合成燃料替代石油？

能源危機(jī)不是什么新名詞。但不斷挫敗的新能源試驗(yàn)讓學(xué)界意識到，無論太陽能還是生物質(zhì)能，并不是原理不管用，而是效率欠佳（或者副作用明顯），無法真正替代原油。

最近，普林斯頓大學(xué)一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，使用煤、天然氣和非糧食作物混合在一起制造的合成燃料可以幫助美國消除對原油的依賴。

該研究認(rèn)為，合成燃料不但具有經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí)對環(huán)境保護(hù)也有好處，如果美國可以通過使用非糧食作物生產(chǎn)液體燃料，由于植物生長過程中吸收二氧化碳，由此將會減少高達(dá)50%的由汽車導(dǎo)致的溫室氣體排放。

合成燃料無需更改汽車發(fā)動機(jī)

合成燃料就是化學(xué)能，是把數(shù)種能源通過化學(xué)變化合成的新燃料。合成燃料不需要汽油和柴油發(fā)電機(jī)做任何改動即可直接使用，這一點(diǎn)與許多生物燃料都有所不同。比如乙醇。乙醇需要與普通汽油混合或者需要特殊的發(fā)動機(jī)才能運(yùn)轉(zhuǎn)。

在普林斯頓提出合成燃料之前，生物乙醇已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)用，這種以農(nóng)作物（甘蔗、玉米）為原料的生物燃料，間接推高了糧食價(jià)格—經(jīng)合組織估計(jì)，到2017年，歐盟、美國和加拿大耕地的14%將用于種植生產(chǎn)生物燃料的植物，會擠占更多糧食作物的種植面積。

弗洛達(dá)斯（Christodoulos Floudas）是普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)教授，他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在去年發(fā)表的一系列學(xué)術(shù)文章中，對美國的燃料狀況做了評估，他們認(rèn)為美國的汽車可以拋棄石油改用合成燃料。

其核心內(nèi)容是利用煤和柳枝稷（switchgrass，一種在北美常見的本土草種）之類的高碳原料并借助高溫和化學(xué)手段生產(chǎn)汽油和其他液體燃料的技術(shù)。

這種稱為“費(fèi)托法”（Fischer-Tropsch）的技術(shù)，上世紀(jì)20年代由德國開發(fā)，用來把煤轉(zhuǎn)化為液體燃料。整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程很復(fù)雜：原料被加熱到1000-3000℃，氣化得到碳和氫。通過費(fèi)托法生產(chǎn)工藝，氣體被轉(zhuǎn)化為烴分子鏈。這些烴分子鏈在鎳或鐵的作用下進(jìn)行催化反應(yīng)，并最終生成包括燃料、蠟和潤滑油在內(nèi)的各種產(chǎn)品。上述產(chǎn)品通常都是以原油為原料生產(chǎn)出來的。

此前，美國普渡大學(xué)的研究人員已開發(fā)出一種設(shè)備，可精確地確定在反應(yīng)器中煤和生物質(zhì)是如何分解的，這被稱為氣化爐項(xiàng)目—將大量的農(nóng)業(yè)廢棄物和其他生物質(zhì)或煤變成氣體，然后轉(zhuǎn)換成液體燃料。通過向反應(yīng)器中加入氫，可增加成品產(chǎn)量且減少二氧化碳的排放，創(chuàng)造一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的合成燃油。這是普渡大學(xué)的化學(xué)工程的教授阿格拉沃爾首創(chuàng)的技術(shù)。

在技術(shù)層面，普林斯頓研究小組則增加了循環(huán)使用CO2的步驟，從而減少工廠排放的廢氣量。研究者之一巴里班（Richard Baliban）說，多年來，工程師為了提高費(fèi)托法的生產(chǎn)效率已經(jīng)做了大量的改進(jìn)工作。但基于合成燃料工廠建廠成本較高，合成燃料價(jià)高而限制了大規(guī)模推廣應(yīng)用。但隨著石油價(jià)格的上漲，合成燃料正在變得越來越具有可操作性。

普林斯頓研究小組在發(fā)表于《美國化學(xué)工程師學(xué)會期刊》7月號的一篇文章中指出，建立130座合成燃料工廠可滿足全美對汽車燃料的需求。論文首席作者約瑟芬·伊利亞（Josephine Elia）對煤、天然氣和生物質(zhì)這三種原料做了評估。

“我們的目標(biāo)是生產(chǎn)充足的燃料并減少大約50%的二氧化碳排放，問題不僅僅是合成燃料能否生產(chǎn)，也在于合成燃料的生產(chǎn)是否合算。”

成本近似原油95美元/桶

為了避免在農(nóng)田上生產(chǎn)燃料作物而放棄糧食生產(chǎn)（這種做法會損害糧食供應(yīng)），研究人員只把多年生牧草、農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)棄物囊括在研究范圍之內(nèi)。在其規(guī)劃方案中，工廠布局要靠近原料供應(yīng)地和燃料市場。該方案還將水資源供應(yīng)和工廠設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的電能等外部成本因素考慮在內(nèi)。通過分析，研究小組推薦建設(shè)9座小型、74座中型和47座大型工廠，分別生產(chǎn)1%、28%和71%的合成燃料。大部分工廠都將聚集在美國的中部和東南部地區(qū)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，合成燃料成本構(gòu)成中最大份額來自建廠成本，其次是非糧食作物的采購成本和電能。他們估算出合成燃料的全國平均生產(chǎn)成本相當(dāng)于原油95.11美元一桶時(shí)的價(jià)格，當(dāng)然該成本在地區(qū)間是存在差異的。合成燃料產(chǎn)業(yè)大戶堪薩斯州的生產(chǎn)成本大致相當(dāng)于原油83.58美元一桶時(shí)的價(jià)格。

弗洛達(dá)斯說，如果原料不使用生物質(zhì)，只用煤和天然氣，則成本會明顯降低，不過這樣做會對環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。“如果你希望把碳排放量降低50%，那么你必須部分使用非糧食作物。”

合成燃料在許多方面都比石油燃料更清潔。在合成燃料工廠，石油燃料中的重金屬和硫污染物可以在產(chǎn)品出廠前被提取出來。弗洛達(dá)斯說，合成燃料還會減少上路機(jī)動車的碳排放。如果使用合成燃料，雖然不能完全消除，但還是有機(jī)會減少這部分汽車的碳排放。

弗洛達(dá)斯的研究小組也發(fā)現(xiàn)，由于生產(chǎn)原料的經(jīng)濟(jì)差別，合成燃料在與汽油、柴油和航空燃料對比時(shí)具有競爭力，但這種競爭力也取決于原油價(jià)格。根據(jù)美國能源情報(bào)署（EIA）提供的數(shù)據(jù)，美國消費(fèi)的原油中有2/3用于交通運(yùn)輸業(yè)。EIA說，美國每年原油消費(fèi)量的45%依靠進(jìn)口。

“我們的目標(biāo)是生產(chǎn)充足的燃料并減少大約50%的CO2排放。問題不僅僅是合成燃料能否生產(chǎn)，也在于合成燃料的生產(chǎn)是否合算。無論從哪個(gè)方面講，我們的回答都是肯定的。”

弗洛達(dá)斯說，上述問題解決起來既不容易也不會太快。一個(gè)現(xiàn)實(shí)的方法是逐漸推廣應(yīng)用合成燃料技術(shù)。根據(jù)他的推斷，美國要花三四十年的時(shí)間才會完全接受合成燃料，而且它未必是一種便宜的燃料。但是，至少合成燃料不用和糧食搶奪耕地—像柳枝稷這樣的富碳原料，野火燒不盡，春風(fēng)吹又生。