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綠藻變原油?微藻生質燃料的新技術!

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2014/01/15 ・1192字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

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hirescrude_2大家都知道,我們目前使用的石化原油是由數千萬年前的生物或藻類死亡後沈積在海底,經過地層變化產生的高溫高壓反應後,才會得到珍貴的原油,也因為轉化條件過於嚴苛,我們將石化原油歸類為不可再生能源。然而最近科學家發展了新的技術,能將海藻變成原油的時間從數千萬年濃縮至一個小時,若能取得足夠的生物質進行轉化,將有可能取代石化原油。

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由左至右:藻泥,經轉化後的生質原油,生質原油精製之汽油
(圖片來源:PNNL)

位於美國的西北太平洋國家研究室在2013年年底宣佈他們開發了新的微藻轉化方法:熱水解液化,透過模仿石化原油的生產方式,將微藻生物質置於密閉反應器中並提供高溫高壓,僅需一個小時的時間即可產生出與原油極為類似的生質原油。生質原油經過提煉,可以用於航空油、汽油或是柴油。而這個反應除了生質原油之外,還會產生水、天然氣以及營養鹽。天然氣也可以用於產生能源,水跟營養鹽則可用於培養微藻以產生更多的微藻生物質。

生質能源趨勢之前有許多篇幅介紹過微藻生質能源,微藻指的是能行光合作用的單細胞藻類,因為生長快速、富含油脂,是近幾年來備受矚目的生質能源作物。然而之前的研究,大多數著重於如何培養高含油量的微藻並萃取製作生質柴油。其中遇到許多瓶頸,最大的困難就是如何低成本的培養含油量高的藻種以及降低萃取油脂的成本。此項新技術將可避開此兩點技術瓶頸,熱水解液化可使用較低品質的微藻,並且無須經過萃取直接將微藻轉化成原油。除了西北太平洋國家實驗室之外,美國部分藻類生質能源公司如Algenol也開始小規模微藻熱水解試驗。毫無疑問,微藻熱水解轉化是藻類生質能源目前受到高度重視的技術。

Screen Shot 2014-01-15 at 12.57.46 AM
NASA的海上微藻養殖OMEGA系統

台灣陽光充足,氣候上相當適合發展微藻養殖,實際上台灣的微藻產量在國際上排名前三。然而受限於土地價格昂貴,微藻生物質只能用於健康食品與化妝品等高價產品來回收成本。若要在台灣發展藻類生質能源,最大的可能就是利用周圍沿海,發展海上養殖技術。例如NASA正在開發的OMEGA系統,正是以海上微藻養殖為基礎,結合廢水處理、其他替代能源技術甚至是水產養殖來提高整個系統的價值。計劃主持人Jonathan Trent在TED有一場相當精彩的演講。有興趣的讀者可以觀看TED上的影片。筆者相信在未來十年裡,各種替代能源的用量會大幅增加,而微藻生質能源也將會是未來加油站裡會被看見的選項之一。

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生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
20 篇文章 ・ 3 位粉絲
三個大學同學在畢業後各自步上不同的旅程,卻對於生質能源有著相同的興趣與期待,因此希望藉由寫作整理所知所學,並與全世界分享與討論。

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魚與熊掌可以兼得!不只能發電,還二氧化碳負排放的科技——《在大滅絕來臨前》
臉譜出版_96
・2022/02/06 ・3122字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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「氣候工作」公司(那間我付錢請他們把碳排放埋到冰島的公司)是由克里斯多福.格巴德(Christoph Gebald)與簡.沃茲巴赫(Jan Wurzbacher)這兩位大學時代的朋友共同創辦的。「我們是上大學第一天認識的,」沃茲巴赫回憶道,「我想我們第一週就問了彼此:『嘿,你想要做什麼?』然後我說:『嗯,我想要創立自己的公司。』」他們後來將研究所的獎學金分為兩份;兩人都花一半時間做博士班的研究,並且用另一半時間讓公司成長。

就跟拉克納一樣,他們兩個人面對了許多質疑。有人說,他們做的事情只是在轉移焦點。如果大家認為有方法能從大氣中抽走二氧化碳,那他們就會排放更多。「大家會反對我們說:『嗯,老兄,你們不該這麼做,』」沃茲巴赫跟我說,「但我們一直很頑固。」現年 35、6 歲的沃茲巴赫身材纖瘦,頂著一頭孩子般的蓬亂黑髮。我和他在「氣候工作」公司的蘇黎世總部碰面。那棟建物裡不僅有辦公室,也有金屬加工廠,現場不僅帶著科技新創的氛圍,也有點腳踏車店的感覺。

「把二氧化碳從流動的空氣中抽出來並不是什麼尖端科技,」沃茲巴赫跟我說,「這也不是什麼新鮮事。過去五十年來,人類都會從氣流中過濾二氧化碳,只是用途不同。」

「氣候工作」公司的二氧化碳移除系統有兩道程序。※出處:MGMT. design

從空氣中抽碳所面臨的挑戰

譬如在潛水艇中,船員呼出的二氧化碳必須排出去,否則會累積出對人體而言很危險的濃度。

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但是能從空氣中抽出碳是一回事,要能大規模執行則又是另一回事。燃燒化石燃料會產生能源,從科技中捕捉二氧化碳也「需要」能源。只要能源是透過燃燒化石燃料所產生的,那就一定會增加必須捕捉的碳量。

第二個重大挑戰是處置方式。捕捉下來的二氧化碳需要送到安全的地方儲存。「玄武岩的好處是我們很好對外解釋,」沃茲巴赫說,「如果有人問:『嘿,但這真的安全嗎?』答案很單純:兩年內,它就會變成位在地下一公里處的石頭。就這麼簡單。」合適的地下儲存地點並不少見,但也不普遍;這表示,若要打造大型的碳捕捉工廠,要不是必須有個合適的地理位置,否則就得把二氧化碳運到遠處。

由暗色玄武岩組成的北愛爾蘭巨人堤道。圖/維基百科

最後是成本的問題。把二氧化碳從空氣中取出來需要經費,現在這需要花很多的錢。把一噸重的碳排放變成石頭,需要付給「氣候工作」公司 1000 美元。我將 544 公斤的配額,都用在飛往雷克雅維克的單程飛機上,於是包含回程飛機以及去瑞士的航程在內的碳排放,就只能留在空中飄蕩。沃茲巴赫跟我保證,隨著愈來愈多的捕捉裝置裝設完成,價格也會下降;在 10 年左右的時間內,可望降到每噸 100 美元。

如果碳排放以類似比例課稅的話,那麼就更容易計算:基本上,只要抽出一噸二氧化碳,就能少付一噸的碳稅。但如果碳仍舊能免費排入大氣中,那又有誰願意付這筆錢呢?即使一噸只要付 100 美元,把十億噸二氧化碳(只是世界年度排放量的一小部分)埋起來,就需要花上 1000 億美元。

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我也問沃茲巴赫,這個世界是否已準備好為直接從空氣中捕捉碳的技術付費。「也許我們太早投入了,」沃茲巴赫若有所思地說,「也許時機正好;又或許我們遲了一步——天曉得。」

生質能與碳捕集和封存 BECCS

一如有許多方式能把二氧化碳釋放進空氣中,其實也有很多(潛在的)方式能移除二氧化碳。一種名為「加速風化(enhanced weathering)」的技術可說是我在赫利舍迪電廠參觀到的工程的反向版。這個概念並非將二氧化碳注入石頭中,而是將石頭帶到地表與二氧化碳接觸。

首先,要先將人為開採並碾碎的玄武岩散布到世界上炎熱、潮溼地帶的農田裡,而二氧化碳與這些碎掉的石頭起化學反應後,就能將其從空氣中抽取出來。或者有人也提出,可以碾碎火山岩中常見的綠色礦物質:橄欖石,再撒入海洋中溶解。這麼做能使海洋吸收更多的二氧化碳,而且還有另一個好處:對抗海洋酸化。

另一類負排放科技(negative-emissions technologies,簡稱為 NETs)的靈感則源自於生物。植物生長時會吸收二氧化碳,而當它們腐朽時,二氧化碳就會回到大氣中。種植新的森林能在植物體成熟之前吸收碳;有一篇瑞士研究人員最新的研究評估,種植一兆棵樹就能在接下來數十年中,從大氣中移除 2000 億噸的碳。其他研究人員認為,這項數據將事實誇大了十倍甚至更多。儘管如此,他們也評道,新植林吸收碳的能力「還是很重要」。

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植林吸碳的能力很重要。圖/Pexels

為了解決朽木的問題,許多人提出各種技術方案。其一是將成樹砍倒並埋在溝渠裡;因為缺乏氧氣,就能防止樹木腐朽,以及隨之而來的二氧化碳排放。另一個計畫則只需要蒐集玉米梗等作物殘留物,並倒入深海;在黑暗、冰冷的深海裡,這些農餘腐爛的速度會很慢,甚至完全不腐爛。這些聽起來可能很怪的想法,也都是從自然中汲取靈感。在石炭紀(Carboniferous),有大量的植物遭到淹沒並埋於地底。這些植物後來就變成煤礦——如果這些東西可以保留在地底,理論上就能把碳永遠留在那裡。

林地復育(Reforestation)與注入地下的技術相互結合後,即為「生質能與碳捕集和封存(Bioenergy with carbon capture and storage)」——BECCS(發音為「becks」)。

IPCC 所使用的預測模型極度傾向 BECCS,因為它可以同時達到負排放與發電兩種目的。這種「魚與熊掌兼得」的辦法,以氣候數學的角度來看,幾乎所向無敵。

BECCS 的構想是種植能從空氣中吸取碳的樹木(以及部分穀物),接著便透過燃燒樹木來發電,所產生的二氧化碳再從煙囪直接捕捉下來、送入地底。(2019 年,世界首個 BECCS 的前導實驗已在英格蘭北部一座木顆粒燃料發電廠展開。)

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替代方案的土地面積要廣、數量要大

這些替代方案所面臨的挑戰就跟直接從空氣中捕捉碳一樣,問題在於規模。馬里蘭大學的教授(University of Maryland)曾寧(Ning Zeng)是首創「樹木砍伐與儲存」概念的人。根據他的計算,若要每年消去 50 億噸的碳,總共需要 1000 萬條埋樹溝渠,而且每一條都要跟奧運標準游泳池一樣大。「假設有一組一共 10 人的人馬每週可以用機械施工,挖出一條溝渠,」他寫道,「那也需要 20 萬組(200 萬名工人)人馬與機器。」

根據德國科學家一篇最新的研究,若要藉由「加速風化」移除十億噸的二氧化碳,那就得要開採、碾碎並運送約 30 億噸的玄武岩。作者群指出,需要開採、磨碎與輸送的石頭「雖然數量非常大」,但其實還比每年約 80 億噸的煤礦開採量要來得少。

若要種植十億棵樹木,大約需要造出 906.5 萬平方公里大的新林地。這片森林面積之廣,會跟包含阿拉斯加在內的美國國土差不多大。這麼大片的耕地不再用於生產農作的話,可能造成上百萬人面臨飢餓。喬治城大學的教授歐盧費米.泰伊洛(Olúfẹ́miO. Táíwò)近期表示,有一種危機是「我們每邁出一大步的同時,卻在公平正義上倒退兩步。」然而,大家也不清楚,用未開發的土地是否就會比較安全。

樹木是深色的,所以若把凍土變成森林,反而會增加地球要吸納的能量,並造成全球暖化,最後也無法達成目標。解決這個問題的方法之一,可能是用 CRISPR 技術基因改造出淺色的樹木。就我所知,目前還沒有人提出這個構想,但似乎只是遲早的事。

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——本文摘自《 在大滅絕來臨前:人類能否逆轉自然浩劫?》,2022 年 1 月,臉譜出版
臉譜出版_96
85 篇文章 ・ 255 位粉絲
臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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團藻:水田裡的夏日花火
MiTalk
・2018/06/13 ・2204字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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江殷儒
中央研究院生物多樣性研究中心 副研究員​
​台灣微生物歲時記

 

直到現在,我依然享受騎乘機車的自在隨意。

初夏時節,騎機車自南港舊庄進入遍植包種茶的淺山地帶後,轉汐碇路可到達石碇。沿途林蔭鬱鬱,山澗處處,令人暑氣全消。沿著靜安路蜿蜒而行,隨著滿山遍野的天燈殘骸漸增,即達平溪十分一帶。進入雙溪後,群山猛然往兩側退去,道路豁然開朗,筆直地進入貢寮。繼續向東行進,嗅聞到海風氣味後,即可到達農田連綿廣衍的田寮洋。

位於新北市東北一隅的生態樂園-貢寮田寮洋。此處的水田在初夏可以找到團藻。記得隨身帶上封口袋與放大鏡。圖/江殷儒提供。

田寮洋面積約200公頃,是雙溪河下游的洪氾平原。雙溪河在此處形成大曲流,可供洪水宣洩。因此,田寮洋具有調節雙溪河水位的功能。

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田寮洋以稻田、筊白筍田為構成主體。經由水田耕作的持續干擾,田寮洋得以遠離陸化的命運,長期維持濕地的型態。周遭環繞低矮的丘陵,加上如馬賽克鑲嵌般的水塘與草澤,讓棲地多樣化的田寮洋成為台北盆地重要的生物庇護所,成為許多留鳥的寶貴棲所,亦是候鳥南北遷徙的補給站。跟著水鳥遷徙傳佈的,除了令人聞之色變的禽流感,還有各式各樣的微藻類,肉眼可見、姿態嬌媚的團藻。

漂浮著的滿江紅的水田或小埤塘,常常可以發現團藻的蹤跡。圖/江殷儒提供。

如果藻類也可以成為神奇寶貝的話,團藻絕對是最值得收服的對象之一。

團藻性喜棲息於富含有機質的靜水域,如淺塘與雨後的暫時性水窪。初夏的田寮洋,在棲息著少量滿江紅的水田裡,很容易發現團藻的蹤跡,甚至會形成極度優勢的藻類純群。團藻與滿江紅要求相似的水質條件;然而,佈滿滿江紅的水田,由於光照缺乏,又會抑制團藻的生長。另一方面,團藻對農藥敏感。因此,棲息著團藻的水田,通常是禁絕或低度用藥的友善耕作水田。

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日本東京大學生物科學系野崎久義教授的研究團隊在2016年6月於貢寮田寮洋使用浮游網採集團藻。圖/江殷儒提供。

團藻的藻體是直徑1~5毫米的中空球形群體,是少數肉眼可見的微藻。在野外可以利用透明封口袋採集水田的水樣,於陽光下利用放大鏡貼近封口袋,即可觀察到一顆顆的團藻。也因為極易觀察,顯微鏡之父─荷蘭微生物學家雷文霍克在十八世紀初期即描述過團藻。

分類上團藻屬於綠藻門,這類的藻類由於富含葉綠素 a 和 b,外觀呈現亮綠色。作為最原始的多細胞生物之一,團藻由數百至數萬個單細胞在球體表面排列組成,鑲嵌於由醣蛋白組成的膠質結構。同時,單細胞具有朝外的兩條游動鞭毛及感光用的眼點。

以光學顯微鏡觀察採集自田寮洋的團藻(Volvox carteri f. nagariensis)之無性球體。G: 無性生殖細胞 (gonidia)。圖片擷取自日本東京大學生物科學系野崎久義教授與中研院生物多樣性研究中心副研究員江殷儒博士合作,甫被接受的論文(1) (江殷儒提供)。

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團藻(Volvox spp.)的拉丁字義為「滾動」,顧名思義,放大鏡下的團藻會以優雅的姿態,緩緩地向光照處滾動(影片如下)。這需要令人驚異的協調性。因此,看各自獨立的單細胞,彼此需透過相連的原生質聯絡絲進行緊密的溝通協調。

https://www.youtube.com/watch?time_continue=11&v=nzO-ZSsqc9U

在演化研究上,團藻是相當重要的研究材料。因為團藻可能是單細胞真核生物過渡到多細胞生物的早期生命形式,也是有性生殖發生的起源。日本東京大學生物科學系的野崎久義教授在團藻演化上就有傑出的研究貢獻。

但如果你嘗試連續地培養團藻,難度其實很高,就像企圖強留夏日花火;最後你會在秋天前的某一日發現團藻的藻體萎縮崩潰。

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團藻的生活史。本圖修改自 Nishii 與 Miller 論文之圖二(2)。

藻類往往具有非常複雜的生活史,團藻就是如此。我們肉眼見到的球形群體,其實只是其生活史的一個片段。

在合適的水質條件下,團藻傾向進行無性生殖。群體內少數體型較大的生殖細胞會持續分裂,進而發展成子群體,隨後掉入空腔內。當母群體老化破裂後,子群體們即會釋出到環境中。溫度的劇烈變動及乾燥等理化條件,會促成團藻細胞產生費洛蒙,誘導團藻進入有性生殖,結果便是產生厚壁的休眠孢子,隨後沉入田土中,等待另一個夏天。

這樣的生活史,與水稻田的季節作息相呼應,彷彿團藻是上帝擔憂水稻太過孤單而創造的玩伴。當你漫步於夏日的田寮洋,除了利用望遠鏡觀察遠處的水鳥,不妨彎下腰,拿起放大鏡,仔細觀察田水中的寂靜角落,或許你也能發現那美麗炫目的團藻。

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參考文獻

  1. Nozaki H, Ueki N, Takusagawa M, Yamashita S, Misumi O, Matsuzaki R, Kawachi M, Chiang YR, Wu JT. Morphology, taxonomy and mating-type loci in natural populations of Volvox carteri in Taiwan. Bot Stud. 2018 Apr 3;59(1):10.
  2. Nishii I, Miller SM. Volvox: simple steps to developmental complexity? Curr Opin Plant Biol. 2010 Dec;13(6):646-53.

本文轉載自MiTalkzine,原文《初夏田寮洋的團藻

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高粱可能擊敗玉米成為新一代能源作物新星
陳妤寧
・2014/11/21 ・1871字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

文 / 陳妤寧

大家都知道玉米可以用來提煉乙醇燃料,不過現在加州的一家新創公司 NexSteppe 正在開發以高粱作為原料來開發生質能的另一片天,甚至可能比玉米來得更加有效率和環保。

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身負眾望-充滿能量的高粱種子

想到高粱可不能只想到金門。高粱源於非洲,非常耐熱和耐旱,不但可被再製為麵粉、糖漿和啤酒,被使用於在無麩質的產品,也被用來餵養駱駝。被稱之為北非小米的「蒸粗麥粉」或是在非洲被廣泛食用的粥,都是高粱屬作物的化身。已經在歷史上餵養人類和其他動物們超過千年。

全世界上的科學家都在研究能夠肩負起製造能源使命的植物們-樹木、灌木和草皆然。環境學家們表示,若要降低交通運輸部門所排放的碳污染,就必須提昇生質能源的地位和比重,汽車、卡車、公車、飛機在接下來幾十年都需要汽油和柴油以外的新液態燃料。做為世界最大私營石油公司之一的英國石油(BP),一共投注了 5 億美元給美國政府和大學研究機構來研究生質能和燃料作物。而從 2006 年開始,美國相關的能源和農業部門同樣也開始資助以生物能源和植物燃料為導向的的基因學基礎研究。

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去年(2013年),NexSteppe 引進了兩個品種的高粱種子-帕羅奧圖(Palo Alto)和馬里布(Malibu),這兩種品種特別被用來作為能源作物栽培。他們可以在不肥沃的土地上成長、適應多元的氣候、而且還可以在四個月內長到 20 英呎(約 6 公尺)這麼高。「馬里布(Malibu)」容易發酵糖分,有利於製作燃料;另一個品種帕羅奧圖(Palo Alto)則志在為纖維速燃料和生質能鍋爐提供低水份的原料,藉此製造熱能和電能。

時勢造英雄-市場上對乙醇燃料的龐大需求

NexSteppe 認為乙醇燃料的重要性會持續攀升,但原料的供應量和質都遠遠不足。「我們發覺市場上的需求沒有被滿足,目前除了棉花和煙草之外,經濟作物的發展遠不如糧食作物,但其實能源燃料的需求還在持續增長!」NexSteppe 的創辦人兼 CEO 安娜拉特(Anna Rath)表示。安娜拉特今年 38 歲,過去在麥肯錫顧問公司上班,擁有生物學和遺傳學的學位,也是耶魯大學法學院的博士。她在 2010 年以一百萬美元和朋友展開了 NexSteppe 的新創事業,並從眾多創投以及杜邦化工公司爭取到了四千萬美元的資金。杜邦化工公司是投資能源燃料中的領頭羊,目前在愛荷華州正在興建一座纖維素乙醇(Cellulosic ethanol)工廠。

「巴西是我們第一個、也是最大和最重要的市場。」安娜拉特表示,巴西有幾十家的乙醇工廠和生質能鍋爐,由於運輸部門和電力需求都在增長,當地的甘蔗可說是供不應求。除了巴西之外,拉特也認為中國和美國的市場充滿機會,因為今年預計將會有半打的纖維素乙醇工廠投入商業運轉。

安娜拉特表示。雖然 NexSteppe 在主要市場巴西以外的地方幾乎沒做宣傳,它的原料卻正由世界上 15 個不同國家的農夫們所耕種,包括加拿大、美國、德國、中國、印度、和其他南亞國家。現在 NexSteppe 的辦公室位於舊金山,聘有 35 位員工,其中逾半為科學家。

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閃開,讓專業的來-高粱眼中的失職玉米

NexSteppe 認為乙醇燃料的重要性會持續攀升,然而現正佔據乙醇燃料霸主位置的玉米原料卻表現不佳。目前世界上燃料作物的主要來源只有兩種:美國的玉米和巴西的甘蔗,但這兩種燃料作物的使用效能都還未臻理想。

「對於現在用於提煉乙醇的玉米栽種方式我們有許多擔憂,整個過程中充滿過多的化肥、農藥和各種高濃度的化學成分。」美國自然資源保護委員會(Natural Resources Defense Council,NRDC)的資深政策研究員布萊恩邵(Brian Siu)表示,理想的生質能源應該從有機廢棄物或作物中提煉出來,而不是需要另外東加西加一堆化學品或是過多的水源。

由於成本比化石燃料來得更高,以玉米提煉的乙醇燃料需要政府補貼的事實也遭受許多爭議。相較於現在的主流能源作物玉米和甘蔗,NexSteppe 相信高粱屬的作物能夠更加優化生質能源的生產過程。NexSteppe 本身也採用傳統的育種方法,而不使用基因改造。安娜拉特表示高粱的碳排放量遠低於玉米或甘蔗,每畝能夠提供的生質能原料卻更多。

不只拿來吃更要拿來燒-能源作物和生質燃料的多元想像

「我們不認為直接把糧食作物拿來當做燃料會是個好主意。」能源作物科學研究所(Energy Biosciences Institute,EBI)的資深研究員希瑟楊斯如此表示。EBI 是由英國石油(BP)在柏克萊加州大學贊助的研究計畫,從事不同種能源作物的永續發展潛力研究。

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當然,NexSteppe 也不是唯一投身於能源燃料作物的公司。一家之前 Rath 工作過小型的上市公司「Ceres」,除了高粱之外,也經營芒草和草梗粗壯的柳枝稷(switchgrass)等提煉燃料乙醇的項目。

隨著時間的推移,生質能原料的多元可能性一一浮現,生質能永續性的關鍵十分取決於原料本身、以及人類決定「在哪裡(where)」、「用什麼方式(how)」來種植這些原料。

資料來源:New energy-rich sorghum offers ethanol without the corn (theguardian, , 2014/8/12)

陳妤寧
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熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。