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甲醇,新的石油替代者?

2018-12-27 13:47holiso
科學(xué)大眾(中學(xué)) 2018年11期
關(guān)鍵詞:甲醇燃料二氧化碳

holiso

2018年9月14日,英國倫敦召開的CCC5國際海事組織大會上,經(jīng)過全體成員國投票,通過了以甲醇作為船舶燃料內(nèi)容的《低閃點(diǎn)燃料技術(shù)規(guī)則》。甲醇與水的互溶性對于船舶使用甲醇燃料的安全性給予更大的支撐,如果船載甲醇泄露進(jìn)入水體,由于江湖河海風(fēng)浪湍流能夠極大地幫助擴(kuò)散,泄露點(diǎn)附近的甲醇濃度也會非常迅速地降低,從而達(dá)到對魚類和其他水生動植物無害的水平。而烴類燃料汽柴油一旦進(jìn)入自然界,盡管也會有微生物降解,但是由于油水不溶,無法借地表水稀釋擴(kuò)散,并且生物降解只能存在于有限的油水界面,相比之下整體降解速度就會慢得多。出現(xiàn)漏油事故,水面上常用的手段是圍欄加吸油氈吸附回收,滲入土壤中的油品回收就十分困難,因此常常會擴(kuò)展釀成具有長期影響的環(huán)保事故。

變廢為寶成燃料

在冰島,人們開創(chuàng)了一種使用可再生能源和二氧化碳廢氣生產(chǎn)甲醇的方法。冰島西南部一條雙車道高速公路蜿蜒穿過一個黑色的火山巖石場,不遠(yuǎn)處坐落著一家普通的工廠,縱橫交錯的管道讓人看不出這家工廠是做什么的。每年都有幾十萬游客經(jīng)過這里,前往觀賞綺麗的室外溫泉—一藍(lán)湖,熱氣騰騰的藍(lán)色溫泉水直接從附近的地?zé)岚l(fā)電廠流淌出來。如果游客注意到工廠的話,可能會好奇它為什么會建在這里。這家工廠利用了地?zé)岚l(fā)電廠的能源,不過原材料是電廠排放出來的二氧化碳。

工廠以已故諾貝爾獎獲得者、化學(xué)家喬治-奧拉的名字命名,在過去的10年中,工廠的工程師們不斷改進(jìn)、審核該工廠的工序。一根管線每年可從地?zé)岚l(fā)電廠輸送約5 500噸二氧化碳,該公司還提供電力將水分解成氫和氧。氫和二氧化碳結(jié)合后,形成含水甲醇,然后蒸餾成純甲醇。工廠于2012年開業(yè),目前年生產(chǎn)量為4 000噸(或500萬升)甲醇燃料。這些燃料被中國汽車巨頭吉利汽車集團(tuán)采用,用于打造一支甲醇燃料的測試車隊(duì)。吉利在山西省有一家年產(chǎn)10萬輛甲醇燃料車的工廠,并正在貴州省籌建另一家工廠。

說起甲醇(CH30H),可能很多人并不陌生,尤其是理科生,它具有酒精味,燃燒后的產(chǎn)物是二氧化碳和水?,F(xiàn)在主流的汽車燃料汽油燃燒后,由于燃燒不充分,會產(chǎn)生一氧化碳,以及碳?xì)浠衔?、氮氧化合物等,相比之下,甲醇就顯得“單純”的多,并不會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì),只要技術(shù)過關(guān),實(shí)打?qū)嵉乜梢宰鳛樘娲加统蔀樾滦偷钠嚾剂稀?/p>

當(dāng)然,在理想的低碳世界里,道路上跑的不應(yīng)該是甲醇汽車,而應(yīng)該是由可再生能源充電的電動汽車。不過,當(dāng)前距離這一目標(biāo)還很遠(yuǎn)。如今,各國銷售的電動汽車占比都很小。即便是最樂觀的設(shè)想,道路上大部分是純電動汽車的目標(biāo)也要到本世紀(jì)中葉以后才可能實(shí)現(xiàn)。同時,甲醇是有效降低汽車碳足跡的最好替代品。如果使用可再生能源為甲醇電廠供電,并從鋼廠等地捕集二氧化碳廢氣,那就可以減少一半的碳排放量。因此,盡管汽車內(nèi)燃機(jī)燃燒甲醇確實(shí)會排放二氧化碳和一些水蒸氣,但其首先也是從鋼廠捕集到的二氧化碳。也就是說,這種方法其實(shí)是先回收二氧化碳,對它們進(jìn)行有效利用后才排放出去。這種循環(huán)與旨在將二氧化碳永久埋在地下的“碳捕集與封存”相對,被稱為“碳捕集與利用”。

卷土重來的甲醇汽車

甲醇汽車的理念聽起來似乎有點(diǎn)耳熟,可能是因?yàn)檫@并不是新鮮事兒了。20世紀(jì)80年代,美國加州政府大力改進(jìn)這種甲醇燃料汽車,作為控制本州空氣污染以及擺脫對國外石油依賴的方法。福特汽車公司率先開發(fā)了一款混合燃料汽車,既能燃燒汽油又能燃燒甲醇等替代燃料。加州的甲醇汽車最終達(dá)到1.5萬輛。但隨著油價下降,加之美國玉米種植戶大力宣傳毒性較小的乙醇,甲醇汽車最終退出了市場。

目前,歐盟、印度和以色列都在進(jìn)行甲醇應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)的投資。在中國,甲醇占到運(yùn)輸燃料的8%。市場研究公司預(yù)測,對甲醇的需求將以每年7%的速度增長。甲醇可在內(nèi)燃機(jī)中燃燒,可存儲、可運(yùn)輸,并能用裝載汽油和柴油的基礎(chǔ)裝置進(jìn)行分銷保存,這就是甲醇的優(yōu)勢。

中國大部分的甲醇是利用煤或煤電生產(chǎn)的,而中國吉利集團(tuán)則呼吁建立一種“液體陽光經(jīng)濟(jì)”,即使用太陽能生產(chǎn)這種燃料。2018年4月,中國一家汽車公司與德國汽車和丹麥燃料電池公司合作,在北京車展上發(fā)布了一款運(yùn)動型甲醇燃料電池汽車。為消費(fèi)者們打開了廣闊的視野,讓他們看到了全球日消耗量達(dá)9700萬桶石油之外的選擇。

替代傳統(tǒng)石油

要避免最惡劣的氣候變化效應(yīng),到本世紀(jì)中葉,電網(wǎng)和其他行業(yè)需要實(shí)現(xiàn)深度脫碳。碳捕集與利用可能比碳捕集與封存更有吸引力,因?yàn)榍罢呖赡苓€能贏利,不過它也延長了將溫室氣體排放降至能避免出現(xiàn)危險(xiǎn)的水平所需時間。任何緩解氣候變化的計(jì)劃都應(yīng)包含將二氧化碳變廢為寶的方案。

當(dāng)前全球仍主要使用化石燃料,汽車行業(yè)在電力驅(qū)動方面已投入了數(shù)百億美元,他們不需要也不想要其他產(chǎn)品。如果缺乏強(qiáng)勢的獎懲機(jī)制,人們還會繼續(xù)使用化石燃料。甲醇為我們當(dāng)前的高碳過渡至未來的低碳搭建了一道橋梁,未來電力將由可再生能源或核能驅(qū)動,汽車將全部采用電力驅(qū)動。同樣,甲醇也能起到作用。舉例來講,既然電網(wǎng)無法利用多余的風(fēng)能和太陽能,何不把它們用于生產(chǎn)甲醇呢?甲醇汽油(添加了甲醇的汽油,得到了國際認(rèn)可,甲醇汽車是主要使用甲醇為燃料的汽車)具有環(huán)保、成本低、節(jié)省資源等優(yōu)點(diǎn),所以一直被國際公認(rèn)為新型節(jié)能燃料。在動力性方面,甲醇辛烷值高,抗爆性好,自身含氧,燃燒熱效率高。在排放方面,甲醇是含氧化合物,具有燃燒完全等特性,因此,可有效降低一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧牛瑴p少有害氣體的排放。甲醇為我們指明了一條嶄新的道路,存儲能源將不再以千瓦時或兆瓦時為單位,而是干兆瓦時,這可能會改變游戲規(guī)則。

正確看待甲醇燃料汽車的方式是視其為傳統(tǒng)石油或柴油動力汽車的替代品,畢竟大多數(shù)消費(fèi)者還未準(zhǔn)備好完全轉(zhuǎn)換至純電動汽車。在冰島,政府采取激勵政策支持電動汽車發(fā)展,最近純電動汽車和插電式混合動力汽車的銷量大增。然而,冰島寒冷的氣候縮短了電動汽車本就有限的續(xù)航里程。因此混合動力車車主仍要定時給油箱加油。當(dāng)然,盡管甲醇燃料在很多方面與石油類似,但二者并不完全相同。對啟動裝置來說,甲醇的內(nèi)能僅相當(dāng)于石油的一半,因此一輛甲醛汽車補(bǔ)充燃料的次數(shù)要比常規(guī)汽油車多。

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