为什么藻类生物燃料可能永远无法把握未来的关键

世界磷矿石储量的枯竭将限制可种植的食物数量，这种情况只能通过生产生物燃料（包括可能从藻类大规模生产柴油）来加剧。由于廉价的肥料，农药和能源，特别是石油，世界人口已增加到目前的70亿。几乎所有现代农业的工程设计都依赖于磷肥，以及天然气等肥料。硝酸铵，并在油上运行拖拉机等，并分配最终产品。预计到2030年，全球磷矿产量将达到顶峰，这使人们担心未来世界将能够增加多少粮食，而人们的食嘴却越来越多[1]。分析意见的共识是，我们也接近世界石油生产的顶峰。

解决后一个问题的一种建议解决方案是用生物燃料代替石油基燃料，尽管这种方法并不像通常那样简单。除了简单的事实，即生长的燃料作物必须不可避免地争夺有限的耕地来种植粮食作物，生物燃料的性质也存在重大差异，例如生物柴油和生物乙醇，例如汽油和柴油等传统碳氢燃料，将需要调整发动机设计以使用它们，例如在低温（例如低温）下的粘度方面。在对流层寒冷的飞机上飞行。原乙醇需要在专门改装的发动机中燃烧，以将其更多的能量从油箱到车轮的英里数回收，否则，它只能提供磅的一磅汽油的大约70％。

为了消除燃料和粮食作物之间的竞争，已经提出了种植藻类以制造生物柴油的提议。一些藻类菌株可产生其重量的50％的油，该油以与植物油相同的方式酯交换为生物柴油。相较于油菜籽每公顷可能产生一吨生物柴油，或者棕榈油产生8吨生物柴油，每公顷面积可能在同等规模的藻类中[2]可能产生40-90吨。由于池塘原则上可以放置在任何地方，因此无需使用耕地。一些藻类在盐水上也能很好地生长，这避免了将越来越珍贵的淡水从正常用途中转移出来，就像需要大量淡水的农作物一样。

藻类路线听起来好得难以置信。设置好这些池塘后，尽管规模很大，即它们将需要10,000 km ^ 2的面积（40吨/公顷）才能生产4000万吨柴油，这足以满足英国的运输需求如果所有车辆都使用柴油发动机运行，则在燃油方面[后者在油箱到车轮英里数上比汽油燃料的火花点火发动机高40％左右]，理想情况下，可以使它们从烟囱中吸收二氧化碳（因此同时通过光合作用解决了另一个小问题），仅受自然阳光的通量驱动。前提基本上是正确的；但是，要使藻类生长，还需要重要的营养物质，因为对干藻进行简单的元素分析就可以确定。磷虽然占总质量的不到1％，但却是其中一种至关重要的成分，没有磷，藻类的生长可以忽略不计。我使用两种不同的计算方法来估算，要养成足够的藻类需要多少磷酸盐，首先是为英国提供燃料，然后是为整个世界提供燃料：

（1）我以干燥小球藻[2]的分析为例，其中每100克藻类含有895毫克元素磷。

英国案例：要生产4000万吨柴油，将需要8000万吨藻类（假设其中50％是石油，可以将其100％转化为柴油）。藻类中的“磷酸盐”含量为0.895 x（95/31 ）= 2.74％。（MW PO4（3-）为95，P = 31）。

因此，大量藻类将包含：8000万x 0.0274 = 219万吨磷酸盐以矿物的化学成分为氟磷灰石，Ca5（PO4）3F，MW 504，我们可以说在387万吨磷矿石中含有这种“磷酸盐”。

世界案例：全世界每年要消耗300亿桶石油，其中70％用于运输（假设）。由于7.3桶中包含1吨油，因此等于30 x 10 ^ 9 / 7.3 = 4.1 x 10 ^ 9吨，而其中70％= 2.88 x 10 ^ 9吨运输油。

因此，这将需要两倍于其质量的藻类= 5.76 x 10 ^ 9吨，其中包含：5.76 x 10 ^ 9 x 0.0274 = 1.58亿吨磷酸盐。如前所述，以磷酸盐的化学组成为氟磷灰石，Ca5（PO4）3F，MW 504，该量的“磷酸盐”包含在2.79亿吨的磷酸盐岩中。

（2）为了提供这些数字的独立估计，我注意到在含磷量为0.03-0.06％的培养基中，这种藻类的生长是有效的。因为我不想成为警报者，所以我将使用范围的较低部分，即0.03％P。用于生长藻类的“池塘”的深度在0.3-1.5 m之间变化，但是我假定深度为0.3 m。

英国案例：假设（参见上文）生产4000万吨石油（为简化说明，假设等于柴油的最终量）将需要10,000 km ^ 2的池塘/水箱面积。10,000 km ^ 2 = 1,000,000公顷，深度0.3 m，总计为：1,000,000 x（1 x 10 ^ 4 m ^ 2 / ha）x 0.3 m = 3 x 10 ^ 9 m ^ 3

浓度为0.03％P = 0.092％磷酸盐，因此每m ^ 3（1 m ^ 3重1吨）体积包含0.092 / 100 = 9.2 x 10 ^ -4吨（920克）磷酸盐。因此，我们需要：

3 x 10 ^ 9 x 9.2 x 10 ^ -4 = 276万吨磷酸盐，这与上述藻类吸收的磷酸盐量（219万吨）基本相符。这相当于487万吨磷酸盐。

世界案例：整个世界需要2.88 x 10 ^ 9吨石油，这将需要2.88 x 10 ^ 9/40吨/公顷的土地= 7.20 x 10 ^ 7公顷的土地来生产。

7.2 x 10 ^ 7公顷x（10 ^ 4 m ^ 2 / ha）= 7.2 x 10 ^ 11 m ^ 2，在池塘深度为0.3 m的情况下，它们将占据2.16 x 10 ^ 11 m ^ 3的体积。假设密度为1吨= 1 m ^ 3，并且PO4（3-）的浓度为0.092％，我们需要：

2.16 x 10 ^ 11 x 0.092 / 100 = 1.99 x 10 ^ 8吨磷酸盐，即1.99亿吨。这相当于3.52亿吨磷酸盐岩。

这也与从藻类质量推导出来的数字合理地吻合，因为藻类生长过程中并非所有的P都会从溶液中提取出来。

现在，世界磷酸盐矿的产量约为1.4亿吨（注意，我们需要3.52亿吨来种植所有藻类），并且磷酸盐产量的枯竭已经使粮食生产受到影响。美国每年生产不到4000万吨的磷矿石，但根据其目前在世界石油基燃料中的“份额”，将需要足够的产量才能生产约占全球藻类柴油总量的25％，即8800万吨磷酸盐。因此，对于美国来说，藻类到柴油的生产甚至不能利用其所有本土的磷酸岩产品来满足燃料供应的安全性，并且仍然需要大量的矿物进口。这是农业所需矿物质的补充。

据估计，全球磷酸盐岩总量为80亿吨，而在美国则为28.5亿吨（通过Hubbert线性分析）。但是，正如所有资源一样，重要的是它们的生产速度。

我对藻类柴油仍然持乐观态度，但是很显然，如果要大规模实施，其磷必须来自矿物质磷酸盐以外的其他地方。海洋中某些区域的磷酸盐含量相对较高，原则上可以浓缩到所需数量以生长藻类，特别是因为盐度未必会成为问题。从粪便和其他种类的动植物废料中回收磷似乎是维持农业目前水平的唯一手段，当然，如果增加其活动以包括生长的藻类，则肯定如此。原则上，在抽油过程之后残留的藻类废物中的磷含量也可以循环用于下一批藻类的生长。这些都可能是耗能的过程，但是，它们本身就需要某种“燃料”。最近的一项研究[4]得出结论，如果将藻类与环境清洁策略（即污水废水处理和减少化石燃料发电站或水泥厂的烟囱产生的CO2排放）结合起来使用，则可能具有成本效益。这种组合看起来非常吸引人，因为可以减轻向环境中释放氮和磷的影响以及温室气体的排放，同时保留宝贵的N / P营养，同时生产可以代替原油作为燃料原料的材料。

有益的是，即使不是直接在土地上，用于燃料的生长作物（藻类）和用于粮食的粮食作物（藻类）之间也存在竞争。这对我来说说明了自然的复杂性和相互联系的本质，实际上是自然，并且像任何压力链一样，最终将把其力收敛到“需要能量来提取能量”序列中的最薄弱环节上。

Hubbert型的人口增长分析表明，与其上升到假定的“到2050年90亿”的情景，它会在2025年左右达到73亿的峰值，然后下降[5]。人口增长曲线与世界磷酸盐生产曲线和世界石油生产曲线非常吻合[5]，这可能也很重要。在我看来，这很像资源的下降，这将像任何物种一样，在数量上助长我们的灭亡：从在地球上生长的人类群体到在培养皿中生长在琼脂营养上的细菌群体-碟。

通过。克里斯·罗兹教授

克里斯·罗德斯（Chris Rhodes）教授是一位作家和研究员。他在萨塞克斯大学（Sussex University）学习化学，并获得了理学学士学位和博士学位（D.Phil。）。克里斯（Chris）成长为英国最年轻的物理化学教授，享年34岁。他是一位多产的作家，他发表了400多篇研究和大众科学文章（其中一些在国家报纸上：独立和每日电讯报》他最近出版了他的第一部小说《大学混乱》，该小说于2009年4月出版（《梅尔罗斯丛书》）。 http://universityshambles.com