生物能源

鲁道夫·狄塞尔在19世纪90年代研发了他的压燃式发动机，首个成功型号于1897年完成。1900年巴黎世博会上，应法国政府要求，法国奥托公司制造的一台小型狄塞尔发动机以花生油为燃料进行了运行演示。该发动机原本是为普通油类设计的，但无需改装就能用植物油运行。

生物质和生物燃料可以长期储存，在需要能源时随时使用，让各国全年都有能源保障。 不过，这取决于生物燃料的种类，也有例外。 不同燃料、配方和储存条件的储存寿命差别很大，有些生物燃料比其他种类稳定得多 ^{[58-64,66,68]}。

例如，木颗粒和其他固体生物质特别容易受湿度、温度、通风和搬运方式影响。 条件不佳会造成生物降解、能量含量流失或自热，而干燥且通风良好的储存环境则能保持其品质 ^[60,61]。

像HVO（加氢处理植物油）这样的可长期保存的生物燃料，抗氧化能力很强，供应商称只要维持合适的储存条件，它大约可保存10年才会降解 ^A。 独立研究也支持HVO相对较高的稳定性，包括将其加入生物柴油-柴油混合燃料时 ^[64]。 FAME（脂肪酸甲酯）生物柴油的稳定性很大程度取决于其脂肪酸组成：饱和FAME通常比不饱和FAME更稳定、保存时间更长，这取决于生产它们所用的废弃物。 因此，用来生产生物燃料的原始原料会显著影响储存寿命 ^[62,63]。

虽然生物柴油很容易生物降解，但储存期间的变质主要由氧化和污染造成，而不是生物可降解性本身。 高温，以及暴露在空气、光、水或某些金属中，都会加快降解，而抗氧化剂和合适的储存条件可以减缓这一过程 ^[58,62,63]。 一项研究指出，生物柴油在开始降解前可储存6个月，1年后可能已不适合直接用于发动机 ^[58,59]。

混合生物燃料（例如将FAME生物柴油与石油柴油或HVO混合）可以提高稳定性、延长储存时间，也能保持其作为标准发动机直接替代燃料的效果，不过结果取决于所用燃料及其混合比例 ^{[58,59,62,64]}。

特别配制的纳米生物柴油加入了纳米颗粒，可降低氧化风险，因此能稳定保存更久 ^[59]。 它们还能改善燃料燃烧和能源效率，同时减少部分污染物。 不过，效果取决于材料、浓度、燃料和发动机，有些配方会增加氮氧化物排放 ^B。

生物燃料的保质期比普通化石燃料短（但HVO是一个明显例外）。 不过，它们仍能帮助解决风能/太阳能带来的间歇性问题：即使生物燃料只能储存数月而非数年，只要有足够的库存和设备，在风能或太阳能发电较低的时期，它们也能提供可随时调度的备用电力和能源保障 ^[23,66,68]。 在原料和供应链得到可持续管理的地方，它们可以推动实现碳中和和更广泛的减排工作 ^{[19-22,72-76]}。

^A 如何储存HVO燃料，以确保长期保存和安全 | Vectec

^B 纳米技术在生物柴油燃烧及燃烧后阶段的应用 | Renewable and Sustainable Energy Reviews

生物能源并不天然就是碳中和的。它对气候的影响取决于原料、再生长情况、土地或材料原本会如何发展、供应链排放，以及重新吸收所释放 CO₂ 所需的时间。废弃物和残余物途径的排放可能相对较低，而土地用途变化或采伐再生缓慢的森林，则可能造成持续数年或数十年的碳债务。

详见：Carbon Accounting for Sustainable Biofuels - Analysis | IEA

在巴西，数百万公顷的雨林、稀树草原和其他原生生态系统已被清理，用于农业，包括种植大豆和甘蔗。

Trase将巴西2020年的大豆收成与56.2万公顷 - 5,620平方公里 - 近期森林砍伐和原生植被转化联系起来。 其中包括亚马逊地区约7.64万公顷和大西洋森林2.36万公顷，不过大部分发生在塞拉多和潘帕斯地区。 作为大豆和甘蔗重要产区的塞拉多生物群落，土地转化尤为广泛^[82,83]。 这些数据表明，巴西大豆生产与数千平方公里的土地转化有关，其中包括大片雨林。

大豆和甘蔗都与巴西的生物燃料产业有关^[78,80,81]。 巴西约一半甘蔗被加工成乙醇^C。 大豆主要用于动物饲料，但其副产品豆油提供了该国约70%的生物柴油^D。 在整个南美洲，大豆种植面积从2000年的2640万公顷增长到2019年的5510万公顷，超过一倍^[82]。 这些作物的扩张可能直接推动森林砍伐，例如作物取代原生植被，也可能间接推动森林砍伐，例如扩张至现有农地，导致养牛放牧或其他活动转移至新清理的地区^[78-82,84]。

巴西与大豆相关的森林砍伐量远大于直接为种植甘蔗而进行的清理^[80-83]。 自2009年起，甘蔗农业生态分区政策（ZAE Cana）限制了甘蔗在亚马逊和潘塔纳尔等关键生物群落扩张（不过该政策于2019年被废除，加剧了人们对森林砍伐的担忧）^[81]。 因此，甘蔗种植历来集中在亚马逊以外的中部和南部地区，通常利用现有农地、退化牧场或塞拉多地区。 因此，它对亚马逊雨林消失的直接影响远小于养牛或种植大豆的影响。 不过，它向塞拉多或牧场扩张时，可能取代原生植被，或导致其他农业活动转移，从而加大更广泛的森林砍伐压力^[78,80,81]。 事实上，一项2010年的建模研究预测，到2020年，甘蔗乙醇扩张可能间接造成约50,000 km²（500万公顷）的森林砍伐，主要是因为它将牛群牧场挤向森林地区^[85]。

因此，生物燃料需求可能通过增加对甘蔗乙醇和用于生物柴油的豆油的需求，助长森林砍伐。 不过，不能把所有受影响地区都专门归因于生物燃料：大豆还用于动物饲料和食品，甘蔗还用于制糖，而且被转化的植被中很多是稀树草原或草地，而不是雨林。 尽管如此，考虑到与大豆相关的转化规模，以及两种作物带来的直接和间接影响，认为巴西数千平方公里的雨林被清理，部分是为了供应生物燃料作物，仍是一个合理的数量级估计，尽管这并非仅针对生物燃料的精确总数^[78-84]。

^C 巴西甘蔗在糖和乙醇之间的分配 | 路透社

^D 巴西约70%的生物柴油来自大豆 | 路透社

延伸阅读：

巴西：甘蔗热潮给亚马逊雨林带来新威胁 | 塞拉俱乐部

研究：巴西甘蔗增长可满足生物燃料需求，且不会推动森林砍伐 | Mongabay

更正：欧洲航空公司公开宣布的可持续航空燃料(SAF)承诺和供应协议中，约55%预计将来自废油和废脂，包括动物脂肪、废弃食用油和其他废油。这里说的是协议和计划中的合同，而不是像影片中所说已经在使用的燃料。

只有当生物质再生确实从大气中吸收 CO₂，且整个过程中永久封存的 CO₂ 多于释放的 CO₂ 时，BECCS 才能实现净负排放。实际上，这不只取决于生物能源设施产生的排放。它还取决于供应链和土地利用排放，以及相关的长期碳平衡。这包括植被和土壤流失的碳；生物质再生所需时间；种植和施肥、收获、加工、运输产生的排放；用于捕集、压缩和注入 CO₂ 的能源，以及捕集系统未能收集的任何 CO₂。甲烷和氧化亚氮等其他温室气体也必须纳入核算。因此，最终平衡取决于原料、土地管理、捕集率、能源来源和所考虑的时间范围 ^{[72-76,97-102,118-121]}。

为了长期封存，捕集到的 CO₂ 通常会被压缩并注入地下深处的多孔岩层，例如咸水层或枯竭油气藏。实际上，CO₂ 会占据岩石中的微小空隙，而不是简单填满一个巨大的地下洞穴或矿井。仔细选址、安全的井、压力管理、监测和长期监管，对确保它被封存至关重要 ^{[118,127,128]}。

主要的泄漏担忧是，捕集到的 CO₂ 在运输或注入时逸出，或之后通过断层、裂缝、受损或密封不良的井泄漏。 [125-128] 中的证据主要涉及可能的泄漏路径、受控实验、建模和风险评估；并不表明管理良好的商业封存地点常有泄漏。经过恰当选择和监测的地质构造，预计能在极长时间内留住几乎所有注入的 CO₂，尽管风险不能被视为零。任何逸出的 CO₂ 都必须从宣称从大气中移除的总量中扣除，并通过持续监测和修复来处理。

微藻可在非耕地、退化土地、盐碱地或其他价值较低的土地上，通过露天池塘或封闭式光生物反应器培育，从而避免与传统粮食作物直接竞争。合适的地点仍需要充足的光照、水、养分和 CO₂，而所需土地面积则取决于藻类种类、当地气候和培育系统。由于藻类生长快，每单位土地可生产比传统生物燃料作物更多的燃料，其总体土地需求可以低得多 ^[129-134]。

海藻既不需要农田，也不需要淡水。海藻养殖场可为鱼类和无脊椎动物创造临时栖息地，吸收多余养分，提高当地氧气和 pH 水平，并减弱波浪能量。对生物多样性的好处取决于养殖的物种、养殖场的规模和布局、水流、地点及收获方式。谨慎选址可以最大化这些好处，同时避免破坏海草床等现有栖息地，或引入非本地物种 ^[135-140]。

微生物燃料电池利用细菌分解污水中的有机物，并将释放出的电子传递给电极，从而产生电流。去除这些有机物有助于净化污水，不过MFC通常无法独自完成所有处理环节：可能仍需进一步处理，以去除残留有机物、营养物和病原体 ^[141-144]。

实际上，它们的主要经济效益可能来自减少处理所需的用电，而不是产生大量可在别处使用的剩余电力。传统污水处理需要消耗大量能源，将氧气泵入水中。MFC可以减少部分曝气，同时将污水中少量化学能转化为电能回收，有可能降低处理厂的总体能源需求。综合来看，这些益处最终可能降低污水处理成本。不过目前，高昂的建设和材料成本意味着，这一点尚未在商业规模上得到稳定证明 ^[141-143]。

实现这一目标可能不需要MFC将发电量最大化。换句话说，发电最多的系统不一定是最经济的处理系统。一项技术经济研究发现，价格较低的电极材料即使发电更少，也能提供成本效益更高的污水处理 ^E。这表明，实用型MFC的发展或许应优先考虑价格可负担的处理，而非最大电力输出。

不过，发电量仍然很低，尤其是污水变得更干净、留给细菌消耗的有机物更少时。更大的系统还必须克服电极和膜的成本、污堵、性能不均以及长期可靠性等问题。一项1,000升的试点研究表明，这项技术能用真实的城市污水运行，但只实现了部分处理，发电量也不高。因此目前，MFC主要仍是一种将污水处理与小规模能源回收结合起来的实验方法，而不是重要的电力来源 ^[141-144]。

^E 牺牲功率以实现更具成本效益的处理：用于微生物燃料电池工程设计的技术经济方法 | Chemosphere