生物燃料：不是我们希望的救主

当我们进入常规石油的下降阶段时（可能在2020年之前），我们将争先恐后地填补替代液体燃料的缺口。由美国能源部委托编写的《 2005年赫希报告》（Hirsch Report）仔细研究了可以及时解决问题规模并产生影响的替代方案。报告中目前认为可行的方法中，没有一种方法脱离化石燃料。但是生物燃料呢？他们可以在多大程度上解决我们的问题？我们将全神贯注于数学，看看第一手分析在哪里。

光合规模

如果将地球上所有的光合作用相加（几乎等于除奇球极端微生物之外的所有生命），您将得到80 TW（80万亿瓦；我看到的可靠估计值范围为40）。 140 TW）。大约一半来自海洋中的所有浮游生物（及其衍生的食物链），另一半发生在陆地上，捕获了每个微生物，植物和家属。将此与13 TW左右的人力消耗以及约500 GW的人体新陈代谢活动进行比较（70亿人的工作量不到100 W或2000 kcal / day）。

首先，请注意，人类的工业力量规模与光合作用规模相当。如果您说13看起来不太像80，那么这很公平。但是我对指数的相似性印象深刻：两者都在3×1013 W的三分之一以内！在所有可能比较结束的地方，它的数量级大致相同。

接下来，观察到人类约占地球上全部生物活性的0.6％。在认为这使我们成为一个占主导地位的物种（数以百万计的物种中，占任何一个的近1％令人印象深刻）之间，与认为与我在人类主导的日常活动中所占的比例相比，这是一个很小的数字之间，我会摇摆不定生活。但是我每天都看不到广阔的海洋或雨林。

最后，反思一下我们的工业企业将人力放大了25倍或更多（13 TW对0.5 TW）的事实。多亏了化石燃料，我们拥有大量的肌肉。让我看看那些二头肌！

因此，我们的第一站就是注意到，将我们的化石燃料企业转换为生物燃料将意味着指挥（奴役）地球上大部分生物活动。考虑到年复一年地收获地球所需的巨大能量，我们必须出于所有意图和目的接管地球的生态圈，以达到为我们的目标服务。

请注意，正如文章中关于“可持续”的内容所讨论的，将梦想持续增长到当前规模的五倍的梦想。单靠生物途径是不可能的。

光合效率

在全球范围内，我们可以说入射到地球“ R”投影²面上的阳光的70％是由地球收集的（其余的被云，大气和陆地反射），而全部的50％被吸收在地面上。在1370 W ²/ m的入射功率通量下，这意味着地球表面正在吸收约100,000 TW的太阳能。因此，全球光合作用效率约为0.1％。相当虚弱。

好吧，为了公平地进行光合作用，对生物活性范围的限制往往是水和矿物质的有效性–不是入射的阳光。浮游生物的开花与（通常是富氮的）养分的排放或上升有关。我们的农业领域实现了“玉米开花”年复一年地感谢使用化石燃料衍生的肥料来提供这种营养服务。

在充分照顾和喂养的情况下，单个工厂的票价如何？估算答案的一种方法是猜测植物在其生长季节或生命周期中所承受的质量，为碳水化合物（和纤维素）材料指定4 kcal / g的热量值，并将其与在同一时期向其绿叶区域呈现的太阳通量。

让我们以一种含碳水化合物的马铃薯工厂为例，介绍一个储能机器。假设我们的植物在一个生长季节生产了六磅半磅的马铃薯（约1.5公斤），加上相当数量的叶子，茎和根，质量很好。3 kg在4 kcal / g时产生12,000 kcal的能量存储，或约50 MJ（请参阅有关能量关系的页以进行转换）。同时，在平均夏季日²照量为350 W / m的情况下，可²能只有0.5 m的占地面积在四个月内提供约2 GJ的太阳能（日照，夜间，天气以及植物不平坦这一事实的日照估算因子）？如此比平板更好地集光）。结果是2.5％的效率。

这与已报道的光合作用效率相差不远：世界上许多植物实现0.01到0.1％的效率，而趋于妥善的农作物的效率通常在1到2％左右，藻类可以达到数量像4％？6％。我必须说，当常识性估计使我陷入同样的​​困境时，我对这些报道的数字更加信任。

案例分析：用玉米乙醇代替美国石油

大多数人已经认识到玉米乙醇在美国不能替代石油的事实。撇开存储，分配和政治方面的腐蚀性挑战，我们仅关注能量学。

美国每年使用约70亿桶石油，相当于1.3 TW的等效电力需求。玉米乙醇需要大量的能源投入才能种植，施肥，收获玉米process并将其加工成乙醇。一些估计得出净能量损失。更为乐观的估计是，能源投资的能源回报率（EROEI）约为1.4：1，这意味着每收获1.4单位净能源为0.4单位。假设我们使用玉米乙醇衍生的能量进行整个操作，则效率为0.4 / 1.4，即约30％。将其与入射阳光的1.5％光合作用效率和半年生长期的50％的光合作用效率相结合，可使我们全年获得0.2％的效率。

在生长季节中，考虑到3-d优势植物比平板具有更多的优势，我们将再次使用乐观的350 W / ²m的日照率。乘以我们的整体效率，这将传递给乙醇产²品的0.7 W / m。要达到我们的1.3 TW目标，一侧需要1400公里！下图说明了这种情况的严重性。用玉米乙醇代替美国石油需求所需的面积。

需要用玉米乙醇替代美国石油需求的平方面积。

从甘蔗中提取的乙醇可以在5×10：1附近的地方具有更好的EROEI。巴西以牺牲雨林为代价，大力推行甘蔗乙醇。小气候（荒漠化）和土壤质量/侵蚀的结果变化可能为大规模维持这种做法提出重大障碍。

喂养野兽

另一种强调生物燃料全面使用的艰巨方法，是考虑到全球石油消耗量相当于6 TW的电力（每年300亿桶，或每秒1000桶，每桶6 GJ）。这大约是人体新陈代谢饮食摄入量的12倍-主要来自农田。我们不会放弃进食，因此在最简单的分析中，我们将不得不找到一个额外耕地，面积大约是当前耕地面积的十倍。

就规模而言，地球的土地总面积约为1.4亿平方公里。大约5,000万被归为农业（包括永久性放牧地），1300万被归为耕地。我们将在哪个星球上找到足够的土地来种植足够的生物燃料？

农民努力工作。抛开土地问题，如果我们想减少生物燃料的投入，我们将不得不在相当大的程度上扩大耕作工作量（以及农民人数）。与太阳能电池板，风力涡轮机，核电站等不同，生物燃料每年都需要无休止地推动植物的种植，抚育和收获。EROEI很差，可能无法大规模灌溉，而且恶劣的生长季节将严重影响我们的经济。

这就是为什么我将其称为“生物燃料研磨”。我们已经习惯了依靠化石燃料的遗产为生，因此我们一直像国王一样生活。过渡到生物燃料就像年复一年地必须找到一份真正的工作，并为年产量而努力。不再有来自大自然的自由蜂，它们坐着数百万年等待被挖出。

纤维素植物废料和藻类。

我一直将生物燃料视为来自类似粮食作物的来源。考虑到使用农业副产品，藻类等的潜力，有些人可能认为这是不公平的。我们将解决这个问题。但是首先，我会指出，实际上，目前所有的生物燃料的确来自粮食作物：甘蔗和玉米中的乙醇；大豆和植物油作物中的生物柴油。（我研究了为什么以前的文章中生物柴油的废食用油无法扩展）。

原则上，植物茎秆和叶片中存储的能量可以转化为液体燃料。纤维素材料必须通过其他方法分解，而不是将糖发酵成酒精。在微生物的协助下，白蚁会在肠道中做到这一点。如果白蚁（或这些微生物）呕吐出酒精或石油，我们将从事经营活动，但是他们的“经营活动”有多邪恶呢？可能。许多人谈论可能被强迫制造酒精的基因工程微生物。

利用基因工程，我们可以做任何事情。事实证明，我们已经消除了大多数遗传触发的疾病，消除了导致细胞（和人）衰老的基因，并且可以按需制作三头山羊。还是等等……那是我昨晚做的梦：然后山羊变成了我的婆婆。我渴望看到我们开始在基因工程领域取得成功，但是这是一项艰巨的任务，而且谈资不菲。让我们继续研究魔术微生物，但如果基因工程在未来几十年内无法兑现其诺言，我们还要制定一项计划B。

至于藻类，这些小虫子比传统的粮食作物具有一些严重的优势：与食物没有直接竞争；光合效率更高；能够在原本没有生产力的沙漠土地上用袋/管工作；易于收获的液体系统（管道系统取代笨拙的收割机，对不明面积的土地进行梳理）。

一个吸引人的想法是，建造藻类管/袋的塔，这些塔/管的袋似乎可以通过建造三维空间而出色地利用土地。让我告诫不要被这个概念所左右。每平方米土地只有那么多阳光。倾斜放置一定数量的藻袋以面对太阳是更好地利用给定土地面积的一种方法，但是垂直于太阳的方向的深度效果不佳：自我屏蔽可防止更深层次的生产力。

如果我们从6％的高效藻类开始，并假设我们可以将50％的存储能量转换成有用的形式（包括加工的能源成本），那么每年平均日照量为250 W /mÂ的沙漠地区将²产生相当于7.5 W / m²的有用能量。我们将需要一个侧面约425公里的正方形，该正方形与北达科他州的土地面积大致相同。

藻类的数量肯定比传统的（经过验证的）生物燃料来源更有利。但是请记住，我们尚未找到一条以适当的规模/效率从藻类中榨出有用汁液的明确途径。许多讨论都围绕基因工程来使藻类大量排出。关于这一前景，我无需重复我的不便之处。此外，任何在水族箱维护上失败的人（所有尝试过的人？）都知道藻类如何堵塞管道并粘在管壁上等有害。因此，他们也应该研究转基因聚四氟乙烯涂层藻类。到那时我也将能够享受那只三头山羊！

综合方法

我发现我能对此感到兴奋的所有方法之一是合成光合作用。特别是，由加州理工学院的内特·刘易斯（Nate Lewis）教授领导的一项巨大的努力（五年内投入1.15亿美元），旨在通过人工光合作用开发一种从太阳到液体的过程。我已经读过关于刘易斯教授的文章？研究，并引起了我的兴趣，当我看到他在最近的一次会议上发表演讲时。该演讲已录制，可以在此处访问。搜索单词“ ？？叶”。 （顺便说一句，我也做了一个演讲，总结了以前的《数学》中的一些文章：如果感兴趣，请搜索“到期”。）

刘易斯教授总结了我们面临的巨大能源挑战，并指出，因为就总的能源可用性而言，没有其他可再生能源接近太阳能，而且液体燃料是迄今为止能源最密集的手段。储存（缺少核），有一天我们将有一种方法可以将阳光直接转化为液体燃料。我希望他是对的，因为这确实将改变游戏规则。我们会及时到达那里吗？

瓶颈在于我们不知道能够以高效，稳健和廉价的方式介导反应的催化剂（刘易斯教授说，选择两个，今天我们可以做到）。他们的方法是尝试从总共二十个“有趣”中选择最多三个元素的每种组合。周期表的占用者。在各种各样的分数组合和退火过程中进行了尝试，这些组合是荒谬的。但是他们正在开发一种可以一次筛选数百万个组合的方法（巧妙地使用LCD监视器索引技术来测量沉积在像素化矩阵中的样品中的电流）。期望在5年内，所有明智的组合都将用尽并经过测试。

有1350种方法可以将20个元素中的三个元素组合成X，XY和XYZ排列。但是现在允许每个元素中的多重性（复合物中每个元素最多100个实例），我们得到大约10,000个可能的XmYn对，其中m和n是从1到100的数字。我懒于淘汰重复项，就像X3Y6和X11Y22本质上是同一件事一样，只是为了获得一个上限，但我也没有考虑结构安排的组合。此外，任何XmYnZo XYZ三重奏都有一百万种组合。总共约有十亿个组合。每天测试一次，一次测试几百万，可以在一年内探测到该集合。考虑到不同的退火/制备技术，您将需要几年的时间。

我并不是说这是贬低的意思，但这很像是拿起脚踝的周期表，剧烈摇动（数年），看看是否有有趣的事情发生。我绝对认为这是我们应该做的：如果可以的话，我们有什么可能的理由不用尝试？我们怎么知道是否可以呢？但与此同时，这听起来有些绝望。老实说，我们不知道它是否会工作。并非每个人都可以成为催化剂，并且一个人想知道为什么这么长的催化剂比我们在普通科学过程中发现的催化剂要好。可能会发生，我当然希望会发生。但是，我们有一个计划C。

不是全有或全无的世界

我的举动似乎使我们需要生物燃料来完全替代我们在上述分析中当前的石油消耗。对此，没有人认真提出建议。但是我认为，了解我们眼中的观点的局限性是有用的，这样就不会有人误解或简单地假设我们讨论的各种解决方案都可以填补问题并使我们整体发展。不要相信有人说生物燃料是答案。如果他们想说“解决方案的一部分”就可以了。但是我不敢轻易宣称他们会修理我们的货车。

无论如何，我都能理解，为什么在《赫希报告》中不认为生物燃料可能是缓解碰撞策略的大规模贡献者。化石燃料解决方案（例如，天然气到液体，煤到液体）自身面临规模挑战，他们不会面临生物燃料遭受的相同瓶颈或缺乏经过验证的技术。即使这样，如果规模化，化石燃料减缓战略将很难追赶传统石油的下降。最终要等到下降开始。最后，化石燃料的缓解策略将都面临与常规石油相同的有限资源问题，因此只能代表一种临时解决方案。

因此，生物燃料（尽管难度如此大）最终可能在其他选择不起作用的应用中发挥关键作用。飞机确实确实需要液体燃料来保持其所做的工作。跨洋船只和越野卡车也可能需要生物燃料可以提供的任何帮助。个人轻型运输可以更轻松地过渡到电力驱动，也许偶尔会有生物燃料混合储备。实际上，美国军方正在试验生物燃料飞机。我要说的是，如果我们继续在沙漠地区打仗，我们将对这种选择感到失望！现在，如果我们能够让我们的喷气式飞机在鸦片上高飞呢？¦

有关进一步的阅读（相似的数字，相似的结论），请参阅Helmut Burkhardt的分析。

通过。汤姆·墨菲

这是汤姆·墨菲（Tom Murphy）的特邀帖子。汤姆是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学副教授。这篇文章最初出现在汤姆的博客“做数学”上