既往的主要能源,都是能量與載體的結合體,如煤,石油,本身含有能量又可以運輸,儲存,實時使用。但新能源如風光等,隻有轉化為電才能被使用,而電卻不是載體,其本身無法運輸,儲存,隻是一種能量。利用電,需要電網,電池等載體。中國把賭注下在這些載體上,迄今占有幾乎壟斷的優勢地位。
電池驅動的電動車有了很大進步,但現有電池的能量密度比汽油還是差得很多,就算勉強能驅動通勤小汽車,對驅動長途運輸的大卡車,輪船還是力不從心,更不用說飛機了。而且,電池的生產,報廢處理都有很嚴重的汙染,碳排問題,生產一噸的鋰需要耗費萬噸的水,而鋰電池以及電動車都需要大量的汙染或碳排的工藝。
有一個東西,可以解決上麵所有的問題,那就是氫氣。 氫氣的能量密度比汽油都要高,既可以燃燒,產物隻是水,天然氣, 煤,燃油能幹的事,氫氣都能幹!也可以作為電池能量的原料,日本的氫動汽車具有比目前已有的電動車更大的優勢,而驅動大卡車,輪船也沒有問題。
但是,氫氣也有自身的問題。首先是成本,最便宜的氫氣製造方法,就是向高溫的煤上噴水(常常作為洗煤工藝的副產品), 以前的煤氣,就是CO和H2的混合物。這樣製造出來的氫氣,過程中會產生很大量的碳排,產生CO和CO2, 被稱為灰氫。其次,是利用天然氣和水產生氫氣,這個工藝排碳比煤要少,但成本也高點,叫藍氫。最幹淨的是通過電解水產生氫氣,如果電是綠電(來自於光,風發電),就叫綠氫, 如果按能量效率,電解產生氫氣所需投入的能量要遠遠高於產出的, 是個負平衡,不可持續的工藝。但就算最便宜的灰氫,還是比天然氣要貴!現在有金氫的探索,就是天然的氫氣,雖然探出了一些礦藏,但成本還是奇高,看來天然氫並不像天然氣那樣豐富,不可能無比充裕又是白菜價。因此,綠氫,即使用綠色來源的電電解水的方法,還是第一考慮。
氫氣的儲存和運輸也有很大的難題需要解決。微小的氫分子可以穿過微小的縫隙,因此設計用於包容甲烷的結構(例如管道、接頭、鍋爐和炊具)以及用於儲存天然氣的設施(例如儲罐或地質構造(鹽穴或耗盡的天然氣田))會讓氫分子逸出,而甲烷分子則不會。合成液氫的代價太高,隻有在航天上使用,有經濟價值的儲存方式是高壓氣體,這樣就需要很大的體積。以滿足同樣規模的汽油車加油建立一座加氫站,標準麵積就得有三畝地,這在寸土寸金的大城市是不現實的。而如果沒有大量的加氫站,也影響氫動力車的普及。
氫也很難移動。為了讓氣體通過管道移動,必須使用壓縮機將其壓縮並推動。這個過程需要能量:將氫通過管道移動的損失是甲烷的十倍:高達30%。換句話說,你需要用掉近三分之一的氣體來將其從A點運輸到B點。
氫還會導致管道和儲存設備中的金屬變脆,導致材料退化和潛在的安全問題。特殊材料或塗層可以緩解這些影響,但它們會給本來就複雜而昂貴的係統增加進一步的複雜性和成本。
事實上,所有這些都很昂貴。氫儲存基礎設施尚不存在,生產設施也大多不存在,而且建造它們將耗費數十億英鎊。然後,儲存氫的基本成本可能至少是儲存甲烷成本的四倍。由於氫的基本屬性,每個階段都會損失大量能量。
電池和氫氣都有很大的問題,一個古老的燃料,可再生生物燃料如何?我們現在用的化石燃料,是古代的生物沉積,用它們隻增加純碳排。而使用那些現在的生物製成的燃料,因為它們的生成過程中吸取了大氣中的二氧化碳,燃燒時將二氧化碳送回大氣,這不是中和了嗎?這是個似是而非的回答,但是細細想來,吸取和釋放二氧化碳並不是同時的,那些可再生生物燃料吸取的是過去的二氧化碳,有的大樹生命長達百年,而它們產生的碳排是實實在在的現在式。再說可再生生物燃料如酒精,能量密度比汽油低得多,單位能量的排碳更高,得不償失!
有個創投公司,Zero Petroleum,在開發一種新的碳中和燃料,聽上去很有意思。這個公司生產的合成燃料,是利用改良的費托合成法。
費托合成(Fischer–Tropsch process)是將合成氣(CO+H2)在催化劑和適當條件下合成以液態的烴或碳氫化合物(hydrocarbon)的工藝過程。
費托合成的化學方程式如下:
(2n + 1) H2 + n CO → CnH(2n+2) + n H2O
其中:
n 為反應的碳數,n 越大,合成的烴或碳氫化合物的分子量越大。
CnH(2n+2) 是合成的烴或碳氫化合物的分子式。
費托合成工藝可以生成多種液體燃料,包括汽油、柴油、煤油、潤滑油等。費托合成的催化劑主要有鐵基、鈷基和鎳基催化劑。其中,鐵基催化劑是最常用的催化劑,具有成本低、反應活性高等優點。費托合成的反應條件為高溫、高壓,通常在 150-300 ℃、15-30 MPa 下進行。這個方法,在二戰中為缺乏石油的軸心國國家廣泛使用,以生產戰爭所需的燃油。中國現在也有很多煤製油的工廠,因為中國貧油,但煤資源很豐富。
Zero Petroleum利用綠氫,和從空氣中或某些工藝中俘獲的二氧化碳(CO2通電就還原為CO)來實施費托合成工藝製成各種燃料。和生物燃料不一樣的是,這裏吸取和釋放二氧化碳是同時的,這是真正的碳中和過程。
而那些合成的燃料,可以用於現成的各種內燃機,從汽車,輪船到飛機,可以省去改裝和重置整套生產,銷售,維護和報廢的基礎設施,不用擔心電池和氫動力的種種弊端。燃料成本肯定比直接來自於化石燃料要高,但考慮省去了另建一個係統的費用,以及碳中和的效用,應該還是有經濟可行性的。
畢竟,我們的目標,不是零碳排,那是不可能的,我們人類和整個生物界,都需要每時每刻排出二氧化碳。如果現存的所有化石燃料,都被轉化成實時碳中和的燃料,那碳中和的任務,就可以被認為實現了!