再议替代燃油汽车之惑

冯跃威 原创 | 2017-10-19 20:21 | 收藏 | 投票

导读:有机无机理论之争的背后是油气田勘探方向和开发方案之争。而“代替”是由技术进步程度决定的,也是一个自然的渐进过程,选择启动这个过程就是个十分艰难的科学问题。

 

笔者与朋友闲聊时有感而成的——《替代燃油汽车又一个世纪骗局?》一文刊登在本刊9月5日一期上。该文是用实证信息说明不要因原油稀缺理论就去替代燃油汽车(而非全方面论证),那样做不经济且还会形成新的污染。同时认为,欧洲等发达国家的燃油汽车替代政策,无非是要消化或解决因2008年全球货币量化宽松后造成的汽车等相关产业的过剩产能,以及试图用创新产品去创造新的需求来拯救低迷的经济。

 

但没料到,9月9日工信部副部长辛国斌在(天津)2017中国汽车产业发展(泰达)国际论坛上表示,许多国家纷纷调整发展战略,在新能源、智能网联产业加快产业布局,抢占新一轮制高点,一些国家已经制订了停止生产销售传统能源汽车的时间表。目前工信部也启动了相关研究,也将会同相关部门制订我国的时间表。

 

因此,替代燃油汽车的话题迅速在各大网站升温,赞赏与批判之声此起彼伏,为此,笔者再写一文,尝试解答批判者的疑问。

 

 油气成因之争背后的隐痛 

 

的确,在非石油地质学的刊物上介绍油气成因理论和证明油气不是稀缺资源等话题确实显得有些突兀,但没想到因为上期的一篇拙文激起了众多读者对了解这方面信息的热情与需求,笔者也只好占用本刊宝贵的资源稍微多科普一下了。

 

众所周知,热力学第二定律是自然科学基本定律,它要求自发的热力学过程必须是熵(温度除热能所得的商)增的。比较生命分子和烃类分子可知,烃类分子由C、H两种元素构成,是C-H体系,称碳氢化合物;而生命分子普遍含有C、H、O三种元素,是C-H-O体系,称碳水化合物。化学热力学计算表明,所有生命分子的化学势均小于甲烷,且随其聚合度的增大而减小。相反,乙烷以上烃类分子的化学势均大于甲烷,且随其聚合度的增加而增加。从生命分子演化到烃类分子,是一个从低化学势演化到高化学势的过程,它违背热力学第二定律关于自发过程必须向熵增方向演化的规定。因此,有机成因理论可被热力学第二定律否决。即使在当下油气田的储集层中发现了再多的古生物化石及其标志性的地球化学的特征,它又跟油气生成有什么关呢?

 

就因我们对生命、对地球、对宇宙的起源了解的太少,所以,使我们在制定产业政策时总留遗憾。而世界各发达国家不仅愿意花巨资去研究这些奥秘,且不断获得着新的、重大的发现和科研成果,并在其中收获着巨大的红利。

 

我国的中央电视台CCTV也曾花巨资引进了许多科普类系列电视片,比如,在2011年前后引进的美国探索频道记录片《了解宇宙如何运行》(网址:https://v.qq.com/x/cover/xe1hf5r52779yaz.html可复制粘贴到搜索页面观看)。


该片虽不能直接解答人们所有的困惑,但当您花10个小时认真看完了该片,当您能站在更高的层面去了解了宇宙、认识了地球及其运行规律时,或许,可能会帮助我们更好地理解油气无机可再生理论——幔源油气理论(但煤炭、铀、钴、镍等固体矿物除外,它们另有生成的条件)以及温室气体等问题;当我们的认知面更宽了,再去制定产业政策,可能会少走弯路,少犯错误。

 

其实,谁都想占据科技的最前沿,用以更好地服务经济发展,特别是对太空的探索。上个世纪90年代初,由美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局共同出资设立的对土星系进行空间探测的合作项目(土星是太阳系除地球以外有大气层的星球)。1997年完成飞船制造,并以意大利出生的法国天文学家卡西尼的名字为飞船命名,称“卡西尼”号土星探测器。任务是环绕土星飞行,对土星及其大气、光环、卫星和磁场等进行深入考察。

 

在对“卡西尼”号传回的照片进行细致研究后,来自美国、意大利和法国的38名科学家一致得出令人振奋的结论:在土星的第六号卫星提但(Titan)(简称土卫六)表面确实存在着由液态甲烷构成的湖泊。

 

康奈尔大学詹森•霍弗加涅教授称,目前我们知道富含甲烷和乙烷的冰层漂浮在土卫六海洋表面,它们凝结在一起温度更低,就如同冬季看到的地球北冰洋海冰。的确,土卫六表面温度极低:赤道地区约为零下180摄氏度,两极地区还要低3至5度。不可能像地球数亿年前生活有恐龙等动物和生长着森林等植被,因此,其上的甲烷绝非是有机生成。

 

而美国康奈尔大学乔纳森•卢尼勒教授称,这种漂浮的碳氢化合物冰层结构将提供一个机会来洞悉液体和固体之间界限的关键化学过程,这种液体和固体之间的界限可能对于地球生物起源具有重要作用。因此,它对现有石油天然气有机成因理论提出了挑战。

 

无独有偶,2012年11月,西班牙内华达山脉的天文研究所Jér•me Pety和他的团队用直径30米的毫米级射电天文望远镜检测到距离地球大约1300到1500光年的位于猎户星的马头星云,该星云中存在有碳氢化合物微粒C3H+。Jér•me Pety称“我们所看到的是一个正在运营中的大规模天然石油炼油厂。”而天文学家古斯曼进一步解释称,这个星云所包含的碳氢化合物是地球上水总储量的200倍。这也进一步说明原油和天然气所属的烃类与有机生物没有必然联系。

 

不仅如此,在许多行星的大气圈中都发现有大量甲烷和其他烃类物质。除土卫六外,海王星的卫星Tritan表面有烃和水冰的混合物,冥王星表面反射表现为焦油(tar)特征;在坠落地球的陨石中也发现有可溶有机物,有正构烷烃、烯烃、异构烷烃、芳香烃和酮等组成,并还检测出姥姣烷和植烷(金之钧等,《深部流体活动及油气藏成藏效应》,科学出版社,2007.3)。可见,用国际最新和最前端的宇宙实证科学可以佐证原油和天然气所属的烃类与有机生物没有必然联系。

 

既然没有必然联系,那它从何而来,又藏身何处呢?

 

大量研究表明,在太阳系中,太阳几乎全是He、H2气团,但形成地球的原始物质(如碳质球粒陨石)就含有大量的碳氢化合物,而木星、土星、冥王星、海王星这些距离太阳很远温度很低的星体内部也主要是由分子氢和金属氢构成。所以,简单的说,油气成因只是地球深部奥秘的一部分。(杜乐天,“地球排气作用——重大自然灾害孕因和地下巨大天然气来源”,《2008中国可持续发展论坛文集》(2))其实,在地球上地幔中的气体主要是氢气、甲烷、一氧化碳;它们运移到中地壳后,经过费托合成反应生成原油等能源,再经过地球排气作用,这些烃类在合适的捕获条件下,将有部分补充现今油气藏,其余的与碱性液体一道排放到地表逸失(崔永强等,“一个储量可再生的石油地质模型”,《石油矿产地质》,2013.3)。可见,地球本身就可以看成是一个巨大的油气生产厂。核工业北京地质研究院的杜乐天教授也有类似的观点。化学热力学计算和高压试验都支持烃类的地幔起源说。

 

从来自北美阿巴拉契亚盆地志留系和奥陶系的非常规气看,深度>3000米的碳同位素全部表现为反序排列(δ13C1>δ13C2>δ13C3)(作者注:全球90%以上被认为是有机成因的油气田都可以用这种方法进行证伪),系幔源特征(崔永强,“幔源油气是可再生能源”,《化工矿产地质》,2012.9)。这是该地区天然气来自地幔的直接证据(我国大庆等油田的天然气也具有这种特征)。也就是说,原油、天然气,甚至是页岩气都来自上地幔。它不仅对油气有机成因理论进行了证伪,而且一个全新的地质理论——幔源油气理论应运而生。

 

因此,油气藏的实际储量已经不是传统储量评估理论中用储层体积等现有技术计算的量,它是一个既有、采出、补充和逃逸的动态过程。但其中的“补充”会立即遭到读者的质疑,若再举国外的案例肯定不够解渴,其实,关于幔源油气补充的案例在中国也有,如我国近海的PL19-3油田的天然气沿垂直断裂带在不断地逸散,而PL19-3油田仍有巨大储量,表明自成藏以来一直有深部油气补给。只是我们直到今天都没有足够认识和足够的资金去研究。

 

更何况,在近几十年的油气开发中,受现实经济利益的约束,当钻过油气层并在打开底水层前就已经提前完钻并完井了,其更深的下部还有什么“美景”却因没有资金的支撑而不能去“欣赏”。于是,我们也只能停留在有机成因的“井底”去自赏了。

 

在室内的基础研究方面,俄美不仅各自发力,而且,两国科学家还合作研究。其中,他们用地球上最普通、最不容易生成重烃的物质——大理石(CaCO3)、氧化亚铁(FeO)和蒸馏水(H2O)三种原料进行实验,当压力达到5千兆帕、温度达到1500℃时,系统自发地产生具有天然原油分布特征的甲烷,乙烷,正丙烷,2-甲基丙烷,2,2-二甲基丙烷,正丁烷,2-甲基丁烷,正戊烷等等等。

 

由实验看,从甲烷形成烷属烃,只要压力大于3千兆帕、温度大于700℃时即可实现。而这个压力条件相当于地下深度100千米,这个温度相当于正常温度梯度时地下20多千米深,但当下,人类最大的钻井能力也不过能钻13千米的深度。而来自生命的有机分子,如葡萄糖分子C6H12O6等所代表的碳水化合物,要想形成乙烷以上的碳氢化合物是绝对不可能的。

 

在我国,类似的基础理论研究即使想有,但因科研立项和获取经费等的路径单一,使我国除油气有机生成理论以外的科研经费常年处于“沙漠”般的干枯状态,针对学术研究的融资政策和机制已经或正在影响我国油气勘探的有效突破。

 

有机无机理论之争的背后是油气田勘探方向和开发方案之争。有机成因理论指出油气资源有限,终将枯竭,结果,推动全国各油田大力开展三次采油,以求最大限度地提高最终采收率。但化学驱措施使用的高分子聚合物注入储层后,这些高分子将驻留在储层中并最终阻塞储层的渗流通道,结果将大面积报废开发井网。而幔源油气理论指出深部油气正在源源不断地向上供给,只有有效保护储层,才能实现油田可持续发展。按照深部油气供给速度来设计油田的开发速度,才能真正实现开发效益最大化。(陈丹江,“油气永不枯竭?幔源油气理论引领世界进入廉价石油时代——访大庆油田勘探开发研究院崔永强博士”,中国石化报)

 

 温室气体来源的漠视 

 

地球不仅是一个固体星球,也是一个富含流体的星球。在地球深部除有大量岩浆熔体外,还广泛分布有碳—氢—氧—硫体系的流体,是包含着烃类的全部物质。仅在上地幔的气圈中,气体含量就是大气层的120倍。由于地球自身熔岩的运动和受太阳、月亮等其他天体的共同作用与影响,会使这些流体有了一个不断膨胀和向外泄露和逃逸的过程。有研究称,全球火山每年排放的二氧化碳约800兆吨,每天约200多万吨。地球形成时的二氧化碳还有72%仍留存在地幔中,总量高达5.3-11.9╳108亿吨(金之钧等,《深部流体活动及油气藏成藏效应》,科学出版社,2007.3)。

 

其实,地球内部气体向地球表面逃逸的问题非常普遍,在卫星等航空航天器上用红外遥感监测时,经常可以发现大陆表面上有成片热异常的突然出现,这被认为是地球内部排气所致。最显著的排气作用发生在大洋地壳上,而且,各大洋海底都发现有幔源流体的渗漏或逃逸的问题,其表现就是该区域海水中甲烷等气体的含量明显异常,且高出正常海水几倍至几十倍。特别是在大洋中黑烟囱和白烟囱附近。在对大西洋中脊Rainbow地区的观测发现,所有热液喷流口都喷逸出高浓度的氢气、甲烷、一氧化碳和硫化氢,且氢气体积百分比占总体积的40%;在对东太平洋纬21度洋中脊热液喷出口观测发现,每年喷出的氢气和甲烷分别是2亿立方米和1.6亿立方米;当下,知道和众多未知的海底活烟囱还在向大气中持续排放着温室气体。

 

在陆地上,同样也有许许多多的漏气点,如对美国华盛顿州圣•海伦斯火山1980年喷发期间的气体进行观测发现,每天喷出的二氧化碳有500至15000吨,硫化氢达到150至34000吨,二氧化硫达500至3400吨;而在我国云南腾冲县火山口地区的气体逃逸也十分显著,仅硫磺塘澡塘河一段150米长的剖面就有85个不间断且以二氧化碳为主的出气口。类似活火山的实证案例数不胜数,就因地球是活的、有着生命力,活火山和海底活烟囱才会成为地球的出气口,它不以人类意志而改变,不仅只受其自身能量衰竭的影响,还要受宇宙、银河系中其他恒星变迁的影响,特别是要受太阳活动周期的影响。有美国国家大气研究中心科学家领导的一项科学研究发现,太阳活动的高峰期和活动的余波能够影响地球,导致地球太平洋热带出现类似拉尼娜和厄尔尼诺的现象,而这种气象不仅要影响南北两极,还会影响城市人口密集区的换气效率。

 

特别是在太阳黑子活动期间,还会对地球磁场产生扰动。而地球磁场的扰动又会影响到地核的运转,改变地幔流体中的物理特征,进而会使地幔中的流体内部压力发生变化,压力变化与失衡又会使其中的流体更加需要向外喷发,以寻求内部压力的平衡,会加剧地球的排气过程。在此过程中,二氧化碳、甲烷等温室气体喷出物也会增加。再加上海洋生物排出的二氧化碳,这种叠加效应早已远远超出人类活动对大气环境的影响。

 

当然,我们非要自我克制,减少人类自身活动对所在区域产生的温室气体绝对无可厚非,特别是对那些不遵守法律法规开工的高耗能高污染企业的治理。但是,要利用减排去解决以往产业政策中的瑕疵或失误似乎就不太妥当。

 

 燃料汽车替代的困惑 

 

“代替”是由技术进步程度决定的,是随产品全过程的成本陆续大幅下降并低于被替代物成本的一个自然的渐进过程,但这个过程不一定就能百分之百的成功,因此,选择启动这个过程就是个十分艰难的科学问题,绝不应该是拍脑袋就决定的事。正因如此,才有了上文结束语:我们已经赶了太多“时髦”了,今天,真的不需要再太“赶时髦”了!

 

因篇幅所限,关于燃油汽车是否需要替代的问题就不展开论述了,但只想说几点论证时需要特别思考的问题,1、在替代效率比较时,应从原始能源开始到转化为轮子滚动的全过程进行计算与比较;2、比较基础应该是去除补贴、同税基水平、同市场准入情况下的比较;3、替代后,会造成多大的沉没成本和资源资产的浪费?4、替代是否会形成新的污染源?且污染强度是否会超过被替代物的污染?5、是否会因替代而增加百姓可支配收入的支出?6、是否会因启动这个过程而开启印钞机?

 

纵观人类发展史,不能站在科技创新制高点上,就无法抢占产业发展的制高点,也将更难抢占经济发展的制高点。

 

本文刊于能源杂志2017年第10期,如需转载或引用请注明来源与作者名称,并不得改动文章标题和内容。

个人简介
曾经长期从事国际能源产业经济、投资避险、国际关系研究和咨询,以及多家媒体的专栏作家。
每日关注 更多
赞助商广告