(照片提供/科学人)
重点提要
■利用植物不可食用的部份制成的第二代生质燃料，是近年来最环保、技术前景也最看好的石油替代方案。
■这类「青草汽油」大多由玉米梗、青草类能源作物和废弃木料等农业废料制成。
■对美国来说，这类原料的能源产量足以取代全国石油总需求量的一半，而且不会影响食物供应。
照目前的状况看来，人类必须脱离对石油的依赖，不能放任石油问题继续威胁国家安全，危害经济和环境，已是相当明显的趋势。但是文明社会不可能停滞不前，因 此我们必须发明新技术，为全世界的交通工具提供动力。纤维素生质燃料，也就是以植物不可食用的部份制造的液态燃料，可说是近年来最具环保潜力、在技术上也 最为可行的石油替代方案。
只要是植物，或者曾经是植物，都可以用来制造生质燃料。第一代生质燃料产自可食用的生物物质，例如美国使用的玉米、黄豆，以及巴西使用的甘蔗。这类生质燃料是众多可能的方案中最容易生产的，因为这种技术已经存在，目前美国就有180座以玉米制造乙醇的炼油厂。
但是第一代生质燃料不能算是长期的解决方案，因为以目前可用的农地而言，第一代生质燃料产量还不到已开发国家液态燃料需求量的一成，而且为 了生产第一代生质燃料，谷物需求量会增加，使动物饲料价格上涨，进而造成某些食品涨价，虽然情况并不像去年媒体恐慌性的报导所讲的那么严重。此外，如果将 种植、采收和处理玉米的温室气体总排放量计算在内，会发现第一代生质燃料其实没有我们原先期望的那么环保。
潜藏在纤维素里的能量
以纤维素为原料制造的第二代生质燃料（比较口语的说法是「青草汽油」）则可避免这些问题。可用来制造青草汽油的原料多达几十种，甚至几百 种，包括锯木屑和建材等木材废料、谷类的茎和麦秆等农业废料，以及所谓的「能源作物」，也就是为了制造青草汽油而种植、生长迅速的草类和木本植物。这类原 料产量充足，价格低廉，与一桶（约159公升）石油能量相等的燃料成本只有10~40美元，而且不会影响粮食生产。能源作物大多可种植在不适合农耕的土地 上，其中某些植物，例如轮作周期相当短的柳树，在生长时还可净化被废水或重金属污染的土壤。
能够采收来生产燃料的纤维素来源非常多，依据美国农业部和能源部的研究，在不影响生产食品、动物饲料或出口所需之原料的前提下，美国每年可 以生产13亿公吨以上的干燥纤维生质原料。如此大量的生质原料，每年将可生产3600亿公升青草汽油，大约为目前全美国汽油与柴油年耗量的一半。另一项预 测也估计，全球纤维生质原料可供应的能源，相当于340亿~1600亿桶石油，这个数字已经超过目前全世界每年的石油消耗量（300亿桶）。纤维生质原料 还可转化成各种燃料，包括乙醇、汽油、柴油，甚至是喷射机燃料。
目前科学家仍然比较熟悉以发酵方式处理玉米粒，而不擅长分解玉米梗中坚韧的纤维，不过这部份近来已经获得大幅进展。透过量子化学运算模型等 功能强大的工具，化学工程师发明出可以在原子层级控制化学反应的结构，这项研究的目的之一，是希望能尽快扩大这项技术的运作规模，进一步运用在炼油厂中。 尽管这个领域才刚刚起步，但是有数座示范性炼油厂已经开始运作，首座商业化炼油厂也预定于2011年完工启用，青草汽油的时代或许很快就要到来。
大自然演化出纤维素的目的，是为了赋予植物骨架。这种物质是分子互相连结而成的刚性架构，可支撑植物垂直生长，并且很难被生物分解。要想取出潜藏在其中的能量，科学家必须先破坏长年演化而来、坚韧的分子绳结。
一般说来，这个过程首先必须将坚韧的纤维素分解成较小的分子，再提炼成燃料。分解的方式可依据温度来区别，低温分解法（50~200℃）的 产物是糖，可再发酵生成乙醇与其它燃料，方式和目前处理玉米或制糖作物的方式大致相同。在较高的温度（300~600℃）下分解的产物是所谓的「生质原 油」，可进一步提炼成汽油或柴油。极高温（高于700℃）时的分解产物为气体，可转化为液态燃料。
目前没有人知道哪一种方式能以最低的成本，将最多的能量转换成液态生质燃料。针对不同的纤维生质原料，可能必须采用不同的方式。举例来说，高温处理法或许最适用于木材，而低温分解法或许较适用于青草。
制造合成气
目前最先进的生质燃料生产技术，是在高温下将原料转化为合成气--氢与一氧化碳的混合气体，可以用任何含碳原料来制造，生产出合成气后，通 常再透过德国科学家于1920年代开发的费托合成法（FTS）转化成柴油、汽油或乙醇。二次世界大战期间，德国第三帝国就曾藉助FTS，以德国的煤矿生产 液态燃料。世界各大石油公司大多仍具备合成气转化技术，一旦汽油价格高到难以接受时，就可派上用场。
生产合成气的第一个步骤称为「气化」。原料先送入反应炉，加热到700℃以上，接下来混入水蒸气或氧气，会生成含有一氧化碳、氢气和焦油的 气体。除去气体中的焦油之后，将气体压缩到20~70大气压，再让压缩的合成气通过特殊设计的触媒（含有某种反应物分子、可促进特定化学反应的固态物 质），完成转化。石化产业原先开发合成气转化触媒，是为了将天然气和以煤制成的合成气转化为燃料，但这个触媒一样适用于生质原料。
虽然这类技术已经相当成熟，但反应炉的造价相当高昂。卡达于2006年花了16亿美元，建造了一座FTS工厂，每天可生产3万4000桶液 态燃料。如果建造生质燃料工厂的花费与此相仿，那么这座工厂必须每天耗用5000公吨生质原料，连续运转15~30年，全年无休，生产的燃料才足以和投入 的资金打平。由于要将如此大量的生质原料集中到同一地点，在物流和经济上都很困难，因此目前科学家仍在努力降低合成气技术的成本。
炼制生质原油
现在的油田是寒武纪的浮游动物与藻类在地底持续千万年的压力和热，才转变而成。有一种原理相同但没那么耗时的方法，可以将纤维性生质原料变 成生质原油。以这种方法提炼原油时，炼油厂在无氧环境中，以300~600℃的温度将生质原料分解成类似煤的固体和生质原油，并且释出一些气体。如此制造 的生质原油，是目前市场上最便宜的液态生质燃料，与一公升汽油能量相当的燃料成本大约仅0.13美元（不计生质原料本身的成本）。
这个处理过程可以在较小的工厂内进行，因此我们可以在靠近生质原料的地方设厂，以降低运输成本。可惜的是，这类原油的酸性极强、不溶于石油 燃料，而且其能量含量仅为汽油的一半。虽然柴油引擎可以直接使用未和汽油混合的生质原油，但除非日后不打算再使用这具引擎，否则最好不要尝试。
不过，炼油厂可将生质原油转化成可用的燃料，而且许多公司也正在研究如何以现有的设备来进行这项工作。某些炼油厂已经开始生产不同的环保柴 油，例如将蔬菜油、动物性脂肪和石油一起送入炼油厂。康菲石油公司日前曾在美国德州波格一座炼油厂中展示这种炼油技术，他们使用附近的泰森食品公司屠宰场 运来的牛肉脂肪，每天可生产约4万5000公升生质柴油，证明炼油厂也有能力处理生质原油。
来源:科學人
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