以草煉油

科學家正在努力將農業廢棄物、木材和青草中的纖維素,轉化成各式各樣的生質燃料,甚至噴射機燃料,但這種新一代生質燃料能否競爭得過每桶60美元的石油,成為主流能源,仍是個大問題。

撰文/賀伯(George W. Huber)、戴爾(Bruce E. Dale)
翻譯/甘錫安

重點提要
■利用植物不可食用的部份製成的第二代生質燃料,是近年來最環保、技術前景也最看好的石油替代方案。
■這類「青草汽油」大多由玉米梗、青草類能源作物和廢棄木料等農業廢料製成。
■對美國來說,這類原料的能源產量足以取代全國石油總需求量的一半,而且不會影響食物供應。

照目前的狀況看來,人類必須脫離對石油的依賴,不能放任石油問題繼續威脅國家安全,危害經濟和環境,已是相當明顯的趨勢。但是文明社會不可能停滯不前,因此我們必須發明新技術,為全世界的交通工具提供動力。纖維素生質燃料,也就是以植物不可食用的部份製造的液態燃料,可說是近年來最具環保潛力、在技術上也最為可行的石油替代方案。

只要是植物,或者曾經是植物,都可以用來製造生質燃料。第一代生質燃料產自可食用的生物物質,例如美國使用的玉米、黃豆,以及巴西使用的甘蔗。這類生質燃料是眾多可能的方案中最容易生產的,因為這種技術已經存在,目前美國就有180座以玉米製造乙醇的煉油廠。

但是第一代生質燃料不能算是長期的解決方案,因為以目前可用的農地而言,第一代生質燃料產量還不到已開發國家液態燃料需求量的一成,而且為了生產第一代生質燃料,穀物需求量會增加,使動物飼料價格上漲,進而造成某些食品漲價,雖然情況並不像去年媒體恐慌性的報導所講的那麼嚴重。此外,如果將種植、採收和處理玉米的溫室氣體總排放量計算在內,會發現第一代生質燃料其實沒有我們原先期望的那麼環保。

潛藏在纖維素裡的能量

以纖維素為原料製造的第二代生質燃料(比較口語的說法是「青草汽油」)則可避免這些問題。可用來製造青草汽油的原料多達幾十種,甚至幾百種,包括鋸木屑和建材等木材廢料、穀類的莖和麥稈等農業廢料,以及所謂的「能源作物」,也就是為了製造青草汽油而種植、生長迅速的草類和木本植物(參見37頁〈全美各地的纖維素原料選擇〉)。這類原料產量充足,價格低廉,與一桶(約159公升)石油能量相等的燃料成本只有10~40美元,而且不會影響糧食生產。能源作物大多可種植在不適合農耕的土地上,其中某些植物,例如輪作週期相當短的柳樹,在生長時還可淨化被廢水或重金屬污染的土壤。

能夠採收來生產燃料的纖維素來源非常多,依據美國農業部和能源部的研究,在不影響生產食品、動物飼料或出口所需之原料的前提下,美國每年可以生產13億公噸以上的乾燥纖維生質原料。如此大量的生質原料,每年將可生產3600億公升青草汽油,大約為目前全美國汽油與柴油年耗量的一半(請參見37頁〈全美各地的纖維素原料選擇〉)。另一項預測也估計,全球纖維生質原料可供應的能源,相當於340億~1600億桶石油,這個數字已經超過目前全世界每年的石油消耗量(300億桶)。纖維生質原料還可轉化成各種燃料,包括乙醇、汽油、柴油,甚至是噴射機燃料。

目前科學家仍然比較熟悉以發酵方式處理玉米粒,而不擅長分解玉米梗中堅韌的纖維,不過這部份近來已經獲得大幅進展。透過量子化學運算模型等功能強大的工具,化學工程師發明出可以在原子層級控制化學反應的結構,這項研究的目的之一,是希望能盡快擴大這項技術的運作規模,進一步運用在煉油廠中。儘管這個領域才剛剛起步,但是有數座示範性煉油廠已經開始運作,首座商業化煉油廠也預定於2011年完工啟用,青草汽油的時代或許很快就要到來。

大自然演化出纖維素的目的,是為了賦予植物骨架。這種物質是分子互相連結而成的剛性架構,可支撐植物垂直生長(請參見34頁〈纖維素骨架〉),並且很難被生物分解。要想取出潛藏在其中的能量,科學家必須先破壞長年演化而來、堅韌的分子繩結。

一般說來,這個過程首先必須將堅韌的纖維素分解成較小的分子,再提煉成燃料。分解的方式可依據溫度來區別,低溫分解法(50~200℃)的產物是糖,可再發酵生成乙醇與其他燃料,方式和目前處理玉米或製糖作物的方式大致相同。在較高的溫度(300~600℃)下分解的產物是所謂的「生質原油」,可進一步提煉成汽油或柴油。極高溫(高於700℃)時的分解產物為氣體,可轉化為液態燃料。

目前沒有人知道哪一種方式能以最低的成本,將最多的能量轉換成液態生質燃料。針對不同的纖維生質原料,可能必須採用不同的方式。舉例來說,高溫處理法或許最適用於木材,而低溫分解法或許較適用於青草。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2009年第90期8月號】


電話:02-2392-6899 傳真:(02) 2356-4929.(02) 2356-8490 服務信箱:service@sa.ylib.com 劃撥帳號:01894561遠流出版事業股份有限公司