互动科普

乙醇燃料风波骤起

撰文  马修·L·沃尔德（Matthew L. Wald）

翻译  赵学庆

如果你有机会来到美国南达科他州苏福尔斯机场的候机大楼，不妨趁着行李运到前的空闲四处参观一下。一辆绿白相间的印地赛车（Indy）穿梭在几条行李传送带之间，车身上的贴花图案标明它以乙醇（ethanol）作为燃料；在租车公司的摊位前，有一个醒目的标志，提醒客户不要给出租车加注E85——当地出售的超级乙醇混合燃油，这种混合燃油会损坏出租车引擎，因为当地的出租车并不是为这种混合燃油而设计的。

乙醇之乡苏福尔斯，是美国将碳水化合物（carbohydrate）转变为碳氢化合物（hydrocarbon）的推广中心。

在美国，乙醇热潮持续高涨，甚至开启了一个燃油转换过渡期，规模之大，恐怕只有40年前电力行业建造的数百座核电厂方可媲美。2005年8月，美国国会通过了一项重要能源法案，要求到2012年，将乙醇年产量从2005年时的40亿加仑左右增加到75亿加仑（1加仑约等于3.8升），以便取代进口燃油。业界人士认为，在美国政府的税收优惠和补贴政策扶持下，特别是如果油价仍然居高不下，那么这一目标的实现有望大大提前，因为将农作物转化为乙醇的成本，远远低于2006年秋天的汽油零售价——每加仑2.50美元。

实际上，据美国可再生燃料协会（Renewable Fuels Association）介绍，2006年美国的乙醇产量超过50亿加仑。与每年约1,400亿加仑汽油和柴油消耗量相比，虽然这一数量还显得微不足道，但是乙醇产量在一年内却增长了50％。美国能源部（DOE）负责能效和可再生能源的副部长安迪·卡斯纳（Andy Karsner）称，由于高油价增加了乙醇的市场吸引力，开发商纷纷修建乙醇工厂。他断言美国将出现一个乙醇繁荣期，“类似于19世纪50年代宾夕法尼亚州的石油热”。

这股热潮真能给人们带来好处吗？实际上，目前我们生产乙醇的方式并没有多大优势。美国所有的商业乙醇燃料都用玉米粒制造，采用能量密集型的生产方式。一些研究表明，炼制一加仑乙醇所耗用的能量，甚至高于它燃烧时所提供的能量。即使一些支持玉米乙醇的研究，也只能证明它的能源净收益微乎其微；另一种持反对意见的研究则表明，同原油－汽油循环比起来，玉米－乙醇循环在减少温室气体方面的作用，几乎可以忽略不计。

在乙醇生产厂商完善纤维素（cellulose）乙醇生产方法之前，玉米乙醇毫无经济或环保意义。纤维素是组成玉米秆、树木及其他草本植物草茎的木质成分，对它的管理和收割只需要耗费较少的能源。但是，虽然科学家知道某些基于生物学的加工方法，可以转化纤维素中的糖分，但是一些试图生产纤维素乙醇的公司，迄今也未能形成商业规模的批量生产。甘蔗是最佳植物能源，它所拥有的可用于制造乙醇的糖分含量，远远高于玉米秆和草本植物中的含量，但是美国缺乏巴西那样的气候条件和廉价劳动力，无法对甘蔗进行开发利用。

要实现用纤维素生产乙醇，就需要对农业生产和工业生产工艺进行重大改进。否则，乙醇仍将是几乎没有任何净收益的、难于利用的产品，美国也将继续依赖进口石油。

玉米乙醇：可再生能源？

不少人一直把用玉米生产的乙醇视为“可再生能源”。据最新调查统计，生产一加仑玉米乙醇可谓“入不敷出”，所耗用的其他能量（如天然气、柴油）几乎接近或甚至高于它所产生的能量。况且，各生产环节中排放的二氧化碳，也有悖于“清洁能源”的初衷。

美国生产的大部分乙醇，都被用作汽油的一类添加剂，它可以按1∶9的比例与汽油混合使用，这是普通引擎能够使用这种混合燃油而不遭致损坏的最高比例。在有些地区，主要是在农业区，驾驶员能够购买到E85混合燃油，这种混合燃油含有85％的乙醇和15％的普通无铅汽油（unleaded regular gasoline），主要供专门设计的“柔性燃料”（flexible fuel）引擎使用。对于普通引擎而言，乙醇与蒸馏酒中所含的酒精一样，会腐蚀掉引擎和燃油系统中的密封件。数百万辆汽车都装备了这种引擎（不过许多车主都并不知情），然而E85销售点却只有几百个，而且目前这一燃油供应链的扩展速度也极为缓慢。

尽管如此，玉米乙醇仍然发展迅猛，部分原因在于，在美国华盛顿哥伦比亚特区，它拥有一支由农业州参议员和众议员组成的强有力的两党支持者队伍。此外，它还得到了一些非农业州地区人士的支持，这些人认为美国应减少对进口石油的依赖。由于玉米能年复一年栽种和收获，鼓吹者便认为乙醇是一种可再生燃料。美国可再生燃料协会还印发了一本装帧精美的宣传小册子，暗示每年消耗75亿加仑乙醇，就意味着少进口1.79亿桶外国石油。这一水平大约相当于美国15天的石油进口量——虽然不能“药到病除”，但至少开了一个好头。

然而，这只是玉米乙醇的表面风光而已，实际上它仍有不少问题。第一个问题在于，一标准桶（42加仑）乙醇只相当于大约28加仑汽油，因为一标准桶普通无铅汽油含有约11.9万英热单位（Btu，1英热单位约为1,055焦耳）能量，相比之下，一标准桶乙醇只含有8万英热单位能量。因此你给油箱加满E85混合燃油时，其实只相当于加了2/3油箱的汽油。即使一加仑乙醇的售价更为便宜，但要行驶一加仑汽油所能行驶的里程，你必须购买更多的乙醇。

第二个问题则在于，美国缺少生产乙醇所需要的某些资源。美国的玉米资源确实丰富，玉米地从苏福尔斯机场四周一直连绵延伸到远方。但制造乙醇需要耗费大量的天然气。燃油用乙醇的生产方法与酒用乙醇的制造方法基本相同。酵母（yeast）消耗掉糖分而释放出酒精和二氧化碳，所获得的产物经过蒸馏，让酒精蒸发，然后将酒精收集起来加以冷凝。各个生产环节都需要用天然气来加热。目前，生产一加仑乙醇（含有8万英热单位能量），需要大约3.6万英热单位的天然气。

20世纪90年代，美国国会力图通过一些法案，鼓励乙醇制造厂商生产更多乙醇，支持一些农业州的经济发展。当时天然气较为便宜，每百万英热单位的天然气平均价格约为3美元，而到2005年冬天，天然气价格已飚升至14美元。此外，高需求量必然会刺激天然气价格向上攀升。虽然乙醇支持者认为乙醇燃料是未来可持续能源的一个组成部分，但是耗费的大量天然气，却是不可再生的，甚至难以支持现在的需求。美国乙醇产量正在下降，加拿大乙醇产量也满足不了人们的消费需求。具有讽刺意味的是，为了制造“本土”乙醇，美国将不得不从北美洲以外的地区进口更多的天然气。

一些乙醇生产厂商正在用煤替代天然气，但这又有悖于人们对于清洁能源和可再生能源的定义。烧煤会释放大量的二氧化碳，这样一来，使用乙醇燃料的汽车对气候变化造成的影响，反而要比原来使用普通汽油的汽车严重得多。理论上讲，一家乙醇生产厂为了生产乙醇，可从电力公司购买电力来提供生产所需热量，但是对于许多美国电力公司来说，那样就可能意味着，要燃烧更多的煤和天然气来满足这一用电需求。

生产乙醇还需要一些其他形式的能源。乙醇不像汽油或柴油那样可以用管道来输送，因为这类输送管道很容易进水，虽然水不会与汽油或柴油混合，但是却能与乙醇混合，一旦混合就会破坏乙醇的燃料热值。因此，为了将乙醇运往市场，就需要动用卡车，有时还需要长途运输，这就必须消耗柴油。此外，联合收割机收割玉米作物也要耗用柴油，而种植玉米所用的化肥，其生产过程也离不开天然气。

上述一些问题成了计算乙醇“净能量平衡”的关键因素。这一话题引起了人们激烈争论。2005年，美国康奈尔大学的农学教授戴维·皮门特尔（David Pimentel）宣称，制造一加仑乙醇所耗费的能量，超过了它燃烧时产生的能量。一些持相反意见的人则反驳说，皮门特尔几乎没有考虑乙醇副产品的价值，其中一些能够用作家畜饲料（可取代栽种部分用作饲料的玉米），而且他将一些与乙醇无关的能源成本也统统算到了乙醇头上，甚至包括了乙醇工厂工人的用餐成本。但是，这些分析家都一致认为，即使乙醇的净能量值为正，增益也十分微小。同一年，美国生物科学学会（American Institute of Biological Sciences，缩写为AIBS）的一份重要研究报告断定，用玉米生产的乙醇所能产生的能量，仅比生产玉米乙醇所需的能量多出10％左右。与巴西用甘蔗生产乙醇高达370％的能量产出相比，这一数据显然微不足道。

据美国阿尔贡国家实验室运输研究中心的环境科学家王全录（Michael Wang）估算，考虑到所有的生产环节——玉米地施肥、玉米收割、将玉米淀粉浆蒸馏为酒精等等，每生产100万英热单位的乙醇，需要耗用74万英热单位的化石燃料。虽然乙醇一直被当作为农产品推广，但它基本上还是化石燃料的产物。

在减少温室气体方面，乙醇带来的好处更是微乎其微。在2006年1月出版的《科学》杂志上，美国加利福尼亚大学伯克利分校的能源与资源助理教授亚历山大·E·法雷尔（Alexander E. Farrell）撰文宣称，乙醇在减少温室气体方面的作用“难以确定”。在考察了各种研究报告之后，法雷尔及其合作撰稿人断定，在排放大气污染物方面，用天然气生产的乙醇比汽油产品要稍好一些，但是用煤生产乙醇却更糟糕。燃烧一加仑汽油释放大约20磅二氧化碳（1磅约为450克），其中包括了来自汽车引擎和炼油厂的排放量。尽管乙醇的这一可比数据尚存争论，但到底是稍好一点还是更糟一些，主要取决于乙醇的生产过程。以限制二氧化碳排放量为理由，鼓吹乙醇燃料的说法是靠不住的。

玉米乙醇——利益结果

玉米乙醇背后暗藏着玄机。为了自己的利益，来自农业地区的政治家们联手，大力推行玉米乙醇；一些生产能力不足的厂家更是巴不得往汽油添加乙醇，提高自己的产量。

令人遗憾的是，无论是在2005年制定《2012年可再生燃料标准》时，还在是给予每加仑乙醇51美分税收减免的优惠政策时，玉米乙醇的净能量和污染方面的问题，可能都没有引起美国联邦政府足够的重视。一位在能源与污染问题上经验丰富的美国联邦政府官员说：“美国国会并未进行生命周期分析，却采用了ADM分析。”所谓ADM，指的就是阿彻·丹尼尔·米德兰（Archer Daniel Midland），多年来，这位美国农产品巨头一直是玉米乙醇政策背后的有力推动者。

对于那些制定能源政策的人来说，燃料使用周期分析似乎确实是一种新观点。分析人员第一次不是仅根据价格来评估低值英热单位转化为高值英热单位（例如将煤转化为电力，或将原油转变成汽油）的回报价值，而是开始从能量耗用量和污染物排放量的角度来看待问题。

然而，这类评估是否会影响政策则是另一回事。例如，众多提倡使用某些生物燃料（biofuel）、风能和太阳能的人，已经建立了一个自称为“25×25”的保护团体。他们希望，到2025年，美国25％的能量来自于可再生能源。美国国会有几十位议员都支持这一团体，然而在2006年春天，在华盛顿特区专为介绍这一团体而举行的新闻发布会上，该团体的负责人本人都甚至无法说清楚，最大的能源到底是风能、太阳能、乙醇，还是直接燃烧的生物质能。他们提出的这种观点，在数学上根本不值一驳。

一些人对乙醇突然感兴趣，实际上是在一些限制汽油制造方法的政策努力失败之后，出现的非预期结果。20世纪80年代，美国一些州开始规定汽油含氧量，试图使汽车使用更清洁的燃料，但考虑却欠周全。作为对这种规定的回应，大多数炼油厂都往汽油里添加甲基叔丁基醚（methyl tertiary butyl ether，缩写为MTBE），而不是添加乙醇。几年后，一些检查人员发现，泄漏到泥土中的汽油，很容易将MTBE这种可能致癌的物质，渗透到当地的饮用水中。

在《2005年美国能源法》中，美国国会删去了鼓励MTBE的条款，一些炼油厂也因为种种潜在的弊端而放弃了这种添加剂。但是，炼油厂需要另外一种高辛烷值替代品，而且它们担心又会出现一些要求汽油含氧量的新规定，便纷纷选用了乙醇。美国炼油厂也刚好生产能力短缺，添加乙醇可以提高汽油产量，这样一来，就可以避免投入大量资金去新建炼油厂了。

走出困境——纤维素乙醇

利用纤维素来生产乙醇，不失为一种可选方案。纤维素不仅来源丰富，而且生产成本极低，有益于环保。但要实现纤维素乙醇的商业性规模生产，研究人员还得攻克一些生物技术难关。

另一个根本问题也困扰着当前的乙醇方案，那就是玉米产量。这种农作物目前处于生产过剩状态，但即便是这样，对于极度渴求燃油的美国，也只是杯水车薪。

2005年2月，皮门特尔在写给美国亚利桑那州参议员约翰·麦凯恩（John McCain）的一封信中指出，制造34亿加仑乙醇要耗掉美国大约14％的玉米作物。他指出，照这样的比例计算，美国的全部玉米作物也只可能为美国车辆提供7%的燃油。即便以某种方法大幅增加玉米作物的产量，美国农民也绝对无法生产出满足美国燃油所需的玉米数量。而且一些持反对意见的人认为，如果加速发展农业，增加的农作物产量也应该用于扩大出口规模，或提供给世界上缺少粮食的人们。

用纤维素生产乙醇不失为一种解决方案。纤维素是玉米秆、谷类植物的禾杆和其他植物的杆茎的组成部分，这里所谓的其他植物，是指一般不被认为是农作物的植物，例如某些快速生长的禾本植物。纤维素的数量远远多于玉米粒；据美国农业部及有关部门介绍，美国各地的纤维素收获量巨大，能生产出够多的乙醇，可代替美国汽油耗用量的1/3。

从纤维素的糖分提取出乙醇，既节约了玉米，又获得了能源，可谓一举两得。对玉米来说，纤维素本身被认为几乎是完全“免费的”——收割玉米秆只是稍稍增加了一点工作量，也不需要多用化肥。农场主认为，为了让土壤恢复活力，他们必须将一些玉米秆、玉米芯和玉米叶埋到土壤下，即便是这样，仍可获得大部分的玉米作物物料。柳枝稷（switchgrass）几乎无须施肥，是最适合用来制造乙醇的禾本植物之一。

此外，纤维素提取糖分后余下的材料，是一些还能燃烧的木质素（lignin）。位于加拿大安大略省渥太华的艾欧基公司（Iogen），引领着北美纤维素乙醇的研究方向。该公司预测，一家具有商业规模的乙醇工厂，燃烧这些余下的木质素所得到的能量，将提供足够多的余热来生成水蒸气用于发电。无须使用食用农作物来制造燃料，纤维素乙醇制造过程从农业废料开始，最后生产出两种适销产品：交通运输用燃油和电力。采用纤维素乙醇为燃料的汽车，二氧化碳净排放量几乎为零——如果用其附带生产的电力来取代燃煤或燃气电厂的话，它的二氧化碳净排放量甚至可能出现负值。木质素在燃烧时，的确会释放出二氧化碳，但是生长中的新生玉米或柳枝稷又会将这些气体消耗掉。一些持乐观态度的人（包括艾欧基公司的科研工作者）预计，这一制造方法经过改进后，还可使用价值越来越低的原料，例如将纸张所含的纤维素转变成乙醇。所谓纸张，也包括了你手中这本杂志所用纸张（当然要等你读完之后，才能被回收利用，制造乙醇）。

不过，这种方法仍然存在一些问题。问题的根本在于掌握一种自然分解纤维素的方法；在将糖分从这些木质素中释放出来之前，我们无法将固着于纤维中的糖分提取为乙醇。这项工作必须由细菌或真菌产生的一些酶来承担。这些细菌生活在一些难以接近的地方，例如偏远丛林的下层灌木丛中或白蚁的消化道内，它们比酵母更难于驯化。要诱使它们进入一个容量为2,000加仑的不锈钢罐，在陌生环境中生长繁殖，是相当棘手的。为了实现大规模工业化生产，还必须控制这些微生物的活性，让它们能在这样一个空间内持续将糖分转化为乙醇。

一些公司已将其专利工艺制造方法投入实际应用，但是看起来还没有哪种方法能让投资者动心，尽管这些公司对它们的技术问题尚不清楚。在2006年9月美国众议院召开的一次专家讨论会上，一些公司还抱怨说，他们无法说服设计公司向银行保证已建成的工厂能正常运行。

某些可靠的微生物可以改善这种状况。艾欧基公司的工艺制造方法，就利用了一种从关岛采集来的真菌，该公司科学家把这种真菌戏称为“热带皮肤病”，并且已经改造了它们的DNA，使它们能生产出更多的我们所需要的酶。另一些研究人员正在使用一些由蘑菇生产的酶。2006年秋天，本田公司称可能找到了一种新虫子来承担这一任务。美国马萨诸塞州剑桥的Agrivida公司正在设法以生物工程方式来改造玉米，这种生物工程玉米所含有的一些酶，可使纤维素更快分解出乙醇。

尽管如此，2006年9月，美国能源部长塞缪尔·博德曼（Samuel Bodman）在与记者的一次非正式谈话时仍表示，该技术在5年之内可投入商业运作。许多其他公司似乎还没有做好商业化生产的准备，但在一定程度上，政府出台的慷慨激励政策将吸引他们跃跃欲试。

现在看来，依靠玉米生产乙醇并非一种可持续战略：农业生产绝对无法提供足够数量的玉米作物，生产玉米乙醇也不能阻止全球气候变暖。从社会意义上来讲，生产玉米乙醇还可能会被认为是在夺人盘中之餐。一些支持者将玉米乙醇界定为向纤维素乙醇过渡的一座技术性桥梁，但目前看来，这座桥梁还不能通向光明的彼岸。