合成石油是通往净零排放道路上缺失的一环吗?

2021年11月2日，在英国塞伦塞斯特镇附近的科茨沃尔德机场，零石油获得了吉尼斯世界纪录，首次飞行使用100%合成航空燃料。这架双座微型飞机由raf的首席飞行试飞员驾驶，他报告说飞机的操作方式没有差异。观察到的唯一差异是在地面上。帝国理工学院(Imperial College)化学工程师、Zero Petroleum联合创始人尼莱•沙阿(Nilay Shah)说，这种燃烧方式似乎更清洁。“因为它是一种合成燃料，所以燃料中不含任何硫或氮，可能也不含一些能产生部分燃烧碳氢化合物的物种。”

当然，开发合成石油的动力主要来自于我们需要取代化石燃料，向净零碳能源转变。美国合成石油生产公司Genifuel Corporation的总裁詹姆斯•奥伊勒(James Oyler)说，虽然电池驱动汽车的技术现在已经很成熟，但“我认为目前还不存在任何靠电池驱动长途或重型飞机飞行的现实期望。”此外，石油化工产品仍被用于生产从纺织品到化肥的各种产品，占全球石油需求的12%。

生物燃料一度被誉为解决方案，但正如总部位于布鲁塞尔的清洁交通运动“交通与环境”的安娜·克拉金斯卡所指出的那样，生物燃料的产能不足，尤其是在粮食生产压力不断增加的情况下。“如果我们扩大对这些作物的使用，用于生产船舶或航空燃料，情况只会变得更糟。而且，如果考虑到土地利用变化带来的额外间接二氧化碳排放，(生物燃料)对环境的好处并不比使用化石燃料好。”

相反，能源部门正在重新审视一些生产液体燃料的非常古老的技术，这些技术可能会填补这一空白，其中之一是德国化学家弗朗茨·费舍尔(Franz Fischer)和汉斯·托普什(Hans Tropsch)在1925年开发的工艺。他们在高温高压下使合成气(氢和一氧化碳的混合物)发生反应，生成长蜡状线性链烯烃，然后将其裂解，形成航空燃料所需的链长(大约8到16个碳原子)。这需要催化剂，通常是钴或铁，并且是在巨大的反应堆中完成的。

老技术解决新问题

在过去的十年中，BP和庄信万丰一直在合作改进费托法，并使用可替代的、可持续的原料，如城市固体废物或生物质，而不是传统的煤或天然气。英国石油公司化学家詹姆斯·帕特森表示，他们的新反应器和催化剂设计在性能上有了质的飞跃。在这个高放热反应中，关键是控制气体向催化剂的运输以及控制传热。新的设计将60-80个催化剂载体以放射状排列。

帕特森说:“我们已经进化出了催化剂。”他们选择了嵌入支架的8-10nm钴颗粒。他解释说:“如果它们太大……就会有很多不在表面的大块钴，如果它们太小，就会有很多棱角，这不利于碳碳键的形成。”新系统提高了选择性这意味着至少90%形成的分子链中含有5个以上的碳原子，从而使更有用的产物最大化。

他们改进后的系统更加经济，可以在更小的反应堆中运行。帕特森说:“对于生物质能等新兴领域来说，规模较小往往会更好一些。”这项技术已经在一家美国公司的合作下得到推广支点生物能源在内华达州北部建立首个此类炼油厂，每年将从17.5万吨气化的城市固体废物(包括纺织品、木材、纸张、残留塑料和包装材料)中生产1100万加仑(5000万升)的“合成原油”。这将被提炼成航空燃料。帕特森说:“这些都是垃圾填埋场的垃圾……(我们)用它们来制造这种超清洁的合成燃料。”我们对此感到非常兴奋。

英国石油公司和庄信万丰并不是唯一选择费托法的公司，也不是唯一寻求将废物用作低成本循环原料的公司。牛津大学(University of Oxford)分拆出来的Velocys公司与英国航空公司(British Airways)和壳牌公司(Shell)合作，计划在2027年前在亨伯河(Humber river)南岸建造一个设施，该设施可将多达50万吨废物转化为6000万升航空和公路燃料。

E代表电燃料

零石油公司在打破世界纪录的试飞中使用的燃料也是使用费托法制造的。沙阿和他的搭档帕迪·洛(Paddy Lowe)——梅赛德斯一级方程式车队的前执行董事——又向前迈进了一步。他们开发了一种直接的费托法，可以直接从反应堆中生产合成汽油、柴油或煤油，不需要裂解，只需要很少的精炼。沙阿解释说:“我们的工艺从一开始就避免了制造非常重的分子，目的是制造已经符合规格的产品。”

Zero没有透露其工艺的细节，但它是基于一系列催化转化，通过修改催化剂、启动剂分子的比例以及使用的温度和压力，进行了微调，使其尽可能具有选择性。沙阿说:“关键可能是正确地控制温度……以避免系统中任何较大的温度变化。”

他们还计划通过循环水和使用可再生能源来制造原料——从成熟的水电解技术中获得绿色氢气，以及直接从工业废物中获取或直接从大气中捕获的二氧化碳，使这一过程完全循环。这些合成燃料有时被归类为电燃料或电子燃料。

这一过程产生了直链碳氢化合物、支链碳氢化合物和芳香烃的混合物，最近的试飞表明，他们不需要像其他一些合成燃料那样将其与化石燃料混合。沙阿解释说:“分支分子(和芳香分子)有助于满足密度和凝固点的要求，以及燃料如何相互作用，而不是与燃烧部分，而是与系统的其他部分，如泵、阀门和密封件。”

在压力下

更接近于模仿化石燃料也是我们的目的Genifuels他们正在将水热处理(HTP)商业化，从各种废物流中制造合成燃料。这种方法是由美国能源部下属的太平洋西北国家实验室(PNNL)首创的。“简而言之，这一过程与化石燃料形成的方式相同，”奥伊勒说。它使用热压有机材料，通常是一种废料，来生产可再生的原油和可再生的天然气。“用化学方法将有机物转化为化石燃料的自然过程需要6亿年，而Genifuels只需半小时就能完成。

热液液化油被普遍认为是最接近石油的石油

奥伊勒说:“其中涉及的一些基本原理多年前就已经为人所知，但要真正经济地建造它，需要对各种容器和热交换器的材料、结构和设计标准进行大量试验。”PNNL在20世纪70年代开始研究转化废木材，但直到2010年代，该项目才开始实施，现在处于商业化的早期阶段。

无论原料是什么，有机材料都被转化为约20%的干固体和80%的水，然后通过一系列容器和热交换器在200巴压力下承受通常为350°C的温度。“热液液化油被普遍认为是所有过程中最接近石油或原油的，”Oyler说。链长、环化合物、芳烃和酚的混合使其与现有的基础设施更加兼容。它可以以一种非常直接的方式被引入现有的炼油厂，炼油厂已经熟悉了这些流程。此外，它将碳从原料转化为燃料的效率约为90%，只有10%的二氧化碳损失;奥伊勒说:“这是一个非常好的生物燃料生产数据。”

Genifuel目前专注于使用污水污泥为原料，并正在温哥华建立一个试验设施，每天将处理1140万升污水污泥。但正如奥伊勒所说，“尽管有七八十亿人，废水污泥最多只能生产我们所使用的10%的燃料。”自2017年以来，他们一直在与印度的合作伙伴运营一家试验工厂，处理藻类，每天可生产高达2000升的生物原油。今年3月，他们签署了一份合作协议与咨询公司AECOM合作，从水道中收集有害藻类作为替代原料。

生物，但不同

从玉米或甘蔗作物中提取的第一代生物燃料可能无法长期替代化石燃料，但并非所有人都将生物燃料排除在外。总部位于美国伊利诺斯州的LanzaTech公司认为，他们有一种制造可持续液体燃料的生物技术解决方案。LanzaTech的首席可持续发展长弗雷亚•伯顿(Freya Burton)说:“我们不需要土地，(我们使用)更少的水，对生物多样性或间接土地利用变化的影响可能更小。”

你不受原料的限制，你可以使用任何废液

LanzaTech使用产乙醇的厌氧细菌来发酵工业废气。该公司成立于2005年，其首席科学官肖恩·辛普森(Sean Simpson)领导了生物技术和气体发酵规模的发展。他们使用的是钢铁厂废气，主要是一氧化碳，因此不需要额外的氢气。伯顿说，这个过程的美妙之处在于，它摆脱了混乱，创造了秩序。它可以接受波动很大的输入，创造稳定持续的产品流。”

该公司于2008年建立了第一家示范工厂，目前在中国运营着几家商业工厂，在世界各地还有更多工厂正在建设中，包括一家使用旧轮胎的工厂。他们还与时尚品牌露露柠檬(Lululemon)合作，将纺织品废料纳入其中。“你不局限于原料，你可以利用任何废物流。伯顿解释说:“但我们非常小心，这是一个已经有了主要用途的废物流，而这些废物的另一个生命终结途径将是焚烧或填埋。”

产生的乙醇脱水成乙烯，然后低聚和饱和，制成航空燃料。“这种酒精转化为航空燃料的途径实际上可以产生一些最高产量的可持续航空燃料，高达90%的乙醇原料。该公司剥离了LanzaJet，该公司今年2月宣布在伊利诺伊州建造一个年产1.2亿加仑(4.5亿升)的综合可持续航空燃料工厂，使用可再生能源和从大气中捕获的碳。他们还从微软的气候创新基金获得了5000万美元(4000万英镑)的投资，用于在美国乔治亚州建造一家工厂，从垃圾原料中生产可再生柴油。

与其他一些方法不同，生物途径也有可能绕过石油生产，直接生产目前由石油生产的一些化学品。“实际上，你可以通过关闭生产乙醇的基因来编程让细菌生产其他化学物质，而这种基因会将能量转移到生产其他物质上。”“他们已经确定了数百种不同的化学物质的生成途径，这些化学物质在自然界中已经存在，但在自然界中无法生成。扩大异丙醇和丙酮的生产。伯顿说:“今天，这些只能来自化石途径，而我们实际上表明，你可以用废弃的碳来制造这些碳。”

税收和法律

生产合成燃料的技术显然已经成熟，但成本仍然是一个关键问题。伯顿承认:“没有任何一种方法可以与化石燃料竞争。”除非有一个真正的碳价格，外部性得到考虑，否则这是不会发生的。据电子燃料联盟战略主管托比亚斯·布洛克(Tobias Block)称，合成燃料或电子燃料的推广需要一些政策上的改变。布洛克说:“尤其是化学家，但研究产品细节的工程师有时会忘记政治形势是什么样的。”电子燃料联盟正在争取降低电子燃料的税收。布洛克说:“这是推动发展的最大经济杠杆之一。”

另一个主要问题是创造需求。’设置一个CO₂减少汽车排放量的目标在让纯电动汽车上路方面非常有效，我们(在航运和航空领域)也需要类似的措施。”

在欧洲，幸运的是我们有绿色交易布洛克说:“现在所有的气候法规都重新开放了，这是一个独特的机会。”到2050年停止温室气体净排放的一揽子政策将包括设定使用配额的可再生能源指令。欧盟目前提议到2030年将配额提高到2.6%，eFuel联盟希望交通部门将配额提高到5%，布洛克表示，这相当于减少了4,000万辆乘用车。英国政府也表示，可能会引入可持续航空燃料的规定，但目前还没有具体细节。

一个没有达成一致的领域是是否应该为汽车开发电子燃料。非政府组织运输与环境正在开展活动，反对支持这一计划的激励措施。克拉金斯卡说:“对于汽车和卡车来说，真正的电气化是前进的方向……我们只是没有看到电子燃料的作用。”“在乘用车中，使用电子燃料的效率非常低:你需要的可再生电力是纯电动汽车的五倍多。”

合成燃料就是这样一种简单、有用、能量密集的燃料

但是eFuels联盟却有不同的看法。布洛克说:“我们现有14亿辆配备内燃机的汽车，它们不会在一夜之间消失。”保时捷与西门子能源合作，在智利建立了一个生产电子燃料的试点项目，计划到2023年每年生产5.5亿升。他们正在利用智利巴塔哥尼亚地区的强风中产生的廉价可再生电力。布洛克解释说:“这弥补了很多效率损失，这是迄今为止对电子燃料最大的批评。”

如果最终目标是将氢作为最低排放的燃料，那么合成碳氢化合物燃料可能只是目前无法电气化的应用领域的一个过渡阶段，如航空、航运和重型机械。但我们可能要等很长时间才能看到氢经济。布洛克说，使用氢气的问题在于，你没有任何现有的基础设施，处理它不容易，而且你也不能远距离运输它。沙阿说:“我肯定我们会在2100年左右使用合成燃料，因为它是一种简单、有用、能量密集的燃料，而且实际上非常安全。”奥伊勒还总结说，即使在碳中和经济中，碳氢化合物燃料也可能会继续存在，用于“永远不会电气化的应用”。

目前，那些参与开发合成燃料的人正在努力使技术和政策立场都正确。在政策方面，他们希望今年欧盟的电子燃料目标会更加明确，这将有助于刺激更多的投资。克拉金斯卡说，有了这项技术，“首要任务是增加绿色氢气的产量，并推广直接空气捕捉技术，以实现完全碳中性燃料的生产。”

雷切尔·巴西，英国伦敦科普作家

文章于2022年7月11日更新:LanzaTech希望澄清用于生产乙醇的微生物是自然产生的，而不是经过工程改造的