种植专门用作能源的作物是一项受到人们密切注意的工作。其主要驱动力之一是能源危机。在能源危机中,大多数工业化国家的农业部门才意识到自己的作用。在这些国家,如果没有对农业的支持和保护,将会导致越来多的土地被荒废。因此把部分农业用地转为生产能源和工业品可能是比较现实的。然而,要想使农业用地生产能源和工业品这项工作取得成功,不仅要符合环境保护要求,而且经济上还必须合理。现代化农业越来越依靠外部投入,特别是能源、肥料和农药等高能商品的外部投入。
作物的种植和需要使用液体燃料,农业机械本身也间接消耗了大量的能源。耗能量最大的是肥料,几乎占能源总投入的46%。 工业化国家目前的农业,是一个净耗能产业。它的能源效率在不断下降,能源的平衡成为越来越严重的问题。在可以用于生物能的农作物中最好的也许是玉米青贮料。在美国,每生产1t干的玉米青贮料需要以下能量供应(单位为GJ/ t): 劳动力 0.01 机械 0.75 燃料 1.50 肥料 1.28 种子 0.06 除草剂 0.06 电力 0.29 运输 0.13 总计 4.14 其中农机、燃料和肥料占主要部分。每吨干的玉米青贮料本身的热值约为20GJ,当然这仅仅是通过燃料直接获得的。如果通过进一步聚能加工,有可能上升为用处更大的燃料。以下简要介绍几种潜在的能源作物。 短轮伐期林木 为了满足工业对木材的需求(如加工造纸木浆和建筑用材等),世界各处早就开展了植树造林活动,而以能源为目的的植树造林则是最近几年才发展起来的(斯勘的纳维亚和远东的某些农村除外)。
能源用林和造纸用林之间实质上并无太大的差别,二者的目标都是既要产量高而又要使生长期(轮伐期)短。应当注意, 燃料木材生产不必同其他木材生产分离开。从商用林中砍伐下过密的林木可以用作燃料,而建筑上用的轻质木料也可以从能源用 林里获得。欧洲有人认为,种植能源型作物(其中包括轮伐期短的速生林木)是解决欧盟农业生产过剩问题的唯一有效办法。为了探讨这种办法的有效性,欧盟已制订并实施了LEBEN计划。 在巴西,按树已被广泛用作能源(木炭生产),能源用林的覆盖面积总计约200万hm2 。另外还有200万hm2的林地种植着用于其他目的(主要是用于加工木浆、造纸)的树种,其中包括按树、松树及其他本地的或引进的树种。按树从种植到成树砍伐一般需7年的时间。砍伐后还会自然再生,通常是在重新栽种之前反复砍伐两次或更多次。据报道,每公顷林地的年产量可达30~50t。
草本作物 高梁属作物作为一种能源作物正受到人们的极大关注。它的气候适应性强,种植方法简单,有很好的遗传可变性,而且全世界很多地方都掌握了种植高梁的经验。高梁的耐干旱性比玉米强,而且对水份的利用效率也远高于玉米、干旱时,它可以保持在 “睡眠”状态,一旦湿度增大就能很快恢复生机。它还有很强的土壤适应性,对营养的要求也较低。一些杂交品种的产量已达到10t/hm2谷物,外加100t/hm2含糖高的绿色秸杆物质。虽然美国开展蔗糖型高梁的研究已有一个多世纪的历史,但它对糖浆型高梁的研究开展的就相对晚一些,这种研究的主要目的是为了生产食用糖浆。还可以用高梁生产乙醇,淡季时再用乙醇作为制糖的原料。
甘蔗是世界很多地方都可以生长的作物,传统上都是用它作为生产糖和酒精的原料。除此之外,它还是潜在的纤维素原料。现在已培育出一些高产的“能源型甘蔗”杂交品种,其试验产量已达到253t/hm2(约含 76t/hm2)。澳大利亚利用他们新培育的优良甘蔗,通过对甘蔗中的糖份进行发酵,每吨甘蔗可生产90L 乙醇[20]。在巴西,已有12个效益最好的酒精厂,其种植的甘蔗产量已达到89t/hm2,每吨甘蔗的酒精产量为79L,这相当于每公顷土地每年的酒精产量超过7000L。 耶路撒冷菜蓟(artichoke)是一种块茎状植物,原生长在北美东部。它的生命力极强,能忍受恶劣条件,尤其是能在干旱、寒冷和土质相对贫瘠的条件下生长,是一种适合于在条件不良地区种植的优良品种。块茎内含有丰富的聚含物—菊粉,它们在酸或水解酶的作用下生成果糖,然后将果糖发酵便生成乙醇。根据法国和美国的试验结果,每吨块茎可以生产85L乙醇,若每公顷生产40t块茎,就相当于每公顷生产出 300~ 400L乙醇。
另外,除了块茎,每公顷还可以生产7~8t干叶蔓,由于它们能做燃料, 因而可为乙醇加工过程提供部分能源。 木薯作为生产乙醇的替代原料已引起世人们的注意,尤其是在巴西和澳大利亚。在巴西,为了推动乙醇生产,木薯被当作甘蔗的补充代用品,因为木薯可以在酸性和贫脊的土地里种植,而甘蔗则只能在比较适宜的环境下生长。 植物性油料作物 植物油本身(或与柴油混和)可作为内燃机燃料。现已对40种不同的植物油在内燃机上进行了短期评价试验,它们当中包括豆油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜于油、棕桐油和蓖麻子油。世界很多地方都有种植向日葵的经验,因此许多试验计划都是利用葵花子油。
植物油燃料工业可以带来许多重要的和具有吸引力的好处, 例如:
1、对于大部分国有的和私营的植物油生产厂来说,一旦需要便 可迅速增加生产,常常只需要一 个生长季节的提前准备时间。
2、种植大部分油料作物只需要种植普通作物(如玉米)那样的技 术。
3、1公顷好的油料作物所生产的燃料,足可以满足种植8- 20hm2其他作物所需要的燃料。
4、由于榨油和浦油技术较简单,因此可以直接在农场生产油料,也可以合作社规模或产业化规模 生产。
5、绝大多数油料作物都有非常强的适应性和忍寒性。
6、植物油贮存和使用都很安全。
7、榨油剩下的副产品经常可当作高蛋白动物饲料。 制取碳氢化合物的植物 已有人提议直接利用植物生产汽油和其他碳氢化合物。例如,为了从Euphorbia Lathyris中提取分子量非常接近石油的碳氢化合物和产生副产品——糖,已在加利福尼亚开展了Euphorbia Lathyris的研究。在有灌溉的条件下,每公顷土地每年可以获得2t油和5t糖。为了评价这种方法的经济可行性,在世界其他地方至少已进行了5次尝试,但不同的研究者所获得的结果却不同。
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