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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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石油没有了用什么?   

2012-07-18 15:19:57|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:橡树村

最近几年,新能源领域成了世界各国发展的重点领域。在几个主要的能源消耗大国,太阳能、风能以及其它各类新能源发展迅速。不过同样是新能源,用于发电的各种方法发展很快,几条主要技术路线都已经显示出比化石能源在环境上的好处,对电网的贡献比例越来越高,但是在替代石油的领域,情况就复杂多了。

石油目前提供了人类运输使用能源的百分之九十多。人们选择石油作为运输用能源的主要形式,是有很多原因的。石油的储量巨大,人们到现在已经开采出了几千亿吨的石油,目前已知的储量按照现在每年四十亿吨左右的开采速度还能维持数十年。这样的数量,目前还是其他非化石能源所不能比拟的。石油属于物质能源,也就是说,能量是通过物质的形式来存在的,这样,与电相比,能量的存储、运输都非常方便,既可以很方便的越洋运输,也可以运送到各个偏远地方,不完全依赖固定的输送网络,还可以方便地被飞机、船舶、车辆携带。石油的能量密度也非常高,对于体积有限、载重量有限的运输器具来讲,这个特点非常重要,也是目前其他的能源形式无法比拟的。

石油虽然比同是化石能源的煤炭清洁不少,但是在其开采、输送、加工和使用过程中,仍然会对环境造成不少影响。特别是在意外事故发生之后,造成的影响可能非常大,比如2010年美国墨西哥湾的漏油事件,对墨西哥湾海域以及周边的陆地地区都造成了不小影响。在一些欠发达的产油国,因为监管不严,治理不力,造成的损失甚至长时间被人们忽视。使用石油造成的温度气体排放问题也非常严重。化石能源都是碳基资源,使用后都需要排放二氧化碳,石油也不例外。巨量温室气体排放造成的气候变化问题,是整个国际社会都在努力解决的问题的问题,寻找石油的清洁替代品,是应对气候变化工作的重要组成部分。

即使不考虑环境问题,人们也需要开始寻找石油替代品了,因为石油要不够用的了。最近几年,石油价格一直处于高位,即使全世界范围的经济萧条也没有让油价下降多少,一个重要原因就是廉价易开采的石油已经无法满足人类对石油的需求,越来越多的非常规石油资源被开采。这些非常规石油资源开采使用的技术复杂、能耗高、投资大,这些都增加了石油开采的成本,也就推高了石油的价格。从这个角度考虑,人们也需要寻找可以抑制石油价格上涨的替代燃料产品。当然,高昂的石油价格也使得一些原本被认为在经济上不划算的替代路线有了经济上推广的可能。

与发电的能源来源的多样性相比,石油替代的选择有限。替代石油,需要寻找总量巨大、易于存储和运输、能量密度高的资源,而同时符合这几点的资源和技术途径很少。一个重要候选,在技术上也相对成熟的,是煤炭液化技术。煤炭的储量要比石油多上不少,转化为燃料油以后,可以拥有石油燃料的全部优点。在技术上,煤炭液化技术已经有将近九十年的历史,二次世界大战期间在德国工业化,现在这条技术路线为南非提供将近四分之一的燃油供应。不过煤炭本身也是化石能源,总储量虽然比石油丰富很多,但是仍然是有限的,即使在一些地方成为替代石油的主力,也不是一个长期的解决方案。同时目前的煤炭液化技术对环境的危害还明显高于传统石油路线,要克服这些环境危害,人们还需要付出巨大资金代价,一些技术也还不成熟。使用天然气液化工艺生产油类产品也有类似问题。使用一种化石能源来替代另外一种化石能源,肯定不是问题的长期解决办法,要寻找长期的石油替代品解决方案,需要依靠可再生能源。

石油易于保存运输的物质性能源特性使得可以替代石油的可再生能源品种很少。实际上,可再生能源里面只有生物质能源是物质性能源,其他可再生能源是很难被转化成为物质形式的。从这个角度来看,生物质的应用应该尽可能去考虑替代石油的方向,充分发挥生物质物质能源的好处。简单的发电应用,无法发挥生物质能源的这个特长。不过实际上实施起来困难很多。当前成熟的将生物质转化为生物燃料的技术并不多,技术上最成熟的就是糖、淀粉类乙醇和植物油为原料的生物柴油,推广的最广泛的也是这两种生物燃料,目前已经占到世界燃油供应的将近3%。这里面,乙醇以美国的玉米乙醇与巴西的甘蔗乙醇为主,加在一起占了全世界燃料乙醇供应的90%;生物柴油则以欧盟为主,生产了全世界生物柴油产量的一半。但是这两类生物燃料使用的是与人类食品直接相关的淀粉、糖类、油料作物,占用了大量的农业资源,一开始扩大种植就担上了与人争粮与人争地的名声,在世界其他地方推广明显受阻,对于世界上很多粮食安全还不能保证的国家,这两类生物燃料是没有推广条件的,甚至在欧美,这两条石油替代路线也备受指责。很显然,要实现国际能源组织预测的到2050年生物燃料占到世界燃料供应四分之一的比例,依靠这两个技术路线是行不通的。

实际上,从整个生命周期的温室气体减排方面来考察,这两条路线的表现也都不算好。生命周期评价是一种综合性的评价方法,考察某个工艺路线的各个环节对材料的消耗和对环境的影响,包括原料以及重要辅助材料的收集、运输,各个加工处理环节,以及成品的运送,废品的处理等等,把一个产品从原料到成品再到废品的整个阶段的材料消耗以及环境影响通盘考虑。通过这样的详细考察,可以了解到不同的工艺路线究竟孰优孰劣,当对不同的技术路线进行筛选的时候,可以了解到各个不同技术路线的实际消耗资源情况,实际环境影响情况等,为技术路线的选择提供一个重要参考。对于同一条技术路线,也可以通过这样的分析来了解是什么步骤影响了整体的效果,为工艺改进提供方向。在考虑石油替代品的众多候选的时候,进行这样的分析,就可以了解到所选用的替代方法究竟有没有所预期的诸多好处。

比如评价一个生物燃料路线究竟相对石油有什么优势,就需要从作物种植阶段开始考察,考察各个种植、播种、收割阶段的能源和材料消耗,环境影响,不仅仅包括直接在田间消耗的,还需要包括所使用的化肥、农药等物品在生产、运送过程中的能原材料消耗以及环境影响。在作物收割之后,需要考察各个初加工步骤,产品运输等环节。进入到燃料生产线之后,还需要考察整个工艺各个环节以及所使用的各种原料辅料的消耗和影响。得到产品之后,还需要考虑产品的配送试用过程。如果有需要处理的副产品或者排放,那么这些副产品,排放物的需要考虑进去。因为考察的是一个非常繁琐详细的过程,这样的考察,地域性的特色就非常强,即使是同一个工艺路线,不同的地区得到的结果也会有区别,看这些考查结果的时候需要非常小心。

欧盟在2007年公布了一份以欧盟为背景的车用燃料替代方案的生命周期评价。在这份报告里面,欧盟结合自己的情况考察的乙醇生产原料是甜菜和小麦,得出的结论是这样的路线可以比传统汽油的生命周期减少27%的化石能源消耗,同时温室气体减排30%。当使用油菜来生产生物柴油的时候,化石能源消耗与传统柴油相比要节省64%,温室气体减排要降低53%。单从这个报告里面可以看出,在欧盟环境下,乙醇和生物柴油路线对于降低化石能源消耗,减少温室气体排放都是有价值的。

但是中国的情况就很不同了。2008年清华大学的一份博士论文考察了国内实际情况的乙醇生产的生命周期情况,得到的结论是使用玉米、木薯、红薯、甜高粱、甘蔗等为原料生产乙醇燃料,生命周期所消耗的化石能源均远高于生产汽油所消耗的化石能源,这些路线的温室气体排放量也高于汽油路线。按照这个计算,可以说中国目前阶段所推广的乙醇燃料项目,既没有起到节能作用,也没有实现减少温室气体排放,并没有正面的环境意义。虽然在提供石油替代品的角度上仍然具有积极意义,但是这样的高耗能高排放的替代方案要继续享受国家补贴就有些说不过去了。

在国际上的类似研究中,中国的乙醇路线的数字最差,但是也不是不能理解。造成这个结果的原因主要有个方面。首先是中国目前农业生产管理粗放,滥用化肥和农药的现象严重,而化肥和农药的生产运送都是需要消耗能源,造成温室气体排放的。特别是当氮肥不适当使用后,还会增加土地氮氧化物的排放,而氮氧化物是比二氧化碳的温室效应严重将近三百倍的气体,少量的排放就足以抵消植物生长所吸收的二氧化碳。然后就是国内目前使用的燃料乙醇生产工艺的问题。燃料乙醇对乙醇的纯度要求很高,所以需要通过一定工艺来提纯,最常见的方法就是乙醇精馏。乙醇精馏是一个非常消耗能源的工艺过程。国内这些生产线多采用小型自备热电联产机组来满足生产所需要的能量,这些机组又往往使用未经过洗选的原煤,造成机组效率低等问题。这样也就增加了燃料生产过程中的能耗和温室气体排放。也就是说,并不是说中国进行燃料乙醇生产就肯定没有环境好处,有针对性地解决这两个主要问题后,中国的燃料乙醇行业同样可以与世界其他同行一样实现真正的节能减排。这种有针对性的技术改进应该是政府政策的鼓励方向。

国内的生物柴油生产也有类似问题。上面提到的博士论文的考察结果,是国内实际情况下,使用大豆、油菜籽、棉籽、麻风果、黄连木、光皮树甚至餐饮废油生产的生物柴油,生命周期过程所消耗的化石能源都高于生产柴油所消耗的化石能源;在温室气体减排方面,也只有使用进口大豆以及含有林木果实为原料的路线可以实现与柴油相比的温室气体减排,使用其他的原料都起不到减碳排的效果。造成这个数字也不大好看的原因,同样在种植和产品加工两个阶段,与乙醇的情况类似。

没有明显的环境好处,本身还威胁粮食安全,这可能是国内最近在生物燃料领域步伐放缓的原因之一。不过,这不等于说生物燃料在中国没有前景。实际上中国遇到的问题并不是中国独有的。使用粮油为原料的粮食乙醇与生物柴油在国际上被称作第一代生物燃料,目前国际上生物燃料的研究兴趣,已经集中在第二代生物燃料上。第二代与第一代的不同在于,第二代生物燃料可以使用各种生物废料,或者作物的全部或者大部分,而不再像第一代生物燃料一样,只能是用作物最有价值的部分。这样,在种植阶段所消耗的能量就可以得到更佳有效的回收。此外,在植物的大部分都可以作为能源原料以后,生物燃料的潜在供应量也有很大增加。

因为相关技术的研发起步很晚,第二代生物燃料目前还没有进入到产业化阶段,不过第二代生物燃料的原料范围非常广泛,燃料本身也就有很多选择。在前面提到的欧盟的报告里面,就考察了沼气、非粮乙醇、氢气、二甲醚以及合成柴油几条可能的路径。因为第二代生物燃料可以使用生物废料作为原料,而作物种植过程中的能源消耗是不会摊到废料的头上的,这样这些路径的生命周期能耗以及温室气体排放就有了优势。欧盟这份报告里面,沼气路线在节省化石能源方面并不突出,比汽油路线仍然消耗更多的化石能源,但是在温室气体减排方面成绩显著。乙醇路线里面,使用木质素来生产乙醇在这两个方面都优于粮食乙醇路线。利用生物质气化路线生产二甲醚和合成柴油路线以及制氢路线在能耗方面表现不佳,但是在降低温室气体减排方面成绩突出,几乎可以降低百分之九十几的温室气体排放。这里面合成柴油与传统柴油以任意比例混合,不需要对配送体系,发动机进行任何改动,对于燃料的推广来讲,是一个重要优势。

中国的情况在第二代生物燃料方面与欧盟类似。前面引用的清华大学的研究结果指出,从生命周期温室气体排放方面来看,二甲醚、合成柴油、氢气路线的减碳排效果显著,生物甲醇,生物乙醇等路线则因为使用的发动机不同在减碳排方面略差,但是仍然优于汽油路线,都可以起到减排作用。这份研究还指出不同原料、路线的生物燃料的实际减排节能效果差异很大,并且这个差异具有很明显的地区性,不同的地区可能有适合自己具体情况的解决方案。第二代生物燃料的多样选择,也给了人们足够的挑选余地,可以因地制宜找到合适本地区的发展办法。

第二代生物燃料毕竟还没有进入商业推广阶段,这些计算根据的往往是一些理论模型和推算,结论的准确性当然不如从实际生产所测量的数据。随着这个领域越来越多的工业尝试,人们对这些技术路线会有越来越多的了解,评价指标会越来越真实地反映实际情况。不过,这些考察已经可以看出第二代生物燃料的确是生物燃料发展的方向。可以说由于第二代生物燃料的原材料比第一代更加广泛,其所能提供的能源总量也更多,应该会在替代石油领域起到很大作用。

要让生物燃料在替代石油的领域起到重要作用,单纯依靠农林业废弃物是不够的,需要种植培养专门的能源作物。为了避免与人争粮与人争地的帽子,这些能源作物就需要尽可能不占用已有耕地,尽可能使用那些并不适合商业农业开发的地方。这就对种植的能源作物品种提出了更高要求。不过,目前研究中的一些能源作物还是可以满足这些要求的。除了草本木本的能源作物,人工养殖的藻类也是一个非常有前景的生物质原料。藻类进行光合作用的效率很高,在外界条件合适的情况下,藻类的生长速度要普遍高于草本和木本的作物。这个特点,就使得藻类成为能源作物的最佳候选。藻类的利用方法也可以有多种选择,既可以筛选专门的品种提高藻类中的油含量,最终生产生物柴油,也可以以生产生物质为目的,为下游燃料生产提供碳和能源。国际上有人已经把以藻类为源头的燃料生产列为第三代生物燃料,就是看到了这个良好前景。

不过目前阶段的藻类能源利用水平距离实际应用还有很多距离。不仅目前藻类的种植培养收获需要依赖不少机械,消耗不少能量,藻类生长的质量平衡就决定了目前水平的藻类还不能是能源问题的可靠依靠。藻类的生长不仅仅需要阳光喝二氧化碳,还需要各种其他元素,特别是氮。而目前氮的提供主要是以化肥的形式提供的。实际上,在给足了充分的阳光和二氧化碳的前提下,藻类的生长速度取决于氮肥的供应量。目前氮肥的生产依赖的都是化石能源,这也就增加了藻类路线的化石能源消耗,增加了生命周期的二氧化碳排放。并且,氮肥的使用也会造成种植区域氮氧化物排放的问题。要实现藻类的大规模能源利用,需要发展生物直接的固氮技术。这方面,也许要依赖很先进的生物工程技术。其他能源作物也同样。如果氮肥的清洁供应可以得到解决,生物燃料的产量就可能大幅度增高,也就可以更大比例地替代石油。

在研究生物燃料的同时,人们也在尝试使用另外的途径替代石油,就是改变目前严重依赖内然发动机的运输业,将电能用于运输。电已经在运输业中起了不少作用,在铁路系统,电力牵引的机车已经非常普及。在民用汽车领域,电动汽车也作为新能源汽车在最近几年成为热门。电动汽车的优势在于可以使用电力,而电力的来源非常广泛,即可以是传统的火力发电,也可以是各种新能源。这样,推广电动汽车就可以摆脱对石油的依赖,对于石油进口大国来讲,这个有时还是非常重要的。此外,电动汽车在用户端并没有污染,也就可以消除汽车在用户端的污染,对于人口密度高,车辆拥挤的大城市来讲,提高电动汽车的拥有率也对于清洁城市空气非常重要。实际上,在终端环境影响方面,电动汽车要比生物碳基燃料有很大的优势,可能只有生物制氢能与之比较。

不过电动汽车要真正替代目前的内燃机汽车,也还有很长的路要走。关键的问题就在于车辆所携带的电力太少。电的存储一直是个麻烦事,虽然目前电池技术发展很快,但是距离电池所能够携带的能量密度,仍然比液体燃料差着数量级。虽然电动汽车的能量转化效率要比内燃发动机高上不少,但是目前技术的电动汽车的单次充电行驶里程仍然无法满足人们的使用要求。这方面,还需要等待技术的进步。使用电力驱动,但是仍然携带液体燃料应付长途需求的插入式混合动力汽车为解决这个问题提供了新的思路,不过相关技术仍然在开发中,什么时候能够进入市场还是个问题。

此外目前阶段普及电动汽车,也有转移污染之嫌。由于目前的电力主要来源是火电,火电本身的环境影响很大。生命周期的研究表明,在煤炭占能源比例比较高的美国和中国,目前阶段使用电动汽车提到内燃发动机汽车,在二氧化碳减排方面效果不显著,但是在二氧化硫,二氧化氮排放方面,实际上增加了污染。当然不能因此就否定电动汽车的发展方向,不过在宣传电动汽车以及进行推广的时候,的确应该考虑这方面的影响。

总之,人们目前替代石油还真的没有什么好的办法,至少在可预期的二三十年时间内,石油仍然将是运输行业使用的主要能源,不过也应该看到,随着相关替代技术的发展,石油在运输行业里面所占的比例也会越来越低的。

图片出处依次为:

http://express.howstuffworks.com

http://www.cchange.net/

http://www.thegreenworkplace.com

http://www.cheapbizenergy.co.uk

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