互动科普

替代燃料还有许多课题需要研究

与等量的汽油相比，多数替代燃料燃烧所得到的热能却比较少，即多数替代燃料的热能转换效率不如汽油。例如，从燃烧乙醇得到的热能，大约只有燃烧相同体积汽油的65%。换言之，想得到与燃烧汽油相同的热能，就需要1.5倍的替代燃料。这就意味着，当替代燃料的价格至多是汽油价格的65%时，在经济上才会有一些优势。新燃料汽车技术研究中心的后藤新一主任指出：“就乙醇燃料的生产成本而言，每升必须控制在40日元（约合人民币3.16元）以内：在价格竞争中才可能会有一些优势。”

还有一种热效率与主流燃料相近的替代燃料，就是生物燃料。即把植物来源的中性脂肪，也称为甘油三酯（TG，triglyceride）经过化学转化成为脂肪酸甲脂（FAME），也可以作为环保的替代燃料。

这种脂肪酸甲脂与柴油的点火特性相同，也称为“生物柴油”。由于柴油机需要仔细调节燃料的喷射状态和时机，而植物油本身的黏着性过强，不便调节，故不能直接用于柴油发动机。但通过酯交换等化学反应处理后，其黏着性就会大大变弱，适于作为柴油机的替代燃料。因为脂肪酸甲脂（FAME）可以从植物油、菜籽以及由于具有毒性而不宜食用的麻风树（Jatropha）果实中提炼，所以原料获得渠道众多。

在各种生物燃料开发齐头并进的背景下，“Well to Tank”阶段也出现了环保的解决方案。因为生物燃料的原料来自植物，而植物在生长过程中需要吸收二氧化碳。例如，许多生物燃料的原料来自以甘蔗和木材为代表的植物，于是在“Well to Tank”阶段，其二氧化碳的排放量，甚至可以呈现出负值。因此，燃烧生物燃料所排出的二氧化碳的数量可以忽略不计。这种计算方法也被称为“碳中和”（Carbon Neutral）。

另外，也有人认为采用生物燃料并非是环保的好办法。比如，甘蔗是制造生物酒精的主要原料，而近年《科学》杂志发表的一些研究表明，为了不断扩大甘蔗田的种植面积，大片的森林植被受到破坏，而这些植被吸收二氧化碳的能力远远超过甘蔗田。

图1. 替代燃料环保效果如何？

描述替代燃料在“Well to Tank ”（粉红色部分）阶段和“Tank to Wheel”（淡蓝色部分）阶段的二氧化碳排放总量图。负值一侧的粉红色部分表示的是，如果排放量上升时，推测的二氧化碳吸收量。但是，如果再把正值方向淡蓝色部分加在一起合计，才是二氧化碳的排出总量。图中可见，该值较小的废食用油-脂肪酸甲酯过程是最为环保的。

替代燃料的生产过程必须兼顾环保与经济

在评价替代燃料在“Well to Tank”阶段对环境的影响时，分析其采用的原材料以及制造过程，无疑是很重要的。如果生产替代燃料时把本该被代替的原油作为原材料，显然就本末倒置了。此外，如果把稻谷作为原材料，在合成为燃料的生产过程中，会消耗过多的能量，不符合节能的理念。另外，由于稻谷本身就能够吸收二氧化碳，把稻谷变成燃料的过程，反而会使二氧化碳的总排放量增多。

替代燃料应当具有较好的价格优势，也是很重要的一点。特别是作为汽车的替代燃料，能够廉价、大量生产制造和储运，更是不可欠缺的条件。“木材干馏法”可能是一种很有希望的方法，采用“木材干馏法”可以用间伐出来的不合格树木、板材等植物（生物质）作为原料，经过干馏、热解、冷凝等加工后，得到含有一氧化碳和氢气的合成气体，然后再利用这些合成气体制造出木甲醇，由此再进一步生产出二甲醚。

采用木材干馏法得到的合成气体的成分，几乎都是来源于构成树木本身的木质成分材料，而再把这样的气体变换成为甲醇所采用的方法，均为工业化加工方法，也不会出现其他杂质。2011年日本在新泻市设厂，专门以木甲醇为原料，生产二甲醚。而且，日本国内许多研究所也正在开展以植物为原料，生产二甲醚的实用性开发研究工作。

从工业化角度看，利用一氧化碳和氢气，使用适当的催化剂，生产出只含有必要的碳氢化合物的液体合成燃料的方法，是有可能成功的。工业化生产一氧化碳和氢气的原料，主要有天然气、生物质以及煤炭等3类物质。根据所用原料种类的不同，合成液体替代燃料的生产流程分别称为GTL（Gas to Liquid），即天然气到液体燃料；BTL（Biomass to Liquid），即生物质到液体燃料；CTL（Coal to Liquid），即煤到液体燃料。

因为这些合成燃料中，没有硫以及环状芳香烃等成分，所以它们燃烧时几乎不会排放出大气污染物。而燃烧所得到的热能，也与普通燃料大致相等。但是目前在经济适用性方面，还需要进一步改进，降低生产成本，以便具有价格竞争力。

即使替代燃料本身具有环保特性，也不能保证在运输的过程中耗费的能源是环保的。例如，目前全球生物乙醇燃料产量的80%以上来自巴西和美国；而生物柴油则大部分产自东南亚各国。其他国家必须要从这些原产地进口，长途运输是不可避免的。

为了使燃料运输过程也尽可能实现环保，最合理的办法是提倡“地产地消”，即在燃料生产地消费这些燃料，或者说，尽可能在燃料的主要消费地区生产所需的燃料。比如，通过废食用油加工制造的生物柴油，就可以实现“地产地消”。当地的生活协作组织用于搜集、配送废食用油的运输卡车，可以使用废食用油加工合成的生物柴油作为燃料。为了推广清洁生物柴油的使用，在政府的指导下，可以在各地建立一些示范点。但是由于目前生物柴油还不能大量制造，还很难大规模推广。

如上所述，目前出现了多种替代燃料，原料来源也比较丰富，制造过程各有千秋，性能方面各有长短，在各种替代燃料纷纷登场的大好形势下，使用清洁燃料的各种环保汽车不断涌现和成熟。

图2. 汽车燃料的多种制造方法及其特征

燃料的原材料（左）与主要制造流程。红色为矿物质燃料与现在的汽车燃料。绿色为生物质与生物燃料。右侧列出了各种替代燃料及其主要特点。其中最有希望投入工业化生产的生物燃料制造方法，首推“木材干馏法”。采用“木材干馏法”，可以用间伐出来的不合格树木、甘蔗等植物（生物质）作为原料，经过干馏、热解、冷凝等加工后，得到含有一氧化碳和氢气的合成气，然后再利用这些合成气得到甲醇，进而生产出大量的二甲醚等合成燃料，它们只含有汽油、柴油中所包含的碳氢化合物成分，而没有硫、芳香烃等其他颗粒状杂质。

氢气是终极的清洁燃料

本文介绍了汽车的改良技术以及能够替代原油的几种清洁燃料，但尚未涉及被称为终极清洁燃料的氢气。在上期我们介绍了电动汽车，其中的燃料电池车就采用氢作为能源，其实氢气完全可以直接作为汽车的燃料。研究表明，即使对于需要强大动力的卡车而言，也能够将氢气作为燃料。

从“Well to Wheel”整个过程考虑，也许有人会认为，如果是通过矿物质燃料制造出的氢气，很难做到环保。借鉴近年来通过太阳能发电得到的清洁电力等例证和经验，制造出真正清洁的氢燃料，还是值得期待的。

（本文发表于《科学世界》2011年第6期）