普林斯頓大學(xué)研究小組發(fā)現(xiàn)，利用煤炭、天然氣和非食用植物制造的合成燃料，可以淘汰原油的使用。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有益，還具有潛在的環(huán)境優(yōu)勢(shì)。研究人員表示，由于植物能夠吸收二氧化碳，接下來(lái)的幾十年，美國(guó)通過(guò)利用非食用植物制造液體燃料，能夠消減多達(dá)50%汽車排放的溫室氣體。

合成燃料非常適用于交通系統(tǒng)，由于其可直接用于動(dòng)力引擎，并且與從原油中精煉的燃油幾乎一樣。這使得其與現(xiàn)在利用的生物燃料不同，例如乙醇——必須與汽油混合或者需要特殊的引擎。

普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程教授Floudas帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，去年曾發(fā)表的一系列學(xué)術(shù)文章，提出美國(guó)可以利用合成燃料而無(wú)需依賴石油為汽車提供動(dòng)力的評(píng)估方案。Floudas所在小組同時(shí)也分析合成燃料工廠對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境或者確定區(qū)域的可能影響，這些地方不會(huì)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)或者水資源供應(yīng)征收過(guò)重稅負(fù)。

“產(chǎn)生足夠的燃料，與此同時(shí)也消減碳排放，或相當(dāng)于消減50%的比例是研究的目的，”Floudas說(shuō)?！把芯坎粌H可以完成，而且能以一種具有經(jīng)濟(jì)性的引人關(guān)注的形式。這兩點(diǎn)毋庸置疑。”

Floudas透露，完成這項(xiàng)工作不會(huì)太輕松太迅速。現(xiàn)實(shí)的方式是需要循序漸進(jìn)實(shí)行合成燃料技術(shù)，估計(jì)國(guó)家需要30-40年時(shí)間才能完全采用合成燃料。燃料不會(huì)廉價(jià)，他估計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的耗費(fèi)約1.1萬(wàn)億美元。

這項(xiàng)研究是美國(guó)最大化工工程協(xié)會(huì)化學(xué)工程研究所最近發(fā)布白皮書(shū)的重要組成部分。在白皮書(shū)里，化學(xué)工程師號(hào)召更大程度地綜合利用能源，要求決策者認(rèn)真考慮化學(xué)轉(zhuǎn)換工藝作為生產(chǎn)更清潔更廉價(jià)的燃料的一種潛在方式。

普林斯頓大學(xué)1981級(jí)校友同時(shí)也是研究所主任Wispelwey說(shuō)：“目前，我們嘗試很多能源途徑，現(xiàn)有多種措施可使系統(tǒng)更加完整，更加高效?！?/p>

研究論文由Floudas的合作研究員Weekman撰寫，他同時(shí)也是美孚中央研究實(shí)驗(yàn)室主任，美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)前任董事長(zhǎng)，現(xiàn)在在普林斯頓大學(xué)大學(xué)授課。

Weekman表示，合成燃料沒(méi)能得到擁護(hù)的主要原因是其昂貴的成本問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題還將繼續(xù)下去。盡管他指出“經(jīng)濟(jì)依舊處于不穩(wěn)定”，但原油價(jià)格的持續(xù)上漲以及合成燃料效率的提高將促使合成工藝更加可行。

Weekman說(shuō)：“撰寫論文的主要原因是想獲得國(guó)家有關(guān)規(guī)劃部門的認(rèn)真考慮，包括國(guó)家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、能源部、環(huán)境保護(hù)署、國(guó)防部?！彼麖?qiáng)調(diào)，規(guī)劃部門認(rèn)為這是“利用化學(xué)工藝生產(chǎn)常規(guī)能源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)”，這一點(diǎn)非常重要。

關(guān)于這份研究，F(xiàn)loudas帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，合成燃料工廠根據(jù)原油價(jià)格及合成燃料的原料種類，能憑借具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格制造汽油、柴油以及航空燃料。據(jù)聯(lián)邦能源信息管理局調(diào)查，三分之二的石油消費(fèi)用于交通運(yùn)輸，每年石油消費(fèi)的45%需要進(jìn)口。

“即使包括資本費(fèi)用，合成燃料依然有利可圖，”論文的第一作者，2012年畢業(yè)于化學(xué)與生物工程專業(yè)的Baliban說(shuō)。“只要原油保持在60-100美元這個(gè)區(qū)間，依靠原料的合成工藝就有競(jìng)爭(zhēng)力?！?/p>

項(xiàng)目規(guī)劃的核心技術(shù)是利用熱能及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生汽油和其他液體燃料，原料來(lái)自高碳物質(zhì)，從煤炭到北美大平原常見(jiàn)植物柳枝稷。這種方式稱之為費(fèi)—托合成法，是1920年德國(guó)利用煤轉(zhuǎn)化液體燃料發(fā)展而來(lái)的技術(shù)。

盡管化學(xué)反應(yīng)發(fā)展，但基本原理是從原料中奪取碳原子及氫原子，然后重組到反應(yīng)的化學(xué)鏈中以產(chǎn)生汽油、柴油之類的燃料。本質(zhì)上而言，原料物質(zhì)加熱至1000-1300攝氏度先轉(zhuǎn)換成氣體形式，然后利用費(fèi)—托合成工藝，氣體進(jìn)而轉(zhuǎn)化碳?xì)浞肿渔湣Ｗ詈?，在鎳、鐵催化劑的作用下，碳?xì)滏溩罱K完成反應(yīng)。反應(yīng)的終端產(chǎn)物包括燃料、石蠟及潤(rùn)滑液，通常這些產(chǎn)品來(lái)自石油。

普林斯頓大學(xué)研究小組增加一種措施回收利用二氧化碳以減少工廠廢氣排放量。Baliban強(qiáng)調(diào)，目前對(duì)二氧化碳循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性還有限制，盡管工廠能夠收集無(wú)法利用的二氧化碳進(jìn)行后續(xù)存儲(chǔ)。

過(guò)去幾年，工程師改善原始費(fèi)—托合成法以增加能效。但建造合成燃料化工廠的高成本，加上原油的低廉價(jià)格，很難讓價(jià)格高昂的合成燃料獲得廣泛認(rèn)可。

然而，隨著石油價(jià)格的繼續(xù)上漲，合成燃料愈加具有實(shí)際意義。美國(guó)政府已實(shí)施了大量項(xiàng)目以研究這種工藝；特別值得一提的是，國(guó)防部已經(jīng)開(kāi)始研究合成燃料作為交通運(yùn)輸原料的供給，從而避免國(guó)外石油的依賴。

這項(xiàng)工作中，普林斯頓大學(xué)研究小組考慮更廣闊的前景。美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)雜志7月份的一篇文章提到，小組認(rèn)為國(guó)家建造130座合成燃料工廠即可完全滿足全美交通燃料需求。文章由化學(xué)與生物工程專業(yè)研究生Elia作為第一作者，使用三種原料進(jìn)行評(píng)估：煤炭、天然氣、生物質(zhì)。為了避免耕地生產(chǎn)的農(nóng)作物變成合成燃料生產(chǎn)原料，這樣可能有損糧食供應(yīng)，研究人員引入非食用作物，例如多年生禾草，農(nóng)業(yè)廢棄物和森林廢棄物。

模擬工廠的情形是需臨近原料供應(yīng)地和燃料銷售市場(chǎng)。分析認(rèn)為，考慮外面成本包括水資源供應(yīng)和工廠機(jī)械設(shè)備的電力供應(yīng)。最終，研究小組建議建造9座小規(guī)模、74座中等規(guī)模及47座大規(guī)模的工廠，分別產(chǎn)生1%、28%和71%的燃料供應(yīng)。大部分工廠將集中在中部地區(qū)和東南部地區(qū)。具有最大燃料生產(chǎn)能力的將是堪薩斯州，將有11座大型規(guī)模合成燃料工廠。德克薩斯州將有最多數(shù)量的燃料工廠，正是由于該州原料的散射特性確定，大部分工廠將是中等規(guī)模。

研究人員發(fā)現(xiàn)，合成燃料價(jià)格的最大因素是建造工廠的費(fèi)用，其次是生物質(zhì)采購(gòu)和電力資源的費(fèi)用。據(jù)估算，盡管價(jià)格水平地區(qū)各異，每生產(chǎn)一桶原油當(dāng)量的合成燃料國(guó)內(nèi)平均價(jià)格將達(dá)95.11美元。Floudas表示，假如工廠不利用生物質(zhì)原料，而只采用煤炭和天然氣，成本會(huì)降低更多，但此舉會(huì)消除大部分環(huán)境效益?！叭粝Ｍ档鸵话氲奶寂欧?，必須利用生物質(zhì)資源，”他說(shuō)。

從很多方面而言，合成燃料比化石燃料更加清潔。合成燃料運(yùn)出之前，化石燃料中的重金屬和含硫污染物能夠在工廠得到收集。合成燃料同時(shí)也可用在汽油和柴油引擎裝置，無(wú)需改進(jìn)，這與很多生物燃料不同。例如，生物燃料乙醇，通常與汽油混合使用，但高濃度的乙醇比例需要改進(jìn)汽車引擎裝置，低溫情況下發(fā)動(dòng)將會(huì)有困難。

Floudas說(shuō)，合成燃料能夠減少路上行駛汽車的碳排放。國(guó)家即使立即轉(zhuǎn)換為零排放電動(dòng)車或者燃料電池車生產(chǎn)策略，仍有數(shù)百萬(wàn)的內(nèi)燃機(jī)車在行駛。他說(shuō)，通過(guò)利用合成燃料，就有機(jī)會(huì)減少氣體排放，盡管這不能完全消除。這是創(chuàng)造全新經(jīng)濟(jì)的機(jī)遇，國(guó)家進(jìn)口的石油量非常龐大。(BobKing/譯)