以草煉油

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

　　 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。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。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，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。

製造合成氣 
　　 目前最先進的生質燃料生產技術，是在高溫下將原料轉化為合成氣——氫與一氧化碳的混合氣體，可以用任何含碳原料來製造，生產出合成氣後，通常再透過德國科學家於1920年代開發的費托合成法（FTS）轉化成柴油、汽油或乙醇。二次世界大戰期間，德國第三帝國就曾藉助FTS，以德國的煤礦生產液態燃料。世界各大石油公司大多仍具備合成氣轉化技術，一旦汽油價格高到難以接受時，就可派上用場。

　　 生產合成氣的第一個步驟稱為「氣化」。原料先送入反應爐，加熱到700℃以上，接下來混入水蒸氣或氧氣，會生成含有一氧化碳、氫氣和焦油的氣體。除去氣體中的焦油之後，將氣體壓縮到20~70大氣壓，再讓壓縮的合成氣通過特殊設計的觸媒（含有某種反應物分子、可促進特定化學反應的固態物質），完成轉化。石化產業原先開發合成氣轉化觸媒，是為了將天然氣和以煤製成的合成氣轉化為燃料，但這個觸媒一樣適用於生質原料。

　　 雖然這類技術已經相當成熟，但反應爐的造價相當高昂。卡達於2006年花了16億美元，建造了一座FTS工廠，每天可生產3萬4000桶液態燃料。如果建造生質燃料工廠的花費與此相仿，那麼這座工廠必須每天耗用5000公噸生質原料，連續運轉15~30年，全年無休，生產的燃料才足以和投入的資金打平。由於要將如此大量的生質原料集中到同一地點，在物流和經濟上都很困難，因此目前科學家仍在努力降低合成氣技術的成本。

煉製生質原油 
　　 現在的油田是寒武紀的浮游動物與藻類在地底持續千萬年的壓力和熱，才轉變而成。有一種原理相同但沒那麼耗時的方法，可以將纖維性生質原料變成生質原油。以這種方法提煉原油時，煉油廠在無氧環境中，以300~600℃的溫度將生質原料分解成類似煤的固體和生質原油，並且釋出一些氣體。如此製造的生質原油，是目前市場上最便宜的液態生質燃料，與一公升汽油能量相當的燃料成本大約僅0.13美元（不計生質原料本身的成本）。

　　 這個處理過程可以在較小的工廠內進行，因此我們可以在靠近生質原料的地方設廠，以降低運輸成本。可惜的是，這類原油的酸性極強、不溶於石油燃料，而且其能量含量僅為汽油的一半。雖然柴油引擎可以直接使用未和汽油混合的生質原油，但除非日後不打算再使用這具引擎，否則最好不要嘗試。

　　 不過，煉油廠可將生質原油轉化成可用的燃料，而且許多公司也正在研究如何以現有的設備來進行這項工作。某些煉油廠已經開始生產不同的環保柴油，例如將蔬菜油、動物性脂肪和石油一起送入煉油廠。康菲石油公司日前曾在美國德州波格一座煉油廠中展示這種煉油技術，他們使用附近的泰森食品公司屠宰場運來的牛肉脂肪，每天可生產約4萬5000公升生質柴油，證明煉油廠也有能力處理生質原油。

【本文轉載自《科學人雜誌》2009年8月號】