减排96%、成本更低，这种“超级植物”改写生物燃料格局

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Anthropocene Magazine

撰文|Bell

编辑 | 小澜

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竹子，这种古老而坚韧的植物，正在现代科学的赋能下，展现出成为未来低碳燃料支柱的惊人潜力。

近日，一项发表在《可持续能源与燃料》期刊上的研究指出，竹子可以作为一种极具潜力的原材料，用于生产可持续的液体燃料，为汽车、火车甚至飞机提供动力。

这项由美国伍斯特理工学院（WPI）化学工程系的研究团队主导，联合芬兰阿尔托大学及生物能源企业共同完成的研究，首次系统性地评估了一种名为灰竹（Phyllostachys nuda）的竹子在制造低碳运输燃料方面的巨大潜力。

灰竹竹节出常为白灰色，广泛分布于中国陕西、江苏、安徽、浙江、江西、台湾及湖南。1908年由中国浙江余杭县塘栖引入美国栽培。

研究团队将转化效率测量、技术经济分析和全生命周期碳排模型结合起来，结果显示，竹子不仅能够被高效地转化为高性价比的生物原油，其碳排放仅为化石燃料的3.8%。

图说：灰竹

来源：Bamboo Garden Nursery

将竹子变成燃料的核心技术被称为“水热液化”（HTL），可以被理解为是一种对自然界“化石化”过程的快速模拟。

在高温（约300摄氏度）和高压的密闭环境中，竹子这种湿润的生物质被投入水中，经过短短10分钟的反应，就能转化为一种类似原油的液体，也就是“生物原油”。

传统的生物质转化技术（如热解）往往需要先将原料彻底干燥，这消耗了大量能源；而水热液化最大的优势在于可以直接处理高湿度的生物质，大大降低了能耗。

在实验过程中，竹子的生物原油产率达到了35.6%，碳回收率高达53.1%，而且完全不需要添加任何昂贵的催化剂。

这意味着，仅仅依靠竹子自身，我们就能获得极其可观的燃料产出。

图说：图中背景所示的反应器，可以将竹子加工成生物原油

来源：WPI

竹子之所以能在众多生物质原料中脱颖而出，首先得益于它得天独厚的“天赋”。

作为地球上生长最快的植物之一，某些竹种在短短几个月内就能长到全高，并在四年内成熟。

论文数据显示，这种竹子的生长速率达到了每年每公顷22到44吨，是传统原料玉米秸秆的至少三倍，也是另一种常见能源草——柳枝稷的两倍以上。

这意味着，在相同的土地面积上，竹子能产出更多的能量。

更重要的是，竹子的灰分含量极低，干重下不足1%。相比之下，玉米秸秆和柳枝稷的灰分含量动辄超过百分之五甚至百分之十。

灰分是生物质燃烧或转化过程中的“绊脚石”，它会导致设备结垢、催化剂中毒，并降低最终燃料的品质。

而竹子天然的低灰分特性，使其在水热液化过程中不仅反应更加高效，产生的废料也微乎其微，极大地降低了工业化生产的复杂度和成本。

来源：https://doi.org/10.1039/d6se00296j

当然，任何一项新能源技术在走向现实之前，都必须回答一个最直接的问题：它到底贵不贵？为了回答这个问题，研究团队进行了严谨的技术经济分析。

他们设定了一个成熟的商业场景：一个每天处理一万吨干竹子的精炼厂。在这种规模下，竹子基燃料的出厂盈亏平衡价格（最低燃料销售价）被估算为每加仑汽油当量2.75美元。

这个价格是厂门生产成本，如果拿它与同样规模下的其他原料相比，优势相当明显：生产同样规模的燃料，用柳枝稷的成本约为4.21美元，用玉米秸秆则高达4.73美元。

竹子之所以能取得这样的经济优势，正是因为其惊人的生长速度和更高的生物原油产率，摊薄了原料收集、工厂建设和运营的成本。

论文作者之一、伍斯特理工学院的化学工程教授迈克尔·蒂姆科表示：“在燃料价格居高不下之际，这项研究显得尤为及时和重要。”

图说：迈克尔·蒂姆科教授

来源：WPI

如果说经济性决定了这项技术能否落地，那么环境效益则决定了它为什么值得大力推广。

在应对气候变化的大背景下，全生命周期评估（LCA）是衡量一种燃料是否“绿色”的标尺。研究人员的评估涵盖了从竹子种植、收获、运输、转化到最终燃料燃烧的每一个环节。

结果令人惊叹：竹子基生物燃料的生命周期温室气体强度仅为每兆焦耳3.5克二氧化碳当量。与之相对，传统的石油柴油每兆焦耳会排放高达91克的二氧化碳当量。

这意味着，竹子燃料的排放量仅为石油柴油的约1/26（约为3.8%），堪称“超低碳”燃料的典范。

图说：不同生物质原料和化石燃料所产生的温室气体排放量

来源：https://doi.org/10.1039/d6se00296j

研究团队进一步将经济成本和环境效益结合，计算了“碳减排成本”——即每避免一吨二氧化碳排放所需付出的额外经济代价。

竹基燃料的碳减排成本约为每吨35.2美元（包含土壤碳汇信用），即便剔除土壤碳汇信用，也仅为每吨43.8美元。

这个数字远低于直接空气捕集（200至300美元/吨）等主流碳移除技术，也优于柳枝稷乙醇（55至105美元/吨）和当前的电解水制氢（42至74美元/吨）等路径。

更令人兴奋的是这项技术的规模化前景。

论文估算，以美国为例，在目前的产量和转化假设下，如果利用竹子来生产水热液化燃料，理论上只需占用美国当前玉米乙醇种植面积的约13%，就能提供与之相当的能源量。

这是一个巨大的解放：释放出的土地可以重新用于粮食生产，或用于恢复自然生态，从而减轻农业对环境的压力。

而对于中国南方这一竹资源本就富集的地区而言，开发应用竹基燃料的前景十分可观。

图说：30英里（约为48公里）的供应半径即可为HTL生物炼油厂提供原料

来源：https://doi.org/10.1039/d6se00296j

从基础设施视角来看，竹子燃料还具备一项独特的优势：它可以直接“融入”我们现有的输配系统、加注设施和燃烧系统。

与需要全新充电网络或加氢站的电动汽车和氢能汽车不同，通过水热液化得到的生物原油，经过常规的加氢精炼后，得到的是一种与传统柴油非常相似的液体燃料。

这种“即插即用”的兼容性意味着，它可以直接利用现有的管道、储油罐和加油站，适用于重型卡车、工程机械、船舶乃至航空发动机。

当然，从实验室的烧杯到遍布全球的商业化工厂，还有很长的路要走。

论文作者也指出，目前的实验数据基于单一竹种和批式反应器，未来还需要在连续化、大规模的商业装置中进行验证。

同时，建立从竹子种植、采伐到物流运输的完整供应链，也是产业成熟必须跨越的门槛。

但无论如何，这项研究为我们指明了一个清晰而有力的方向：竹基燃料不仅是一种能源替代方案，更代表了一种将生态修复、农业转型与能源安全相结合的可持续发展思路。

参考资料：

[1]https://pubs.rsc.org/se/article/doi/10.1039/d6se00296j/1361480/Bamboo-as-a-cost-effective-feedstock-for

[2]https://www.wpi.edu/news/wpi-researchers-identify-bamboo-fuel-alternative

[3]https://interestingengineering.com/energy/bamboo-fuel-alternative-less-carbon-foot-print

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