩涂、盐碱地、荒漠、海面等) 、争水(可用海 水、盐碱水和荒漠地区地下水等 )：如利用封闭式光生物反应器培养 微藻，生产相同量的生物质，其耗水量仅为农作物的。 l 微藻个体小、木质

12、素含量很低，易粉碎、干燥，用微藻来生产液体燃 料所需的后处理条件相对较低 生产产生物柴油的资资源比较较 资资源油产产量 (L/ha) 所需耕地面积积 (M ha)a 占美国现现有耕 地面积积的比例 （%） 玉米1721540846 大豆446594326 油菜1190223122 麻风树风树189214077 椰子26899954 油棕榈榈59504524 微藻b136,90021.1 微藻c58,7004.52.5 a 满满足美国交通燃油需求量的50% b 油含量达到细细胞干重的70% c 油含量达到细细胞干重的30% Back 微藻生物柴油的优势 (1)生长速度快，光合效率高：微藻是光合效

13、率最高的光合生物之一，可 能提供足以解决全球需求的非粮食可再生的生物质能。 (2)适应能力强，不争地，不争水：一些微藻具有盐碱适应能力，可利用 海水、地下卤水等在滩涂、盐碱地进行大规模培养；利用封闭式光生物 反应器培养微藻，生产相同量的生物质，其耗水量仅为农作物的1。 (3)大量积累脂质，因而可高效生产生物燃油：一些产油微藻的脂肪酸总 量可达干重的50-90，有望成为最有前景的生物燃油来源。 (4)具有减排效应，可以直接处理工业废气：微藻可以通过光合作用利用 废气(CO2、NO2)和废水，不仅能缓解温室气体的排放，而且可以通过利 用废水废气降低生产成本，一些微藻还可以通过胞外CO2浓缩机制直接

14、 吸收CO2并转化为碳酸氢(盐)，具有显著减排效应，有望进行商业化减排 。 (5)可高值化综合利用：微藻含有丰富的生物活性物质，在制备生物燃油 的同时可进行高值化综合利用，相对降低微藻产油的成本。可开发的高 值产品包括虾青素、活性蛋白、活性多糖、不饱和脂肪酸、天然色素、 生物肥料和饵料等。 海洋微藻生物质能开发具有的特点和优势 3. 微藻生物柴油生产过程与CO2减排的耦合 CO2减排已成为亟待解决的全球性问题，随着2012年的接近，中国企业 CO2减排压力越来越大，CDM市场非常巨大。 微藻的光自养生长过程可固定大量CO2，这对于CO2减排问题的解决具 有重要的潜在应用价值。 微藻培养成本高（

15、2万元/螺旋藻、5万元/小球藻），仅从CO2减排角度 利用微藻光自养培养来固定CO2的成本太高。 已有微藻生物技术产业规模很小（全球微藻粉的产量约2万吨/年），即 使全部利用CO2作为碳源，其消耗量也很少（每年不超过4万吨CO2，但排 放62亿吨/47.6亿吨），且利用微藻吸收CO2技术目前尚不成熟。 生物柴油的市场需求量极大（中国1亿吨/年），因此微藻生物柴油产业 的发展给CO2减排压力的缓解带来了新希望。 二、微藻生物柴油研究进展 （研究的背景、独特优势、与CO2减排的耦合 ） 微藻生物能源的发展历史 19781996年，美国能源部资助 “Aquatic Species ProgramBi

16、odiesel from Algae” 项目，在能源微藻藻种筛选方面做了大量工作并在户外敞开池大规模培养 方面做了一定的尝试。 美国可再生能源实验室于1998年向DOE提交了一份长达328页的工作总结报告 “A Look Back at the U.S. Department of Energys Aquatic Species Program-Biodiesel from Algae”（被誉为“藻类圣经”）。 19902000年，日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术 计划”的项目。该项目利用微藻来固定CO2, 并着力开发密闭式光生物反应器技术 ，通过微藻吸收火力发电厂烟气中的CO2来生产生物能源。10年间共投资约25亿 美元，筛选出多株耐受高CO2浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种，建 立了光生物反应器的技术平台。 200620