海藻与藻类生物燃料的潜力：SAF航空燃料应用与量产成本的壁垒

什么是藻类生物燃料？海藻与微藻的区别

藻类生物燃料是指以藻类通过光合作用制造的油脂和糖类为原料的可再生燃料。虽然统称为"藻"，但在燃料领域它们大体分为两个类别：像裙带菜和海带那样肉眼可见的海藻（大型藻类），以及不用显微镜就看不见的单细胞微藻（微细藻类）。

藻类在地球历史中是特别的存在。约30亿年前开始光合作用的蓝细菌（蓝藻），是让原始地球充满氧气的功臣；据说至今地球上约一半的光合作用仍由海洋浮游植物承担。换句话说，论把太阳能转化为化学能的能力，藻类是地球上最有"业绩"的生物。将这种能力用于解决人类的能源问题，正是藻类生物燃料的构想。

微藻是制造"油"的微型工厂

微藻是漂浮在水中的浮游植物的同类，有些种类会在体内积蓄大量油脂（脂质和碳氢化合物）。葡萄藻、微拟球藻、裸藻（眼虫藻）等是其中的代表。细胞本身就像一个装油的胶囊，收获后压榨即可获得类似原油的液体，精炼后可制成柴油或航空燃料。由于不长根、茎、叶，它们能把光合作用产物的大部分用于产油，这是其强项。

海藻的"糖"经发酵变成乙醇

另一方面，海藻几乎不含油，但富含褐藻酸和甘露醇等糖类。用酶将其分解，再用酵母和微生物发酵，就能得到生物乙醇——一种可以掺入汽油使用的燃料。日本是世界屈指可数的海藻利用大国，拥有深厚的养殖技术积累，因此海藻乙醇作为"海洋之国日本"特色的燃料候选，研究一直在持续。

藻类为什么能变成燃料？产油藻类的明星选手

听到"从藻类提取石油"或许会觉得不可思议，但实际上，地球上的一部分原油被认为正是太古海洋中繁盛的浮游生物遗骸在地下变化而成的。也就是说，藻类是把大自然耗时数亿年的"造油工程"以活体形式实时完成的生物。下面介绍燃料研究中的主角藻类。

葡萄藻：分泌与石油极为相似的碳氢化合物

淡水绿藻葡萄藻（Botryococcus）是一种罕见的藻类，会在细胞外分泌一种名为"葡萄藻烯"的碳氢化合物。这种物质的结构与鲨鱼肝油中的稀有成分角鲨烯相似，被认为与现有的石油精炼工艺相性良好。在日本，IHI公司利用快速增殖的品系（高速增殖型葡萄藻）持续开发大量培养与燃料制造技术。

裸藻（眼虫藻）：会游动的藻类制造油脂

理科教科书里常见的眼虫藻，是一种边进行光合作用边自主游动的单细胞生物，学名为"Euglena（裸藻）"。它在细胞内积蓄的蜡状油脂具有适合转化为航空燃料的特性。日本生物科技企业株式会社Euglena（悠绿那）在开展食品业务的同时推进燃料化，在横滨市建设了燃料制造示范工厂，并以生物燃料品牌"SUSTEO"向汽车、船舶和飞机供应，积累了实绩。

微拟球藻等海水系实力派

生长于海水的微拟球藻（Nannochloropsis）油脂（脂质）含量高，作为鱼类养殖饲料也有长期应用实绩。能用海水培养，意味着无需消耗宝贵的淡水。在干旱地带的沿海也有建设培养工厂的可能，世界各地正在推进其在燃料、饲料、食品方面的应用研究。

• 葡萄藻：分泌接近石油的碳氢化合物；IHI研究其大量培养
• 裸藻（眼虫藻）：油脂适合制航空燃料；日本国产SAF的先驱
• 微拟球藻：海水生长、富含脂质；在饲料和食品领域同样活跃
• 小球藻、螺旋藻：以食品闻名，其培养技术是燃料研究的基础

研究的历史：石油危机以来半个世纪的挑战

藻类燃料研究有着悠久的历史。以1970年代的石油危机为契机，美国能源部实施了大规模藻类研究计划（水生物种计划，Aquatic Species Program）；日本也从1990年代起将藻类研究作为CO2固定技术列为国家项目。2000年代后半的油价飙升期，世界各地创业公司层出不穷；在日本，作为NEDO的示范项目，鹿儿岛县七之岛建成了大规模葡萄藻培养系统，实用化的挑战全面展开。虽然经历了热潮与停滞的反复，培养技术与育种的进步却在稳步积累。

重要的是，这些藻类在光合作用过程中吸收CO2。燃烧虽会排出CO2，但那只是生长过程中从大气吸收的部分。理论上可以构建不增加大气CO2的"碳中和"能源循环。与海洋生态系统封存碳的蓝碳一样，藻类也是"海洋与碳"故事的主角。

无需农田、不与粮食竞争：藻类燃料的三大优势

生物燃料本身并不是新技术。巴西大量使用甘蔗乙醇，美国大量使用玉米乙醇。但"把食物变成燃料"始终伴随着粮价上涨和毁林等副作用。藻类之所以被称为"下一代"，是因为它能从根本上避开这个问题。

优势1：不占用农田

微藻在培养池和培养槽中生长，不需要农作物那样肥沃的农田。荒地、工厂旧址、干旱地带都可以建设培养工厂。海藻更是在海里生长，几乎不占用陆地。在世界人口持续增长、农田争夺日趋激烈的背景下，"不争夺土地的燃料"是决定性的优势。

优势2：几乎不与粮食和淡水竞争

用于燃料的藻类大多不作食用，转用于燃料也不会挤压粮食供应。而且只要选择在海水或半咸水中生长的种类，就不会大量消耗农业赖以生存的宝贵淡水。玉米乙醇一直被追问的伦理困境——"那片田和那些水难道不该用来种粮食吗？"——藻类在很大程度上是自由的。

优势3：单位面积生产力遥遥领先

微藻增殖速度快，条件好时有的种类一天就能翻倍以上。据测算，要满足美国运输燃料需求的一半，棕榈油需要4500万公顷种植园，而碳氢化合物含量30%的微藻只需450万公顷。单位面积约10倍的生产力，是陆地作物无法企及的水平。

用数字看"土地效率"的压倒性差距

换个角度看这种生产力差距。从大豆提取燃料用油时，大豆种子的含油量只有两成左右，一茬作物要生长数月。油棕虽是多年生且效率较高，但种植园开发招致热带雨林砍伐，一直受到国际批评。相比之下，微藻依种类不同，干重的30-70%都是油脂，收获周期以天为单位。"不砍森林、不用农田，就可能产出数量级不同的油"——这正是全世界研究者为之着迷的原因。

藻类培养还有一项"福利"：可以直接以CO2为食。把工厂和发电厂废气中的CO2通入培养槽，藻类生长加快的同时，本应排放的CO2得到再利用（碳循环利用）。废弃物处理与燃料生产一举两得——设计得当的藻类工厂，有望成为区域资源循环的枢纽。

飞上天空的藻类：SAF（可持续航空燃料）的应用

藻类生物燃料目前最受瞩目的领域是航空。SAF（Sustainable Aviation Fuel，可持续航空燃料）是以废食用油、植物、藻类等可持续原料制造的航空燃料的总称，与传统化石航空燃料相比，全生命周期的CO2排放据称可削减约60-80%。

为什么飞机只能依靠SAF

汽车正走向电动化，船舶也在转向氨和甲醇燃料，脱碳路径日渐清晰。但飞机情况不同。驱动长途飞行的大型客机需要巨大能量，现在的电池太重，根本飞不起来。可直接用于现有喷气发动机和机场设施的"即用型燃料"SAF，是目前几乎唯一现实的答案。国际民航组织（ICAO）提出了2050年碳中和目标，全球航空公司都在争相确保SAF供应。

实际上，航空领域约占全球CO2排放量的2-3%，随着疫情后客运需求恢复和新兴国家航空市场扩大，若不采取对策，排放还将继续增加。机体轻量化和发动机效率改进仍在推进，但仅靠这些无法抵消增长。不放弃"飞行"又要减排，现实的支柱就是燃料本身的转换。

日本的目标："2030年达到10%"

日本政府提出到2030年将本国航空公司燃料使用量的10%替换为SAF的目标，由经济产业省和国土交通省组成的官民协议会正在构建国产SAF供应体系。基于《能源供给结构高度化法》，对燃料供应商的SAF供应义务化也即将启动。着眼于这一巨大需求，藻类路线的技术开发正作为国家项目，与废食用油路线并行获得支持。

日本企业的实绩：从标准认证到定期航班

藻类SAF已经跨越了"实验室之梦"的阶段。IHI公司的高速增殖型葡萄藻生物航空燃料通过了国际标准ASTM D7566（附件7）认证，2021年微藻来源的SAF供应给了日本国内定期客运航班。Euglena公司也凭借以眼虫藻油脂等为原料的SAF"SUSTEO"积累了飞行实绩，并计划建设大型商业工厂。在藻类SAF领域，日本正处于世界领先集团。

预计2030年SAF使用量为本国航空公司燃料使用量的10%，并为实现这一目标而努力。

— 摘自经济产业省·国土交通省"SAF导入促进官民协议会"资料要旨

世界潮流：CORSIA与欧盟强制令创造需求

SAF的顺风正在全球范围内吹起。抑制国际航线CO2排放的国际框架CORSIA（国际航空碳抵消与削减计划）正分阶段全面实施；在欧盟，对域内机场供应燃料的SAF掺混义务（ReFuelEU Aviation法规）从2025年的2%起步，计划到2050年提高至70%。也就是说，SAF正从"想用的人才用"的燃料，变成"不用就不能飞"的燃料。正是这种确定性增长的需求，为原料多样化——即对藻类路线的投资——提供了正当性，因为仅靠废食用油远远不够。

不过冷静来看，当前SAF生产的主流是对废食用油和动植物油脂进行加氢处理的HEFA工艺，藻类来源SAF的供应量在全球范围内仍然极少。废食用油的争夺战已经开始，2030年代以后要扩大供应，新原料不可或缺——藻类正作为最有力的候选之一被培育。这才是对现状的准确描述。

培养技术的最前沿：世界级工厂与国家项目

决定藻类燃料成败的，与其说是生物学，不如说是"如何像工厂一样大量培养"的培养工程学。近几年，其最前沿已从实验水池升级为真正的巨型工厂。

马来西亚出现的5公顷藻类工厂

日本生物科技企业Chitose集团（千岁集团）于2023年在马来西亚沙捞越州启动了全球最大级别的5公顷藻类生产设施"CHITOSE Carbon Capture Central（C4）"。该设施采用"平板式"方案：将厚约10厘米的透明塑料袋立成板状排列，一边通入邻近发电厂供应的CO2一边培养藻类。利用赤道附近的强烈日照，力争实现全年稳定生产。

NEDO推动的"100公顷"之路

这一项目已被日本国立研究开发法人NEDO（新能源产业技术综合开发机构）总额500亿日元规模的基金项目（绿色创新基金）采纳，下一个目标是在100公顷规模上验证经济合理性。由Chitose集团主导的跨产业项目"MATSURI"汇集了化妆品、食品、饲料等广泛领域的企业，正努力把藻类培育成"替代石油的产业原料"，而不仅仅是燃料。

各种培养方式的长处与短处

支撑"藻类种植"的隐形技术

在大规模培养现场，交战的对手竟然是"其他生物"。室外培养池就像营养丰富的浓汤，一旦目标藻类以外的杂藻或以藻为食的轮虫等微小动物混入，生产可能在几天内崩溃。选育增殖快的品系抢占先机、调节pH和盐度让竞争者难以生存、把培养槽改为封闭式——这些堪称"藻类农业"的栽培管理技术的成熟，是近十年的重大进步。

与培养同等重要的是"收获与干燥"。培养液中藻的浓度往往不足1%，从满是水分的液体中收集藻、去除水分、榨取油脂的工序耗能巨大。膜过滤和离心分离的效率化、湿态直接提油技术等——虽不起眼却对降低成本起决定作用的研究，正在世界各地持续进行。

从海藻制取乙醇：把日本近海的"海上农田"变成燃料

如果说微藻是"油"的主角，海藻就是"糖"的主角。据FAO（联合国粮农组织）统计，全球藻类养殖产量2022年达到约3640万吨，其中97%以上来自养殖，且绝大部分产量由亚洲承担。将这片巨大"海上农田"的技术应用于燃料生产的研究正在推进。

日本近海尤其是海带、裙带菜、紫菜等有用海藻的宝库。三陆和北海道拥有悠久的养殖历史和技术，从苗种生产到收获加工的产业基础早已存在。在食用市场趋于饱和的背景下，如果能开辟"燃料·材料"这一新出口，对沿海经济也将是有意义的选择。

从1公斤海带制取乙醇

海藻的主要成分褐藻酸与陆地植物的淀粉不同，难以发酵，长期以来"海藻乙醇"被认为不可行。但东北大学等研究团队将海藻切碎后用多种酶分解，再分阶段投入独自发现的酵母和微生物，成功从生海藻中提取出乙醇，并确认1公斤生海带可制取22克乙醇。虽然效率仍低，但"无需干燥、可直接处理生海藻"这一点，在能量收支上是重要的进步。

全世界瞩目的"海洋生物质"

对海藻燃料的关注并非日本独有。在美国，能源高等研究计划署（ARPA-E）实施了外海大规模海藻养殖技术开发项目；在欧洲，北海沿岸的海藻养殖与生物精炼研究也在推进。其背后是一个共同认识："陆地生物质有极限"。如果能利用占地球表面七成的海洋，就能摆脱土地、淡水、肥料的制约——在世界研究版图上，海藻正被定位为"第三块农田"。

"讨人嫌的海藻"变成资源

海藻乙醇的有趣之处还在于原料的获取方式。流入发电厂冷却水取水口、花费处理费被丢弃的海藻，以及大量冲上海滩的漂流藻，如果能变成燃料原料，就是垃圾处理与能源生产的一举两得。而且海藻养殖本身能吸收氮和磷净化海水，同时吸收CO2。这是与三陆裙带菜、海带养殖的复兴相呼应的、日本沿海独有的图景。

量产与成本的壁垒：藻类燃料为什么尚未普及

读到这里，你也许会奇怪："这么好的东西为什么没有普及？"答案很简单：还是太贵。藻类燃料每升的制造成本远高于化石燃料，就SAF整体而言，制造成本据称是石油基航空燃料的3-4倍。而藻类路线在SAF中又属于成本特别高的一类。

推高成本的三个环节

1. 培养：除设备建设费外，搅拌水体、供应CO2、控制温度都要耗电
2. 收获·脱水：从稀薄的培养液中收集藻类并干燥的工序消耗大量能源
3. 提取·精炼：从细胞中提取油脂并精炼到航空燃料标准，需要设备和费用

具体看成本结构，藻类燃料的困难可以归结为"与稀薄的战斗"。培养液中藻的浓度仅有0.1-1%左右。也就是说，为了得到1升燃料，必须搬运、过滤、干燥数百倍体积的水。石油是"钻个孔浓缩的碳氢化合物就会喷出"的资源，而藻类燃料则是把散布在水中的微小细胞一点点收集起来的工作。能否用生物的增殖力和工程学的智慧扳回这一物理劣势，正是胜负所在。

这道墙连巨人也曾击退。在藻类燃料研究上投资十余年的美国石油巨头埃克森美孚，据报道到2023年已大幅缩减对藻类生物燃料研究的出资——被称为"藻类燃料之冬"的撤退潮曾经出现。在技术上"能造出来"与经济上"能卖出去"之间，横亘着一道深谷。

突破口："不只靠燃料赚钱"

研发之所以仍在继续，是因为跨越成本之谷的现实战略已经浮现。关键是"联产（生物精炼）"——先从藻类中提取高价成分出售，剩余部分再制成燃料。例如与马自达合作的研究显示，从藻类中提取功能性成分（保健品原料）后，用残渣制造燃料，有望把燃料成本降到每升200日元左右。化妆品原料、鱼饲料、替代蛋白——用高附加值产品与燃料的"组合拳"逼近盈亏线，是当前的世界潮流。

另一股顺风是：碳开始有了价格。在日本，GX（绿色转型）政策下的排放权交易制度正走向正轨，碳排放需要付出成本的机制正在形成。随着排放权交易和碳税的普及，"能减少CO2的燃料"的价值将相对上升。与化石燃料的价差，将靠技术进步和制度支持这两个车轮逐步缩小。

不与太阳能和风电竞争，而是分工协作

"要说可再生能源，太阳能发电不是更高效吗？"——这是藻类燃料讨论中必然出现的论点。若只是发电，同样面积的太阳能板能量转换效率确实更高。但藻类的价值在于"能以液体燃料的形式储存能量"，以及"能把碳本身变成产品"。电池飞不起来的飞机、难以电气化的化工产业的原料——藻类瞄准的，是电力难以替代的领域。不与可再生电力竞争，而是分工协作，填补脱碳的最后拼图。这就是藻类燃料现实的定位。

藻类燃料的未来与我们能做的事

藻类生物燃料不是"明天就会摆上加油站"的技术。但在航空这类难以电气化的领域，它的出场机会必然到来，而日本在研究和落地两方面都跑在世界领先集团。2030年的SAF10%目标、100公顷级的培养验证、海藻乙醇的效率改进——这十年的进展，将决定2050年天空与海洋的模样。

超越"燃料"不断扩展的藻类产业

不能忘记的是，藻类的潜力不止于燃料。吸收CO2生长的藻类，还能成为食品、化妆品、医药原料、鱼饲料、可降解塑料的原料。燃料只是其中一个出口。正因为出口多样，产业才能自立，燃料成本也随之下降——藻类经济圈（生物经济）整体的成长，终将反过来支撑天空的脱碳。

"了解并选择"能培育技术

一项新能源技术能否跨越低谷，其实很大程度上取决于舆论和市场的支持。选择使用SAF航班的人、购买藻类食品和化妆品的人、每天把海藻端上餐桌的人——每个人的选择虽小，但积累起来就是"藻类产业有需求"的信号，能撬动企业投资和国家政策。技术故事的登场人物，不只有研究者和企业。

今天就能开始的三种参与方式

海中摇曳的一株海带，水面漂浮的一粒看不见的藻，都在凭借太阳的力量持续固定CO2。用人类技术放大这微小的营生，把它变成翱翔天空的能量——这场挑战已经开始。下次登上飞机时，机翼之下或许已混入了一点点"藻的力量"——我们正生活在这样的时代。