最近幾年，新能源領(lǐng)域成了世界各國發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。在幾個主要的能源消耗大國，太陽能、風(fēng)能以及其它各類新能源發(fā)展迅速。不過同樣是新能源，用于發(fā)電的各種方法發(fā)展很快，幾條主要技術(shù)路線都已經(jīng)顯示出比化石能源在環(huán)境上的好處，對電網(wǎng)的貢獻(xiàn)比例越來越高，但是在替代石油的領(lǐng)域，情況就復(fù)雜多了。

石油目前提供了人類運(yùn)輸使用能源的百分之九十多。人們選擇石油作為運(yùn)輸用能源的主要形式，是有很多原因的。石油的儲量巨大，人們到現(xiàn)在已經(jīng)開采出了幾千億噸的石油，目前已知的儲量按照現(xiàn)在每年四十億噸左右的開采速度還能維持?jǐn)?shù)十年。這樣的數(shù)量，目前還是其他非化石能源所不能比擬的。石油屬于物質(zhì)能源，也就是說，能量是通過物質(zhì)的形式來存在的，這樣，與電相比，能量的存儲、運(yùn)輸都非常方便，既可以很方便的越洋運(yùn)輸，也可以運(yùn)送到各個偏遠(yuǎn)地方，不完全依賴固定的輸送網(wǎng)絡(luò)，還可以方便地被飛機(jī)、船舶、車輛攜帶。石油的能量密度也非常高，對于體積有限、載重量有限的運(yùn)輸器具來講，這個特點(diǎn)非常重要，也是目前其他的能源形式無法比擬的。

石油雖然比同是化石能源的煤炭清潔不少，但是在其開采、輸送、加工和使用過程中，仍然會對環(huán)境造成不少影響。特別是在意外事故發(fā)生之后，造成的影響可能非常大，比如2010年美國墨西哥灣的漏油事件，對墨西哥灣海域以及周邊的陸地地區(qū)都造成了不小影響。在一些欠發(fā)達(dá)的產(chǎn)油國，因?yàn)楸O(jiān)管不嚴(yán)，治理不力，造成的損失甚至長時間被人們忽視。使用石油造成的溫度氣體排放問題也非常嚴(yán)重。化石能源都是碳基資源，使用后都需要排放二氧化碳，石油也不例外。巨量溫室氣體排放造成的氣候變化問題，是整個國際社會都在努力解決的問題的問題，尋找石油的清潔替代品，是應(yīng)對氣候變化工作的重要組成部分。

即使不考慮環(huán)境問題，人們也需要開始尋找石油替代品了，因?yàn)槭鸵粔蛴玫牧恕Ｗ罱鼛啄?，石油價格一直處于高位，即使全世界范圍的經(jīng)濟(jì)蕭條也沒有讓油價下降多少，一個重要原因就是廉價易開采的石油已經(jīng)無法滿足人類對石油的需求，越來越多的非常規(guī)石油資源被開采。這些非常規(guī)石油資源開采使用的技術(shù)復(fù)雜、能耗高、投資大，這些都增加了石油開采的成本，也就推高了石油的價格。從這個角度考慮，人們也需要尋找可以抑制石油價格上漲的替代燃料產(chǎn)品。當(dāng)然，高昂的石油價格也使得一些原本被認(rèn)為在經(jīng)濟(jì)上不劃算的替代路線有了經(jīng)濟(jì)上推廣的可能。

與發(fā)電的能源來源的多樣性相比，石油替代的選擇有限。替代石油，需要尋找總量巨大、易于存儲和運(yùn)輸、能量密度高的資源，而同時符合這幾點(diǎn)的資源和技術(shù)途徑很少。一個重要候選，在技術(shù)上也相對成熟的，是煤炭液化技術(shù)。煤炭的儲量要比石油多上不少，轉(zhuǎn)化為燃料油以后，可以擁有石油燃料的全部優(yōu)點(diǎn)。在技術(shù)上，煤炭液化技術(shù)已經(jīng)有將近九十年的歷史，二次世界大戰(zhàn)期間在德國工業(yè)化，現(xiàn)在這條技術(shù)路線為南非提供將近四分之一的燃油供應(yīng)。不過煤炭本身也是化石能源，總儲量雖然比石油豐富很多，但是仍然是有限的，即使在一些地方成為替代石油的主力，也不是一個長期的解決方案。同時目前的煤炭液化技術(shù)對環(huán)境的危害還明顯高于傳統(tǒng)石油路線，要克服這些環(huán)境危害，人們還需要付出巨大資金代價，一些技術(shù)也還不成熟。使用天然氣液化工藝生產(chǎn)油類產(chǎn)品也有類似問題。使用一種化石能源來替代另外一種化石能源，肯定不是問題的長期解決辦法，要尋找長期的石油替代品解決方案，需要依靠可再生能源。

石油易于保存運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)性能源特性使得可以替代石油的可再生能源品種很少。實(shí)際上，可再生能源里面只有生物質(zhì)能源是物質(zhì)性能源，其他可再生能源是很難被轉(zhuǎn)化成為物質(zhì)形式的。從這個角度來看，生物質(zhì)的應(yīng)用應(yīng)該盡可能去考慮替代石油的方向，充分發(fā)揮生物質(zhì)物質(zhì)能源的好處。簡單的發(fā)電應(yīng)用，無法發(fā)揮生物質(zhì)能源的這個特長。不過實(shí)際上實(shí)施起來困難很多。當(dāng)前成熟的將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料的技術(shù)并不多，技術(shù)上最成熟的就是糖、淀粉類乙醇和植物油為原料的生物柴油，推廣的最廣泛的也是這兩種生物燃料，目前已經(jīng)占到世界燃油供應(yīng)的將近3%。這里面，乙醇以美國的玉米乙醇與巴西的甘蔗乙醇為主，加在一起占了全世界燃料乙醇供應(yīng)的90%；生物柴油則以歐盟為主，生產(chǎn)了全世界生物柴油產(chǎn)量的一半。但是這兩類生物燃料使用的是與人類食品直接相關(guān)的淀粉、糖類、油料作物，占用了大量的農(nóng)業(yè)資源，一開始擴(kuò)大種植就擔(dān)上了與人爭糧與人爭地的名聲，在世界其他地方推廣明顯受阻，對于世界上很多糧食安全還不能保證的國家，這兩類生物燃料是沒有推廣條件的，甚至在歐美，這兩條石油替代路線也備受指責(zé)。很顯然，要實(shí)現(xiàn)國際能源組織預(yù)測的到2050年生物燃料占到世界燃料供應(yīng)四分之一的比例，依靠這兩個技術(shù)路線是行不通的。

實(shí)際上，從整個生命周期的溫室氣體減排方面來考察，這兩條路線的表現(xiàn)也都不算好。生命周期評價是一種綜合性的評價方法，考察某個工藝路線的各個環(huán)節(jié)對材料的消耗和對環(huán)境的影響，包括原料以及重要輔助材料的收集、運(yùn)輸，各個加工處理環(huán)節(jié)，以及成品的運(yùn)送，廢品的處理等等，把一個產(chǎn)品從原料到成品再到廢品的整個階段的材料消耗以及環(huán)境影響通盤考慮。通過這樣的詳細(xì)考察，可以了解到不同的工藝路線究竟孰優(yōu)孰劣，當(dāng)對不同的技術(shù)路線進(jìn)行篩選的時候，可以了解到各個不同技術(shù)路線的實(shí)際消耗資源情況，實(shí)際環(huán)境影響情況等，為技術(shù)路線的選擇提供一個重要參考。對于同一條技術(shù)路線，也可以通過這樣的分析來了解是什么步驟影響了整體的效果，為工藝改進(jìn)提供方向。在考慮石油替代品的眾多候選的時候，進(jìn)行這樣的分析，就可以了解到所選用的替代方法究竟有沒有所預(yù)期的諸多好處。

比如評價一個生物燃料路線究竟相對石油有什么優(yōu)勢，就需要從作物種植階段開始考察，考察各個種植、播種、收割階段的能源和材料消耗，環(huán)境影響，不僅僅包括直接在田間消耗的，還需要包括所使用的化肥、農(nóng)藥等物品在生產(chǎn)、運(yùn)送過程中的能原材料消耗以及環(huán)境影響。在作物收割之后，需要考察各個初加工步驟，產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。進(jìn)入到燃料生產(chǎn)線之后，還需要考察整個工藝各個環(huán)節(jié)以及所使用的各種原料輔料的消耗和影響。得到產(chǎn)品之后，還需要考慮產(chǎn)品的配送試用過程。如果有需要處理的副產(chǎn)品或者排放，那么這些副產(chǎn)品，排放物的需要考慮進(jìn)去。因?yàn)榭疾斓氖且粋€非常繁瑣詳細(xì)的過程，這樣的考察，地域性的特色就非常強(qiáng)，即使是同一個工藝路線，不同的地區(qū)得到的結(jié)果也會有區(qū)別，看這些考查結(jié)果的時候需要非常小心。

歐盟在2007年公布了一份以歐盟為背景的車用燃料替代方案的生命周期評價。在這份報告里面，歐盟結(jié)合自己的情況考察的乙醇生產(chǎn)原料是甜菜和小麥，得出的結(jié)論是這樣的路線可以比傳統(tǒng)汽油的生命周期減少27%的化石能源消耗，同時溫室氣體減排30%。當(dāng)使用油菜來生產(chǎn)生物柴油的時候，化石能源消耗與傳統(tǒng)柴油相比要節(jié)省64%，溫室氣體減排要降低53%。單從這個報告里面可以看出，在歐盟環(huán)境下，乙醇和生物柴油路線對于降低化石能源消耗，減少溫室氣體排放都是有價值的。

但是中國的情況就很不同了。2008年清華大學(xué)的一份博士論文考察了國內(nèi)實(shí)際情況的乙醇生產(chǎn)的生命周期情況，得到的結(jié)論是使用玉米、木薯、紅薯、甜高粱、甘蔗等為原料生產(chǎn)乙醇燃料，生命周期所消耗的化石能源均遠(yuǎn)高于生產(chǎn)汽油所消耗的化石能源，這些路線的溫室氣體排放量也高于汽油路線。按照這個計(jì)算，可以說中國目前階段所推廣的乙醇燃料項(xiàng)目，既沒有起到節(jié)能作用，也沒有實(shí)現(xiàn)減少溫室氣體排放，并沒有正面的環(huán)境意義。雖然在提供石油替代品的角度上仍然具有積極意義，但是這樣的高耗能高排放的替代方案要繼續(xù)享受國家補(bǔ)貼就有些說不過去了。

在國際上的類似研究中，中國的乙醇路線的數(shù)字最差，但是也不是不能理解。造成這個結(jié)果的原因主要有個方面。首先是中國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理粗放，濫用化肥和農(nóng)藥的現(xiàn)象嚴(yán)重，而化肥和農(nóng)藥的生產(chǎn)運(yùn)送都是需要消耗能源，造成溫室氣體排放的。特別是當(dāng)?shù)什贿m當(dāng)使用后，還會增加土地氮氧化物的排放，而氮氧化物是比二氧化碳的溫室效應(yīng)嚴(yán)重將近三百倍的氣體，少量的排放就足以抵消植物生長所吸收的二氧化碳。然后就是國內(nèi)目前使用的燃料乙醇生產(chǎn)工藝的問題。燃料乙醇對乙醇的純度要求很高，所以需要通過一定工藝來提純，最常見的方法就是乙醇精餾。乙醇精餾是一個非常消耗能源的工藝過程。國內(nèi)這些生產(chǎn)線多采用小型自備熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組來滿足生產(chǎn)所需要的能量，這些機(jī)組又往往使用未經(jīng)過洗選的原煤，造成機(jī)組效率低等問題。這樣也就增加了燃料生產(chǎn)過程中的能耗和溫室氣體排放。也就是說，并不是說中國進(jìn)行燃料乙醇生產(chǎn)就肯定沒有環(huán)境好處，有針對性地解決這兩個主要問題后，中國的燃料乙醇行業(yè)同樣可以與世界其他同行一樣實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能減排。這種有針對性的技術(shù)改進(jìn)應(yīng)該是政府政策的鼓勵方向。

國內(nèi)的生物柴油生產(chǎn)也有類似問題。上面提到的博士論文的考察結(jié)果，是國內(nèi)實(shí)際情況下，使用大豆、油菜籽、棉籽、麻風(fēng)果、黃連木、光皮樹甚至餐飲廢油生產(chǎn)的生物柴油，生命周期過程所消耗的化石能源都高于生產(chǎn)柴油所消耗的化石能源；在溫室氣體減排方面，也只有使用進(jìn)口大豆以及含有林木果實(shí)為原料的路線可以實(shí)現(xiàn)與柴油相比的溫室氣體減排，使用其他的原料都起不到減碳排的效果。造成這個數(shù)字也不大好看的原因，同樣在種植和產(chǎn)品加工兩個階段，與乙醇的情況類似。

沒有明顯的環(huán)境好處，本身還威脅糧食安全，這可能是國內(nèi)最近在生物燃料領(lǐng)域步伐放緩的原因之一。不過，這不等于說生物燃料在中國沒有前景。實(shí)際上中國遇到的問題并不是中國獨(dú)有的。使用糧油為原料的糧食乙醇與生物柴油在國際上被稱作第一代生物燃料，目前國際上生物燃料的研究興趣，已經(jīng)集中在第二代生物燃料上。第二代與第一代的不同在于，第二代生物燃料可以使用各種生物廢料，或者作物的全部或者大部分，而不再像第一代生物燃料一樣，只能是用作物最有價值的部分。這樣，在種植階段所消耗的能量就可以得到更佳有效的回收。此外，在植物的大部分都可以作為能源原料以后，生物燃料的潛在供應(yīng)量也有很大增加。

因?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)的研發(fā)起步很晚，第二代生物燃料目前還沒有進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化階段，不過第二代生物燃料的原料范圍非常廣泛，燃料本身也就有很多選擇。在前面提到的歐盟的報告里面，就考察了沼氣、非糧乙醇、氫氣、二甲醚以及合成柴油幾條可能的路徑。因?yàn)榈诙锶剂峡梢允褂蒙飶U料作為原料，而作物種植過程中的能源消耗是不會攤到廢料的頭上的，這樣這些路徑的生命周期能耗以及溫室氣體排放就有了優(yōu)勢。歐盟這份報告里面，沼氣路線在節(jié)省化石能源方面并不突出，比汽油路線仍然消耗更多的化石能源，但是在溫室氣體減排方面成績顯著。乙醇路線里面，使用木質(zhì)素來生產(chǎn)乙醇在這兩個方面都優(yōu)于糧食乙醇路線。利用生物質(zhì)氣化路線生產(chǎn)二甲醚和合成柴油路線以及制氫路線在能耗方面表現(xiàn)不佳，但是在降低溫室氣體減排方面成績突出，幾乎可以降低百分之九十幾的溫室氣體排放。這里面合成柴油與傳統(tǒng)柴油以任意比例混合，不需要對配送體系，發(fā)動機(jī)進(jìn)行任何改動，對于燃料的推廣來講，是一個重要優(yōu)勢。

中國的情況在第二代生物燃料方面與歐盟類似。前面引用的清華大學(xué)的研究結(jié)果指出，從生命周期溫室氣體排放方面來看，二甲醚、合成柴油、氫氣路線的減碳排效果顯著，生物甲醇，生物乙醇等路線則因?yàn)槭褂玫陌l(fā)動機(jī)不同在減碳排方面略差，但是仍然優(yōu)于汽油路線，都可以起到減排作用。這份研究還指出不同原料、路線的生物燃料的實(shí)際減排節(jié)能效果差異很大，并且這個差異具有很明顯的地區(qū)性，不同的地區(qū)可能有適合自己具體情況的解決方案。第二代生物燃料的多樣選擇，也給了人們足夠的挑選余地，可以因地制宜找到合適本地區(qū)的發(fā)展辦法。

第二代生物燃料畢竟還沒有進(jìn)入商業(yè)推廣階段，這些計(jì)算根據(jù)的往往是一些理論模型和推算，結(jié)論的準(zhǔn)確性當(dāng)然不如從實(shí)際生產(chǎn)所測量的數(shù)據(jù)。隨著這個領(lǐng)域越來越多的工業(yè)嘗試，人們對這些技術(shù)路線會有越來越多的了解，評價指標(biāo)會越來越真實(shí)地反映實(shí)際情況。不過，這些考察已經(jīng)可以看出第二代生物燃料的確是生物燃料發(fā)展的方向?？梢哉f由于第二代生物燃料的原材料比第一代更加廣泛，其所能提供的能源總量也更多，應(yīng)該會在替代石油領(lǐng)域起到很大作用。

要讓生物燃料在替代石油的領(lǐng)域起到重要作用，單純依靠農(nóng)林業(yè)廢棄物是不夠的，需要種植培養(yǎng)專門的能源作物。為了避免與人爭糧與人爭地的帽子，這些能源作物就需要盡可能不占用已有耕地，盡可能使用那些并不適合商業(yè)農(nóng)業(yè)開發(fā)的地方。這就對種植的能源作物品種提出了更高要求。不過，目前研究中的一些能源作物還是可以滿足這些要求的。除了草本木本的能源作物，人工養(yǎng)殖的藻類也是一個非常有前景的生物質(zhì)原料。藻類進(jìn)行光合作用的效率很高，在外界條件合適的情況下，藻類的生長速度要普遍高于草本和木本的作物。這個特點(diǎn)，就使得藻類成為能源作物的最佳候選。藻類的利用方法也可以有多種選擇，既可以篩選專門的品種提高藻類中的油含量，最終生產(chǎn)生物柴油，也可以以生產(chǎn)生物質(zhì)為目的，為下游燃料生產(chǎn)提供碳和能源。國際上有人已經(jīng)把以藻類為源頭的燃料生產(chǎn)列為第三代生物燃料，就是看到了這個良好前景。

不過目前階段的藻類能源利用水平距離實(shí)際應(yīng)用還有很多距離。不僅目前藻類的種植培養(yǎng)收獲需要依賴不少機(jī)械，消耗不少能量，藻類生長的質(zhì)量平衡就決定了目前水平的藻類還不能是能源問題的可靠依靠。藻類的生長不僅僅需要陽光喝二氧化碳，還需要各種其他元素，特別是氮。而目前氮的提供主要是以化肥的形式提供的。實(shí)際上，在給足了充分的陽光和二氧化碳的前提下，藻類的生長速度取決于氮肥的供應(yīng)量。目前氮肥的生產(chǎn)依賴的都是化石能源，這也就增加了藻類路線的化石能源消耗，增加了生命周期的二氧化碳排放。并且，氮肥的使用也會造成種植區(qū)域氮氧化物排放的問題。要實(shí)現(xiàn)藻類的大規(guī)模能源利用，需要發(fā)展生物直接的固氮技術(shù)。這方面，也許要依賴很先進(jìn)的生物工程技術(shù)。其他能源作物也同樣。如果氮肥的清潔供應(yīng)可以得到解決，生物燃料的產(chǎn)量就可能大幅度增高，也就可以更大比例地替代石油。

在研究生物燃料的同時，人們也在嘗試使用另外的途徑替代石油，就是改變目前嚴(yán)重依賴內(nèi)然發(fā)動機(jī)的運(yùn)輸業(yè)，將電能用于運(yùn)輸。電已經(jīng)在運(yùn)輸業(yè)中起了不少作用，在鐵路系統(tǒng)，電力牽引的機(jī)車已經(jīng)非常普及。在民用汽車領(lǐng)域，電動汽車也作為新能源汽車在最近幾年成為熱門。電動汽車的優(yōu)勢在于可以使用電力，而電力的來源非常廣泛，即可以是傳統(tǒng)的火力發(fā)電，也可以是各種新能源。這樣，推廣電動汽車就可以擺脫對石油的依賴，對于石油進(jìn)口大國來講，這個有時還是非常重要的。此外，電動汽車在用戶端并沒有污染，也就可以消除汽車在用戶端的污染，對于人口密度高，車輛擁擠的大城市來講，提高電動汽車的擁有率也對于清潔城市空氣非常重要。實(shí)際上，在終端環(huán)境影響方面，電動汽車要比生物碳基燃料有很大的優(yōu)勢，可能只有生物制氫能與之比較。

不過電動汽車要真正替代目前的內(nèi)燃機(jī)汽車，也還有很長的路要走。關(guān)鍵的問題就在于車輛所攜帶的電力太少。電的存儲一直是個麻煩事，雖然目前電池技術(shù)發(fā)展很快，但是距離電池所能夠攜帶的能量密度，仍然比液體燃料差著數(shù)量級。雖然電動汽車的能量轉(zhuǎn)化效率要比內(nèi)燃發(fā)動機(jī)高上不少，但是目前技術(shù)的電動汽車的單次充電行駛里程仍然無法滿足人們的使用要求。這方面，還需要等待技術(shù)的進(jìn)步。使用電力驅(qū)動，但是仍然攜帶液體燃料應(yīng)付長途需求的插入式混合動力汽車為解決這個問題提供了新的思路，不過相關(guān)技術(shù)仍然在開發(fā)中，什么時候能夠進(jìn)入市場還是個問題。

此外目前階段普及電動汽車，也有轉(zhuǎn)移污染之嫌。由于目前的電力主要來源是火電，火電本身的環(huán)境影響很大。生命周期的研究表明，在煤炭占能源比例比較高的美國和中國，目前階段使用電動汽車提到內(nèi)燃發(fā)動機(jī)汽車，在二氧化碳減排方面效果不顯著，但是在二氧化硫，二氧化氮排放方面，實(shí)際上增加了污染。當(dāng)然不能因此就否定電動汽車的發(fā)展方向，不過在宣傳電動汽車以及進(jìn)行推廣的時候，的確應(yīng)該考慮這方面的影響。

總之，人們目前替代石油還真的沒有什么好的辦法，至少在可預(yù)期的二三十年時間內(nèi)，石油仍然將是運(yùn)輸行業(yè)使用的主要能源，不過也應(yīng)該看到，隨著相關(guān)替代技術(shù)的發(fā)展，石油在運(yùn)輸行業(yè)里面所占的比例也會越來越低的。
本文轉(zhuǎn)自科學(xué)松鼠會