毫无疑问，内燃机是有史以来最重要的发明之一。但是，它给环境带来了非常高的成本——有害排放。
尽管几十年来在效率和排放控制方面取得了许多飞跃，但我们永远无法完全消除向空气中排放二氧化碳等排放物。但是，如果这些发动机的燃料可以种植而不是挖出来呢?
这正是生物燃料在过去几十年中做出的承诺。然而，当谈到清洁能源的“圣杯”时，并非一切都是如此。
什么是生物燃料?
顾名思义，生物燃料是通过某种生物质的转化“自然”产生的液体和气体燃料类型。虽然该术语可用于涵盖固体燃料，如木材，但这些燃料更常被称为生物质而不是生物燃料本身。
出于这个原因，生物质往往被用来表示生物燃料所源自的原材料，或者是通过将原材料热或化学改变成诸如烘焙颗粒或煤球之类的东西而产生的那些固体燃料。
存在各种形式的生物燃料，但迄今为止最常用的是乙醇(有时称为生物乙醇)和生物柴油。
前者是一种酒精，通常与更传统的燃料(如汽油)混合，以增加辛烷值并减少通常与内燃机相关的有毒一氧化碳和引起烟雾的排放。最常见的混合物形式称为 E10，是 10% 乙醇和 90% 汽油的混合物。
一些更现代的汽车，称为灵活燃料汽车，实际上可以使用另一种乙醇和汽油的混合物，称为 E85，其中乙醇含量在 51% 到 83% 之间。根据美国能源部的数据，您放入汽车的所有汽油中大约 98% 都含有一定比例的乙醇。
大多数用于燃料的乙醇是由植物淀粉和糖制成的，但越来越多的生物燃料正在开发中，使用纤维素和半纤维素。这些是构成大部分植物物质的不可食用的纤维材料。迄今为止，一些商业规模的基于纤维素的乙醇生物精炼厂目前在美国运营。
用于制造乙醇的最常见植物“原料”是玉米、谷物和甘蔗。
与酒精生产一样，对于您最喜欢的啤酒或葡萄酒，生物乙醇是通过古老的发酵过程产生的。与酒精饮料一样，细菌和酵母等微生物使用植物糖作为能源，并产生乙醇作为废物。
然后可以将这种乙醇分馏、蒸馏和浓缩，准备用作液体燃料。一切都很好，但与乙醇混合确实需要付出代价。
正如美国能源部所解释的那样，“乙醇每加仑所含的能量比汽油少，程度不同，具体取决于混合物中乙醇的体积百分比。变性乙醇(98% 乙醇)每加仑所含的能量比汽油少约 30%。加仑。乙醇对燃油经济性的影响取决于燃油中的乙醇含量，以及发动机是否经过优化以使用汽油或乙醇运行。”
生物柴油是另一种最常见的生物燃料，由植物和动物脂肪制成，通常被认为是石油基柴油燃料的更清洁燃烧的直接替代品。它无毒、可生物降解，由酒精和植物油、动物脂肪或回收的食用油脂混合而成。它是通过酯交换过程生产的单烷基酯，其中原料在催化剂存在下与醇(如甲醇)反应，生产生物柴油和甘油。
与乙醇一样，生物柴油可以与普通柴油混合制成更清洁的燃料。此类燃料的范围从称为 B100 的纯生物柴油到最常见的混合物 B20，由 20% 的生物柴油和 80% 的化石燃料柴油组成。
就像乙醇一样，与更传统的燃料相比，生物柴油也不是没有问题。例如，它在较冷的气候中可能会出现问题，因为它有结晶的趋势。一般来说，生物柴油含量越少，燃料在寒冷气候下的性能越好。
这个问题也可以通过添加一种称为“流动改进剂”的物质来解决，这种物质可以添加到燃料中以防止其冻结。
另一种很受欢迎的生物柴油形式是“绿色柴油”或可再生柴油。通过植物油或动物脂肪的加氢裂化(或通过气化、热解或其他生化和热化学技术)形成的产品与传统柴油几乎无法区分。
植物油也可以在一些没有通用燃油喷射系统的老式柴油发动机中未经修饰地用作燃料源。
还存在其他形式的生物燃料，包括通过有机材料的厌氧消化(基本上腐烂)过程产生的沼气或生物甲烷。“合成气”是另一种形式的生物燃料气体，它是通过生物质的部分燃烧混合一氧化碳、氢气和其他碳氢化合物而产生的。
到 2021 年，全球生物燃料产量超过 430 亿加仑(1610 亿升)，约占全球道路运输燃料的 4%。国际能源署等一些组织希望到 2050 年这一比例提高到 25%。
为什么生物燃料被认为是绿色的?
为了完全回答这个问题，我们需要回到过去。大约在 21 世纪之交，世界各地的许多政府都在摸索，试图找出减少本国碳排放量的方法。
主要的污染活动之一恰好是用于运送人员和物品的汽车和卡车。事实上，这是造成人类全球二氧化碳排放量的最大因素之一，据一些消息来源称，二氧化碳排放量几乎占全球年排放量的四分之一。
由于世界上许多国家越来越多地使用私家车，交通运输行业也是世界上增长最快的行业之一。其中，绝大多数仍然是内燃机汽车，而不是像不断增长的电动汽车市场那样的“清洁”解决方案。
在他们看来，需要为此采取一些措施，因此生物燃料的概念被提出为潜在的“灵丹妙药”。
由于生物燃料主要是由活植物材料的生长和收获形成的，而不是像化石燃料这样长期封存的碳氢化合物来源。主要论点是，生物燃料吸收的二氧化碳或多或少与燃烧时释放的二氧化碳一样多。这是因为随着植物的生长，碳会储存在植物组织和土壤中。
实际上，它们是“碳中和的”，并且在某些情况下已被证明是碳负的——换句话说，它们从大气中去除的碳比它们在收获、加工和燃烧/转化时释放的更多。
生物燃料原料还有其他好处，包括但不限于产生可作为动物饲料的蛋白质等副产品。这节省了原本可以通过其他方式用于制造动物饲料的能源(因此也节省了相关的二氧化碳排放)。
为此，一些国家不遗余力地提出了这个想法，巴西等国家在大约 40 年前就建立了成熟的生物乙醇产业。其他国家也开始效仿。2005年，美国根据《能源政策法》制定了首个国家可再生燃料标准。这项立法要求到 2012 年每年使用 75 亿加仑的生物燃料。
该法案还要求化石燃料生产公司将生物燃料与常规液体燃料混合，以减少它们对环境的长期影响。欧盟在其2008 年的“可再生能源指令”中提出了类似的要求，该指令要求欧盟国家到 2020 年从可再生能源中采购至少 10% 的运输燃料。
严格的要求导致了全球生物燃料行业的巨大增长。但是，关于生物燃料比化石燃料对环境更好的说法有多准确?
生物燃料真的对环境更好吗?
就像生活中的任何事情一样，重要的是要记住，没有完美的解决方案，只有妥协。对于生物燃料等产品产生的所有好处，它们有一些非常重要的缺点，甚至是环境影响，如果我们真正诚实地对待它们，就不能忽视它们。
例如，人们普遍认为生物燃料是碳中性的，甚至是负面的，这并不是它所声称的全部。关于这一主题的各种研究表明，与汽油相比，不同的生物燃料的温室气体排放量差异很大。
生物燃料原料在其生产中还有许多其他相关成本，例如收获、加工和运输，这些成本通常不会被计入计算或完全被忽略。在某些情况下，根据用于生产原料和加工燃料的方法，与化石燃料相比，可能会产生更多的温室气体排放。
关于这个话题的讨论往往最强调二氧化碳，但它只是可能对环境造成非常严重后果的众多有害排放物中的一种。一氧化二氮，简称NOx，是另一种。
NOx 不仅是形成酸雨等有害影响的重要成分，而且它还具有非常显着的所谓“全球变暖潜能”，比二氧化碳高出几个数量级——实际上大约是二氧化碳的 300 倍。不仅如此，一氧化二氮在大气中的停留时间要长得多——114 年，而二氧化碳则约为 4 年。
NOx 也恰好对臭氧层特别有害——这并不好。它并没有就此结束。
当作为汽车的实际燃料燃烧时，在生物燃料生产和最终使用的其他阶段会产生一氧化二氮。
平心而论，所有形式的农业都会在一定程度上释放一氧化二氮，因此过去几十年氮氧化物排放量的增加不应单独归咎于生物燃料生产，但由于许多政府大力推广，因此迫切需要关于生物燃料对 NOx 排放的影响的更多研究。
生物燃料和传统化石燃料之间另一个潜在的重要区别是羰基排放。羰基是由碳(C) 和氧(O)原子通过双键连接而成的二价化学单元，是羧酸、酯、酸酐、酰卤、酰胺和醌等分子的组成部分.
一些羰基化合物，如上面列出的那些，已知对人体健康可能非常有害。关于这一主题的研究发现，与纯柴油相比，生物燃料(如生物柴油)释放的羰基排放物(如甲醛、乙醛、丙烯醛、丙酮、丙醛和丁醛)要多得多。
然而，其他研究表明，生物燃料的燃烧还伴随着一些其他有害污染物的排放增加，如挥发性有机化合物 (VOC)、多环芳烃 HC 和重金属)据报道会危害人类健康。
生物燃料的另一个非常严重的问题是土地利用变化带来的直接和间接温室气体排放。例如，清理森林或草地以释放土地用于生产生物燃料对环境有非常严重的影响。
一些研究表明，这种活动每公顷可以释放数百至数千吨二氧化碳，从而为生物乙醇每年每公顷“节省”1.8吨或柳枝稷每年每公顷8.6吨。土地也从种植用于消费的食物转变为用于燃料的生物质。
直到最近，一项关于美国使用玉米乙醇燃料的研究才加强了这一点。这项研究发现，对玉米作为生物燃料原料的需求增加导致价格上涨，因此激励了玉米的转化。用于种植玉米的土地。
其他研究也显示了以这种方式使用宝贵土地的严重“机会成本”。如果政府认真对待降低大气中的二氧化碳含量，例如，如果土地是从森林转变而来的，就应该保持原状。更好的策略可能是实际重新造林已被转化为生物燃料生产的现有农田。
出于显而易见的原因，将野生处女地转化为生物燃料生产也对生物多样性和当地栖息地产生严重影响。研究还表明，玉米和大豆等生物燃料原料的生产可能会增加营养物质、杀虫剂和沉积物对水的污染，并耗尽含水层。
然而，在另一个领域，生物燃料似乎对环境更加安全——生物降解。各种研究表明，生物燃料、纯植物油、生物柴油、石油柴油混合物和纯二维柴油燃料在环境中的分解速度比传统汽油或柴油快得多。
在受控条件下，这些物质的分解速度比石油或柴油快约 5 倍，并且留下的有毒副产品也少得多。这是令人鼓舞的，并且表明如果油轮装满生物燃料，石油泄漏等事件可能不会造成环境灾难。
那么，生物燃料就是它们所吹嘘的全部吗?
简而言之，是的，但也不是。虽然一些生物燃料显然比继续挖掘和燃烧化石燃料对环境更好，但监管机构和决策者需要采取更全面的观点。并非所有的生物燃料和生物燃料生产方法都具有相同的影响。
我们已经讨论了上面的一些问题，比如专注于重新造林，但也可以做其他事情。
节能和提高效率是关键因素。近几十年来，内燃机虽然受到了很多负面报道，但仍然是我们人类设计的用于将燃料转化为有用功的最佳机器之一。
它确实彻底改变了我们的生活方式。如果更多地关注提高其效率而不是彻底禁止它们，那么随着时间的推移，排放量可能会得到显着改善。
根据一些研究，在美国，每辆汽车每加仑仅提高一英里的效率已被证明比所有生物燃料玉米生产所提供的所有“节省”都更能减少温室气体排放。其他渐进式改进也在开发中，这也可以进一步提高内燃机的效率。
一个例子，称为瞬态等离子点火，是传统火花塞的同类替代品，已被证明可将内燃机的燃烧效率显着提高多达 20%。与传统火花塞相比，这类火花塞的使用寿命也更长。
但是，这样的解决方案仍然依赖于化石燃料的挖掘和使用。双关语是为了推动世界各地许多经济体的脱碳，这些技术实际上只能为内燃机的发展提供短暂的喘息机会。
但是，这并不意味着该领域的研究和开发应该放松。对内燃机效率的任何好处也可用于提高内燃机中生物燃料的效率，尽管是间接的。
但是，在某些领域，生物燃料显然具有优势。在许多情况下，来自其他工业过程的生物废物可以转化为生物燃料，而不是被丢弃。无论是消化废弃食物以制造沼气/生物液化石油气，还是将啤酒生产中的废物转化为生物燃料。
最终，这可能是生物燃料相对于传统化石燃料替代品的主要优势。如果更多地强调利用现有工艺产生的废物来制造生物燃料，而不是将处女地或农地转化为原料作物，我们可以以更少的环境成本获得生物燃料的所有好处。
也就是说，当然，只要我们的物种继续使用基于燃烧的能源生产。这很可能会持续很多年。
毕竟，他们非常擅长他们所做的事情。
