最终裁决：玉米乙醇并不实用

2014年04月29日

James Conca

够了，我们能不能不要再佯称以玉米制造的生物燃料会对地球及环境带来益处？联合国政府间气候变化专门委员会（United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）在上个月末发布了两份报告，分别来自第一工作组（WGI）和第三工作组（WGIII）。两份报告对生物燃料的简短讨论均引发了激烈争论，辩论生物燃料就究竟有没有给环境保护带来好处。

新报告中的摘要还指出，“增加生物能源作物的种植，还会对生态系统和生物多样性的稳定带来风险”（WGIII）。

PCC自己的说法颇为谨慎，表示“生物燃料在燃料生命周期中会造成直接的温室气体排放。排放程度比汽油或柴油造成的排放要低30%-90%。然而，由于一些生物燃料还会因为造成土地使用改变等情况，从而产生间接排放，这可能造成生物燃料产生的温室气体排放比使用石油产品所造成的排放更多。对生物燃料的政策支持需要按情况逐个斟酌。”（据IPCC 2014, 第8章）

该报罗列了发展生物燃料所带来的许多潜在的负面风险，例如生物燃料跟粮食作物和其他活动争夺土地、导致水源枯竭、生物多样性降低和过度使用化肥所带来的土地氮污染（据《科学美国人》）。

国际可持续发展研究所（International Institute for Sustainable Development，IISD）的说法就没有那么客气了。该机构表示，以乙醇等生物燃料替代石油燃料，所带来的二氧化碳排放减少和环境益处，基本上可以忽略不计（据IISD）。研究所表示，通过实行更严格的标准来大量减少汽车尾气排放，并将所有汽车和轻型卡车的汽车燃油经济性标准（CAFE）提高至至少一加仑油40公里，如同日本几年前做的一样，这样效率将提高近百倍，并且成本大大减少。

如今有超过60个国家承诺发展生物燃料，使得乙醇和粮食作物之间的土地争夺成了一个道德问题。如乐施会（Oxfam）和美国环境工作组（Environmental Working Group）等团体则因为推高食品价格，不成比例地影响穷人，从而反对生物燃料。

最重要的是，新的IPCC报告为该机构挽回了颜面。IPCC 2007年的报告受到了一些环保主义者的广泛批评，因为报告为大规模生物燃料生产大开绿灯，造成环境和食品供应问题。

大众对生物燃料的讨论，在过去几年已经转移了主要讨论点。去年12月，来自加州的民主党籍参议员范士丹（Feinstein）和来自俄克拉荷马州的共和党籍参议员科伯恩（Coburn）共同提出了一项法案，要求取消联邦可再生燃料标准（据《石油与天然气杂志》[Oil&Gas Journal]）中对使用玉米乙醇的承诺，取消要求在未来十年中逐渐加大汽油中混入乙醇比例的规定。这项提案遭到了农业州的强烈反对，但得到了石油业的大力支持。然而，现在的税收抵免和进口关税已过期，乙醇如今已经在没有任何资助的情况下，在市场经济中竞争。该行业是否能经受住竞争，还需要时日观察。

那么，今日美国对玉米乙醇的利用程度究竟有多高？

在2000年，美国90%的玉米产量都是提供给人畜食用的，而在大量不发达国家中，只有不到5%的玉米产量被用于制造乙醇。但在2013年，全球40％的玉米产量被用于生产乙醇，45％被用来喂养牲畜，而只有15％用于食品和饮料制造（据AgMRC）。

而在今年，美国全国将使用超过1,300亿加仑的汽油以及超过500亿加仑的柴油。平均来说，1蒲式耳的玉米可以用来生产接近3加仑的乙醇。哪怕美国目前所生产的所有玉米都被转化为乙醇，它也只能取代1,300亿加仑汽油中的25%。

并且，用所有玉米制造乙醇会破坏食品供应和牲畜饲料来源。由于美国的玉米产量占全球40%，这样做还会对西半球许多贫穷的经济体造成冲击。全球所有玉米进口量中七成来自美国。只要实施每加仑40英里的强制性汽车燃油效率标准就会迅速带来好得多的效果，并且不会为其他经济和行业带来间接伤害。

在2014年，美国将使用近50亿蒲式耳的玉米，制造超过130亿加仑的乙醇燃料。制造加满25加仑的油箱所需的粮食，可以给一个人提供一年所需。因而，130亿加仑的乙醇的就意味着，2000年养活5亿人的玉米被用来制造生物燃料。5亿人，这是西半球除美国以外的全部人口。

由于美国乙醇制造需求暴涨，玉米的全球价格在2007年翻了一番。因为玉米是最常见的动物饲料，并在食品工业有着众多用途，牛奶、干酪、蛋、肉、玉米甜味剂和麦片价格也应声上涨。世界粮食储备减少到30多年来的最低水平，无法保障全球人类两个月的需求。

增加的乙醇产量还带来了其他意想不到的后果，包括土地租金大幅上涨、用于制造化肥的天然气和化学品增加、过度抽取下蓄水层（例如为美国中西部各州供水的奥加拉拉蓄水层），森林树木被成片砍伐用以种植燃料作物，边缘耕作等破坏性做法再次出现。边缘耕作指的是整片土地不留空隙，全部种植作物。这种做法移除了任何针对土壤流失、化学径流和其他问题的边界保护性植被。我们花了40年时间，才在美国国内清除了边缘耕作。如今，乙醇的出现使得这种做法迅即死灰复燃。

甘蔗等大部分燃料作物，都有着和玉米相同的问题。巴西的石油曾经严重依赖进口，但由于其属于热带气候，农作物产量可以达到较高水平。因此，在上世纪90年代，政府制定了全球最大的乙醇燃油计划。该计划用甘蔗和大豆作为乙醇的原料。

不幸的是，为了利用作物生产生物燃料，巴西每年砍伐将近一百万英亩的热带雨林，并且，相当一部分的燃料最终都是被运往遥远的欧洲市场。因此，使用生物燃料对环境带来的净效应甚至比使用石油燃料还要严重，碳排放量相比之下要高出50%（据Eric Holt-Giménez, The Politics of Food）。这些意想不到的后果正是为什么能源政策和行业发展必须从整体入手，将行业对全球环境和经济的影响考虑在内。

那么，为什么美国国内如此大力推行玉米乙醇？主要是因为只需在现有的基础设施上加以简单改造，就可以用于产出玉米乙醇。而政策最初所提供的激励措施，例如税收减免、补贴和进口关税，更是鼓励了行业发展。玉米产业可以很快地提供玉米乙醇的生产，运输和发酵所需设施和技术，不像其他种植物需要更多投资。

我们应该知道，人类最初从生物质转换为化石燃料的原因就是因为生物燃料到能量的转化效率低下，而且制造生物原料的能源和空间成本也很高。到目前为止，大面积使用这些燃料的好处依然难以观察，因为科技发展还没有解决这些问题。

除了玉米，我们还能用什么生产生物燃料？

和柳枝一样，狼尾草（上图为阿拉巴马州生长的狼尾草）是一种比玉米更环保的乙醇来源，具有更高的能量密度。来源：美国国家再生能源实验室，沃伦·格里兹[Warren Gretz]（图中为大卫·布莱斯比[David Bransby]）。

最常见的醇——乙醇，已经被人类利用了几千年的时间。人类通过微生物转化，将糖等生物原料，通过发酵转化为乙醇。该方法首先使用可发酵的糖溶液，通过微生物将其发酵为乙醇。随后，通过蒸馏纯化过程而将其中的乙醇分离出来。

发酵要使用微生物，通常是酵母菌。酵母菌在数十亿年前就已演化形成。当时地球大气层之前还没有氧。酵母摄入糖类，并在过程中产生乙醇，二氧化碳和其他副产物。

（糖）C6H12O6→2 CH3CH2OH +2 CO2（乙醇+二氧化碳）

微生物通常使用己糖和它们的前体，葡萄糖和蔗糖。但是，因为糖和淀粉也供人类食用，非食品纤维素材料才是用于乙醇生产的更好替代品，例如纸、纸板、木材和其他植物纤维材料。研究已广泛调查了柳枝和狼尾草的作用，显示两者是生物燃料原料的最佳替代品。

纤维素材料在很多地方都很常见，而大部分时间被认为是废料。纤维素材料是由木质素、半纤维素和纤维素组成的。木质素为植物提供支撑结构，并将纤维素和半纤维素分子包含在内，使其更难以加工为燃料。

因此，要利用纤维素材料制造乙醇，则需要使用和玉米乙醇不同的方法。既可以用酸（硫酸是最常见的）和纤维素材料进行化学反应，用从微生物产生的酶来分解纤维素材料，也可以将原料加热至气态，并投入化学催化剂催化反应（也就是所谓热化学）。每个途径下都有不同的具体方法，而一些途径还可以在制造过程中结合起来，不过，人们正试图将所有的途径商业化。不过，和玉米相比，这些制作工艺的成本降不下来，每加仑价格一直保持在玉米乙醇价格的两倍左右。不过在最近，基因工程修改的一些特殊微生物可以将这些材料相当高效地发酵为微生物。

难怪我们一头扎进了玉米堆里！

另一个较少讨论的生物燃料制造策略，则是用生物柴油替代基于石油的柴油。通过将几乎任何油类和甲醇、乙醇等醇类混合，均可以制成生物柴油。

所有柴油发动机不需任何改造，即可以使用生物柴油。比起石油柴油，生物柴油产生的有毒排放物和颗粒更少。生物柴油对引擎造成的损耗也更小，增加其润滑性和效率。相对于石油柴油，生物柴油的二氧化碳排放要少大概60%。

鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）最初开发的柴油发动机就是以花生油和大豆油等食物油运转的。而且，其他动物脂肪油或其他天然油都可以在这个发动机上使用。然而，在大概一百年前，社会对天然油的需求远远超过了供给，只有储量丰富的石油才能满足需求。

使用任何油制备生物柴油的过程都相对简单，关键是要找到能够获取生物油的良好来源，如快餐店，或藻类。资料来源：CEHMM, Carlsbad NM.

生物柴油制造所最常使用的天然油是油菜籽和芸苔油，但从藻类中提炼出的油也有着光明前景。生产藻类并不需要农业用地，使用的也是海水。而其产出的油量是其他任何食物油的20倍或以上。一亩藻类可以生产近5,000加仑生物柴油。藻类并不和粮食作物争抢耕地或水源。藻类每年可以产出超过600亿加仑的生物柴油，完全可取代美国使用的所有石油柴油。

然而，所有的藻类生产基地如今都将他们的产品售予食品和化妆品业。相较生物柴油，它们可以获得高得多的利润。

我想，生物燃料就和其他燃料一样，天底下确实没有免费的午餐。

 

译 Liam 校 丁盈幸