美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

2014年4月7日,美国海军官方网站发布消息,声称美海军研究实验室(NRL)成功完成了从海水中制取燃料的演示试验,并用制取的燃料成功地驱动一架模型飞机飞上天空。那么,美海军实现“水变油”的“奇迹”是否真具有良好的发展前景呢?本期就此解读。

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

据美海军网站报道,美军科研人员使用一架P-51模型飞机测试了新型燃料,结果取得成功。图为科研人员在检查模型飞机,准备试飞。

20世纪80至90年代,王洪成发明的水变油技术曾经是名噪一时,他携带这项技术曾到处表演甚至获得国家计委的拨款,并得到《经济日报》的肯定。无论如何,只要具备基本的化学常识就可以知道,水是无法变成油的,1998年王洪成最终因为水变油诈骗被判刑。2014年4月7日,美国海军官方网站发布消息,声称美海军研究实验室(NRL)做到了从海水中制取燃料的概念展示。难道美国的黑科技如此厉害,水真的可以超越基本的化学原理变成油么?答案当然是否定的。

美国海军的“水变油”,正如报道说的那样,是利用海水制取燃料,而不是把水变成油。

根据美国海军网站4月7日的官方报道,这次美国海军实验室的成果,是一架美国海军的P-51模型飞机成功使用了用海水制取的燃料进行了成功飞行,这标志着美国海军的用海水制取燃料不仅制取技术是可行的,而且制取出来的燃料也能满足发动机工作的需求,美国海军距离实现从海水获得燃料的梦想又近了一步。

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

这种制取燃料反应实际是一种化学放热反应。图为化学放热反应示意图。

那么美国海军是如何利用海水制取燃料的呢?虽然美海军网站的文章中用了 “创新”(innovative)、“游戏改变”(game changing)等誉美之词,不过它的原理相当简单。文章第一段就明确指出,海军研究试验室材料科学技术分部的这项成果,是从海水中获得二氧化碳和氢,然后将其转换为液体的碳氢燃料。看到这一句介绍,化工行业的朋友恐怕就要笑了,利用二氧化碳和氢制取碳氢燃料,这也叫21世纪的高科技?19世纪的法国化学家萨保罗·巴蒂尔(Paul Sabatier)就发现了使用二氧化碳生成甲烷的反应,这个反应又称萨巴蒂尔反应或甲烷化反应。

萨巴蒂尔反应是放热反应,只需要加上镍或是其他催化剂,它就会自发的进行。这种反应早已在工业领域得到了广泛应用,载人航天领域也曾研究过使用萨巴蒂尔反应实现二氧化碳的再循环并生产水和燃料。不过先别笑的太早,美海军的项目管理人员绝非白痴,他们当然不会允许一百多年前就得到应用的工艺作为高科技摆上桌面,在文章中他们专门提到要减少不需要的甲烷并增加分子链更长的不饱和烃(烯烃)的产量。

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

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据美海军网站报道,这种新型碳氢燃料制取装置目前制取出的燃料也只是类似JP-5的航空燃料,并不适用于补给战舰,需经改进处理后才可以。图为地勤人员为歼10战机加注燃油。

根据介绍,美国海军研究试验室的实验室级碳氢燃料制取装置,首先要使用一个电阳离子交换模块(E-CEM)从海水中提取二氧化碳,其提取效率可达92%,同时这个模块还将(电解)生产氢气。有了二氧化碳和氢气,制取烃不过是举手之劳,上文提到的萨巴蒂尔甲烷化反应是最简单也是最容易的反应之一,不过甲烷作为火箭燃料是合适的,但美国海军的战舰和飞机并不适用液体甲烷燃料,而是使用碳氢化合物如煤油和柴油等石油裂解制取得到的液体碳氢燃料,因此美国海军研究试试验室材料科学技术分部使用的是不同的反应。

在碳氢燃料合成装置中,二氧化碳和氢气将在铁基催化剂的作用下转化为以烯烃等为主的不饱和链烃类,最后在镍基催化剂的作用下进行齐聚(oligomerized)反应,变成分子中含有9个到16个碳原子的液体碳氢混合物燃料。从这样的描述看,最终获得的碳氢燃料和JP-5油料的特征较为相似,P-51模型飞机使用它进行飞行并不存在技术难题。事实上美海军的技术虽然不是一百多年前的甲烷化反应,但也没什么新奇而言。现在热门的煤制油产业,间接液化法的费托合成可以说是主流技术。

费托合成就是使用一氧化碳和氢在铁基催化剂的作用下,合成液体碳氢燃料的工艺过程,1923年这项工艺就完成开发,第二次世界大战期间德国曾大规模投入生产缓解石油供应不足的问题,第二次世界大战后南非萨索尔(SASOL)公司改进费托合成方式,也曾在南非被石油禁运期间生产了大量液体碳氢燃料。

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

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碳氢燃料制取装置需要从海水中获得二氧化碳和氢。图为电解氢用的氢电池处理装置。

美国海军的“水变油”从原理上来说是没问题的,那么它的实用性如何呢?美国海军的黑科技也无法无中生有,制取碳氢燃料的二氧化碳和氢都需要从海水中获得。或许有人有疑问,电解水制氢很常见也容易理解,但为什么要从海水中获得二氧化碳呢,空气中不是很多么?美国海军的宣传文章指出,海水中的二氧化碳浓度为100毫克/升,是空气中二氧化碳含量的140倍。海水中的二氧化碳1/3以形式存在,2/3以碳酸盐的各种存在,这或许可以解答很多人的疑惑。美国海军的E-CEM模块可以提取海水中92%的二氧化碳,这要比从空气中获取二氧化碳简单和高效。

至于经济性问题,美国海军的新闻同样有所提及。姑且不说铁基催化剂最高可达60%的二氧化碳转换率,单看最后结果,据估测利用这样的碳氢燃料制取技术获得燃料成本在3~6美元/加仑之间,美制加仑相当于3.785升,换句话说利用这种技术得到的碳氢燃料成本为0.8~1.6美元/升,虽然仍比航空煤油、柴油和汽油高,但已经相差不远。这项技术作为一种替代石油制成油料的普遍方案在经济性上还不过关,但美国海军用于海上实时制取燃料填补亏空,在经济性上未必不划算。美国海军官网文章还提到,这项技术仍处于实验室阶段,需要经过7~10年才能实用化,未来很可能第一步建立一个陆上的装置进行试验,为美国海军的海上油料解决方案进行验证。

总的说来,美国海军的这个“水变油”技术,从化学原理上不存在不可逾越的技术难题,目前也使用模型飞机进行了飞行试验,未来很可能成为美国海军舰队的一部分,为美国海军的巡洋舰、驱逐舰、登陆舰等战舰和航空母舰上的舰载机补充燃料,减轻美国海军舰队对燃料补给的依赖。

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

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美国海军的全球部署战略使其每年都需要消耗大量的油料来维持舰队的海上行动,2011财年美海军就采购了600万加仑油料。图为美国海军双航母战斗群。

如果按照美海军的宣传来说,这项利用海水制取碳氢燃料的技术的前景是光明的。不过这种一面之辞并不可信,我们深入分析的话,会发现对美海军而言,这种技术不过是聊胜于无而已。

美国海军的这项技术并非近期的突破,早在2012年,美国海军研究实验室就在网站上撰文鼓吹这项技术了。文中提到2011财年美国海军采购了大约600万加仑的油料,供应美国海军全球部署和作战的需求。来自后勤、时间、财政紧缩和国家安全等因素的影响,使得美国海军的油料补给是一项极为昂贵的努力,美国海军于是动起了“靠海吃海”的想法,希望通过从海水中提取二氧化氮和氢气,最终制取出碳氢燃料。

2012年的新闻就展示了制取装置的图片和部分数据,无论是最高92%的从海水中提取二氧化碳的转化率,还是最高60%的二氧化碳转化为羟的转化率,都与2014年的报道完全一致。对比之下这套装置在一年半多的时间里似乎没有取得明显的进步,这不能不让人怀疑他们7~10年后实用化的可信性。

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利用海水制取燃料需要消耗大量的能源,即使是核动力航母也很难专门为其长时间提供能源。图为美海军尼米兹级核航母。

技术成熟度倒还在其次。如果认真分析,会发现这项技术是很不现实的。先说最基本的能量问题,作为基本原料的二氧化碳和水,也是碳氢燃料的燃烧产物,或者更明白地说,这项“水变油”的燃料制取技术,是利用从外界获得能量逆向合成碳氢化合物。美海军舰队总不能靠燃气轮机发电为这套燃料制取装置提供能量,唯一可行能量的来源就是航空母舰的核反应堆。

以美国海军的“尼米兹”级核动力航空母舰为例,它装有两个最大轴功率104兆瓦的A4W核反应堆,再以航空煤油热值的低位42.5兆焦/千克计算,即使轴功率全用于制取燃料,而且能量转换率100%,也不过是每天制取422.85吨航空煤油。“尼米兹”级航母的发电机功率仅有64兆瓦,即使加上这一块也仅有270兆瓦左右的功率,新一代的“福特”级航母,在保持104兆瓦轴功率的同时发电功率提高了3倍,但两个A1B反应堆的总功率也只有约600兆瓦,或者说每天输出功率相当于约1220吨航空煤油的能量。

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

即使是核动力航母也只能分配出很有限的一部分电力用于从海水制取燃料,制取过程本身的效率就不高,能源分配不足的话,很难制取出足够的燃料。图为厂房中的A4W压水堆。

核反应堆也不可能一直满负荷运行,“俄亥俄”级核潜艇的S8G反应堆的堆芯寿命为500满功率天,“尼米兹”级的A4W反应堆也与其相近,美国海军还不至于杀鸡取卵,为了几百天天内连续大量制取碳氢燃料就让航母的反应堆报废。航母的反应堆输出功率不可能都用于发电,否则航母就成了海上固定机场了。即使是航母上发的电也只有少部分能用于制取碳氢燃料,制取过程中电解水制氢、二氧化碳和氢气制取羟、羟的齐聚都需要能量,加上反应的转化率和能量利用率问题,最终能制取碳氢燃料速度恐怕是很难令人满意的。如果最后一天只有十几吨或是几吨的制取量,那么航母携带这样的装置,其实际效果是很值得怀疑的,这样的制取规模恐怕连维持航母上舰载机俄日常训练都不够,更不要说供给整个舰队的战舰和飞机,消除燃料补给的压力了。

或许有人会想,航母的核反应堆剩余功率有限,那么专门建造一种核动力燃料制取补给船呢?美国海军没有给出能量转换效率,我们无从得知输入能量和制成燃料的关系。不过美国海军全核舰队方案化为泡影,而核动力战舰方案也无法获得通过。CGX巡洋舰曾计划使用核动力,并声明石油涨价高位可能更划算,但CGX最终取消,而石油价格也没有从140美元/桶继续上涨。核反应堆输出能量,再制取碳氢燃料,最后输送给战舰使用,除了兼容现有战舰的燃气轮机动力外,经济性还不如核动力战舰。如果从这个角度看,美国海军材料科学技术分部声称的3~6美元/加仑的燃料成本,恐怕是很难实现的。

美国海军实现“水变油”应用前景并不光明

美国海军的这项新技术还面对一个问题,美国海军拥有遍布五洲四海的补给基地,这也是美国海军全球部署,却放弃了全核舰队的重要原因。现在放弃这套成熟可靠的补给体系,选择从海水制取燃料,真的可行么?如果不出意外的话,这项技术的前途还比不上当年的全核舰队设想,甚至不一定能服役使用。

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