美国计划消除原油依赖　创造“全新经济”

普林斯顿大学研究小组发现，利用煤炭、天然气和非食用植物制造的合成燃料，可以淘汰原油的使用。

这项发现不仅对经济和国家安全有益，还具有潜在的环境优势。研究人员表示，由于植物能够吸收二氧化碳，接下来的几十年，美国通过利用非食用植物制造液体燃料，能够消减多达50%汽车排放的温室气体。

合成燃料非常适用于交通系统，由于其可直接用于动力引擎，并且与从原油中精炼的燃油几乎一样。这使得其与现在利用的生物燃料不同，例如乙醇——必须与汽油混合或者需要特殊的引擎。

普林斯顿大学化学与生物工程教授Floudas带领的一个团队，去年曾发表的一系列学术文章，提出美国可以利用合成燃料而无需依赖石油为汽车提供动力的评估方案。Floudas所在小组同时也分析合成燃料工厂对当地环境或者确定区域的可能影响，这些地方不会对区域电网或者水资源供应征收过重税负。

“产生足够的燃料，与此同时也消减碳排放，或相当于消减50%的比例是研究的目的，”Floudas说。“研究不仅可以完成，而且能以一种具有经济性的引人关注的形式。这两点毋庸置疑。”

Floudas透露，完成这项工作不会太轻松太迅速。现实的方式是需要循序渐进实行合成燃料技术，估计国家需要30-40年时间才能完全采用合成燃料。燃料不会廉价，他估计整个系统的耗费约1.1万亿美元。

这项研究是美国最大化工工程协会化学工程研究所最近发布白皮书的重要组成部分。在白皮书里，化学工程师号召更大程度地综合利用能源，要求决策者认真考虑化学转换工艺作为生产更清洁更廉价的燃料的一种潜在方式。

普林斯顿大学1981级校友同时也是研究所主任Wispelwey说：“目前，我们尝试很多能源途径，现有多种措施可使系统更加完整，更加高效。”

研究论文由Floudas的合作研究员Weekman撰写，他同时也是美孚中央研究实验室主任，美国化学工程师协会前任董事长，现在在普林斯顿大学大学授课。

Weekman表示，合成燃料没能得到拥护的主要原因是其昂贵的成本问题，这个问题还将继续下去。尽管他指出“经济依旧处于不稳定”，但原油价格的持续上涨以及合成燃料效率的提高将促使合成工艺更加可行。

Weekman说：“撰写论文的主要原因是想获得国家有关规划部门的认真考虑，包括国家学术机构、能源部、环境保护署、国防部。”他强调，规划部门认为这是“利用化学工艺生产常规能源的关键环节”，这一点非常重要。

关于这份研究，Floudas带领的团队发现，合成燃料工厂根据原油价格及合成燃料的原料种类，能凭借具有竞争力的价格制造汽油、柴油以及航空燃料。据联邦能源信息管理局调查，三分之二的石油消费用于交通运输，每年石油消费的45%需要进口。

“即使包括资本费用，合成燃料依然有利可图，”论文的第一作者，2012年毕业于化学与生物工程专业的Baliban说。“只要原油保持在60-100美元这个区间，依靠原料的合成工艺就有竞争力。”

项目规划的核心技术是利用热能及化学反应产生汽油和其他液体燃料，原料来自高碳物质，从煤炭到北美大平原常见植物柳枝稷。这种方式称之为费—托合成法，是1920年德国利用煤转化液体燃料发展而来的技术。

尽管化学反应发展，但基本原理是从原料中夺取碳原子及氢原子，然后重组到反应的化学链中以产生汽油、柴油之类的燃料。本质上而言，原料物质加热至1000-1300摄氏度先转换成气体形式，然后利用费—托合成工艺，气体进而转化碳氢分子链。最后，在镍、铁催化剂的作用下，碳氢链最终完成反应。反应的终端产物包括燃料、石蜡及润滑液，通常这些产品来自石油。

普林斯顿大学研究小组增加一种措施回收利用二氧化碳以减少工厂废气排放量。Baliban强调，目前对二氧化碳循环的经济性还有限制，尽管工厂能够收集无法利用的二氧化碳进行后续存储。

过去几年，工程师改善原始费—托合成法以增加能效。但建造合成燃料化工厂的高成本，加上原油的低廉价格，很难让价格高昂的合成燃料获得广泛认可。

然而，随着石油价格的继续上涨，合成燃料愈加具有实际意义。美国政府已实施了大量项目以研究这种工艺；特别值得一提的是，国防部已经开始研究合成燃料作为交通运输原料的供给，从而避免国外石油的依赖。

这项工作中，普林斯顿大学研究小组考虑更广阔的前景。美国化学工程师协会杂志7月份的一篇文章提到，小组认为国家建造130座合成燃料工厂即可完全满足全美交通燃料需求。文章由化学与生物工程专业研究生Elia作为第一作者，使用三种原料进行评估：煤炭、天然气、生物质。为了避免耕地生产的农作物变成合成燃料生产原料，这样可能有损粮食供应，研究人员引入非食用作物，例如多年生禾草，农业废弃物和森林废弃物。

模拟工厂的情形是需临近原料供应地和燃料销售市场。分析认为，考虑外面成本包括水资源供应和工厂机械设备的电力供应。最终，研究小组建议建造9座小规模、74座中等规模及47座大规模的工厂，分别产生1%、28%和71%的燃料供应。大部分工厂将集中在中部地区和东南部地区。具有最大燃料生产能力的将是堪萨斯州，将有11座大型规模合成燃料工厂。德克萨斯州将有最多数量的燃料工厂，正是由于该州原料的散射特性确定，大部分工厂将是中等规模。

研究人员发现，合成燃料价格的最大因素是建造工厂的费用，其次是生物质采购和电力资源的费用。据估算，尽管价格水平地区各异，每生产一桶原油当量的合成燃料国内平均价格将达95.11美元。Floudas表示，假如工厂不利用生物质原料，而只采用煤炭和天然气，成本会降低更多，但此举会消除大部分环境效益。“若希望降低一半的碳排放，必须利用生物质资源，”他说。

从很多方面而言，合成燃料比化石燃料更加清洁。合成燃料运出之前，化石燃料中的重金属和含硫污染物能够在工厂得到收集。合成燃料同时也可用在汽油和柴油引擎装置，无需改进，这与很多生物燃料不同。例如，生物燃料乙醇，通常与汽油混合使用，但高浓度的乙醇比例需要改进汽车引擎装置，低温情况下发动将会有困难。

Floudas说，合成燃料能够减少路上行驶汽车的碳排放。国家即使立即转换为零排放电动车或者燃料电池车生产策略，仍有数百万的内燃机车在行驶。他说，通过利用合成燃料，就有机会减少气体排放，尽管这不能完全消除。这是创造全新经济的机遇，国家进口的石油量非常庞大。(BobKing/译)