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(shí)到，無(wú)論太陽(yáng)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(wú)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(guó)消除對(duì)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(duì)環(huán)境保護(hù)也有好處，如果美國(guó)可以通過(guò)使用非糧食作物生產(chǎn)液體燃料，由于植物生長(zhǎng)過(guò)程中吸收二氧化碳，由此將會(huì)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(wú)需更改汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

合成燃料就是化學(xué)能，是把數(shù)種能源通過(guò)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(dòng)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(dòng)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(guó)和加拿大耕地的14%將用于種植生產(chǎn)生物燃料的植物，會(huì)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(duì)美國(guó)的燃料狀況做了評(píng)估，他們認(rèn)為美國(guó)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(guó)開發(fā)，用來(lái)把煤轉(zhuǎn)化為液體燃料。整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程很復(fù)雜：原料被加熱到1000-3000℃，氣化得到碳和氫。通過(guò)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(rùn)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(lái)的。

此前，美國(guó)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(guò)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(shuō)，多年來(lái)，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(lái)越具有可操作性。

普林斯頓研究小組在發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)期刊》7月號(hào)的一篇文章中指出，建立130座合成燃料工廠可滿足全美對(duì)汽車燃料的需求。論文首席作者約瑟芬·伊利亞（Josephine Elia）對(duì)煤、天然氣和生物質(zhì)這三種原料做了評(píng)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(wèn)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(huì)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(chǎng)。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(guò)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(guó)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(lái)自建廠成本，其次是非糧食作物的采購(gòu)成本和電能。他們估算出合成燃料的全國(guó)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(shuō)，如果原料不使用生物質(zhì)，只用煤和天然氣，則成本會(huì)明顯降低，不過(guò)這樣做會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響?！叭绻阆Ｍ烟寂欧帕拷档?0%，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(lái)。弗洛達(dá)斯說(shuō)，合成燃料還會(huì)減少上路機(jī)動(dòng)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(huì)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(duì)比時(shí)具有競(jìng)爭(zhēng)力，但這種競(jìng)爭(zhēng)力也取決于原油價(jià)格。根據(jù)美國(guó)能源情報(bào)署（EIA）提供的數(shù)據(jù)，美國(guó)消費(fèi)的原油中有2/3用于交通運(yùn)輸業(yè)。EIA說(shuō)，美國(guó)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(wèn)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(wú)論從哪個(gè)方面講，我們的回答都是肯定的?！?/p>

弗洛達(dá)斯說(shuō)，上述問(wèn)題解決起來(lái)既不容易也不會(huì)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(guó)要花三四十年的時(shí)間才會(huì)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。