【独家】杂草有望成为“负碳排放”的航空燃料？

一种曾被古代欧洲人用来制油的草，能否为负碳排放的航空燃料铺平道路，同时帮助恢复因过度使用和气候变化而失去的土地？特蕾莎·普塔罗娃对此进行了调查。

亚麻荠是一种不起眼的植物。曾经在古代欧洲人中很受欢迎，被用作烹饪和油灯的油源，但在现代已不再受宠，成为一种被忽视的，甚至有时是令人讨厌的杂草。

然而，这种与芥菜相似的植物可能即将迎来它的复兴。由于其高含油量以及在最贫瘠的土壤上生长的能力，能耐旱、耐低温并仍能产生产量，研究人员正在关注它作为化石燃料航空燃料替代品的潜力。

“我们认为能源部门可以斥资恢复土壤，通过粮食、饲料和能源作物之间的可持续轮作，可以维持甚至实施粮食生产，否则在经济上是不可行的。”都灵理工学院能源、环境和能源经济学系统教授David Chiaramonti大卫·基亚拉蒙蒂说。(LinkedIn)

事实上，研究人员认为亚麻荠不仅可以帮助解决一个环境问题，甚至还能一箭双雕。在配合国际抗击气候变化的努力，减少航空碳足迹的同时，它还可以恢复因集约农业和因侵蚀和干旱导致退化的农业土壤。这样，它可以在农业用地需要休养以补充养分的时期被种植。

“我们认为能源部门可以为粮食和饲料生产提供一些帮助，”意大利都灵理工大学能源与环境系统和能源经济学教授、欧盟资助的BIO4A项目负责人David Chiaramonti告诉《航空航天》杂志。“他们可以支付恢复土壤的费用，并通过在粮食、饲料和能源作物之间进行可持续轮作，维持甚至增加粮食生产，否则这种经济上不可行。”

由生物质和食物废料制成的可持续航空燃料（SAFs）预计将在航空业实现到2050年碳中和的目标中发挥主导作用。

“直到我们拥有突破性解决方案，如电动飞机或航空领域的氢能，这可能还需要一些时间，我们唯一的选择是用可再生的SAFs替代传统的航空燃料，”Chiaramonti说。“它们可以是来自废物的多次使用的可循环碳燃料，或者是具有非生物起源的燃料。”

然而，可持续航空燃料（SAF）面临许多挑战。目前，最先进和最易获得的可持续喷气燃料制造工艺涉及将废弃食用油和动物脂肪加氢以生产加氢酯和脂肪酸（HEFA）。已经存在能够大规模生产超过1000吨HEFA的炼油厂，所产生的燃料可以与煤油混合使用，也可以单独用于现有的飞机。

然而，全球旧食用油和废弃动物脂肪的数量远远不足以满足航空燃料的需求。据估计，这一资源最多只能覆盖航空燃料需求的约2%。

“目前可持续航空燃料的最大问题是寻找可持续的脂质来源，”Chiaramonti确认道。油料作物，如用于生产生物柴油的油菜籽或葵花籽，可以提供帮助，但也有一个问题。当农民更倾向于种植能源作物而非食用植物时，食品价格会急剧上涨。

因此，BIO4A项目研究了需求不高的亚麻荠，这种植物原产于欧洲和中亚，但今天已广泛分布于北美和中国但如今已广泛分布于北美和中国，并调查了它在不再被农民使用的土地上生长的潜力。

用亚麻荠制成的HEFA喷气燃料的想法并不新鲜。2011年，美国空军在加利福尼亚的爱德华兹空军基地进行了实验飞行，使用一架F-22猛禽战斗机，动力来源是50:50比例的军用级煤油和亚麻荠生物燃料混合物。荷兰航空公司KLM自2010年代初以来也一直在尝试使用亚麻荠基喷气燃料。然而，尽管这种植物的要求低且使用方便，种植亚麻荠用于喷气燃料生产仍未在大规模上推广种植亚麻荠用于喷气燃料生产仍未大规模推广。

“亚麻荠不需要太多水和肥料，对土壤养分要求也不高，”可持续性研究人员、前蒙大拿州立大学助理教授Eleazer P Resurreccion（Linkedin）

“亚麻荠不需要太多水，不需要太多肥料“亚麻荠不需要太多水和肥料，对土壤养分要求也不高，”可持续性研究人员、前蒙大拿州立大学助理教授Eleazer P Resurreccion在接受《航空航天》杂志采访时说。“它也不需要太多阳光，但目前它是一种非常未被充分利用的作物。”

Resurreccion对亚麻荠的兴趣是由这种植物在蒙大拿州的普遍存在所激发的，“在这里它像野草一样生长，没有人去收获它。”

“这是一个完美的机会，但目前没有人对此采取行动。它就在那里，”Resurreccion说。，“没有工业管道能够鼓励农民种植和收获亚麻荠，并将其出售以生产HEFA喷气燃料。”

在2021年发表在《工业作物和产品》期刊上的一篇论文中，Resurreccion计算出，在美国种植亚麻荠替代小麦，每年可以轻松生产16.8亿加仑的先进生物燃料，而不会危及粮食生产或抬高粮价。这大约占美国年度喷气燃料需求的7%。他说他说道，“在美国，我们有足够的土地在不影响粮食价格的情况下轮作亚麻荠和其他作物。”

虽然他承认“亚麻荠只是混合的一部分，”Resurreccion解释说，“如果我们添加所有可用的生物原料，包括藻类和其他作物，如玉米和甘蔗，我们可以替代目前使用的多达50%的化石燃料。”

Resurreccion补充说，亚麻荠作为喷气燃料的来源特别有趣，因为它的油虽然可食用，但并不常被食用。因此，鼓励农民将亚麻荠卖给喷气燃料制造商不会像向葵花籽油或油菜籽油的竞争那样影响粮食价格。农民可以大部分时间种植小麦和其他粮食作物，然后在三个月内切换到亚麻荠，以让土壤休息。

在传统农业中，可以将亚麻荠作为一种可以带来经济收益的作物种植在休耕期，这在欧洲尤为重要。自20世纪70年代以来，由于廉价化肥的过度使用由于廉价的化肥过度使用，许多地方的土壤已经枯竭。Chiaramonti说，更重要的是找到方法使退化的土壤恢复生机，使其再次生产粮食。“土壤是真正需要我们采取行动的地方。”

从亚麻荠中生产HEFA喷气燃料可以在改造后的炼油厂中进行。(Pixabay)

为了展示如何通过种植亚麻荠来恢复土地，BIO4A的研究人员选择了西班牙马德里和卡斯蒂利亚-拉曼查附近以及意大利托斯卡纳的几块退化土地，并使用天然堆肥和生物炭（由热解生物质制成的一种木炭）来提高土壤质量来提高土壤的质量。

然后他们在改良后的土壤中种植亚麻荠。成熟后，亚麻荠种子被收获用于提取油亚麻荠种子被收割用于提取油，而剩余的生物质则被堆肥并热解成生物炭，再返回土壤以进一步改善其质量。Chiaramonti说，这是一个重要的步骤，因为它为不仅碳中和而且负碳排放的航空燃料铺平了道路。

“除了为土壤添加养分，生物炭还可以长期将碳固封在土壤中，”Chiaramonti说。，“这类似于自然界从大气中吸收二氧化碳并将其转化为生物质的过程。这是一种双赢的解决方案，因为土壤质量得到了改善，同时土壤也在储存碳。”

Chiaramonti补充说，亚麻荠生产的生物质废料所含的碳比用于制造喷气燃料的种子还多。通过生物炭将这些碳永久固封在土壤中，意味着所产生的喷气燃料的碳足迹可以比基于石油的煤油低多达128%。“这是一个突破性的结果，”Chiaramonti说说道。

随着时间的推移，生物炭将更多的水分和养分固定在土壤中，使其恢复到能够维持最苛刻的粮食作物的肥力水平。在BIO4A实验中，研究人员成功地轮作种植亚麻荠和大麦。Chiaramonti说：“这是我们项目的附加值。我们不仅没有与粮食生产竞争，还扭转了局面。通过生物炭和堆肥的干预，我们使原本不生产的土地重新变得富有生产力，从而能够在这块土地上同时种植粮食和饲料以及能源作物。”

研究人员设想，石油公司可以与农民合作，通过应用堆肥和生物炭恢复边际土地，并允许轮流利用土地种植亚麻荠和粮食作物。据估计，在地中海地区，有850万公顷边际土地不再适合粮食生产，而亚麻荠可以在这些土地上生长。研究人员估计，全球范围内，从退化土地上种植的亚麻荠可以生产多达1.3亿吨的可持续航空燃料（SAF）。

Chiaramonti说：“亚麻荠在边际条件下具有良好的产量和生产力。尤其在干燥条件下，它的表现比其他富含油分的作物它的表现比其他富含油分的作物要好得多，如向日葵，要好得多。”

亚麻荠作物。(a)开花植物;(b)长角果;(c)开瓶;(d)种子。(Ghidoli, Ponzoni, Araniti, Miglio Pilu等人的亚麻荠遗传改良，机遇与挑战)

根据Resurreccion的说法，用亚麻荠生产HEFA喷气燃料是一种经过测试的过程，可以在改装后的炼油厂中进行。这种SAF的成本最终将取决于生产规模。然而，即使在最优化的供应链情况下，这种清洁燃料的价格也必然高于基于化石燃料的煤油。

Resurreccion表示：“对于任何类型的生物燃料来说，很难达到化石燃料的成本水平。对于化石燃料，你只需从地下提取原油，加工它，然后就得到了基于化石的燃料。但是对于亚麻荠和其他任何作物，你都必须进行一个更复杂的精炼过程，这需要更多的能源和水，从而产生更高的成本。”

Chiaramonti同意价格差距“相当大”，并且不太可能“仅通过技术”来弥合。

“解决方案不会仅仅来自单一措施，”他确认道。“这将是通过改进和降低原材料生产和供应成本。将是过程优化，并且将是国家层面的市场措施，如激励措施或监管市场机制。价格竞争力将通过一系列措施来实现，而不是单一的灵丹妙药。”

现有的亚麻荠品种含油量约为30%，但根据Resurreccion的说法，通过基因改造和育种可以进一步提高含油量，从而提高成本效率。

然而，最大的责任在于政治家，他们需要为农民和喷气燃料生产商创造激励措施，使其将亚麻荠和土壤复兴纳入应对气候变化的战略的一部分。

“地中海地区的气候变暖速度比全球平均快20%,” Chiaramonti说。，“农业是第一个受到气候变化影响的行业。土壤要么不再吸收洪水，要么太干燥而无法生产任何东西，但我们并没有看到太多的立法来解决这一问题。”

Resurreccion表示赞同赞同道：“美国大多数州的农民并不关心亚麻荠——但如果你向他们解释，这有可能创造另一条收入来源这将有可能创造另一条收入来源，他们就会去做。然而，除非有来自政府的强制要求或某种广泛的激励措施来种植亚麻荠，否则不会有广泛的实施否则将不会有广泛的实施。”