能源危机的反思

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【大纪元7月26日讯】能源危机的反思上个世纪,世界经历了三次石油危机,但是人们都走过来了。如今,车辆还在高速公路上奔驰,石油化工业仍然源源不断地为我们提供着各类商品。世界经济的发动机仍然靠能源推动,而人们对堪称能源之首的石油的依赖也依然严重。但是和以往明显不同的是,人们对石油似乎已经没有信心,开始认真的考虑石油的替代品了。究竟是什么促使人们去这样思考﹖是对地缘政治和经济原因的担忧﹖还是出于环境保护的考虑﹖或是忧心石油总有耗尽的那一天﹖ 详见《新纪元周刊》第27起封面故事《能源危机的反思》。全文转载如下:

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人类能源出路和后石化时代的替代能源

文 ◎ 方洪


当代文明是建立在大量消耗能源和资源的基础上的。没有了能源的消费,人类的生活方式可能会倒退到中世纪去。而能源问题之所以成为一个问题,是我们选择了一条依赖机器和技术进步的发展道路的必然结果。而当能源危机出现时,我们又求助于技术革新来解决问题。结果呢,在解决旧问题的同时制造着新的问题;而新问题往往比旧的问题还要棘手。

能源危机的警钟已经敲响,石油经济时代终将过去。当一个又一个争议不断的替代能源方案问世时,让我们从具体的技术细节中跳出来,想一想……


二零零三年八月十四日大停电期间,纽约人只得步行。没有了电力,现代城市陷入瘫痪。

看着悬挂在各加油站油价牌上居高不下的数字,每个人都在思考:这样的油价会持续多久,会不会变得更糟?

上个世纪,世界经历了三次石油危机,但是人们都走过来了。如今,车辆还在高速公路上奔驰,石油化工业仍然源源不断地为我们提供着各类商品。世界经济的发动机仍然靠能源推动,而人们对堪称能源之首的石油的依赖也依然严重。但是和以往明显不同的是,人们对石油似乎已经没有信心,开始认真的考虑石油的替代品了。

究竟是什么促使人们去这样思考?是对地缘政治和经济原因的担忧?还是出于环境保护的考虑?或是忧心石油总有耗尽的那一天?不论原因如何,人们真的从没有像今天这样关心这个话题:后石化时代我们靠什么──清洁的、可持续利用的能源究竟在哪里?

无论是政治家、科学家、大公司和民众,很多人都在思考着。各种各样的新想法、新技术在酝酿,在开发着。但是在这一切之外,我们可曾换个脑筋思考一下问题的另一面:这些新技术究竟能为我们带来什么?是解决问题的长远之道?还仅仅是解一时的燃眉之急?我们寻求干净的终级能源的愿望究竟能不能实现?

祖先和我们 谁更富有?

人类能够在地球上繁衍生息,不仅因为这里具有我们生存的基本条件:适宜的温度、阳光、水、广堥的陆地和浩瀚的海洋;同时还为我们提供了可以在一定限度内发展、繁荣所需要的资源,包括种类繁多的动植物、和储量丰富的矿藏。

在历史的大部分时间里,人类对资源的利用是比较有限的。除了赖以维生的食物和水,对其它资源的消耗很少。生一把火也仅仅是为了取暖和煮食,加上人口有限,因此几乎没有什么大规模的资源开发。那时候,最大的能源可能就是人的体力了。

我们的先人们虽然生活很清贫,但是他们却拥有清新的空气、洁净的水、灿烂的阳光和茂密的森林。相比而言,今天的我们享受着现代化带来的便利交通、通讯,却也渐渐失去了良好的自然环境。尤其是对资源、能源不可逆转的开发利用,使许多人联想到了一个忧心的课题:资源、能源总有耗尽的一天,到那时候人类靠什么生活?

石油危机与经济


世界夜晚太空照片:经济发达地区灯火通明。能源是经济的支柱。

人类对能源的大规模开发利用是在工业革命以后,起初主要是煤碳。以蒸汽机、煤碳和钢铁为主导因素的技术革命推动了社会生产,从依靠人力、畜力到依靠机器的变革。其实直到二十世纪中期,煤碳依然是世界上最重要的燃料,但石油的消耗量增长迅速。特别是近半个世纪以来,石油化工和交通业的发展使石油对世界经济和日常生活的影响越来越大,并开始成为影响国际关系和世界格局的主要因素之一。

石油是一种粘稠的、深褐色(有时有点绿色的)液体。地壳上层部分地区有石油储存。它由不同的碳氢化合物混合组成,其主要组成成分是烷烃,此外石油中还含硫、氧、氮、磷、钒等元素。不过,不同油田的石油成分和外貌,区分很大。。石油主要被用来作为燃油和汽油,是目前世界上最重要的能源之一。同时,石油也是许多化学工业产品如溶液、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。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为化工业的原料。百分之九十的运输能量是依靠石油获得的。由于石油运输方便、能量密度高,因此是最重要的运输驱动能源。此外它是许多工业化学产品的原料,是目前世界上最重要的商品之一。由于石油同时是重要的燃料和化工原料,因而对经济有深刻影响,有着难以取代的地位。因而石油又被称为黑色金子。

二十世纪人类经历了三次石油危机,每次危机从起因到后果都与世界的政治经济紧密相关。第一次石油危机发生在一九七三、七四年间,当时原油价格曾从一九七三年的每桶不到三美元涨到超过十三美元。这次危机引起了西方发达国家的经济衰退,据估计,美国GDP增长下降了百分之四点七,欧洲的增长下降了百分之二点五,日本下降了百分之七。

第二次石油危机发生在一九七九年到八零年代初,又称作一九七九年石油危机。当时伊朗爆发伊斯兰革命,而后伊朗和伊拉克开战,原油日产量锐减,国际油市价格飙升。原油价格从一九七九年的每桶十五美元左右最高涨到一九八一年二月的三十九美元。这次石油危机也引起了西方工业国的经济衰退,据估计,美国GDP大约下降了百分之三。

第三次石油危机(一九九零年)因海湾危机而爆发,而后爆发了人类第一次因为石油而发动的战争。当时三个月内原油从每桶十四美元,涨到突破四十美元。但高油价持续时间并不长,与前两次石油危机相比,对世界经济的影响要小得多。

储量有限

大多数地质学家认为石油像煤和天然气一样,是古代有机物通过漫长的压缩和加热后逐渐形成的,因而储量一定是有限的。世界大多数的石油储藏是在一九六零年代发现的,目前最大的石油储藏位于沙特阿拉伯(2,627亿桶)、伊朗(1,307亿桶)和伊拉克(1,150亿桶),其后为阿联酋、科威特和委内瑞拉。

至今为止人类已经开采了约0.9兆桶石油,关于地球剩下的石油储量目前没有定论,但是作为消耗性能源,迟早是要用尽的。二零零四年艾克森美孚估计世界的总储藏量为1.26兆(万亿)桶(1,717亿吨),同年英国石油公司的估计为一点一四八兆桶(1,566亿吨),而《科学》杂志的估计为3兆桶。

这些石油可以开采多久?以沙特为例,目前每天开采1,037万桶算,那么拥有最大储藏量的沙特石油大约可以开采七十年。较多的估计认为今天的世界储藏量仅够用五十年。但也有人认为,随着新油田的发现,石油的未来并不那么悲观。不过随着中国等国家石油消耗量迅速大增,石油的使用寿命存在变数。


巴西一石油海上平台二零零一年出现原油泄漏污染海面。

环境影响

石油不仅储量有限,而且开采费用昂贵。更重要的是,它会对生态环境造成破坏。石油燃烧时向大气层释放二氧化碳,导致全球变暖。每能量单位石油释放的二氧化碳低于煤,但是高于天然气。但是作为交通用燃料要减少焚油导致的二氧化碳的释放尤其棘手。一般只有大的发电厂才能够装配吸收二氧化碳的装置,单个车辆无法装配这样的装置。

石油的海上探油和开采会打扰海洋环境。尤其以清理海底的挖掘工作破坏环境最大。油轮事故后泄漏的原油或提炼过的油在阿拉斯加、加拉帕戈斯群岛、西班牙和许多其它地区脆弱的海岸生态系统造成严重的破坏。由于这一系列问题,开发石油替代能源的工作正在紧锣密鼓的进行着。

替代能源

虽然目前有可再生能源作为选择,但是可再生能源能够取代多少石油以及可再生能源本身可能导致的环境破坏还有很大争议。

阳光、风、地热和其它可再生能源无法取代石油作为高能量密度的运输能源。要取代石油,这些可再生能源必须转换为电(以蓄电池的形式)或者氢(通过燃料电池或内燃)来驱动运输工具。但是这些技术要想大规模应用还不成熟,以氢燃料为例,运输、储藏都是难以解决的问题;而且氢的生产目前主要来自于天然气,这就是氢作为可再生能源的牌子大打折扣。即使以电解水生产氢,也需要消耗电能,那么这电能从何而来?

另一个方案是使用生物质能产生的液体燃料(乙醇、生物柴油)来驱动运输工具。特别是乙醇,燃烧不产生二氧化碳,被称为清洁能源。但是由于乙醇生产原料是人类食物──玉米,大规模用乙醇做燃料必然导致汽车和人争夺“口粮”的尴尬问题。如果用木材制造乙醇,那将大规模破坏森林资源,对环境的影响难以估量。总而言之,要取代石油作为主要运输能源是一件非常不容易的事情;而石油作为塑料生产等日用化工的主要原料的作用就更难以替代。

但是有一点可以肯定,石油经济不可能持久。而无论未来的能源是什么,这个转变过程都将给国际政治经济格局,乃至日常生活方式带来根本的改变。

人类对能源的求索有答案吗?

能源问题与世界粮食问题、人口问题、环境问题、水资源亏乏等是交织在一起的。很多解决能源问题的方案实际上是把能源方面的压力转嫁到了其它方面。比如用乙醇取代石油作为燃料或许可以减少污染,但是却使大量世界人口面临更严峻的粮食危机。那么能源问题的出路究竟在哪里呢?

人们曾展开幻想的翅膀,遥想洁净、永恒的能源为我们带来持久的繁荣。然而我们目前围绕技术展开的发展道路却无法在可以预见的未来实现这一梦想。因此有越来越多的人对能源问题,甚至整个未来抱有悲观的态度。好莱坞的电影《明天过后》、《未来水世界》等,无不反映了人们对于滥用自然资源造成可怕后果的担忧。同时也反映出西方社会已经开始怀疑由他们自己一手开创的这条发展道路。

当代文明是建立在大量消耗能源和资源的基础上的。没有了能源的消费,人类的生活方式可能会倒退到中世纪去。而能源问题之所以成为一个问题,是我们选择了一条依赖机器和技术进步的发展道路的必然结果。而当能源危机出现时,我们又求助于技术革新来解决问题。结果呢,在解决旧问题的同时制造着新的问题;而新问题往往比旧的问题还要棘手。

许多人开始反思,甚至有越来越多的人开始羡慕中国古代的发展模式:无为治国,藏富于民的社会理念;人们追求的是自给自足和安居乐业;读书人虽有志于天下,却不强调进取性的改造社会。这与西方的社会发展观完全不同。


宋朝的财富比当时世界其他地区加起来还多。

中国古代大部分时间都远比世界其它地区富有,甚至到十九世纪工业革命已经给西方社会带来巨大改变的时候,中国仍然拥有占全世界近一半的财富。但就在那个时候,由于西方启动了近代工业,军事技术的领先终于迫使中国反思自己为之自豪了数千年的文化和智慧,在无奈中痛苦地接受了西方激进的社会发展道路。

二十世纪的技术水准超越了以往任何时代,然而这并没有给人类带来福份。相反,二十世纪是个灾难的世纪。两次世界大战、共产主义运动、经济危机、生态危机……严格的讲,都是激进的社会观造成的。经历了这一切后,西方开始成熟了,尤其是二十世纪中叶后,西方人渐渐放弃了与自然对立的发展观。比如开始注重环境保护,认识到所谓的社会从低到高发展并不能持久;也有不少人认为如果人类这样下去,将重蹈诸多史前文明覆灭之覆辙……还有许多西方人,包括一些科学家,希望从古老的东方智慧中寻找答案。但是缘于文化的差异,很难理解中国传统智慧的真谛。

反观中国,一百多年来学西方,至今学的四不像。而最可惜的是,由于长期对传统文化的否定,今天能领悟传统文化精华的已经很少。上天或许曾经赋予中国文化这样的机缘,在西方文明所主导的发展道路走向没落时,引领人类回归。而中国人却因为自己一时的自卑而造成了遗憾。在今天,或者在不久的将来,当西方也在无奈中,举目遥望东方以求出路的时候,我们能为世界贡献什么呢?

能源危机的警钟已经敲响,石油经济时代终将过去。当一个又一个争议不断的替代能源方案问世时,让我们从具体的技术细节中跳出来,想一想……

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后石化燃料时代即将来临吗?
──汽车替代燃料面面观

文 ◎ 唐逸仁


天然气管道(法新社)

人类社会进入二十一世纪后,能源供应与环境清洁越来越受到政府、企业及普通大众的重视。随着汽车数量的不断增加,汽油的消耗量在持续增长,市场上油价也在不断地攀升。大量地进口石油也对像美国这样的国家安全构成威胁。另一方面,汽油等化石燃料在使用的过程中,要产生大量的有害物质如COx、HC、NOx、 SOx及SP等,造成自然环境急剧破坏,特别是近年来,引起全球气候暖化的温室效应,汽车石化燃料是原凶之一。

为了减少对进口石油的依赖以及加强美国的能源安全,美国总统布什在二零零七年的国情咨文中,呼吁在二零一七年把可再生和替代燃料的使用量提高到每年三百五十亿加仑,从而把汽油的使用量减少百分之二十。那么要达到这一目标,增加各种替代燃料的研究、应用势不可少。目前较有前景的替代燃料归纳起来有天然气、煤液化气、生物质燃料和氢气等,下面就“替代燃料”做一个介绍。

液化天然气

液化天然气包括压缩天然气、液化石油气和天然气合成油。由于具有较低的污染排放,压缩天然气和液化石油气被认为是内燃机(通常用汽油或柴油)的较理想代用燃料,已经被成功地应用于汽油机。

天然气的主要成分是甲烷(一般为百分之八十三~百分之九十九)及少量其它烃类、CO2等,具有较高的辛烷值,抗爆性能好,与汽油相比燃烧更完全。天然气汽车可以降低百分之四十的HC排放,百分之五十的CO排放,采用缸内直喷和稀薄燃烧技术可进一步提高发动机效率,符合各国有关的环境排放标准。天然气因为其良好的排放特性及丰富的储量而成为各种代用燃料的首选。压缩天然气是目前车用天然气燃料的主要储存方式,在汽车上使用的主要缺点是储气瓶占用体积大。液化石油气作为车用燃料主要成分是丙烷、丁烷和少量烯烃和戊烷,储存方式是液态。其辛烷值较高,燃料费比酒精、汽油、柴油等便宜,CO、NOx等有害排放量低于汽油排放,基本上可消除黑烟和颗粒物。

压缩天然气(CNG)

近几年,压缩天然气在很多国家已经非常流行。天然气一个很大的优点是,它含有相对较少的碳,因此会产生较少的二氧化碳排放,产生同样多的能量。天然气造成的二氧化碳排放是传统油料少五分之一到四分之一。有的专家估计,到二零二零年,一半以上使用替代能源的车辆会使用天然气或是天然气的产物。

目前,很多汽车生产商都能提供压缩天然气用的发动机。大多数都是既能用汽油又能用压缩天然气的。这些车有传统的油箱,在车身底部则装有压缩天然气罐。

压缩天然气的优点是低价格、高能量、低排放,不需要特别的基础设施。而缺点则是很少有仅使用压缩天然气的车型,大多数是双模式的车(既能用汽油又能用天然气)。此外,提供压缩天然气的加油站还相对较少。

液化石油气 (LPG)

液化石油气是一种炼油过程中的副产品。它的缺点是容易爆炸,通常被禁止在隧道和居民区使用。跟其它的替代能源相比,液化石油气很难跟柴油混合使用,因为它的能量密度、燃烧特性和防爆缸特性都跟柴油差的太远。液化石油气在欧洲的使用在下降。在荷兰,二零零一年时六百八十万辆车中仅有三十六万使用液化石油气,因为它的可靠性不高,到二零零三年时这一数字已经降到二十五万。

天然气合成油

天然气合成油的主要原料是天然气,另外加一种叫Naphtha的添加剂。它可以和柴油混合,提高燃烧的性能。壳牌石油公司在这项技术上居于领先地位,它正在卡塔尔(Qatar)建设一间大的工厂。天然气合成油的巨大优势在于:天然气的储备非常丰富,开采成本也较低,天然气合成油生产的成本比其它的替代能源要低,并且它的运输不需要新的基础设施,不需要在汽车上做任何改动。因而总的来说,从经济的角度来看,在近期,天然气合成油的前景最好,但是目前还只有壳牌能够大量的生产。天然气合成油的优点:清洁、效率高、来源丰富。缺点:仍在试生产阶段,成本高。

目前燃用液化石油气和天然气的燃气汽车技术已比较成熟,实际应用较多。全世界已有四十多个国家在实施以气代油的战略计划,燃气汽车总量在五百万辆以上,约占全球汽车总保有量的百分之零点七左右,占替代燃料汽车总量的百分之八十以上。其中液化石油气汽车约四百万辆以上,压缩天然气汽车约一百万辆。
 
煤基液体燃料

通过煤液化合成油是实现替代燃料的现实途径之一,“煤变油”称为煤基液体燃料合成技术,分为直接和间接液化两种方式。直接液化是指在高温、高压条件下,加氢使煤中有机化学结构直接转化为液体燃料,再提质加工为汽油、柴油和航空燃料;间接液化是将煤汽化制成合成气,合成气再催化合成汽柴油。

由于直接液化的操作条件苛刻,对煤炭的种类依赖性强,目前适合于工业化生产的“煤变油”都是间接液化的。具体方法是通过高温、高压的办法变成富含各烃类的气体,再把这些气体提纯并经过化学反应后生成油品和其它化工产品。资料显示,目前世界上可以通过“煤变油”技术合成高品质柴油的只有南非等少数国家。

煤直接液化是将煤在高温高压条件下,通过催化加氢直接液化合成液态烃类化合物,再精制后制取汽油、柴油。国际上有德国的IGOR工艺,日本的 NEDOL工艺以及美国的H-Coal工艺。上世纪三四十年代,德国首先实现煤炭直接液化的工业化生产,以褐煤、烟煤为原料的油品生产总能力达到一年四百二十三万吨。

两次世界石油危机后,美、德、日等国家开发了煤直接液化新工艺,新工艺的反应条件相对温和,工艺和技术路线更趋合理,有的已完成建设商业化工厂的研究和初步设计,技术上具备了建厂条件。

煤间接液化是将煤先气化生成合成气,再通过费托(F-T)合成转化为烃类化合物。其反应条件比直接液化温和(三~五兆帕,二百~三百摄氏度),油品质量优于直接液化产品,也可直接与当前石油路线的输配系统配套。但投资也大(每吨油一万美元),耗煤多(每吨油耗煤四点五~五点五吨),另外放出大量水和热,合成气分子利用率低、能效偏低。此技术在南非、马来西亚、新西兰已经商业化。南非萨索尔(SASOL)公司是目前全世界唯一的煤炭间接液化商业化生产企业,年消耗煤炭约四千五百万吨,合成产品七百五十万吨,提供国内约百分之三十的油品需求。美国二零零四年开工建设规模为每日五千吨油的煤炭间接液化示范厂,预计二零零七年投产。

在过去二十年间,原油价格每桶平均是二十五美元,使每桶价格高达四十五美元的液态煤显得一点也不经济。但到二零零三年后,油价屡屡上扬,最近两年更是经常超过七十美元,再加上全球温室效应又是现在最受到重视的议题,液态煤重新被打造为想要确保能源安全、减缓全球暖化的最佳选择。


德国的煤碳火电厂(Getty Images)

生物质燃料

生物燃料也是目前研发的热点之一。生物燃料包括所有从生物材料,如玉米、木头、稻秆或麦杆等,通过生物发酵等方法提取的能源形式。目前,已研制成功并投入使用的植物油燃料有菜籽油、棉籽油、棕榈油、豆油、甲醇酯混合油等。

生物柴油

将植物油和动物脂肪与酒精反应,脱去甘油三酸脂转变成甲酯或乙基酯之后就可以在柴油机上使用,这些酯类物被称“生物柴油”。生物柴油中的富氧可以加快燃烧速度,减少CO、HC和微粒排放。一般的酯化燃料十六烷值较高,燃料的性质与轻柴油接近,但发动机喷油系统金属会受到甲酯的腐蚀。这种代用燃料大大减少尾气排放,但内含能量有点儿低,可能车子跑起来不那么快。生物柴油可以在柴油机车上使用,但不能用于一般的汽油机车。

不过要小心的是,目前大多数这类汽车的唯一问题在于,不是到处都能买到生物柴油燃料,因此您也许开车出去,却困在某个地方!

乙醇

酒精包括甲醇和乙醇。乙醇通常由玉米或生物物料(如农产品废料)制成。甲醇可由各种各样的植物,譬如木头、或煤炭中提取制作。不过今天大多数甲醇由天然气制成,因为它的制作成本更便宜。酒精燃料比汽油具有更大的动力,但较少的能量。这意味着,它将使您的汽车跑得更快,但每加仑行驶较少的英哩数。

大多数在美国使用的乙醇是通过玉米发酵工艺制作的。有些公司用废木片制做乙醇,但技术仍不完善。目前由于尚无法通过管道设施来输送乙醇,故多数需要通过铁路或卡车运输,这样无形中增加了乙醇的费用。预计随着将来使用人数的增加和基础设施的完善,乙醇的费用还有下降的空间。

在生物燃料中,乙醇应该算是推广得比较好的替代能源之一。E85是一种含百分之八十五的乙醇和百分之十五汽油的混合燃料。目前总部位于底特律的三大美国汽车公司,通用、福特和克莱斯勒,均积极推动E85的使用,他们已经投入生产几百万辆“复合燃料”(Flex-Fuel)汽车,这种车能使用E85或汽油行驶。

E85支持者发现,由玉米和其它蔬菜作物制作的乙醇,可作为减少石油进口的一个快捷方式。联邦政府已正式提出使用乙醇的政策,生产每加仑乙醇可得到五十一美分的联邦补贴。

不过使用农作物生产乙醇的做法也有其劣势,比如批评人士指责E85是在和人类争口粮,它使食物价格上涨。另一方面,目前销售E85的加油站数目少得可怜,在十七万个美国加油站中,只有一千一百个销售E85。虽然这个情形随着乙醇政策的深入推进也许会有改善,但当下对广大公众接受E85形成重大阻碍。因此,到目前为止,石油公司在促销E85上只是勉强而为。此外,有关乙醇对汽车保修的影响问题也已浮出水面,还有保险公司对使用E85的汽车的保险条款将会做哪些变动尚待观察。基于上述原因,消费者还没有明确表示出对某种替代燃料的热忱,所以美国国内和外国的汽车制造商也都不敢把鸡蛋放在一个篮子中,纷纷做了几手打算。

氢燃料

氢燃料电池要走上商业化道路,更大的阻碍是高昂的成本问题。

从减少二氧化碳等温室气体方面来看,氢燃料驱动汽车比其它的石油替代方法更有优势。

用氢作燃料的燃料电池

现在普遍认同的一个观点是,燃料电池发动机是内燃机最好的替代技术,这可能代表了汽车未来的发展方向。燃料电池汽车一般采用氢气作为燃料,利用氢气和氧气的化学反应产生电能作动力。与汽油车相比,燃料电池能够节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气体。因此国际汽车界普遍认为燃料电池汽车是节能环保汽车的最终解决方案。

不过应当指出的是,氢燃料无污染是指氢的燃烧过程不产生有害气体,但是氢的制备过程就不同了。目前氢气生产主要是蒸气重组法和电解水:前者主要原料为天然气;后者要使用电力和纯水。

此外,目前燃料电池汽车还处于研发和运行试验阶段,技术尚未完全成熟,特别是车上氢气的储存问题,现有技术还不能满足汽车的运行,加上价格过于昂贵,配套设施投入巨大,虽然燃料电池汽车几年前就在世界上许多国家投入试运行,但大规模商业运营还得十年以后。

然而,氢燃料电池要走上商业化道路,更大的阻碍是高昂的成本问题。目前制造一辆燃料电池车的花费大约是普通汽车成本的一百倍左右,只有那些为批量上市而生产的车型才能产生经济效益,但其成本仍然是普通汽车成本的十倍。

氢气内燃机


二零零七年底特律车展上的宝马氢气动力车。(Getty Images)

氢气内燃机汽车无CO、CO2和HC排放,仅排放微量的NOx(为汽油的十分之一),并可再用微量铂族催化剂净化。功率用增压补偿(福特U型氢内燃机汽车)。制氢可有三种办法:风力发电─电解水制氢;天然气重整制氢;煤气化制氢。成本和供应设施与燃料电池相同,目前世界上仅美国加州、德国慕尼黑有加气站。氢气汽车中长期可能大量发展,日本有专家认为可能会先于燃料电池汽车进入市场。

氢动力汽车在短期内还不能普及的最主要问题是,迄今为止还没有一种技术可以将氢气有效地储存于汽车上,使得氢动力汽车加一次氢能行使五百公里,储氢技术的研究不仅是美国能源部,也是世界上许多政府、各大公司的焦点。当然,氢气加气站、输氢管道(要求比石油高的多)的建设也不是短期内能解决的。另一项巨大挑战就是在安全方面。由于氢气无色无味,其火焰近乎无色,如何在车辆中安全地储存、如何到类似加油站的地点补充氢气等都是问题。这些问题有待于相应新技术的发展来解决。

替代燃料种类不少,除了以上介绍的之外,还有二甲醚、甲醇汽油等,但各自也都有许多技术或经济上的问题需要研究、解决。因此汽车燃料短期内主要还得依靠汽油。当然,今后替代燃料驱动的汽车比例会不断提高。

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酒精燃料对全球食品供应的影响

新闻提示:在国际原油大幅涨价,能源危机重现端倪的今天,以汽油为“食物”的汽车首当其冲受到影响。面对全球范围的能源短缺前景,石油竞争进入白热化,开发替代能源刻不容缓,所以许多国家,如美国、中国、日本、巴西、韩国、澳洲和加拿大等,都在未雨绸缪,试行各种新能源替代方案,比如对风能、生物能、太阳能等清洁能源的开发利用,其中以酒精(乙醇)燃料的开发最为引人注目,影响也最大。

文 ◎ 杨伟华
(本文作者现任美国阿拉巴马农工大学食品和动物科学系副教授)


波士顿一处乙醇生产工厂。(Getty Images)

在美国,酒精燃料已经成为政府试图解决能源短缺的主要策略。布什总统在国会的国情咨文中宣称,到二零一七年美国将生产三百五十亿加仑的替代燃料,其中包括以谷物和纤维为原料制造的乙醇。

在南美洲的巴西,乙醇燃料从一九三零年代开始就已成为该国解决能源匮乏问题的砝码。巴西政府一直不遗余力提倡将甘蔗转化为乙醇燃料的技术,目前巴西已有三分之二的甘蔗用于生产酒精能源。在七十年代石油危机之后,巴西政府规定汽油掺和酒精的比例高达百分之二十五,创下世界各国汽油添加酒精比例的最高纪录。

在中国,持续膨胀的经济规模、落后的能源利用率和重多的人口加在一起,造成能源供需失衡。官方也不得不开始考虑替代能源的开发,乙醇燃料是其中之一。

尽管酒精的生产可以帮助包括美国在内的许多国家减少对石油的依赖,但是随着越来越多玉米用于乙醇生产,玉米用于食品加工的数量就会减少,这会连带产生一系列出人意料的问题。

玉米是美国农业中的重要作物,它是早餐和烘焙食品的主要原料。从玉米中提炼的糖浆则用于生产如糖果、薯片和软饮料等居家食品。更重要的是,玉米是牛、猪、和家禽等人类食物的主要饲料来源。

最近爱荷华州立大学(Iowa State University)的农业和乡村发展中心(Center for Agricultural and Rural Development)所作的研究显示,到二零一二年,美国乙醇生产将用去一半以上的美国玉米、小麦和粗粮,导致食品紧缺和价格上涨。根据这项研究估计,目前乙醇生产已经使得食品价格升高,相当于每人每年增加了四十七美元的消费支出。

种植更多玉米是一个解决方法,但是这么做意味着其它常用制造食品的作物,如黄豆和小麦等的种植就会减少。开垦土地可以种植更多玉米,但这可能导致水土流失和影响野生动物的生态环境。

根据二零零六年十二月国际食品政策研究院(International Food Policy Research Institute)的报告,要为全人类所有汽车生产足够的酒精燃料,则需要现在所种植玉米的五倍或现在所种植甘蔗的十五倍。那么,人类是否能承担得起这样的重负?

由于酒精燃料的生产是把脑筋动到人类赖以生存的粮食之上,比如玉米,那么问题就会变得敏感和严重。换句话说,当酒精燃料的生产成为各国能源政策时,汽车的“食物”和人类的食物成为一致,那么汽车是否会和人类争夺“口粮”就是一个不得不令人类关注的问题,因为他关系到人类本身的生存和发展。

本文将从酒精燃料对全球食品供应、食品价格、全球反饥饿努力和伦理道德等层面的影响进行审慎的分析,笔者不反对酒精燃料政策,只是想为人们提供一个更为广阔的视野,来审视这个与人类本身生存和福祉息息相关的事件。

酒精燃料造成全球食品价格上涨

在美国,谷物尤其是玉米,由于被用于乙醇制造的份额逐渐增加,使得全球食品价格上涨。地球政策研究院(Earth Policy Institute)今年三月的报告显示,玉米价格在二零零六年翻了一番,小麦期货价格达到十年新高,稻米价格也同样上涨。此外,黄豆期货价格上升百分之五十。彭博新闻社的一份分析报告指“玉米用于生产乙醇的数量急剧上升,正在全球食物链造成人们不愿看到的后果。”

首当其冲受到食品涨价影响的国家,是那些以玉米为主食的国家,比如墨西哥,它是全球二十多个以玉米为主食的国家之一,其玉米饼(Tortilla)的价格上升了百分之六十。最近已有七万五千名愤怒的墨西哥人成群结队地上街抗议,迫使政府不得不对玉米饼价格实行控制。


一名墨西哥人抗议玉米涨价。玉米在墨西哥是主要食物。(法新社)

食品价格也在中国、印度和美国都有所上升,其中以中国升幅最大。这三个国家的人口占世界的百分之四十。在包括中国和美国在内的一些国家,玉米的直接消费(口粮)相对较少,其主要用途在于用于生产肉类、禽蛋和牛奶,因此也会非直接影响食物来源。比如谷物和黄豆价格的升涨,使得中国的肉蛋价格也随之上升。今年头几个月,中国猪肉价格已经比去年同期上升百分之二十,鸡蛋价格上升百分之十六,牛肉上升百分之六。据媒体的最新报导,七月二日广州猪肉批发价上涨至一市斤八元四分,上肉零售价也涨至一市斤十一元,双双创下广州猪肉批零价历史新高。而北京市猪肉批发价格亦再创新高,涨至每公斤十七元。分析人士称,在短期内猪肉价也不会有较大回落。

在印度,二零零七年一月的综合食品价格指数也比去年同期高出百分之十。在以小麦为主食的印度北部,小麦价格升涨了百分之十一,已经超出了小麦全球市场的平均价格。

在美国,美国农业部预计二零零七全年的家禽批发价会比二零零六年的平均价格高出百分之十,鸡蛋价格则会上升百分之二十一,牛奶上升百分之十四,而且预计价格还会持续上涨。

过去食品价格的上涨通常是因为气候原因,而且总是短暂的波动,但目前的价格上涨情况有所不同。随着越来越多的乙醇工厂的建立,全球谷物价格正在朝着它们燃料价值(Oil-Equivalent Value)的方向升涨,而且这种趋势将是长期的,不是短期现象。

食品经济 vs. 能源经济


世界粮食问题与能源问题已经交织在一起(Getty Images)

在历史上食品和能源一直是两个独立的经济层面,但它们现在正在合而为一。当这两者混合成为一个新的经济后,如果谷物的燃料价值超过其食物价值,整个市场将会被转化成为能源经济,这时食品价格将随燃料价格而升降。这是人类最好要避免的状况,因为燃料价格远比食品价格更为敏感,可能遭受变动的因素太多,如天灾(干旱、洪涝等)和人祸(战争、恐怖主义、政策失当等),随之对食品价格造成的波动会很大。

酒精燃料 vs. 全球食品供应

目前美国已有百分之十六的谷物用于生产乙醇,并且这个数字还在不断增长之中。此外,美国还有八十个乙醇工厂正在建造之中,一旦建成,乙醇生产能力将至少翻番。预计在二零零八年将有近三分之一的谷物将用于酒精生产。

由于美国是世界主要谷物出口国,数量比加拿大、澳洲和阿根廷的总和还多,所以任何对美国谷物的影响都将影响到全球食品供应。如果大量美国谷物转而用于制造酒精来作为汽车燃料,出口将会减少,这也即意味着世人餐桌上的面包篮很快就会变成美国的燃料箱。

在过去几十年,全球饥饿人口在逐年下降。但在一九九零年代后期,这一趋势不再,饥饿人口转而开始增加。联合国目前将三十四个国家列为需要紧急食品救助的国家。这些国家中有许多是属于经济崩溃或趋于崩溃的国家,包括乍得(Chad)、伊拉克(Iraq)、利比里亚(Liberia)、海地(Haiti)和津巴布韦(Zimbabwe)。由于国际食品救助计划的预算通常都是固定的,所以一旦谷物价格翻番,就意味着救济食品的数量将减半。

在中低收入的国家中,如墨西哥,人们对食品涨价的抗议,将会导致政治不稳定,更有甚者可能还会导致国家的崩溃。在某种程度上,政治动荡的扩散可能会打破全球的经济发展。

在布什总统订下的到二零一七年生产三百五十亿加仑替代燃料的目标中,包括以谷物和纤维为原料制造的乙醇,还有液化煤气。鉴于目前从纤维制造乙醇的技术仍有待突破,所以仍然造价高昂,而由于使用液化煤将会比使用汽油排放更多的温室气体,使社会存在着巨大的反对液化煤气的呼声。所以要实现布什总统的这一目标,未来大部分的燃料将不得不来自于谷物。这将会占用大部分美国谷物,而只留下少部分来满足美国自己的食物需求,而留给那些一百多个需要进口粮食国家的份额将会更少。

上述的种种迹象表明,一个无形的舞台已经铺就,在这个舞台上全球八亿汽车拥有者和二十亿穷人竞争谷物。这个竞争局面可能导致一个危险后果,就是数以百万计的处于全球经济底层的民众可能因为日益升高的食品价格而不得不降低他们的饮食数量,甚至低于保命的最低界限,从而失去生命。二零零七年二月,世界食品计划负责人莫里斯(James Morris)表示,现在每天有一万八千名儿童因为饥饿和营养不良而毙命。在全球市场转化成为能源经济后,儿童饥饿的情形将会如何,前景不容乐观。

酒精燃料的伦理争议

已有越来越多的研究证据显示,从玉米生产的乙醇并不是一种理想的可再生能源。生产更多的乙醇意味着农业资源的消耗。在食品供应必须增加以满足全球人口快速增长的要求的今天,这样的矛盾会十分尖锐。

今天,全球还有十六亿或百分之三十的人口处于营养不足的状态。这一数字比人类历史上任何时期都多,并且还在增加。与此同时,人口的增长速度日益增加,全球每天都有超过二十五万新增人口,而每个人都需要适当的食物来维继生命。在这样的前提下,将人类食物资源作为燃料烧掉,无疑会产生伦理争议。

无论世界怎么发展,人类靠土地吃饭的情况不会改变。当前农业用地提供了百分之九十八世界食品,而水产养殖只提供百分之二的食物。在全球,包括美国在内,人均耕地和淡水量持续减少,而土壤腐蚀、非森林化、以及因虫害而损失的粮食持续增加。所有这些因素都造成目前的全球食物短缺。所以,在将更多玉米转化成酒精前,应该从社会、人文等各方面认真考虑酒精燃料发展所造成的影响。


美国伊利诺州拉罗歇尔一间用玉米生产乙醇燃料的工厂。

替代方法很多 各有利弊

解决这个问题的技术途径主要有以下几个方面:第一是提高汽车的燃料利用率。在未来二十年内如果能够将汽车燃烧效率增加百分之二十,就可以将全美国所有用于生产乙醇燃料的谷物都省下。

第二个途径只针对美国的情况。有人建议从巴西进口更多酒精来解决美国的燃料问题。目前,美国进口的燃料酒精数量占美国酒精用量的百分之五,还要征收百分之四十五的保护性关税。根据巴西产业界的研究,美国从谷物中提炼酒精燃料仅比生产过程中所消耗的化石能源多出百分之十五到二十,而巴西从甘蔗中提炼酒精燃料和提炼过程中,化石能源消耗的比值可以高达百分之八百三十。不过,这样做仅仅能解决美国的生物燃料的生产、来源以及过程中的消耗问题。但是从全球的角度看,这并不是个明智之举。

第三是发展可充电的油电混合车(或插入式混合动力车,plug-in hybrid),这一技术的发展很快。在汽油驱动的车上加一个可以夜间充电的储存电池,就可以满足短途驾驶──如每天的通勤和购物,只需用电瓶即可。如果将这种方法与风力发电相配合,能源效益会更好。这种主要以电为动力的汽车的行驶费用会大幅度降低,只相当于一美元一加仑的汽油。

目前,包括丰田(Toyota)、日产(Nissan)和通用(GM)在内的汽车制造商已经宣布了各自的计划生产插入式混合动力车。一个致力于在全美推广插入式混合动力车的机构──“插入伙伴”(Plug-In Partners),已经召集了五百零八个合作伙伴,其中包括电力公司、商业公司、州和市政府、农场和环保团体等,具体有:美国公共电力协会、电能研究院、美国风能联合会、美国玉米种植者协会,以及洛杉矶、达拉斯、芝加哥和波士顿等城市。已有许多合作伙伴提议,一旦插入式混合动力车上市,就会为他们的车队购买八千多辆插入式混合动力车。

对于华盛顿而言,单纯推动酒精燃料也许并不明智。现在也许是鼓励国民转向更多节能车,以插入式混合动力车和风力发电为中心的全新汽车燃料经济的时候了。

另一个值得一试的方法是,将制造酒精的原料多样化,而不是只依赖谷物:比如从柳枝稷草(switchgrass)和有机残留物等纤维素提取酒精,而非采用淀粉和糖。不过大量种植柳枝稷草可能会给农地增加压力,因为农民要腾出更多土地来种植柳枝稷草。

比较吸引人的方法还有废物利用,比如农业、伐木业和造纸业的废物都可以用来制造酒精。不过,纤维物质很难化学降解,所以在科学家找到更有效的转化脢前,纤维生产的酒精价格与玉米生产的酒精价格无法竞争。美国联邦政府正在资助能够适合商业应用的纤维酿酒技术,美国能源部新近拨款2.5亿美元建立两家相关研究所。虽然专家普遍认为,从所有的纤维植物中都可以提炼酒精燃料,而且美国在这方面的研究无疑处于世界领先地位,不过这其中还有许多关键技术问题等待突破。

汽车的“食物”和人类的食物成为一致,那么汽车是否会和人类争夺“口粮”就是一个不得不令人类关注的问题……
全球谷物价格正在朝着它们燃料价值的方向升涨,而且这种趋势将是长期的,不是短期现象。(http://www.dajiyuan.com)

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