诺贝尔化学奖得主乔治·A·奥拉教授近访上海,畅谈后油气时代的选择——
“石油和天然气在一夜之间不会用尽,但是市场的供需矛盾将会不可避免地促使价格上扬到目前尚无人能够想象的程度。如果我们不能找到新的解决办法,将会不可避免地面对危机”。7月30日上午,诺贝尔化学奖得主乔治·A·奥拉在中国科学院上海有机化学研究所(简称上海有机所)报告厅与中国同行进行交流并作主题演讲时,再次呼吁人们关注紧迫的能源问题。奥拉教授是上海有机所名誉教授及学术委员会外籍委员。这次,奥拉教授是应上海有机所的邀请来上海访问的。
奥拉在有机所作“甲醇经济”报告
奥拉不是关注能源问题的唯一诺奖获得者。事实上近些年来,一批杰出的科学家正加盟到能源和环境科技领域。如1986年化学奖得主、美国赖斯大学斯莫利生前的最后几年里倾全力于纳米科技,希望借助纳米技术来解决能源和环保问题;朱棣文博士领导的美国劳伦斯·伯克利实验室眼下最主要的方向则是将太阳能直接转化成燃料。
1927年出生的奥拉因为1956年在超强酸体系中发现了碳正离子及其之后在碳正离子和碳氢化学上的杰出贡献而获得了1994年的诺贝尔化学奖。可贵的是,功成名就的奥拉从前些年就开始关注他多年研究的碳氢化学与能源的联系。1999年他在为诺贝尔基金会网站撰写的文章“21世纪的碳氢化合物”中就着眼于其在能源应用上的可能性。
近年来,奥拉在借鉴、思考的基础上明确、完整地提出了甲醇经济的概念,体现他这一思想的专著《跨越油气时代:甲醇经济》(Beyond Oil and Gas:The Methanol Economy)于2006年正式出版,此书的中文本很快由曾师从奥拉教授的上海有机所研究员胡金波等译出,并在今年7月由化学工业出版社正式推出中文版。为该书的中文版签售正是此次奥拉教授中国之行的任务之一。承上海有机所戴立信院士安排,笔者有机会聆听了奥拉教授的主题演讲并在会后采访了奥拉教授。
已知的石油储量只能维持半个世纪
奥拉:世界石油的消耗现已达到每天约1100万吨。虽然没有迹象显示地球已有的资源将会在不久耗竭(相对较多的煤炭还能再使用200~300年),但是很清楚,它们会越来越稀少、越来越昂贵,而且不会维持很久。超过60亿的世界人口,再加上人口还在不断增长的趋势,所带来的只能是油和气需求量的不断上升。诚然,过去那些认为油、气资源将会迅速消失的可怕预言现在已被证明是错误的。实际上直到近几年,这个资源的探明储量还在不断增加,但是最近这些数值已经开始持平了。消耗量的持续提高(也由于生活标准的日益提高)和人口的迅猛增长需要我们更现实地考虑人均资源储量的问题。如果我们考虑了人均资源储量,那么很明显我们已知的石油资源储量只能维持不多于半个世纪的时间。即便将其他的因素也考虑进去(例如发现新的油气储量、节约、其他资源等),我们仍将越来越会面对一个大问题。
核能、工业合成油气及生物燃料的前景及不足
奥拉:虽然原子能的出现开辟了根本性的各种新的可能性,但它随之也带来了危险性以及人们对其放射性副产物的安全忧虑。遗憾的是,这些安全忧虑使得原子能的发展利用变得几乎止步不前,至少在大多数的西方国家是这样的。无论喜欢与否,我们只能别无选择地渐渐依靠原子能,并使它变得更加安全、干净。有关放射性废物的存放和处理是必须要解决的。
预计到21世纪中期,急剧高涨的油价需要对资源储量继续发现补充,或者通过工业合成方法来制造它们,但合成汽油、合成石油产品一般都会非常昂贵。石油和天然气是大自然赐予我们的最好礼物,一桶石油的价格在市场浮动下也只有50~75美元,但化学合成石油目前仍远远高于这个价格。我们终将对高昂的油价习以为常,这种高油价并不是哪个政府的政策所导致的,而是我们社会所不能左右的自由市场本身所造成的。
合成石油是可行的,它已经被证明可以通过煤炭和天然气经由合成得到。合成气则是由煤炭和天然气的不完全燃烧所得到的一氧化碳和氢气的化合物。这条路线需要消耗大量的能量,得到的产物也很复杂,不让人满意,所以很难看出这项技术的未来前景。
生物燃料正在兴起,其主要是通过农作物(如甘蔗、玉米等)的发酵转化成乙醇。虽然乙醇可以被用作汽油添加剂甚至是替代燃料,但是对于目前全球如此巨大的交通用油量(每天约600万吨燃料)来讲,这一生物燃料技术在某些特定的国家及特定的状态下会受到限制。其他的一些植物油料虽被追捧为柴油的可再生性替代品,但这些植物油料在整个能源领域内的份额还非常渺小。
“氢经济”及其局限
奥拉:最近被建议和广泛讨论的方法是使用氢,它是由任何可用的能源通过电解水产生的,随后作为一种干净的燃料使用。氢的燃烧和氢的生产过程都是干净的,其副产品只有水。但当所用能量来自矿物燃料时,因为附带的污染使氢的生产过程总体上其实并不很干净。而作为最轻的原子,氢在存储、运输和释放上都受到很多限制。处理易挥发且可能爆炸的氢气需要特殊的条件(高压技术、低温储罐及防止扩散和泄漏的材料等),另外还需严格的安全防范,所有这些都使氢的使用代价很高。
由奥拉等人所著的《跨越油气时代:甲醇经济》中文版本于2007年7月正式出版
除了这些困难,为了“氢经济”,还需要发展一些目前不存在的基础设施,虽然这些基础设施在最终都将得到发展,但在目前的经济条件下还无法实现。无论怎样,氢能满足不了我们对碳氢化合物及其产品的持续需求。因此,必须发展新的合成方法来充分利用现存的自然资源,或者从非矿物燃料类碳氢资源来合成新的碳氢化合物。
“甲醇经济”的基础及其可行性
奥拉:几年前,有人建议用新的可行方法来更高效地利用现存的石油和天然气资源,从而使人类最终摆脱对矿物燃料的依赖。这种基于甲醇的方法形成了“甲醇经济”的基础。甲醇(CH3OH)是一种简单、较安全、容易储存和运输的液态醇类化合物。目前,它几乎都是从合成气制备而得,这种合成气来自矿物燃料(主要是天然气或煤)的不完全燃烧。另外,甲醇也可以由生物质(木材、工业副产品、城市污水等)来制备,但这种方法是次要的。
甲醇本身是一种很好的燃料,还可以掺杂汽油作为添加剂(对甲醇稍作变动就可以用于内燃机上);甲醇可以在燃料电池中产生电,这是通过将甲醇催化重整为H2和CO来实现的,H2和CO分离之后再重新传回给燃料电池;另外,在直接甲醇燃料电池中,甲醇可以直接和空气反应。直接甲醇燃料电池在很大程度上简化了燃料电池技术,使它在很大范围内都得到应用,如便携式电子设备、小型摩托车、汽车等。
甲醇除了可以作为能源储备和燃料之外,还可以作为化学原料,如生产甲醛、乙酸和其他很多产品,包括聚合物、油漆、粘合剂、建筑材料、药物和单细胞蛋白质。甲醇还可以通过简单的催化反应转化为乙烯或丙烯(乙烯或丙烯可以用来合成烃类及其相关产品)。因此,目前从矿物燃料中得到的碳氢燃料及其产品可以以甲醇为原料得到,而甲醇可以由空气中CO2通过化学再循环得到。因此,通过CO2氢化再循环生产甲醇可以使人类不再依赖于矿物燃料。
“甲醇经济”具有显著的优点和可行性。甲醇可以用来作为:
1,一种便利的能量储备媒介;2,一种方便运输和流通分配的燃料,包括用于甲醇燃料电池;3,一种用来合成碳氢化合物及其产品的原料,包括聚合物和单细胞蛋白质(作为动物蛋白和人类消费)。碳的来源最终可来自空气中的二氧化碳,而二氧化碳在地球上几乎无所不在。
需要强调指出的是,为了生产甲醇,无须特定选用某种能源,所有能源包括可替代能源和原子能都能以最经济、最安全、最环境友好方式加以利用。甲醇本身是一种燃料,能够很方便地储存和释放能源,甲醇还是合成碳氢化合物及其相关化合物的原料。“甲醇经济”以一种简单易处理的液态甲醇形式可实现能量储运和运送的安全性、方便性和可逆性。甲醇能很容易地转化为碳氢化合物及其相关产品,这能够保证后代子孙获得我们今天生活所必需的必需品和材料。同时,“甲醇经济”通过再循环大气中过多的CO2,将减轻人类给地球气候所造成的不利影响(即减轻全球变暖问题)。
空气中的CO2将成为制备甲醇的无尽原料
奥拉:“甲醇经济”的概念提出已有多年了,但甲醇作为一种燃料和汽油的添加剂并未引起人们多长时间的注意。事实上,人们一直把注意力集中在对乙醇的利用上,乙醇是从农业途径获得的,包括发酵玉米、甘蔗或能够通过生物方法转变的其他各种农业原料。虽然将乙醇作为交通燃料在一些国家(如巴西和美国)是可行的,但其只能满足我们所需的一小部分。
虽然甲醇和乙醇在化学上很接近,但是将醇类作为交通燃料时,这两种醇类之间还是存在很大的区别。两种醇都能从农产品或天然产品的发酵而得,包括从纤维(主要是木材)中获得的“木醇”(也就是甲醇),但是如今甲醇主要是以合成途径来生产。在工业上,乙醇是通过水解乙烯来生产;在农业上,乙醇也能通过发酵来制备,但这需要有很多肥沃的土地来种植甘蔗、玉米或小麦。农业上生产乙醇也是很耗能的。
在过渡时期,可以利用甲醇经济把易得的天然气(甲烷)通过直接氧化高效地转化为甲醇,或者利用燃烧矿物燃料的工厂排出的CO2废气生产甲醇。最终,可利用电解水所产生的氢气通过化学转变将空气中的CO2转化为甲醇。用这种方式,人类可以将空气中的CO2通过化学循环来生产甲醇,而CO2和水在地球上是取之不尽的。
为什么是“甲醇经济”?
奥拉:我所在的研究组长期以来一直致力于对甲醇化学的多方面研究。在1970年代,开始研究利用超强酸将甲烷选择性氧化为甲醇,并将甲醇缩合为更高的碳氢化合物。80年代中期,研究发现在双功能酸碱催化下,可以将甲醇或二甲醚转化为乙烯或丙烯,并通过它们可以转化为汽油范围的脂肪族和芳香族碳氢化合物。
2005年,日本东芝公司开发出用于便携式音频播放器的小型甲醇燃料电池
位于沙特阿拉伯的一座甲醇生产工厂
总而言之,“甲醇经济”所包含的内容有:
1.用现存的天然气资源,通过它们的氧化转变(以一种新的更方便的方法)来生产甲醇或二甲醚,而无须预先制备合成气;
2.可利用对工业废气CO2进行氢化来生产甲醇,但最终是以空气中的CO2为无穷尽的碳源;
3.甲醇和二甲醚可作为一种很方便的交通燃料,不仅可利用在内燃机,而且可用在新一代燃料电池上,包括甲醇燃料电池;
4.利用甲醇为原料可生产乙烯和丙烯,这为合成碳氢化合物及它们的衍生产品提供了基础。
“甲醇经济”可使人类不再依赖于日益减少的石油和天然气,当然,同时也在利用和储存各种可供选择的能源(可再生能源和原子能)。通过空气中过多的CO2的化学再循环,还可以减轻由于人类造成的全球气候变暖。
当碳氢化合物燃烧时会产生二氧化碳(CO2)和水(H2O),如果将这个过程逆转,即利用二氧化碳和水来高效、经济地制造各类碳氢燃料,则是一个巨大的挑战。当然,空气中的二氧化碳可以被大自然通过光合作用与水结合重新进入植物体,但是自然界从二氧化碳转化到矿物燃料的过程是极其漫长的,因此,在人类的时间尺度内属于不可再生的。
“甲醇经济”详细叙述了一条人类如何逐渐并最后可以摆脱对日益减少的石油和天然气的依赖的新途径,通过这条途径还可以减轻因为过量燃烧矿物燃料所导致的全球变暖问题。