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科学松鼠会

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二氧化碳制汽油,可以解决温室气体排放问题?   

2013-03-11 10:15:53|  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

看到这个消息是在英国使馆的微博,说有一家英国公司,从空气中富集二氧化碳,从水里面提取氢,然后把二氧化碳加氢再经过一些方法,最终得到汽油。这个官方微博给下的结论,是这个方法有望解决能源危机问题,并通过清除大气中的二氧化碳帮助对抗全球变暖。

英国使馆的原微博

@英国驻华使馆 新浪机构认证: 空气能炼汽油?据英国<独立报>报道,英国一家Air Fuel Synthesis公司借助革命性技术首次"用空气中的二氧化碳生成汽油",该技术通过从空气中捕获二氧化碳,从水蒸气中提取氢气,在电的作用下"炼制"汽油.这项技术有望解决能源危机问题,并通过清除大气里的二氧化碳,帮助对抗全球变暖. #Technology is Great#

从空气中的二氧化碳制备汽油,技术上真的可行吗?效果真有这么好吗?

其实这个工艺里面涉及到的各个技术环节,都是成熟的,经过了工业实践检验的。

简单的说这个工艺包括了几个大部分,首先是从空气中富集二氧化碳。

虽然工业上目前很罕见直接从空气中富集二氧化碳的做法,但是富集的原理是非常简单的。二氧化碳是酸性的,可以很方便地被碱吸收,而吸收了二氧化碳的碱,可以通过其他方法把二氧化碳释放出来,这样,就可以二氧化碳的富集的同时,实现碱的循环使用来降低成本。工业上,吸收二氧化碳可以使用无机碱的水溶液,不过大规模的装置一般会使用有机胺。在煤化工天然气化工领域,通过碱来吸收二氧化碳已经是很成熟的了,这些都是化学方法。此外还可以通过物理方法,直接把二氧化碳溶解在溶剂里面,比如应用非常广泛的低温甲醇洗工艺,利用二氧化碳在零下三四十度的低温的甲醇溶液里面溶解度较好的性质,来吸收二氧化碳,然后再在较高的温度分离二氧化碳和甲醇,甲醇重复使用,而二氧化碳则得到了富集。

目前工业上应用的二氧化碳富集工艺处理的都是至少几个百分点的二氧化碳,还没有应用到处理空气中几百个ppm的低浓度二氧化碳的实际例子。没有这样的工业实践的一个重要原因就是并没有这样的实际需求,并不是说技术上并不可行。当然在二氧化碳富集并没有足够的经济利益驱动的情况下,这个做法的确缺乏经济价值。造成经济性不好的原因,是一方面需要有投资,一方面运行这个回收装置需要消耗大量的能量,而且二氧化碳的浓度越低,需要的投资也就越大,所消耗的能量也就越大。这个能量,是需要有地方提供的。

汽油是碳氢化合物,元素是碳和氢。二氧化碳只能提供碳元素的来源,氢的来源就要依靠广泛存在的水。这个工艺提出的方法,是电解水。电解水制氢是非常成熟的工艺,需要注意这个工艺也是需要消耗能量的。

然后就需要把二氧化碳和氢气进行反应。这个工艺提出的方法是甲醇合成。这也是很成熟的工艺。二氧化碳和氢气在一定的反应温度和压力下得到甲醇已经有几十年的历史了,最早工艺来源于一氧化碳与二氧化碳的混合气体加氢得到甲醇,后来也有了专门使用二氧化碳加氢得到甲醇的工业示范,技术方面是没有问题的,因为没有经济性并没有被工业实际应用。这个反应本身的确是放热反应,不需要外界提供能量,不过将原料气体调整到所需要的温度和压力,仍然是需要能量的。

然后就是将甲醇变成汽油的工艺。这个工艺听起来稀罕,实际上在八十年代就在新西兰有过大规模的工业实践,目前国内也有这样的装置,建成叫做MTG。这个工艺也需要外界提供一些能量。

得到汽油以后还需要进行一些精馏分离等等提制工艺,也是需要能量的。

也就是说,虽然从空气里面提取汽油的确是一个听起来挺酷的事情,整体工艺并没有什么新的东西。甚至这个全工艺的概念,至少在三十年前就有人提出了。技术上,完全没有问题的。当然不说目前这个工作没有价值,毕竟即使是一些成熟工艺的整合也是需要很多的工作的,打通全流程的技术价值还是存在的。

如果不考虑技术细节,只看这个工艺的起始和终点,原料是二氧化碳和水,产物是汽油。汽油的使用方法是燃烧提供能量,得到二氧化碳和水。也就是说,二氧化碳和水,最终得到二氧化碳和水,还提供了人们可以使用的能量。这个能量不可能凭空而来。上面的分析也看到了,大多数的具体工艺环节都需要有能量来源,可以说这个工艺的本质,是利用二氧化碳和水作为媒介,将其他形式的能源,变成了运输可用的能源。千万不要误会这本身就是一个能源来源的解决办法,这只是能源形式转换的一个办法。

运输使用的能源对可携带性有比较高的要求,要求便于存储、运输,需要一定的能量密度。这些要求是的汽油柴油成为运输用能源的首选,运输存储方便,能量密度大,目前还是其他能源形式不可替代的。运输业也有电力驱动,比如电气机车已经完全占据了铁路运输的市场,但是在飞机、轮船、汽车这些领域,电力因为不方便存储携带仍然没有得到大规模应用。所以在运输用能源短缺,至少未来石油肯定会不够用的前提下,研究其他方法制备汽油柴油是有价值的。特别是石油或者目前已经成熟的煤制油,天然气制油,使用的都是化石能源,可再生能源除了生物质以外都只能以电力的形式用于运输。这个工艺路线,在实现使用可再生能源来生产汽油的方面,是有价值的。

那么,这算是解决能源危机的一个方法吗?长远看,是的。化石能源早晚有不够用的那一天,这个方法到了化石能源不够的时候,是一个生产汽油的方法。但是短期来看,这个全工艺的投资很高,能量转换效率也比较低,再加上目前可再生能源的价格也不便宜,至少在成本上是完全无法与目前的传统工艺竞争的。在至少二三十年的时间范围内,这条路线在解决能源危机方面做不了什么贡献,所以只能算是一个长远的方法,甚至可能是在化石能源退出舞台之后的一个运输用能源解决方法,与现在所谈的能源危机并不完全是一回事。直接就说是解决能源危机的方法,有很大的误导嫌疑。其实这个路线长远来甚至都不一定是一个好方法。电力汽车技术有可能在二三十年以后成熟,与电力汽车相比,这个路径的效率明显要地上不少,也许有特殊的市场定位,但是不可能是一个普遍的运输能源解决方法。或者说无论近期远期,从能源危机角度来讲,这条路线的意义都不大。

但是也不是说长远看这条路线没有价值。要知道地球上能源的分布是很不均匀的,而能源的应用密度更加不均匀,而且,很多时候能源资源的分布于能源需求的分布对不上号,这就需要长距离进行能源运输。目前世界的石油就有一个遍及全球的输送网络,而电力却不可能实现超远距离的输送,跨越大洋的电力输送更是非常遥远的事情。这样,如何把可再生能源丰富但是需求较少的地区的能源运输出来,也是一个难题。如果能把可再生能源转化成为液体燃料的形式,就可以进行远洋运输,进行超远距离输送。当然要做到这一点,并没有必要把能源转化成为汽油,转化成甲醇就已经足够了。至少在三十年前,就有日本人提出过利用澳大利亚的丰富的太阳能资源,通过固定空气中的二氧化碳,转化成甲醇,然后把甲醇运输到日本使用。

石油的用处也不仅仅在运输用能源,依赖石油为原料生产的各种各样的有机材料已经成为人们生活不可缺少的一部分。类似的思路可以生产乙烯,丙烯等基础化工产品,使用甲醇为原料制备乙烯丙烯的工艺都已经在进行工业实践。在石油稀缺到连化学品的供应都无法保障的时候,这个思路可以保证后石油时代的化学品供应。实际上,在差不多百年之后的后化石能源时代,使用大气中的二氧化碳作为碳的原料来生产化学品,可能要比提供运输用能源要靠谱得多,也更有可能成为现实。

那么,这个做法能够清除大气中的二氧化碳吗?一定条件下来看,也是的。不过这个限定条件要比较苛刻。工艺本身,从大气中得到的二氧化碳里面的碳以汽油的形式被固定下来,汽油燃烧以后,再释放回到大气,可以实现二氧化碳的平衡。但是如果这个转化过程中所消耗的能量来自化石能源,那么这个工艺是不可能实现完全的二氧化碳平衡的。实际上,这个工艺是否真的能实现自身的二氧化碳平衡,取决于所利用的能量的清洁性。只有这个工艺里面所需要的能源来源都是清洁的,没有碳排放的,所需要消耗掉的消耗品的生产也是完全清洁的,没有二氧化碳排放的,那么,整个过程才不会产生更多的二氧化碳排放,或者说在没有产生更多的二氧化碳的排放的情况下人们实现了能量的利用,这也是很不错的。在这个时候,虽然这个工艺并没有直接减少大气中二氧化碳的总量,但是大自然本身就可以消耗一定的二氧化碳,如果人们停止了向大气中二氧化碳的排放,大气中的二氧化碳含量会逐渐降低的,间接的起到了清除大气中二氧化碳的作用。但是,真的实现,如前所说的,很可能是后化石能源时代的事情了,至少三五十年以内,实际应用价值仍然不大。

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