乙醇燃料補(bǔ)充資料

撰文 馬修·L·沃爾德(Matthew L. Wald)

翻譯 趙學(xué)慶

如果你有機(jī)會(huì)來(lái)到美國(guó)南達(dá)科他州蘇福爾斯機(jī)場(chǎng)的候機(jī)大樓，不妨趁著行李運(yùn)到前的空閑四處參觀一下。一輛綠白相間的印地賽車(Indy)穿梭在幾條行李傳送帶之間，車身上的貼花圖案標(biāo)明它以乙醇(ethanol)作為燃料;在租車公司的攤位前，有一個(gè)醒目的標(biāo)志，提醒客戶不要給出租車加注E85--當(dāng)?shù)爻鍪鄣某?jí)乙醇混合燃油，這種混合燃油會(huì)損壞出租車引擎，因?yàn)楫?dāng)?shù)氐某鲎廛嚥⒉皇菫檫@種混合燃油而設(shè)計(jì)的。

乙醇之鄉(xiāng)蘇福爾斯，是美國(guó)將碳水化合物(carbohydrate)轉(zhuǎn)變?yōu)樘細(xì)浠衔?hydrocarbon)的推廣中心。

在美國(guó)，乙醇熱潮持續(xù)高漲，甚至開(kāi)啟了一個(gè)燃油轉(zhuǎn)換過(guò)渡期，規(guī)模之大，恐怕只有40年前電力行業(yè)建造的數(shù)百座核電廠方可媲美。2005年8月，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了一項(xiàng)重要能源法案，要求到2012年，將乙醇年產(chǎn)量從2005年時(shí)的40億加侖左右增加到75億加侖(1加侖約等于3.8升)，以便取代進(jìn)口燃油。業(yè)界人士認(rèn)為，在美國(guó)政府的稅收優(yōu)惠和補(bǔ)貼政策扶持下，特別是如果油價(jià)仍然居高不下，那么這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有望大大提前，因?yàn)閷⑥r(nóng)作物轉(zhuǎn)化為乙醇的成本，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2006年秋天的汽油零售價(jià)--每加侖2.50美元。

實(shí)際上，據(jù)美國(guó)可再生燃料協(xié)會(huì)(Renewable Fuels Association)介紹，2006年美國(guó)的乙醇產(chǎn)量超過(guò)50億加侖。與每年約1,400億加侖汽油和柴油消耗量相比，雖然這一數(shù)量還顯得微不足道，但是乙醇產(chǎn)量在一年內(nèi)卻增長(zhǎng)了50%。美國(guó)能源部(DOE)負(fù)責(zé)能效和可再生能源的副部長(zhǎng)安迪·卡斯納(Andy Karsner)稱，由于高油價(jià)增加了乙醇的市場(chǎng)吸引力，開(kāi)發(fā)商紛紛修建乙醇工廠。他斷言美國(guó)將出現(xiàn)一個(gè)乙醇繁榮期，"類似于19世紀(jì)50年代賓夕法尼亞州的石油熱"。

這股熱潮真能給人們帶來(lái)好處嗎?實(shí)際上，我們生產(chǎn)乙醇的方式并沒(méi)有多大優(yōu)勢(shì)。美國(guó)所有的商業(yè)乙醇燃料都用玉米粒制造，采用能量密集型的生產(chǎn)方式。一些研究表明，煉制一加侖乙醇所耗用的能量，甚至高于它燃燒時(shí)所提供的能量。即使一些支持玉米乙醇的研究，也只能證明它的能源凈收益微乎其微;另一種持反對(duì)意見(jiàn)的研究則表明，同原油-汽油循環(huán)比起來(lái)，玉米-乙醇循環(huán)在減少溫室氣體方面的作用，幾乎可以忽略不計(jì)。

在乙醇生產(chǎn)廠商完善纖維素(cellulose)乙醇生產(chǎn)方法之前，玉米乙醇毫無(wú)經(jīng)濟(jì)或環(huán)保意義。纖維素是組成玉米稈、樹(shù)木及其他草本植物草莖的木質(zhì)成分，對(duì)它的管理和收割只需要耗費(fèi)較少的能源。但是，雖然科學(xué)家知道某些基于生物學(xué)的加工方法，可以轉(zhuǎn)化纖維素中的糖分，但是一些試圖生產(chǎn)纖維素乙醇的公司，迄今也未能形成商業(yè)規(guī)模的批量生產(chǎn)。甘蔗是最佳植物能源，它所擁有的可用于制造乙醇的糖分含量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玉米稈和草本植物中的含量，但是美國(guó)缺乏巴西那樣的氣候條件和廉價(jià)勞動(dòng)力，無(wú)法對(duì)甘蔗進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。

要實(shí)現(xiàn)用纖維素生產(chǎn)乙醇，就需要對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)工藝進(jìn)行重大改進(jìn)。否則，乙醇仍將是幾乎沒(méi)有任何凈收益的、難于利用的產(chǎn)品，美國(guó)也將繼續(xù)依賴進(jìn)口石油。

玉米乙醇:可再生能源?

不少人一直把用玉米生產(chǎn)的乙醇視為"可再生能源"。據(jù)最新調(diào)查統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)一加侖玉米乙醇可謂"入不敷出"，所耗用的其他能量(如天然氣、柴油)幾乎接近或甚至高于它所產(chǎn)生的能量。況且，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中排放的二氧化碳，也有悖于"清潔能源"的初衷。

美國(guó)生產(chǎn)的大部分乙醇，都被用作汽油的一類添加劑，它可以按1∶9的比例與汽油混合使用，這是普通引擎能夠使用這種混合燃油而不遭致?lián)p壞的最高比例。在有些地區(qū)，主要是在農(nóng)業(yè)區(qū)，駕駛員能夠購(gòu)買到E85混合燃油，這種混合燃油含有85%的乙醇和15%的普通無(wú)鉛汽油(unleaded regular gasoline)，主要供專門設(shè)計(jì)的"柔性燃料"(flexible fuel)引擎使用。對(duì)于普通引擎而言，乙醇與蒸餾酒中所含的酒精一樣，會(huì)腐蝕掉引擎和燃油系統(tǒng)中的密封件。數(shù)百萬(wàn)輛汽車都裝備了這種引擎(不過(guò)許多車主都并不知情)，然而E85銷售點(diǎn)卻只有幾百個(gè)，而且目前這一燃油供應(yīng)鏈的擴(kuò)展速度極為緩慢。

盡管如此，玉米乙醇仍然發(fā)展迅猛，部分原因在于，在美國(guó)華盛頓哥倫比亞特區(qū)，它擁有一支由農(nóng)業(yè)州參議員和眾議員組成的強(qiáng)有力的兩黨支持者隊(duì)伍。此外，它還得到了一些非農(nóng)業(yè)州地區(qū)人士的支持，這些人認(rèn)為美國(guó)應(yīng)減少對(duì)進(jìn)口石油的依賴。由于玉米能年復(fù)一年栽種和收獲，鼓吹者便認(rèn)為乙醇是一種可再生燃料。美國(guó)可再生燃料協(xié)會(huì)還印發(fā)了一本裝幀精美的宣傳小冊(cè)子，暗示每年消耗75億加侖乙醇，就意味著少進(jìn)口1.79億桶外國(guó)石油。這一水平大約相當(dāng)于美國(guó)15天的石油進(jìn)口量--雖然不能"藥到病除"，但至少開(kāi)了一個(gè)好頭。

然而，這只是玉米乙醇的表面風(fēng)光而已，實(shí)際上它仍有不少問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題在于，一標(biāo)準(zhǔn)桶(42加侖)乙醇只相當(dāng)于大約28加侖汽油，因?yàn)橐粯?biāo)準(zhǔn)桶普通無(wú)鉛汽油含有約11.9萬(wàn)英熱單位(Btu，1英熱單位約為1,055焦耳)能量，相比之下，一標(biāo)準(zhǔn)桶乙醇只含有8萬(wàn)英熱單位能量。因此你給油箱加滿E85混合燃油時(shí)，其實(shí)只相當(dāng)于加了2/3油箱的汽油。即使一加侖乙醇的售價(jià)更為便宜，但要行駛一加侖汽油所能行駛的里程，你必須購(gòu)買更多的乙醇。

第二個(gè)問(wèn)題則在于，美國(guó)缺少生產(chǎn)乙醇所需要的某些資源。美國(guó)的玉米資源確實(shí)豐富，玉米地從蘇福爾斯機(jī)場(chǎng)四周一直連綿延伸到遠(yuǎn)方。但制造乙醇需要耗費(fèi)大量的天然氣。燃油用乙醇的生產(chǎn)方法與酒用乙醇的制造方法基本相同。酵母(yeast)消耗掉糖分而釋放出酒精和二氧化碳，所獲得的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)蒸餾，讓酒精蒸發(fā)，然后將酒精收集起來(lái)加以冷凝。各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要用天然氣來(lái)加熱。目前，生產(chǎn)一加侖乙醇(含有8萬(wàn)英熱單位能量)，需要大約3.6萬(wàn)英熱單位的天然氣。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)國(guó)會(huì)力圖通過(guò)一些法案，鼓勵(lì)乙醇制造廠商生產(chǎn)更多乙醇，支持一些農(nóng)業(yè)州的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。當(dāng)時(shí)天然氣較為便宜，每百萬(wàn)英熱單位的天然氣平均價(jià)格約為3美元，而到2005年冬天，天然氣價(jià)格已飚升至14美元。此外，高需求量必然會(huì)刺激天然氣價(jià)格向上攀升。雖然乙醇支持者認(rèn)為乙醇燃料是未來(lái)可持續(xù)能源的一個(gè)組成部分，但是耗費(fèi)的大量天然氣，卻是不可再生的，甚至難以支持現(xiàn)在的需求。美國(guó)乙醇產(chǎn)量正在下降，加拿大乙醇產(chǎn)量也滿足不了人們的消費(fèi)需求。具有諷刺意味的是，為了制造"本土"乙醇，美國(guó)將不得不從北美洲以外的地區(qū)進(jìn)口更多的天然氣。

一些乙醇生產(chǎn)廠商正在用煤替代天然氣，但這又有悖于人們對(duì)于清潔能源和可再生能源的定義。燒煤會(huì)釋放大量的二氧化碳，這樣一來(lái)，使用乙醇燃料的汽車對(duì)氣候變化造成的影響，反而要比原來(lái)使用普通汽油的汽車嚴(yán)重得多。理論上講，一家乙醇生產(chǎn)廠為了生產(chǎn)乙醇，可從電力公司購(gòu)買電力來(lái)提供生產(chǎn)所需熱量，但是對(duì)于許多美國(guó)電力公司來(lái)說(shuō)，那樣就可能意味著，要燃燒更多的煤和天然氣來(lái)滿足這一用電需求。

生產(chǎn)乙醇還需要一些其他形式的能源。乙醇不像汽油或柴油那樣可以用管道來(lái)輸送，因?yàn)檫@類輸送管道很容易進(jìn)水，雖然水不會(huì)與汽油或柴油混合，但是卻能與乙醇混合，一旦混合就會(huì)破壞乙醇的燃料熱值。因此，為了將乙醇運(yùn)往市場(chǎng)，就需要?jiǎng)佑每ㄜ嚕袝r(shí)還需要長(zhǎng)途運(yùn)輸，這就必須消耗柴油。此外，聯(lián)合收割機(jī)收割玉米作物也要耗用柴油，而種植玉米所用的化肥，其生產(chǎn)過(guò)程也離不開(kāi)天然氣。

上述一些問(wèn)題成了計(jì)算乙醇"凈能量平衡"的關(guān)鍵因素。這一話題引起了人們激烈爭(zhēng)論。2005年，美國(guó)康奈爾大學(xué)的農(nóng)學(xué)教授戴維·皮門特爾(David Pimentel)宣稱，制造一加侖乙醇所耗費(fèi)的能量，超過(guò)了它燃燒時(shí)產(chǎn)生的能量。一些持相反意見(jiàn)的人則反駁說(shuō)，皮門特爾幾乎沒(méi)有考慮乙醇副產(chǎn)品的價(jià)值，其中一些能夠用作家畜飼料(可取代栽種部分用作飼料的玉米)，而且他將一些與乙醇無(wú)關(guān)的能源成本也統(tǒng)統(tǒng)算到了乙醇頭上，甚至包括了乙醇工廠工人的用餐成本。但是，這些分析家都一致認(rèn)為，即使乙醇的凈能量值為正，增益也十分微小。同一年，美國(guó)生物科學(xué)學(xué)會(huì)(American Institute of Biological Sciences，縮寫為AIBS)的一份重要研究報(bào)告斷定，用玉米生產(chǎn)的乙醇所能產(chǎn)生的能量，僅比生產(chǎn)玉米乙醇所需的能量多出10%左右。與巴西用甘蔗生產(chǎn)乙醇高達(dá)370%的能量產(chǎn)出相比，這一數(shù)據(jù)顯然微不足道。

據(jù)美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)輸研究中心的環(huán)境科學(xué)家王全錄(Michael Wang)估算，考慮到所有的生產(chǎn)環(huán)節(jié)--玉米地施肥、玉米收割、將玉米淀粉漿蒸餾為酒精等等，每生產(chǎn)100萬(wàn)英熱單位的乙醇，需要耗用74萬(wàn)英熱單位的化石燃料。雖然乙醇一直被當(dāng)作為農(nóng)產(chǎn)品推廣，但它基本上還是化石燃料的產(chǎn)物。

在減少溫室氣體方面，乙醇帶來(lái)的好處更是微乎其微。在2006年1月出版的《科學(xué)》雜志上，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的能源與資源助理教授亞歷山大·E·法雷爾(Alexander E. Farrell)撰文宣稱，乙醇在減少溫室氣體方面的作用"難以確定"。在考察了各種研究報(bào)告之后，法雷爾及其合作撰稿人斷定，在排放大氣污染物方面，用天然氣生產(chǎn)的乙醇比汽油產(chǎn)品要稍好一些，但是用煤生產(chǎn)乙醇卻更糟糕。燃燒一加侖汽油釋放大約20磅二氧化碳(1磅約為450克)，其中包括了來(lái)自汽車引擎和煉油廠的排放量。盡管乙醇的這一可比數(shù)據(jù)尚存爭(zhēng)論，但到底是稍好一點(diǎn)還是更糟一些，主要取決于乙醇的生產(chǎn)過(guò)程。以限制二氧化碳排放量為理由，鼓吹乙醇燃料的說(shuō)法是靠不住的。

汽車用乙醇汽油在燃燒值，動(dòng)力性和耐腐蝕性上的不足:

1，乙醇的熱值是常規(guī)車用汽油的60%，據(jù)有關(guān)資料的報(bào)道，若汽車不作任何改動(dòng)就使用含乙醇10%的混合汽油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗會(huì)增加5%。

2，乙醇的汽化潛熱大，理論空燃比下的蒸發(fā)溫度大于常規(guī)汽油。影響混合氣的形成及燃燒速度，導(dǎo)致汽車動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)型，及冷啟動(dòng)性的下降，不利于汽車的加速性。

3，乙醇在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生乙酸，對(duì)汽車金屬特別是銅有腐蝕作用。有關(guān)試驗(yàn)表明，在汽油中乙醇的含量在0~10%時(shí)，對(duì)金屬基本沒(méi)有腐蝕，但乙醇含量超過(guò)15%時(shí)，必須添加有效的腐蝕抑止劑。

4，乙醇時(shí)一種優(yōu)良溶劑，易對(duì)汽車的密封橡膠及其他合成非金屬材料產(chǎn)生輕微的腐蝕，溶漲，軟化或龜裂作用。

5，乙醇易吸于水，車用乙醇汽油的含水量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)后，容易發(fā)生液相分離。

(1)增氧性強(qiáng)，助燃效果好。燃料乙醇按10%的比例混配入汽油中，可使氧含量達(dá)到3.5%，助燃效果好，汽油燃燒充分，使汽車的有害尾氣排放總量降低33%以上。并可使辛烷值提高2-3個(gè)單位，提高了油品的抗爆性。

(2)溶解性好，清潔油路。車用乙醇汽油中的燃料乙醇是一種性能優(yōu)良的有機(jī)溶劑，能有效地消除汽車油箱及油路系統(tǒng)中沉淀和凝結(jié)的雜質(zhì)，具有使油路疏通的作用。

(3)燃燒充分，減少積炭。由于車用乙醇汽油燃燒充分，可有效地預(yù)防和消除火花塞、氣門、活塞頂部及排氣管、消聲器等部位積炭的形成，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)和主要部件的使用壽命。

(4)親水性強(qiáng)，使用不當(dāng)會(huì)分層。乙醇是親水性液體，易與水互溶，如果油箱中沉積有水分或在車用乙醇汽油中混入水分，使油品水分超標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)燃料乙醇與調(diào)和組分油分層現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。因此，首次使用時(shí)，應(yīng)對(duì)油箱進(jìn)行一次檢查。

燃料乙醇中主要雜質(zhì)是正丙醇。

它是一種可再生能源。

乙醇燃料電池---直接乙醇燃料電池(DEFC)由于乙醇的天然存在性、無(wú)毒,是一種可再生能源開(kāi)始引起人們的研究興趣。然而，乙醇燃料電池目前多以含有CO2的空氣作為氧氣的來(lái)源，故堿性不斷的下降，進(jìn)而使得電池?zé)o法完全正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至根本無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。但與直接甲醇燃料電池和氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池相比,DEFC的功率密度很低,遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的水平。雖然直接甲醇燃料電池中的甲醇滲透問(wèn)題受到人們的關(guān)注而且已經(jīng)進(jìn)行了深入研究,但DEFC 中的乙醇滲透問(wèn)題目前鮮有問(wèn)津。在本論文中,系統(tǒng)研究了乙醇透過(guò)Nafion-115 電解質(zhì)膜的滲透率,并與相應(yīng)的甲醇的滲透率進(jìn)行了比較。與此同時(shí),研究比較了它們對(duì)PtRu 為陽(yáng)極催化劑的直接醇類燃料電池性能的影響。進(jìn)一步研究了膜電極集合體(Membrane Electrode Assembly, MEA)制備方法對(duì)DEFC 性能的影響。而且采用半電池和單池評(píng)價(jià)技術(shù)研究了乙醇在碳載PtSn催化劑上的電氧化機(jī)理。此外,對(duì)以乙醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)操作體系進(jìn)行了有效能分析(ExergyAnalysis)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與相同濃度的甲醇水溶液相比,透過(guò)Nafion膜的乙醇的滲透率低于甲醇的滲透率。由于乙醇滲透率小而且乙醇在Pt/C 催化劑上的電氧化活性低使得乙醇滲透對(duì)直接醇類燃料電池的陰極性能影響小。但是,乙醇對(duì)電解質(zhì)膜的溶脹能力強(qiáng),造成了電池性能衰減和失活,這是DEFC 研究的一個(gè)重要技術(shù)難題。 MEA 制備方法對(duì)乙醇滲透、DEFC 的開(kāi)路電壓和電池性能都有明顯的影響。盡管與傳統(tǒng)電極制備方法相比,薄層轉(zhuǎn)壓技術(shù)的多步驟操作過(guò)程對(duì)陽(yáng)極PtRu 催化劑的表面組成和陰極Pt 催化劑的粒徑分布都有明顯的影響,但由于其制備的MEA 催化層薄而且催化劑與電解質(zhì)膜之間接觸好而使之具有較好的DEFC 性能。 從Pt/C 和PtSn/C 分別為DEFC 陽(yáng)極催化劑的單池恒電流放電產(chǎn)物分布以及電化學(xué)表征結(jié)果可以看出,錫能夠明顯提高鉑對(duì)乙醇的電催化活性,它能使乙醇比在Pt 上更低的電位下氧化生成乙酸,但是,乙醇氧化的產(chǎn)物仍然主要是含C-C 的化合物,C-C 鍵的斷裂仍是其核心問(wèn)題。根據(jù)單池放電產(chǎn)物的分布結(jié)果提出了乙醇在PtSn/C 催化劑上電氧化的可能機(jī)理。

1.易儲(chǔ)存，易推廣:與H2、CO、CH4等氣體燃料電池的燃料相比，乙醇是液體的，易儲(chǔ)存，尤其是無(wú)需在現(xiàn)有的公路交通體系下"另起爐灶"--建設(shè)耗資巨大的氣體燃料補(bǔ)給站(加氣站)，只要在現(xiàn)有的加油站的基礎(chǔ)上，稍加改動(dòng)即可完成產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。

2.乙醇燃料工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纖維素的"農(nóng)業(yè)剩余廢物"水解發(fā)酵得到。

3.乙醇(就是俗稱的酒精)，基本無(wú)毒，并且有特殊氣味;所以一旦泄漏對(duì)生物和環(huán)境的危害很小，并且容易被發(fā)現(xiàn)。

然后，我們看看其機(jī)理和目前存在的問(wèn)題:總結(jié)了一下研究者提出的可能機(jī)理，我認(rèn)為有可能將乙醇完全反應(yīng)為CO2和H2O:

CH3CH2OH + H20一CH3COOH+4H+ + e (1)

CH3CH2OH~CH3CHO +2H++2e(2)

Pt + H2O一Pt-OHads + H + +e- ( 3 )

CH3CHO +Pt-OHads一CH3COOH+H十+e -+_Pt (4)

Pt + CH3CH0-Pt-(CO-CH3 )ads+H十+e- (5)

Pt + Pt一(CO-CH3 )a。一Pt一(CO)ad, + Pt一(CH; )ads (6)

2Pt+H2O-Pt-O Hate十Pt-H,d, (7)

Pt一(CH3)a&+Pt-Had一CH4+2 Pt (8)

Pt--(CH3)ads+Pt--OHads-2Pt+CH3OH(9)

Pt+CH3OH-Pt-(CHOH)+H+e-(10)

Pt-(CHOH)+Pt-OHads-CHO+H2O+2Pt(11)

Pt+CHO-Pt-(CO)ads+H+e(12)

Pt一(CO)aas+Pt-OHad一CO2+2 Pt+H十+e- (13)

但是，由于很多的步驟多有H+和CO2的生成，所以消耗了OH-，然而"關(guān)鍵的步驟"有需要Pt-OHads充分的存在才能進(jìn)行，因此，若要讓乙醇充分完全的反應(yīng)，則必須保持OH-離子的充分過(guò)量(甚至是過(guò)飽和)才行。

。。。

1.用純的O2，或是現(xiàn)制的O2。

2.對(duì)堿性的溶液進(jìn)行定期的更新，或使用化學(xué)的藥劑"激活"。

3.不使用時(shí)，阻斷空氣，延長(zhǎng)使用的時(shí)間。

乙醇燃料電池，酸作電解質(zhì)

總反應(yīng):C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O

正:3O2+12H(+) +12e(- ) = 6H2O

負(fù):C2H5OH+ 3H2O - 12e(-)=2CO2+ 12H(+)

乙醇燃料電池，堿溶作電解質(zhì)

總反應(yīng):C2H5OH+3O2+4KOH=2K2CO3+5H2O

負(fù)極:C2H5OH+16OH(-)-12e(-)=2CO3(2-)+11H2O

正極:3O2+12e(-)+6H2O=12OH(-)