你是否看好生物燃料前景？

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日前，一些专家及政府组织质疑生物燃料前景，指出：生物柴油等传统生物燃料会增加温室气体排放，而且造价昂贵，不适合作为替代燃料，但目前尚无力解决生物燃料上存在的争议。

生物燃料，泛指由生物质组成或萃取固体、液体或气体。所谓的生物质系指有机活体或者有机活体新陈代谢的产物，例如牛粪。不同于石油、煤炭、核能等传统燃料，这新兴的燃料是可再生燃料。
生物燃料其中一种定义是“至少80％的体积，由十年内生产的有机活体物质所提炼出的燃料。”如同煤炭与石油，生物燃料也是储存太阳能的燃料。太阳的能量经过植物光合作用的转化，以化学能的形式存于植物中。生物燃料其中一个优于大部分燃料的好处便是它可被生物分解，倘若不小心泼洒到自然环境，相较于其他燃料也较不容易造成环境污染。目前生物燃料最重要的意义是期望能减少二氧化碳排放。

诺奖得主哈特穆特-米歇尔：生物燃料没前途

马克斯-普朗克生物物理研究所的哈特穆特-米歇尔在《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上发表了名为'The end of biofuels?的社论，仅标题就表明了他的态度：生物燃料是扯淡。他对所有生物燃料领域的研究者和支持者集体发难，而不仅针对成为现今研究大热门的玉米乙醇这一隅。米歇尔揭示了地球上最重要的蛋白质之一—光合成反应中心的结构，并因此获得了诺贝尔化学奖。在评论中，米歇尔先解释了生物燃料合成过程的能量效率。光合作用一直被人类膜拜，然而它并不如我们想象般高效。某种意义上讲，它的出现兼有进化的“合适开始”和历史的偶然性。一方面，植物因无法利用紫外、红外、绿色光而浪费了光谱中很大一部分能量。而电子转移及光捕获蛋白机制则很完美，并且在接下来的光反应和暗反应都有参与。光反应主要获取光能并产生辅酶NADPH和合成酶ATP，然后暗反应利用这部分能源和降低的电势与二氧化碳作用合成碳水化合物。但讲到能量利用固有低效问题，仅阳光光能的12%能被储存在NADPH中。详细报道

欧盟委员会：质疑传统生物燃料可持续性

欧盟委员会一份名为《欧盟交通温室气体排放：到2050年路线》的新报告草案指出：生物柴油等传统生物燃料会增加温室气体排放，而且造价昂贵，不适合作为替代燃料。该研究估计，不考虑间接影响，生物燃料的减排成本将达每吨二氧化碳100~300欧元。而当前二氧化碳的市场价格仅为6.14 欧元/吨，这意味着使用生物燃料减排的代价相当于购买排放权的49 倍。不仅如此，生物燃料还会带来毁灭森林、草地等间接影响，实际上增加了碳排放。详细报道

欧盟能源与气候行动部门：无力解决生物燃料上存在的争议

目前，欧盟能源与气候行动部门意见相持不下，气候行动部门认为必须将间接土地利用变化影响纳入评估范围，以便于确定生物燃料使用对环境影响的利弊程度，而能源部门则认为，在尚缺乏足够科学数据的情况下，将继续推动使用生物燃料。尽管欧委会巴罗佐主席试图推动两个部门达成妥协，但经过冗长的辩论之后，双方并未就此达成一致。环保组织称，让人高兴的是生物燃料间接影响需要认真对待似已成为欧盟委员们的共识，但让人失望的是进程如此缓慢，相关法律法规尚不得不等待数年。而一些生物燃料公司则称，有关间接土地使用变化增加气体排放的证据是不一致的。欧洲生物柴油委员会也表示，基于错误数据的立法建议会损害欧盟的能力，难以实现其2020年排放量减少20％的目标。详细报道

美国农业委员会：保留生物燃料项目融资

美国参议院农业委员会保留几个生物燃料项目资金，这项资金将用于农业部补助金和纤维素炼油厂贷款担保。该委员会召开会议综合审议农场法案，该法案最初是不支持这几个生物燃料项目。但经修订后公布的法案，恢复对这些生物燃料项目融资8亿美元。该修正法案将有助于逐渐削减美国石油进口，并创造就业机会。生物燃料提供美国燃料供应的10%。“这就发展下一代生物燃料如此重要的原因所在。”详细报道

生物燃料未来发展

未来可能利用藻类(例如海藻) 来生产生质柴油，以增加生质能源效率，和减轻生质能源可能对农产品价格的影响。 不过，技术上还需一些突破，而且于生产的藻类很可能是基因改造品种，因此预防这些藻类混入生态系统也是个课题。（生物谷Bioon.com）

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生质乙醇燃料不符永续发展原则                  刘广定

从热力学和光合作用的基本原理来分析，可知自植物取得醣类，
制成生质乙醇用为燃料，不但不符永续发展原则，也不切实际。

　　维持永续世界的六大问题之中，以「能源匮乏」和「资源枯竭」两项与化学的关系最为密切。「永续化学十二原则」（注一）的第七原则谓：若技术已成熟并符合经济效益，应使用可再生（注二）的原料。而「永续工程十二原则」的末项也强调「使用可再生性能源与物料」。因此近年来，开发利用可再生性能源成为追求永续发展之一主要课题。然而，此举是否符合经济效益，是否违背其它永续发展原则，却常遭忽视。尤其在台湾，多数人并不了解「永续发展」的真义（注三），也不明了因相关的化学或物理现象可能导致负面效应。不少人盲从外国，或听信诱惑而随声附和，大力鼓吹推展某些并不适合台湾的「再生性能源」。生质乙醇（或称「生质酒精」）即为其一。

    《科学月刊》38卷4期282-286页曾载笔者「追求永续──从认识生质能源开始」一文，简述各种生质燃料的优缺点，也说明「生质乙醇，除可减少化石能源的消耗，并无其它优点」。今再简介「生质乙醇」的一般性缺点，并从基本科学原理指出其不切实际，且证明基础科学教育中忽略某些基本原理如「热力学」之不当。

生质乙醇的一般性缺点

　　目前的生质燃料是以甘蔗、玉米、油菜等食用植物所含脂类化合物（lipids）或醣类化合物（carbohydrates，或译成碳水化合物）为原料制取而得。理想的情况是：这些植物在生长过程中，藉光合作用吸收空气中的二氧化碳产生醣类化合物，以及再形成的脂类化合物，然后再将之制成「生质燃料」；燃烧这类燃料又释出二氧化碳，但不会增加空气中二氧化碳的净值。因此有「减碳」之作用。然却也产生氧化二氮（N2O）（注四）这种温室效应气体。

　　氧化二氮又称「笑气」，是自然界「氮循环」的必然产物，有麻醉和干扰中枢神经的作用。更严重的是它的温室效应气体强度为二氧化碳的296倍！现代农业大量使用含氮的化学肥料，产生之氧化二氮已约造成温室效应的6％。若再增加农耕频率或面积，则使空气中氧化二氮的含量日益升高，实不利于「抗暖化」。

　　再者，栽种可在短期内收割的植物，需要大量的水，将使水资源更为短缺。由农作物制造生质燃料也需要肥料，生产肥料，收割，运输与制成生质燃料，其过程皆为高耗能。不断耕作也于土壤有害。在在不符永续发展原则。况且若推广以食用作物为原料制成的生质燃料实际必然影响粮食价格，增加低收入或贫困民众负担，也影响牲口饲料的供应而对畜牧农业不利。据报导，中国大陆政府已规定不得以食用植物制造生质燃料（注五）。然而，以非食用植物制造生质燃料合适吗？以下将从热力学和光合作用的基本原理分析、说明之。

热力学原理

　十八世纪末的欧洲工业革命发明了蒸汽机，促使文明社会现代化，使科学长足进步，也产生热力学（thermodynamics）这门新学问。热力学最初只是探讨热量与机械能（或称「力学能」）之相互转变的问题，后来扩充到物质的物理变化及化学变化中的能量改变。

　「温度」是物质的一种基本物理量，代表含某封闭系统内所含物质的热能强度（intensity），与该系统的质量多少或所占空间大小无关。若A、B两系统达成热平衡，表示两者温度相同，这是热力学的重要观念，但因在下述第一与第二定律已建立后，其重要性始为科学家所体认，故称为「热力学第零定律（zeroth law）」。

　热力学其它三个基本定律的内涵为：

第一定律阐释「能量守恒」的观念。不只力学能及电能，「热能」也具有「守恒」的特性。由于热能变化也会因作功（如受压力和体积的影响）而改变，故总热能以「焓(enthalpy)」表示，其变化为ΔH。无论物理变化或化学变化经由何种途径，只要始状态（initial state）和终状态（final state）固定，则总热能变化ΔH相同。

第二定律涉及物理变化或化学变化是否属于自然发生的（spontaneous）的问题，以一定温度下的热变量Δq/T 为「熵(entropy)」之变化ΔS表示。ΔS ＞ 0  为自然发生的变化，系统之不规则性或「乱度（randomness）」增大。由此亦可说明「自然变化」能量变化与移转时必有流失。

第三定律叙述熵随温度降低而减少，乱度也减小，绝对温标零度（绝对零度）时熵为零。
  根据热力学原理可以估计光合作用过程与燃料燃烧时的能量变化，详见下文。

光合作用

　天然物中，植物和一些细菌可以吸收光能将水和二氧化碳制成醣类。醣类发酵生成乙醇，乙醇再燃烧生成二氧化碳和水，如下式：

光合作用  3n CO2  + 3n H2O + hν → (CH2O)3n + 3n O2
发酵作用  (CH2O)3n  →   n C2H5OH  + n CO2
燃烧反应  n C2H5OH  + 3n O2   → 2n CO2  + 3n H2O  + W
_______________________________________________________
净反应        hν（光能）  →   W（作功）

其净反应乃将「太阳能」转成「功」。但依热力学原理，转换过程中必有流失。

第一阶段的光合作用（photosynthesis）又可分为两个主要部分。一是光反应，又分为PSI和PSII二步骤。PSII是吸收光能（hν）将水分解产生氧（O2）及氢离子(H＋)（1），并使ADP（腺核苷二磷酸）与磷酸根(Pi)转变成含高能量的ATP（腺核苷三磷酸）（2）；PSI则是吸收光能将NADP+（氧化态烟碱酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯）还原产生NADPH（还原态烟碱酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯）（3）：

  2 H2O  +  (4 hν)  →  O2  +  4 e-  +  4 H+                             (1)
3 ADP3-  +  3 H+  +  3 Pi2- →  3 ATP4-  +  3 H2O             (2)
2 NADP+  +  4 e-  +  2 H+  +  (4 hν)  →  2 NADPH           (3)

在这理想情况下，每8个光子的光能（8 hν）可以产生1分子氧（O2），2分子   NADPH和3分子ATP。如下式及图

2 NADP+＋ 3ADP3- ＋ 3 Pi2- ＋ H+ → O2 ＋ 2 NADPH ＋ 3 ATP4- ＋ H2O

「光反应」部份主要乃藉叶绿素吸收430-470 nm蓝色光与630-700 nm红橙色光所促成，这也使草木的叶部呈现其互补色－绿色－的原因。

(叶绿素 a和叶绿素b的可见光谱)
另一部分乃经由ATP及NADPH的作用将二氧化碳与NADPH制成醣类，并不需要光能，称为暗反应（dark reaction）。形成六碳糖（如葡萄糖）的反应式为:

需要12个NADPH和18个ATP，亦即需要48个光子的光能（48 hν）才能制成1个葡萄糖分子。制成醣类还可能经由别种过程，需要更多光子，本文从略。

叶绿素制造醣类需要多少太阳能?

  日光中可用于光合作用的只有波长400~700 nm范围之可见光，称为光合有效幅射(photosynthetically active raduation)。以平均550 nm估计，每1光子的能量为3.6 × 10^-19 J(焦耳) （注六），则每莫耳光子的能量为此值乘以亚佛加厥常数(6.02 × 10^23)，即2.17 × 10^5J。最保守的估算，光合作用产生1莫耳葡萄糖至少需要48莫耳光子，或48 × (2.17 × 10^5J) = 1.04 × 10^7J能量。

现再约略估算需要多少太阳能方能得到1莫耳葡萄糖？已知正午时刻，晴朗天空可供地表接受的太阳能强度平均约为1000 W/m2（瓦/平方公尺）。但以整年而言，在利于农作物种植的亚热带(南北纬20°~35°，或20°~40°)地区，平均地表接受的太阳能约240 W/m2，而光合有效幅射能量只约占太阳能中的43％（注七）。由于农地中只约80％用为实际耕种。因此，太阳能之中只有（240 × 0.43）× 0.80 = 82.6 W/m2可以利用于光合作用。

叶绿素吸收光能成为激态叶绿素，但不能全数用于光合作用。一般言，一部分转变成热能而耗失（热力学第二定律）；一部分造成荧光现象；还有一部分传给临近其它分子；剩余的才利用于光合作用。换言之，光合作用的效率不高，只约10％（注八），也就是说大约最多只有8.26 W/m2可有效利用于光合作用。

然而，植物体中的光合作用产物大部分皆消耗于成长及代谢等作用，只有约三分之一以醣类保留在体内而可利用于产生乙醇。扣除夜晚与播种收割等，植物能利用太阳能生长并制造醣类的时间，每年也约仅一半。亦即8.26W/m2太阳能中只有约六分之一，1.38 W/m2可以利用于将来制成生质乙醇的醣类。以1 瓦(W) = 1 焦耳/秒(J/s)和 1年 = 3.15 × 10^7秒换算，此值约相当每年 4.4 × 10^7 J/m2能量。

一辆汽车每年需要多少土地以制造生质乙醇？

  倘若平均每辆汽车每年使用1000公升汽油，又假设汽油都是异辛烷（C8H18）。

异辛烷分子量114，密度0.688 g/mL，燃烧热 -5461 kJ/mole。1000公升异辛烷质量688 kg，相当6.04 × 10^3莫耳，完全燃烧产生(6.04 × 10^3) × 5461 kJ = 3.3 × 10^7kJ  的能量。乙醇燃烧热为1366.8 kJ/mole，约是异辛烷的 1/4。假设温度一定，依热力学第一定律，需2.42 × 10^4莫耳乙醇才能产生相当1000公升汽油燃烧所得能量。

     C8H18  +  12.5 O2  → 9 H2O  +  8 CO2   △Hc = 5461 kJ/mole
C2H5OH  +  3 O2  → 3 H2O  +  2 CO2   △Hc = 1366.8 kJ/mole

每1莫耳葡萄糖发酵产生2 莫耳乙醇与2 莫耳二氧化碳。

    C6H12O6 (s) → 2 C2H5OH  +  2 CO2

2.42 × 10^4莫耳乙醇须自1.21 × 10^4 莫耳葡萄糖制得，不论是多醣（如淀粉），或双醣（如蔗糖）水解所得的葡萄糖均是一样。

  据上述简单的光合作用与热力学原理，粗略估算可知：产生1莫耳葡萄糖至少需要1.04 × 10^7J能量。每辆车每年若消耗1000公升汽油，相当于乙醇2.42 × 10^4莫耳（约1400公升），至少须自1.21 × 10^4 莫耳葡萄糖制成，即自日光取得需要1.25 × 10^11J能量。故需要（1.25 × 10^11J）/（4.4 × 10^7 J/m2）= 2840 m2面积耕地，亦即约53公尺见方（53 × 53 m）的土地.！每公顷（10000 m2）耕地的收成，悉数制成乙醇，最多只够三辆半汽车使用。即使是含10％乙醇的10E汽油，也只能供应35辆车用！目前台湾的23万公顷农地，可以拨出多少来种植生产生质乙醇的农作物？巴西人口密度(2008年)22/km2，或尚可推广生质乙醇。台湾人口密度达 668/km2，适合推广吗?

结语

  由本文所述，可知在台湾并不适合发展「生质乙醇」或其它「生质燃料」。一般人之错误观念乃源于对一些基本科学，如热力学的简单原理不甚了解。而且这也是认识永续发展之必需。当前的高中基础科学教育忽略热力学，不独水平落后英美等国，推展全球重视之永续发展教育，亦难矣！



注一，参阅《科学月刊》33卷1期38-42页（2002）。
注二，笔者曾译renewable为「续生性」，盖原指乃自然界继续发生，或可快速培育产生之意。一般误译为「再生性」，与工业界所使用将废旧之物重新再制的regenerated一辞混淆。为从俗但与「再生」有别，改用「可再生」。
注三，参阅《科学月刊》40卷5期388-391页（2009）。
注四，或译作氧化亚氮，实误。盖其化学结构为O=N=N，两个氮不同，不可泛称「亚氮」。
注五，参阅2009年五月号《化学世界》（Chemistry World）
注六，hν = hc/λ = (6.625 × 10-34 Js) (3 × 109 m/s)/ (550 × 10-9m) ≒ 3.6 × 10-19J
注七，参考：Pietro, Journal of Chemical Education, Vol. 86, pp. 579-581 (2009).
注八，参考：Tunoco, Sauer, Wang, Puglisi, Physical Chemistry, 4th ed., p. 378 (2002).
（本文「光合作用」部分参考Garrett与Grisham合着Biochemistry第3版21章(2005）及Berg、Tymockzo与Stryer合着Biochemistry第6版19章(2007)，并承李文山博士指正，谨致谢忱。)
【《科学月刊》2009年7月，页548-551】