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後石化燃料時代即將來臨嗎?

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天然氣管道(法新社)

人類社會進入二十一世紀後,能源供應與環境清潔越來越受到政府、企業及普通大眾的重視。隨著汽車數量的不斷增加,汽油的消耗量在持續增長,市場上油價也在不斷地攀升。大量地進口石油也對像美國這樣的國家安全構成威脅。另一方面,汽油等化石燃料在使用的過程中,要產生大量的有害物質如COx、HC、NOx、SOx及SP等,造成自然環境急劇破壞,特別是近年來,引起全球氣候暖化的溫室效應,汽車石化燃料是原兇之一。
 
為了減少對進口石油的依賴以及加強美國的能源安全,美國總統布什在二零零七年的國情咨文中,呼籲在二零一七年把可再生和替代燃料的使用量提高到每年三百五十億加侖,從而把汽油的使用量減少百分之二十。那麼要達到這一目標,增加各種替代燃料的研究、應用勢不可少。目前較有前景的替代燃料歸納起來有天然氣、煤液化氣、生物質燃料和氫氣等,下面就「替代燃料」做一個介紹。

液化天然氣

液化天然氣包括壓縮天然氣、液化石油氣和天然氣合成油。由於具有較低的污染排放,壓縮天然氣和液化石油氣被認為是內燃機(通常用汽油或柴油)的較理想代用燃料,已經被成功地應用於汽油機。

天然氣的主要成份是甲烷(一般為百分之八十三~百分之九十九)及少量其它烴類、CO2等,具有較高的辛烷值,抗爆性能好,與汽油相比燃燒更完全。天然氣汽車可以降低百分之四十的HC排放,百分之五十的CO排放,採用缸內直噴和稀薄燃燒技術可進一步提高發動機效率,符合各國有關的環境排放標準。天然氣因為其良好的排放特性及豐富的儲量而成為各種代用燃料的首選。壓縮天然氣是目前車用天然氣燃料的主要儲存方式,在汽車上使用的主要缺點是儲氣瓶占用體積大。液化石油氣作為車用燃料主要成份是丙烷、丁烷和少量烯烴和戊烷,儲存方式是液態。其辛烷值較高,燃料費比酒精、汽油、柴油等便宜,CO、NOx等有害排放量低於汽油排放,基本上可消除黑煙和顆粒物。
 
壓縮天然氣(CNG)

近幾年,壓縮天然氣在很多國家已經非常流行。天然氣一個很大的優點是,它含有相對較少的碳,因此會產生較少的二氧化碳排放,產生同樣多的能量。天然氣造成的二氧化碳排放是傳統油料少五分之一到四分之一。有的專家估計,到二零二零年,一半以上使用替代能源的車輛會使用天然氣或是天然氣的產物。
 
目前,很多汽車生產商都能提供壓縮天然氣用的發動機。大多數都是既能用汽油又能用壓縮天然氣的。這些車有傳統的油箱,在車身底部則裝有壓縮天然氣罐。
 
壓縮天然氣的優點是低價格、高能量、低排放,不需要特別的基礎設施。而缺點則是很少有僅使用壓縮天然氣的車型,大多數是雙模式的車(既能用汽油又能用天然氣)。此外,提供壓縮天然氣的加油站還相對較少。
 
液化石油氣 (LPG)
 
液化石油氣是一種煉油過程中的副產品。它的缺點是容易爆炸,通常被禁止在隧道和居民區使用。跟其它的替代能源相比,液化石油氣很難跟柴油混合使用,因為它的能量密度、燃燒特性和防爆缸特性都跟柴油差的太遠。液化石油氣在歐洲的使用在下降。在荷蘭,二零零一年時六百八十萬輛車中僅有三十六萬使用液化石油氣,因為它的可靠性不高,到二零零三年時這一數字已經降到二十五萬。
 
天然氣合成油

天然氣合成油的主要原料是天然氣,另外加一種叫Naphtha的添加劑。它可以和柴油混合,提高燃燒的性能。殼牌石油公司在這項技術上居於領先地位,它正在卡塔爾(Qatar)建設一間大的工廠。天然氣合成油的巨大優勢在於:天然氣的儲備非常豐富,開採成本也較低,天然氣合成油生產的成本比其它的替代能源要低,並且它的運輸不需要新的基礎設施,不需要在汽車上做任何改動。因而總的來說,從經濟的角度來看,在近期,天然氣合成油的前景最好,但是目前還只有殼牌能夠大量的生產。天然氣合成油的優點:清潔、效率高、來源豐富。缺點:仍在試生產階段,成本高。
 
目前燃用液化石油氣和天然氣的燃氣汽車技術已比較成熟,實際應用較多。全世界已有四十多個國家在實施以氣代油的戰略計畫,燃氣汽車總量在五百萬輛以上,約占全球汽車總保有量的百分之零點七左右,占替代燃料汽車總量的百分之八十以上。其中液化石油氣汽車約四百萬輛以上,壓縮天然氣汽車約一百萬輛。
 

煤基液體燃料

通過煤液化合成油是實現替代燃料的現實途徑之一,「煤變油」稱為煤基液體燃料合成技術,分為直接和間接液化兩種方式。直接液化是指在高溫、高壓條件下,加氫使煤中有機化學結構直接轉化為液體燃料,再提質加工為汽油、柴油和航空燃料;間接液化是將煤汽化製成合成氣,合成氣再催化合成汽柴油。

由於直接液化的操作條件苛刻,對煤炭的種類依賴性強,目前適合於工業化生產的「煤變油」都是間接液化的。具體方法是通過高溫、高壓的辦法變成富含各烴類的氣體,再把這些氣體提純並經過化學反應後生成油品和其它化工產品。資料顯示,目前世界上可以通過「煤變油」技術合成高品質柴油的只有南非等少數國家。

煤直接液化是將煤在高溫高壓條件下,通過催化加氫直接液化合成液態烴類化合物,再精製後制取汽油、柴油。國際上有德國的IGOR工藝,日本的 NEDOL工藝以及美國的H-Coal工藝。上世紀三四十年代,德國首先實現煤炭直接液化的工業化生產,以褐煤、煙煤為原料的油品生產總能力達到一年四百二十三萬噸。

兩次世界石油危機後,美、德、日等國家開發了煤直接液化新工藝,新工藝的反應條件相對溫和,工藝和技術路線更趨合理,有的已完成建設商業化工廠的研究和初步設計,技術上具備了建廠條件。

煤間接液化是將煤先氣化生成合成氣,再通過費托(F-T)合成轉化為烴類化合物。其反應條件比直接液化溫和(三~五兆帕,二百~三百攝氏度),油品質量優於直接液化產品,也可直接與當前石油路線的輸配系統配套。但投資也大(每噸油一萬美元),耗煤多(每噸油耗煤四點五~五點五噸),另外放出大量水和熱,合成氣分子利用率低、能效偏低。此技術在南非、馬來西亞、新西蘭已經商業化。南非薩索爾(SASOL)公司是目前全世界唯一的煤炭間接液化商業化生產企業,年消耗煤炭約四千五百萬噸,合成產品七百五十萬噸,提供國內約百分之三十的油品需求。美國二零零四年開工建設規模為每日五千噸油的煤炭間接液化示範廠,預計二零零七年投產。

在過去二十年間,原油價格每桶平均是二十五美元,使每桶價格高達四十五美元的液態煤顯得一點也不經濟。但到二零零三年後,油價屢屢上揚,最近兩年更是經常超過七十美元,再加上全球溫室效應又是現在最受到重視的議題,液態煤重新被打造為想要確保能源安全、減緩全球暖化的最佳選擇。

德國的煤碳火電廠(Getty Images)

生物質燃料

生物燃料也是目前研發的熱點之一。生物燃料包括所有從生物材料,如玉米、木頭、稻稈或麥桿等,通過生物發酵等方法提取的能源形式。目前,已研製成功並投入使用的植物油燃料有菜籽油、棉籽油、棕櫚油、荳油、甲醇酯混合油等。
 
生物柴油

將植物油和動物脂肪與酒精反應,脫去甘油三酸脂轉變成甲酯或乙基酯之後就可以在柴油機上使用,這些酯類物被稱「生物柴油」。生物柴油中的富氧可以加快燃燒速度,減少CO、HC和微粒排放。一般的酯化燃料十六烷值較高,燃料的性質與輕柴油接近,但發動機噴油系統金屬會受到甲酯的腐蝕。這種代用燃料大大減少尾氣排放,但內含能量有點兒低,可能車子跑起來不那麼快。生物柴油可以在柴油機車上使用,但不能用於一般的汽油機車。

不過要小心的是,目前大多數這類汽車的唯一問題在於,不是到處都能買到生物柴油燃料,因此您也許開車出去,卻困在某個地方!

乙醇

酒精包括甲醇和乙醇。乙醇通常由玉米或生物物料(如農產品廢料)製成。甲醇可由各種各樣的植物,譬如木頭、或煤炭中提取製作。不過今天大多數甲醇由天然氣製成,因為它的製作成本更便宜。酒精燃料比汽油具有更大的動力,但較少的能量。這意味著,它將使您的汽車跑得更快,但每加侖行駛較少的英哩數。
 
大多數在美國使用的乙醇是通過玉米發酵工藝製作的。有些公司用廢木片製做乙醇,但技術仍不完善。目前由於尚無法通過管道設施來輸送乙醇,故多數需要通過鐵路或卡車運輸,這樣無形中增加了乙醇的費用。預計隨著將來使用人數的增加和基礎設施的完善,乙醇的費用還有下降的空間。
 
在生物燃料中,乙醇應該算是推廣得比較好的替代能源之一。E85是一種含百分之八十五的乙醇和百分之十五汽油的混合燃料。目前總部位於底特律的三大美國汽車公司,通用、福特和克萊斯勒,均積極推動E85的使用,他們已經投入生產幾百萬輛「複合燃料」(Flex-Fuel)汽車,這種車能使用E85或汽油行駛。
 
E85支持者發現,由玉米和其它蔬菜作物製作的乙醇,可作為減少石油進口的一個快捷方式。聯邦政府已正式提出使用乙醇的政策,生產每加侖乙醇可得到五十一美分的聯邦補貼。
 
不過使用農作物生產乙醇的做法也有其劣勢,比如批評人士指責E85是在和人類爭口糧,它使食物價格上漲。另一方面,目前銷售E85的加油站數目少得可憐,在十七萬個美國加油站中,只有一千一百個銷售E85。雖然這個情形隨著乙醇政策的深入推進也許會有改善,但當下對廣大公眾接受E85形成重大阻礙。因此,到目前為止,石油公司在促銷E85上只是勉強而為。此外,有關乙醇對汽車保修的影響問題也已浮出水面,還有保險公司對使用E85的汽車的保險條款將會做哪些變動尚待觀察。基於上述原因,消費者還沒有明確表示出對某種替代燃料的熱忱,所以美國國內和外國的汽車製造商也都不敢把雞蛋放在一個籃子中,紛紛做了幾手打算。

氫燃料

氫燃料電池要走上商業化道路,更大的阻礙是高昂的成本問題。
 
從減少二氧化碳等溫室氣體方面來看,氫燃料驅動汽車比其它的石油替代方法更有優勢。

用氫作燃料的燃料電池

現在普遍認同的一個觀點是,燃料電池發動機是內燃機最好的替代技術,這可能代表了汽車未來的發展方向。燃料電池汽車一般採用氫氣作為燃料,利用氫氣和氧氣的化學反應產生電能作動力。與汽油車相比,燃料電池能夠節省百分之五十的能源,且可以不消耗石油,也不排放二氧化碳等有害氣體。因此國際汽車界普遍認為燃料電池汽車是節能環保汽車的最終解決方案。
 
不過應當指出的是,氫燃料無污染是指氫的燃燒過程不產生有害氣體,但是氫的製備過程就不同了。目前氫氣生產主要是蒸氣重組法和電解水:前者主要原料為天然氣;後者要使用電力和純水。
 
此外,目前燃料電池汽車還處於研發和運行試驗階段,技術尚未完全成熟,特別是車上氫氣的儲存問題,現有技術還不能滿足汽車的運行,加上價格過於昂貴,配套設施投入巨大,雖然燃料電池汽車幾年前就在世界上許多國家投入試運行,但大規模商業運營還得十年以後。
 
然而,氫燃料電池要走上商業化道路,更大的阻礙是高昂的成本問題。目前製造一輛燃料電池車的花費大約是普通汽車成本的一百倍左右,只有那些為批量上市而生產的車型才能產生經濟效益,但其成本仍然是普通汽車成本的十倍。
 
氫氣內燃機

氫氣內燃機汽車無CO、CO2和HC排放,僅排放微量的NOx(為汽油的十分之一),並可再用微量鉑族催化劑淨化。功率用增壓補償(福特U型氫內燃機汽車)。製氫可有三種辦法:風力發電─電解水製氫;天然氣重整製氫;煤氣化製氫。成本和供應設施與燃料電池相同,目前世界上僅美國加州、德國慕尼黑有加氣站。氫氣汽車中長期可能大量發展,日本有專家認為可能會先於燃料電池汽車進入市場。
 
氫動力汽車在短期內還不能普及的最主要問題是,迄今為止還沒有一種技術可以將氫氣有效地儲存於汽車上,使得氫動力汽車加一次氫能行使五百公里,儲氫技術的研究不僅是美國能源部,也是世界上許多政府、各大公司的焦點。當然,氫氣加氣站、輸氫管道(要求比石油高的多)的建設也不是短期內能解決的。另一項巨大挑戰就是在安全方面。由於氫氣無色無味,其火焰近乎無色,如何在車輛中安全地儲存、如何到類似加油站的地點補充氫氣等都是問題。這些問題有待於相應新技術的發展來解決。
 
替代燃料種類不少,除了以上介紹的之外,還有二甲醚、甲醇汽油等,但各自也都有許多技術或經濟上的問題需要研究、解決。因此汽車燃料短期內主要還得依靠汽油。當然,今後替代燃料驅動的汽車比例會不斷提高。

二零零七年底特律車展上的寶馬氫氣動力車。(Getty Images)

 
 

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