能源危機的反思

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【大紀元7月26日訊】能源危機的反思上個世紀,世界經歷了三次石油危機,但是人們都走過來了。如今,車輛還在高速公路上奔馳,石油化工業仍然源源不斷地為我們提供著各類商品。世界經濟的發動機仍然靠能源推動,而人們對堪稱能源之首的石油的依賴也依然嚴重。但是和以往明顯不同的是,人們對石油似乎已經沒有信心,開始認真的考慮石油的替代品了。究竟是什麼促使人們去這樣思考﹖是對地緣政治和經濟原因的擔憂﹖還是出於環境保護的考慮﹖或是憂心石油總有耗盡的那一天﹖ 詳見《新紀元周刊》第27起封面故事《能源危機的反思》。全文轉載如下:

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人類能源出路和後石化時代的替代能源

文 ◎ 方洪


當代文明是建立在大量消耗能源和資源的基礎上的。沒有了能源的消費,人類的生活方式可能會倒退到中世紀去。而能源問題之所以成為一個問題,是我們選擇了一條依賴機器和技術進步的發展道路的必然結果。而當能源危機出現時,我們又求助於技術革新來解決問題。結果呢,在解決舊問題的同時製造著新的問題;而新問題往往比舊的問題還要棘手。

能源危機的警鐘已經敲響,石油經濟時代終將過去。當一個又一個爭議不斷的替代能源方案問世時,讓我們從具體的技術細節中跳出來,想一想……


二零零三年八月十四日大停電期間,紐約人只得步行。沒有了電力,現代城市陷入癱瘓。

看著懸掛在各加油站油價牌上居高不下的數字,每個人都在思考:這樣的油價會持續多久,會不會變得更糟?

上個世紀,世界經歷了三次石油危機,但是人們都走過來了。如今,車輛還在高速公路上奔馳,石油化工業仍然源源不斷地為我們提供著各類商品。世界經濟的發動機仍然靠能源推動,而人們對堪稱能源之首的石油的依賴也依然嚴重。但是和以往明顯不同的是,人們對石油似乎已經沒有信心,開始認真的考慮石油的替代品了。

究竟是什麼促使人們去這樣思考?是對地緣政治和經濟原因的擔憂?還是出於環境保護的考慮?或是憂心石油總有耗盡的那一天?不論原因如何,人們真的從沒有像今天這樣關心這個話題:後石化時代我們靠什麼──清潔的、可持續利用的能源究竟在哪裏?

無論是政治家、科學家、大公司和民眾,很多人都在思考著。各種各樣的新想法、新技術在醞釀,在開發著。但是在這一切之外,我們可曾換個腦筋思考一下問題的另一面:這些新技術究竟能為我們帶來什麼?是解決問題的長遠之道?還僅僅是解一時的燃眉之急?我們尋求乾淨的終級能源的願望究竟能不能實現?

祖先和我們 誰更富有?

人類能夠在地球上繁衍生息,不僅因為這裡具有我們生存的基本條件:適宜的溫度、陽光、水、廣堥的陸地和浩瀚的海洋;同時還為我們提供了可以在一定限度內發展、繁榮所需要的資源,包括種類繁多的動植物、和儲量豐富的礦藏。

在歷史的大部份時間裏,人類對資源的利用是比較有限的。除了賴以維生的食物和水,對其它資源的消耗很少。生一把火也僅僅是為了取暖和煮食,加上人口有限,因此幾乎沒有什麼大規模的資源開發。那時候,最大的能源可能就是人的體力了。

我們的先人們雖然生活很清貧,但是他們卻擁有清新的空氣、潔淨的水、燦爛的陽光和茂密的森林。相比而言,今天的我們享受著現代化帶來的便利交通、通訊,卻也漸漸失去了良好的自然環境。尤其是對資源、能源不可逆轉的開發利用,使許多人聯想到了一個憂心的課題:資源、能源總有耗盡的一天,到那時候人類靠什麼生活?

石油危機與經濟


世界夜晚太空照片:經濟發達地區燈火通明。能源是經濟的支柱。

人類對能源的大規模開發利用是在工業革命以後,起初主要是煤碳。以蒸汽機、煤碳和鋼鐵為主導因素的技術革命推動了社會生產,從依靠人力、畜力到依靠機器的變革。其實直到二十世紀中期,煤碳依然是世界上最重要的燃料,但石油的消耗量增長迅速。特別是近半個世紀以來,石油化工和交通業的發展使石油對世界經濟和日常生活的影響越來越大,並開始成為影響國際關係和世界格局的主要因素之一。

石油是一種粘稠的、深褐色(有時有點綠色的)液體。地殼上層部份地區有石油儲存。它由不同的碳氫化合物混合組成,其主要組成成份是烷烴,此外石油中還含硫、氧、氮、磷、釩等元素。不過,不同油田的石油成分和外貌,區分很大。。石油主要被用來作為燃油和汽油,是目前世界上最重要的能源之一。同時,石油也是許多化學工業產品如溶液、化肥、殺蟲劑和塑料等的原料。今天百分之八十八的石油被用作燃料,其它的百分之十二作為化工業的原料。百分之九十的運輸能量是依靠石油獲得的。由於石油運輸方便、能量密度高,因此是最重要的運輸驅動能源。此外它是許多工業化學產品的原料,是目前世界上最重要的商品之一。由於石油同時是重要的燃料和化工原料,因而對經濟有深刻影響,有著難以取代的地位。因而石油又被稱為黑色金子。

二十世紀人類經歷了三次石油危機,每次危機從起因到後果都與世界的政治經濟緊密相關。第一次石油危機發生在一九七三、七四年間,當時原油價格曾從一九七三年的每桶不到三美元漲到超過十三美元。這次危機引起了西方發達國家的經濟衰退,據估計,美國GDP增長下降了百分之四點七,歐洲的增長下降了百分之二點五,日本下降了百分之七。

第二次石油危機發生在一九七九年到八零年代初,又稱作一九七九年石油危機。當時伊朗爆發伊斯蘭革命,而後伊朗和伊拉克開戰,原油日產量銳減,國際油市價格飆升。原油價格從一九七九年的每桶十五美元左右最高漲到一九八一年二月的三十九美元。這次石油危機也引起了西方工業國的經濟衰退,據估計,美國GDP大約下降了百分之三。

第三次石油危機(一九九零年)因海灣危機而爆發,而後爆發了人類第一次因為石油而發動的戰爭。當時三個月內原油從每桶十四美元,漲到突破四十美元。但高油價持續時間並不長,與前兩次石油危機相比,對世界經濟的影響要小得多。

儲量有限

大多數地質學家認為石油像煤和天然氣一樣,是古代有機物通過漫長的壓縮和加熱後逐漸形成的,因而儲量一定是有限的。世界大多數的石油儲藏是在一九六零年代發現的,目前最大的石油儲藏位於沙特阿拉伯(2,627億桶)、伊朗(1,307億桶)和伊拉克(1,150億桶),其後為阿聯酋、科威特和委內瑞拉。

至今為止人類已經開採了約0.9兆桶石油,關於地球剩下的石油儲量目前沒有定論,但是作為消耗性能源,遲早是要用盡的。二零零四年艾克森美孚估計世界的總儲藏量為1.26兆(萬億)桶(1,717億噸),同年英國石油公司的估計為一點一四八兆桶(1,566億噸),而《科學》雜誌的估計為3兆桶。

這些石油可以開採多久?以沙特為例,目前每天開採1,037萬桶算,那麼擁有最大儲藏量的沙特石油大約可以開採七十年。較多的估計認為今天的世界儲藏量僅夠用五十年。但也有人認為,隨著新油田的發現,石油的未來並不那麼悲觀。不過隨著中國等國家石油消耗量迅速大增,石油的使用壽命存在變數。


巴西一石油海上平臺二零零一年出現原油洩漏污染海面。

環境影響

石油不僅儲量有限,而且開採費用昂貴。更重要的是,它會對生態環境造成破壞。石油燃燒時向大氣層釋放二氧化碳,導致全球變暖。每能量單位石油釋放的二氧化碳低於煤,但是高於天然氣。但是作為交通用燃料要減少焚油導致的二氧化碳的釋放尤其棘手。一般只有大的發電廠才能夠裝配吸收二氧化碳的裝置,單個車輛無法裝配這樣的裝置。

石油的海上探油和開採會打擾海洋環境。尤其以清理海底的挖掘工作破壞環境最大。油輪事故後洩漏的原油或提煉過的油在阿拉斯加、加拉帕戈斯群島、西班牙和許多其它地區脆弱的海岸生態系統造成嚴重的破壞。由於這一系列問題,開發石油替代能源的工作正在緊鑼密鼓的進行著。

替代能源

雖然目前有可再生能源作為選擇,但是可再生能源能夠取代多少石油以及可再生能源本身可能導致的環境破壞還有很大爭議。

陽光、風、地熱和其它可再生能源無法取代石油作為高能量密度的運輸能源。要取代石油,這些可再生能源必須轉換為電(以蓄電池的形式)或者氫(通過燃料電池或內燃)來驅動運輸工具。但是這些技術要想大規模應用還不成熟,以氫燃料為例,運輸、儲藏都是難以解決的問題;而且氫的生產目前主要來自於天然氣,這就是氫作為可再生能源的牌子大打折扣。即使以電解水生產氫,也需要消耗電能,那麼這電能從何而來?

另一個方案是使用生物質能產生的液體燃料(乙醇、生物柴油)來驅動運輸工具。特別是乙醇,燃燒不產生二氧化碳,被稱為清潔能源。但是由於乙醇生產原料是人類食物──玉米,大規模用乙醇做燃料必然導致汽車和人爭奪「口糧」的尷尬問題。如果用木材製造乙醇,那將大規模破壞森林資源,對環境的影響難以估量。總而言之,要取代石油作為主要運輸能源是一件非常不容易的事情;而石油作為塑料生產等日用化工的主要原料的作用就更難以替代。

但是有一點可以肯定,石油經濟不可能持久。而無論未來的能源是什麼,這個轉變過程都將給國際政治經濟格局,乃至日常生活方式帶來根本的改變。

人類對能源的求索有答案嗎?

能源問題與世界糧食問題、人口問題、環境問題、水資源虧乏等是交織在一起的。很多解決能源問題的方案實際上是把能源方面的壓力轉嫁到了其它方面。比如用乙醇取代石油作為燃料或許可以減少污染,但是卻使大量世界人口面臨更嚴峻的糧食危機。那麼能源問題的出路究竟在哪裏呢?

人們曾展開幻想的翅膀,遙想潔淨、永恆的能源為我們帶來持久的繁榮。然而我們目前圍繞技術展開的發展道路卻無法在可以預見的未來實現這一夢想。因此有越來越多的人對能源問題,甚至整個未來抱有悲觀的態度。好萊塢的電影《明天過後》、《未來水世界》等,無不反映了人們對於濫用自然資源造成可怕後果的擔憂。同時也反映出西方社會已經開始懷疑由他們自己一手開創的這條發展道路。

當代文明是建立在大量消耗能源和資源的基礎上的。沒有了能源的消費,人類的生活方式可能會倒退到中世紀去。而能源問題之所以成為一個問題,是我們選擇了一條依賴機器和技術進步的發展道路的必然結果。而當能源危機出現時,我們又求助於技術革新來解決問題。結果呢,在解決舊問題的同時製造著新的問題;而新問題往往比舊的問題還要棘手。

許多人開始反思,甚至有越來越多的人開始羨慕中國古代的發展模式:無為治國,藏富於民的社會理念;人們追求的是自給自足和安居樂業;讀書人雖有志於天下,卻不強調進取性的改造社會。這與西方的社會發展觀完全不同。


宋朝的財富比當時世界其他地區加起來還多。

中國古代大部份時間都遠比世界其它地區富有,甚至到十九世紀工業革命已經給西方社會帶來巨大改變的時候,中國仍然擁有占全世界近一半的財富。但就在那個時候,由於西方啟動了近代工業,軍事技術的領先終於迫使中國反思自己為之自豪了數千年的文化和智慧,在無奈中痛苦地接受了西方激進的社會發展道路。

二十世紀的技術水準超越了以往任何時代,然而這並沒有給人類帶來福份。相反,二十世紀是個災難的世紀。兩次世界大戰、共產主義運動、經濟危機、生態危機……嚴格的講,都是激進的社會觀造成的。經歷了這一切後,西方開始成熟了,尤其是二十世紀中葉後,西方人漸漸放棄了與自然對立的發展觀。比如開始注重環境保護,認識到所謂的社會從低到高發展並不能持久;也有不少人認為如果人類這樣下去,將重蹈諸多史前文明覆滅之覆轍……還有許多西方人,包括一些科學家,希望從古老的東方智慧中尋找答案。但是緣於文化的差異,很難理解中國傳統智慧的真諦。

反觀中國,一百多年來學西方,至今學的四不像。而最可惜的是,由於長期對傳統文化的否定,今天能領悟傳統文化精華的已經很少。上天或許曾經賦予中國文化這樣的機緣,在西方文明所主導的發展道路走向沒落時,引領人類回歸。而中國人卻因為自己一時的自卑而造成了遺憾。在今天,或者在不久的將來,當西方也在無奈中,舉目遙望東方以求出路的時候,我們能為世界貢獻什麼呢?

能源危機的警鐘已經敲響,石油經濟時代終將過去。當一個又一個爭議不斷的替代能源方案問世時,讓我們從具體的技術細節中跳出來,想一想……

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後石化燃料時代即將來臨嗎?
──汽車替代燃料面面觀

文 ◎ 唐逸仁


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


二零零七年底特律車展上的寶馬氫氣動力車。(Getty Images)

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。

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酒精燃料對全球食品供應的影響

新聞提示:在國際原油大幅漲價,能源危機重現端倪的今天,以汽油為「食物」的汽車首當其衝受到影響。面對全球範圍的能源短缺前景,石油競爭進入白熱化,開發替代能源刻不容緩,所以許多國家,如美國、中國、日本、巴西、韓國、澳洲和加拿大等,都在未雨綢繆,試行各種新能源替代方案,比如對風能、生物能、太陽能等清潔能源的開發利用,其中以酒精(乙醇)燃料的開發最為引人注目,影響也最大。

文 ◎ 楊偉華
(本文作者現任美國阿拉巴馬農工大學食品和動物科學系副教授)


波士頓一處乙醇生產工廠。(Getty Images)

在美國,酒精燃料已經成為政府試圖解決能源短缺的主要策略。布什總統在國會的國情咨文中宣稱,到二零一七年美國將生產三百五十億加侖的替代燃料,其中包括以穀物和纖維為原料製造的乙醇。

在南美洲的巴西,乙醇燃料從一九三零年代開始就已成為該國解決能源匱乏問題的砝碼。巴西政府一直不遺餘力提倡將甘蔗轉化為乙醇燃料的技術,目前巴西已有三分之二的甘蔗用於生產酒精能源。在七十年代石油危機之後,巴西政府規定汽油摻和酒精的比例高達百分之二十五,創下世界各國汽油添加酒精比例的最高紀錄。

在中國,持續膨脹的經濟規模、落後的能源利用率和重多的人口加在一起,造成能源供需失衡。官方也不得不開始考慮替代能源的開發,乙醇燃料是其中之一。

儘管酒精的生產可以幫助包括美國在內的許多國家減少對石油的依賴,但是隨著越來越多玉米用於乙醇生產,玉米用於食品加工的數量就會減少,這會連帶產生一系列出人意料的問題。

玉米是美國農業中的重要作物,它是早餐和烘焙食品的主要原料。從玉米中提煉的糖漿則用於生產如糖果、薯片和軟飲料等居家食品。更重要的是,玉米是牛、豬、和家禽等人類食物的主要飼料來源。

最近愛荷華州立大學(Iowa State University)的農業和鄉村發展中心(Center for Agricultural and Rural Development)所作的研究顯示,到二零一二年,美國乙醇生產將用去一半以上的美國玉米、小麥和粗糧,導致食品緊缺和價格上漲。根據這項研究估計,目前乙醇生產已經使得食品價格升高,相當於每人每年增加了四十七美元的消費支出。

種植更多玉米是一個解決方法,但是這麼做意味著其它常用製造食品的作物,如黃豆和小麥等的種植就會減少。開墾土地可以種植更多玉米,但這可能導致水土流失和影響野生動物的生態環境。

根據二零零六年十二月國際食品政策研究院(International Food Policy Research Institute)的報告,要為全人類所有汽車生產足夠的酒精燃料,則需要現在所種植玉米的五倍或現在所種植甘蔗的十五倍。那麼,人類是否能承擔得起這樣的重負?

由於酒精燃料的生產是把腦筋動到人類賴以生存的糧食之上,比如玉米,那麼問題就會變得敏感和嚴重。換句話說,當酒精燃料的生產成為各國能源政策時,汽車的「食物」和人類的食物成為一致,那麼汽車是否會和人類爭奪「口糧」就是一個不得不令人類關注的問題,因為他關係到人類本身的生存和發展。

本文將從酒精燃料對全球食品供應、食品價格、全球反飢餓努力和倫理道德等層面的影響進行審慎的分析,筆者不反對酒精燃料政策,只是想為人們提供一個更為廣闊的視野,來審視這個與人類本身生存和福祉息息相關的事件。

酒精燃料造成全球食品價格上漲

在美國,穀物尤其是玉米,由於被用於乙醇製造的份額逐漸增加,使得全球食品價格上漲。地球政策研究院(Earth Policy Institute)今年三月的報告顯示,玉米價格在二零零六年翻了一番,小麥期貨價格達到十年新高,稻米價格也同樣上漲。此外,黃豆期貨價格上升百分之五十。彭博新聞社的一份分析報告指「玉米用於生產乙醇的數量急劇上升,正在全球食物鏈造成人們不願看到的後果。」

首當其衝受到食品漲價影響的國家,是那些以玉米為主食的國家,比如墨西哥,它是全球二十多個以玉米為主食的國家之一,其玉米餅(Tortilla)的價格上升了百分之六十。最近已有七萬五千名憤怒的墨西哥人成群結隊地上街抗議,迫使政府不得不對玉米餅價格實行控制。


一名墨西哥人抗議玉米漲價。玉米在墨西哥是主要食物。(法新社)

食品價格也在中國、印度和美國都有所上升,其中以中國升幅最大。這三個國家的人口占世界的百分之四十。在包括中國和美國在內的一些國家,玉米的直接消費(口糧)相對較少,其主要用途在於用於生產肉類、禽蛋和牛奶,因此也會非直接影響食物來源。比如穀物和黃豆價格的升漲,使得中國的肉蛋價格也隨之上升。今年頭幾個月,中國豬肉價格已經比去年同期上升百分之二十,雞蛋價格上升百分之十六,牛肉上升百分之六。據媒體的最新報導,七月二日廣州豬肉批發價上漲至一市斤八元四分,上肉零售價也漲至一市斤十一元,雙雙創下廣州豬肉批零價歷史新高。而北京市豬肉批發價格亦再創新高,漲至每公斤十七元。分析人士稱,在短期內豬肉價也不會有較大回落。

在印度,二零零七年一月的綜合食品價格指數也比去年同期高出百分之十。在以小麥為主食的印度北部,小麥價格升漲了百分之十一,已經超出了小麥全球市場的平均價格。

在美國,美國農業部預計二零零七全年的家禽批發價會比二零零六年的平均價格高出百分之十,雞蛋價格則會上升百分之二十一,牛奶上升百分之十四,而且預計價格還會持續上漲。

過去食品價格的上漲通常是因為氣候原因,而且總是短暫的波動,但目前的價格上漲情況有所不同。隨著越來越多的乙醇工廠的建立,全球穀物價格正在朝著它們燃料價值(Oil-Equivalent Value)的方向升漲,而且這種趨勢將是長期的,不是短期現象。

食品經濟 vs. 能源經濟


世界糧食問題與能源問題已經交織在一起(Getty Images)

在歷史上食品和能源一直是兩個獨立的經濟層面,但它們現在正在合而為一。當這兩者混合成為一個新的經濟後,如果穀物的燃料價值超過其食物價值,整個市場將會被轉化成為能源經濟,這時食品價格將隨燃料價格而升降。這是人類最好要避免的狀況,因為燃料價格遠比食品價格更為敏感,可能遭受變動的因素太多,如天災(乾旱、洪澇等)和人禍(戰爭、恐怖主義、政策失當等),隨之對食品價格造成的波動會很大。

酒精燃料 vs. 全球食品供應

目前美國已有百分之十六的穀物用於生產乙醇,並且這個數字還在不斷增長之中。此外,美國還有八十個乙醇工廠正在建造之中,一旦建成,乙醇生產能力將至少翻番。預計在二零零八年將有近三分之一的穀物將用於酒精生產。

由於美國是世界主要穀物出口國,數量比加拿大、澳洲和阿根廷的總和還多,所以任何對美國穀物的影響都將影響到全球食品供應。如果大量美國穀物轉而用於製造酒精來作為汽車燃料,出口將會減少,這也即意味著世人餐桌上的麵包籃很快就會變成美國的燃料箱。

在過去幾十年,全球飢餓人口在逐年下降。但在一九九零年代後期,這一趨勢不再,飢餓人口轉而開始增加。聯合國目前將三十四個國家列為需要緊急食品救助的國家。這些國家中有許多是屬於經濟崩潰或趨於崩潰的國家,包括乍得(Chad)、伊拉克(Iraq)、利比里亞(Liberia)、海地(Haiti)和津巴布韋(Zimbabwe)。由於國際食品救助計畫的預算通常都是固定的,所以一旦穀物價格翻番,就意味著救濟食品的數量將減半。

在中低收入的國家中,如墨西哥,人們對食品漲價的抗議,將會導致政治不穩定,更有甚者可能還會導致國家的崩潰。在某種程度上,政治動盪的擴散可能會打破全球的經濟發展。

在布什總統訂下的到二零一七年生產三百五十億加侖替代燃料的目標中,包括以穀物和纖維為原料製造的乙醇,還有液化煤氣。鑒於目前從纖維製造乙醇的技術仍有待突破,所以仍然造價高昂,而由於使用液化煤將會比使用汽油排放更多的溫室氣體,使社會存在著巨大的反對液化煤氣的呼聲。所以要實現布什總統的這一目標,未來大部份的燃料將不得不來自於穀物。這將會占用大部份美國穀物,而只留下少部份來滿足美國自己的食物需求,而留給那些一百多個需要進口糧食國家的份額將會更少。

上述的種種跡象表明,一個無形的舞臺已經鋪就,在這個舞臺上全球八億汽車擁有者和二十億窮人競爭穀物。這個競爭局面可能導致一個危險後果,就是數以百萬計的處於全球經濟底層的民眾可能因為日益升高的食品價格而不得不降低他們的飲食數量,甚至低於保命的最低界限,從而失去生命。二零零七年二月,世界食品計劃負責人莫里斯(James Morris)表示,現在每天有一萬八千名兒童因為飢餓和營養不良而斃命。在全球市場轉化成為能源經濟後,兒童飢餓的情形將會如何,前景不容樂觀。

酒精燃料的倫理爭議

已有越來越多的研究證據顯示,從玉米生產的乙醇並不是一種理想的可再生能源。生產更多的乙醇意味著農業資源的消耗。在食品供應必須增加以滿足全球人口快速增長的要求的今天,這樣的矛盾會十分尖銳。

今天,全球還有十六億或百分之三十的人口處於營養不足的狀態。這一數字比人類歷史上任何時期都多,並且還在增加。與此同時,人口的增長速度日益增加,全球每天都有超過二十五萬新增人口,而每個人都需要適當的食物來維繼生命。在這樣的前提下,將人類食物資源作為燃料燒掉,無疑會產生倫理爭議。

無論世界怎麼發展,人類靠土地吃飯的情況不會改變。當前農業用地提供了百分之九十八世界食品,而水產養殖只提供百分之二的食物。在全球,包括美國在內,人均耕地和淡水量持續減少,而土壤腐蝕、非森林化、以及因蟲害而損失的糧食持續增加。所有這些因素都造成目前的全球食物短缺。所以,在將更多玉米轉化成酒精前,應該從社會、人文等各方面認真考慮酒精燃料發展所造成的影響。


美國伊利諾州拉羅歇爾一間用玉米生產乙醇燃料的工廠。

替代方法很多 各有利弊

解決這個問題的技術途徑主要有以下幾個方面:第一是提高汽車的燃料利用率。在未來二十年內如果能夠將汽車燃燒效率增加百分之二十,就可以將全美國所有用於生產乙醇燃料的穀物都省下。

第二個途徑只針對美國的情況。有人建議從巴西進口更多酒精來解決美國的燃料問題。目前,美國進口的燃料酒精數量占美國酒精用量的百分之五,還要徵收百分之四十五的保護性關稅。根據巴西產業界的研究,美國從穀物中提煉酒精燃料僅比生產過程中所消耗的化石能源多出百分之十五到二十,而巴西從甘蔗中提煉酒精燃料和提煉過程中,化石能源消耗的比值可以高達百分之八百三十。不過,這樣做僅僅能解決美國的生物燃料的生產、來源以及過程中的消耗問題。但是從全球的角度看,這並不是個明智之舉。

第三是發展可充電的油電混合車(或插入式混合動力車,plug-in hybrid),這一技術的發展很快。在汽油驅動的車上加一個可以夜間充電的儲存電池,就可以滿足短途駕駛──如每天的通勤和購物,只需用電瓶即可。如果將這種方法與風力發電相配合,能源效益會更好。這種主要以電為動力的汽車的行駛費用會大幅度降低,只相當於一美元一加侖的汽油。

目前,包括豐田(Toyota)、日產(Nissan)和通用(GM)在內的汽車製造商已經宣佈了各自的計畫生產插入式混合動力車。一個致力於在全美推廣插入式混合動力車的機構──「插入夥伴」(Plug-In Partners),已經召集了五百零八個合作夥伴,其中包括電力公司、商業公司、州和市政府、農場和環保團體等,具體有:美國公共電力協會、電能研究院、美國風能聯合會、美國玉米種植者協會,以及洛杉磯、達拉斯、芝加哥和波士頓等城市。已有許多合作夥伴提議,一旦插入式混合動力車上市,就會為他們的車隊購買八千多輛插入式混合動力車。

對於華盛頓而言,單純推動酒精燃料也許並不明智。現在也許是鼓勵國民轉向更多節能車,以插入式混合動力車和風力發電為中心的全新汽車燃料經濟的時候了。

另一個值得一試的方法是,將製造酒精的原料多樣化,而不是只依賴穀物:比如從柳枝稷草(switchgrass)和有機殘留物等纖維素提取酒精,而非採用澱粉和糖。不過大量種植柳枝稷草可能會給農地增加壓力,因為農民要騰出更多土地來種植柳枝稷草。

比較吸引人的方法還有廢物利用,比如農業、伐木業和造紙業的廢物都可以用來製造酒精。不過,纖維物質很難化學降解,所以在科學家找到更有效的轉化脢前,纖維生產的酒精價格與玉米生產的酒精價格無法競爭。美國聯邦政府正在資助能夠適合商業應用的纖維釀酒技術,美國能源部新近撥款2.5億美元建立兩家相關研究所。雖然專家普遍認為,從所有的纖維植物中都可以提煉酒精燃料,而且美國在這方面的研究無疑處於世界領先地位,不過這其中還有許多關鍵技術問題等待突破。

汽車的「食物」和人類的食物成為一致,那麼汽車是否會和人類爭奪「口糧」就是一個不得不令人類關注的問題……
全球穀物價格正在朝著它們燃料價值的方向升漲,而且這種趨勢將是長期的,不是短期現象。(http://www.dajiyuan.com)

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