18.6：生物燃料（生物质能）
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生物燃料（生物质能）包含生物产生的能量，例如动物粪便、植物或藻类。 它是太阳能的另一种间接形式。 生物燃料有很多用途。 它们被直接燃烧或首先转化为乙醇（通常在细菌和真菌的帮助下）以发电。 燃烧产生的热量产生蒸汽并使涡轮机为发电机提供动力。 生物柴油为汽车加油提供了石化产品的替代品。 生物燃料甚至被用来为小型飞机提供动力（图\(\PageIndex{a}\)）。 此外，燃烧木材或稻草可提供加热。
与化石燃料不同，生物燃料是碳中和的（图\(\PageIndex{b}\)）。 化石燃料储存数百万年前被生物捕获的碳。 当我们燃烧它们时，二氧化碳的释放速度比去除的速度快得多。 生物燃料最近从大气中去除了二氧化碳，它们在较短的时间内形成。 当生物燃料被燃烧时，最近去除的二氧化碳会被释放回大气中。
生物燃料的另一个优势是，它们可以在当地生产，也可以在许多不同的地方种植。 另一方面，它们占据了本可用于粮食生产的空间。 更复杂的是，使植物物种成为生物燃料的理想特征（例如抗虫和快速生长）也是帮助入侵物种茁壮成长的特征。 如果这些物种在原生范围之外生长，则必须注意控制这些物种。
将固体城市废物（见下文）或动物粪便作为生物燃料燃烧，可减少废物并同时发电。 但是，与大多数形式的可再生能源不同，生物燃料的燃烧会污染空气。 （释放的二氧化碳不是问题，因为生物燃料是碳中和的，但也会释放其他空气污染物。） 事实上，在发展中国家，用于做饭的火灾造成的室内空气污染是导致死亡的主要原因。
必须评估每种生物质的环境和社会影响，以确定其是否真正促进了可持续性并减少了环境影响。 例如，仅仅为了生产能源而砍伐大片森林不是一个可持续的选择，因为我们的能源需求如此之大，我们很快就会毁坏世界的森林，摧毁重要的栖息地。 为了使生物质成为一种可持续的选择，它通常需要来自废物，例如木材厂的锯末、造纸厂的污泥、院子里的废物或燕麦片加工厂的燕麦壳、牲畜粪便或垃圾。 否则，这些材料只会积聚或分解。 下文将更详细地讨论生物燃料使用的几个例子，包括使用类型的具体优缺点。
燃烧的木头
使用木材和木材制成的木炭来取暖和烹饪可以取代化石燃料，并可能降低二氧化碳的排放。 如果木材是从必须稀疏的森林或林地中采伐的，或者是从倒下或无论如何都需要砍伐的城市树木中采伐的，那么将其用于生物质不会影响这些生态系统。 但是，木材烟雾含有有害污染物，例如一氧化碳和颗粒物（参见空气污染）。
对于家庭取暖，使用旨在释放少量颗粒物的现代柴炉或壁炉插件时，它效率最高，污染最少。 但是，在木材和木炭是主要烹饪和取暖燃料的地方，例如在发展中国家，木材的采伐速度可能超过树木的生长速度，从而导致森林砍伐（图\(\PageIndex{c}\)）。 生物燃料使用的最大份额来自传统的生物质燃料，主要是为家庭做饭和取暖而收集的薪材，往往不考虑可持续的替代品。
生物质可用于小型发电厂。 例如，自1980年代中期以来，高露洁学院就有了燃木锅炉（图\(\PageIndex{d}\)）。 在一年内，它加工了大约20,000吨当地可持续采伐的木片，相当于117万加仑（443万升）的燃油，避免了13,757吨的排放，为该大学节省了超过180万美元的取暖成本。 该大学的蒸汽发电木材燃烧设施现在可以满足校园75％以上的供暖和生活热水需求。
城市固体废物
城市固体废物（MSW）通常被称为垃圾，可以通过直接燃烧或燃烧腐烂时产生的甲烷来发电。 废物转化为能源的过程重新引起了人们的兴趣，因为它们可以同时解决两个问题：废物处置和利用可再生资源生产能源。 许多环境影响与燃煤电厂的影响相似：空气污染、灰分产生等。由于燃料来源不如煤炭标准化，城市生活垃圾中可能存在有害物质，因此焚化炉和废物转化为能源的发电厂需要清除气体中的有害物质。 美国环境保护署对这些工厂的监管非常严格，并要求安装防污染设备。 此外，在高温下焚烧时，许多有毒化学物质可能会分解成危害较小的化合物。 来自这些工厂的灰分可能含有高浓度的原始废物中存在的各种金属。 如果灰烬足够干净，则可以 “回收” 作为城市生活垃圾填埋场或修建道路、水泥块和人工珊瑚礁（类似于珊瑚礁，但由人类建造）。
垃圾填埋气体（沼气）
垃圾填埋气体（沼气）是一种人造的 “生物” 气体，如上所述（图\(\PageIndex{e}\)）。 甲烷是由污水处理厂、垃圾填埋场、厌氧堆肥和牲畜粪便管理系统中的生物过程形成的。 这种气体被捕获并燃烧以产生热量或电力。 电力可以取代燃烧化石燃料产生的电力，从而减少二氧化碳的排放。 唯一的环境影响来自工厂本身的建设，类似于天然气发电厂的建设。
生物乙醇和生物柴油
生物乙醇和生物柴油是由植物（通常是农作物）制造的液体生物燃料。 像巴西一样，生物乙醇可以很容易地从甘蔗汁中发酵。 此外，它可以用分解的玉米淀粉发酵，这在美国主要是这样。
需要考虑种植植物作为燃料的经济和社会影响，因为用于种植生物燃料作物的土地、肥料和能源可以用来种植粮食作物。 土地换取燃料与粮食的竞争会提高粮食价格，从而对社会产生负面影响。 它还可能减少食物供应，加剧全球的营养不良和饥饿。 此外，在世界某些地区，大面积的自然植被和森林被砍伐以种植用于生物乙醇的甘蔗，种植大豆和棕榈油树来制造生物柴油。 这不是可持续的土地利用。 从植物中不用作食物的部分（例如秸秆）中提取的生物燃料可减少其对环境的影响。 生物柴油可以用用过的植物油制成，并且是在当地生产的。 与柴油（一种源自原油的石化产品）相比，生物柴油燃烧产生的硫氧化物、颗粒物、一氧化碳以及未燃烧的碳氢化合物和其他碳氢化合物更少，但它产生的氮氧化物更多（参见空气污染）。
液态生物燃料通常取代石油，用于为车辆提供动力（图\(\PageIndex{f}\)）。 尽管乙醇-汽油混合物比纯汽油燃烧得更干净，但它们的挥发性也更高，因此油箱和分配设备的 “蒸发排放” 更高。 这些排放会导致有害的地面臭氧和烟雾的形成（参见 “空气污染”）。 汽油在与乙醇混合之前需要额外的处理以减少蒸发排放。
