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石油与否,这是个问题  

2010-07-03 23:08:34|  分类: 浓缩=精华 |  标签: |举报 |字号 订阅

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石油与否,这是个问题 - 司古 - 司古的博客 

司古

硬壳与软肋

消灭草贩子能战胜一支军队?千真万确。1878~1880年的第二次阿富汗战争中,英军在前往坎大哈途中有数千匹骆驼毙命——当地人恫吓甚至杀死沿途的割草人,正是后者为那些驮着给养的英军骆驼提供了赖以生存的饲料。在那个骆驼作为主力运输工具的年代,没有骆驼就意味着没有给养,没有给养,谈何战斗力?今天,英军士兵正像他们的祖先一样在行军和作战——唯一的不同是他们拥有运输能力更加强大的车辆和飞机,但这些工具完全依赖油料的供应,一如当年骆驼依赖草料活命。燃料的状态发生了变化,但军队在面对针对其补给线的威胁时,仍然表现得十分脆弱。

130年后,伊斯兰武装分子仍然没有忘记这个方法——最直接的证明是6月9日伊斯兰堡郊外熊熊燃烧的北约运输车队。十几名武装分子一顿乱枪,20辆运送油料和其他补给品的卡车立即化为20堆篝火,北约在阿富汗的驻军不得不忍耐一下由此造成的物资短缺。

强大的战斗力构成的坚硬外壳,却罩不住燃料供应以及补给线的软肋。美国人发现,要想让军队的作战效能真正得到质的提升,必须设法降低军队对于外来油料的依赖,除了提高现有的发动机和发电机的效率外,还必须开发新的可再生的清洁燃料。

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为了遏制墨西哥湾深海钻井平台泄漏的大量原油,BP公司点燃了部分浮油,2010年6月9日。升腾的烟柱让美国军方认识到,强大的美军所依赖的传统石油供应系统,是非常脆弱的软肋。

美国空军要变绿?

美国空军在美国武装力量中占据了相当重要的地位。除了空军,海军战斗力的很大部分也是由航母舰载机组成的。从能耗上讲,美国空军可能算是世界上能源消耗量最大的单一组织,燃料成本对其作战费用具有举足轻重的影响。美国空军的研究表明,每桶石油的价格每增加1美元,美国空军就要为此多付出6600万到1.3亿美元。2005年,美国空军就决心逐步开始摆脱对外来油料的依赖。

按照最初的构想,美国空军制订了“两步走”的行动目标。第一步,到2011年,首先证明空军全部装备可以使用合成燃料。到2016年,空军希望利用费舍尔-特罗普什工艺(Fischer-Tropsch,以下简称F-T工艺)工艺制取的合成燃料能够占据其燃料使用量的50%,这些燃料包括石油燃料、天然气燃料、煤基燃料、植物燃料和其他原油替代品。

 

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费舍尔-特罗普什工艺(Fischer-Tropsch)最早在上世纪20年代创立,是通过一系列化学反应将一氧化碳和氢气混合物转化为液态碳氢化合物的过程。利用这种方法,可以从煤炭、天然气或者生物中制取石油替代品,作为合成润滑油和合成燃料。F-T工艺燃料工厂必须首先将煤炭或固体含碳原料转化为气态反应物,例如一氧化碳、氢气和烷烃。这一过程成为气化。气化过程会产生污染物而且耗能较大。以煤为原料的F-T工艺工厂会产生大量二氧化碳,部分原因是由于这一过程需要消耗较多的能源。目前人们正在研究将生物气化法和F-T工艺合成物联合制取可再生燃料。

 

2006年,美国空军一架B-52“同温层堡垒”率先使用生物燃料进行了飞行测试。2007年,一架C-17“环球霸王”III也靠着生物燃料飞上了天。2008年8月,美国空军一架F-15E“攻击鹰”成为F-T工艺合成燃料的首架战斗机试验品。也是在这一年,美国空军一架B-1B“枪骑兵”战略轰炸机使用混合生物燃料进行了首次超音速飞行。此外,加利福尼亚爱德华兹空军基地的T-38教练机和田纳西州孟菲斯国民空中警卫队基地的一架C-5“银河”,都使用生物燃料进行了飞行测试。

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2007年8月8日,两名美国空军士官正为一架B-52H“同温层堡垒”侧面喷涂的F-T工艺合成混合燃料认证标志揭幕。

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2007年,美国空军一架C-17“环球霸王”运输机使用合成燃料穿越北美大陆后飞临纽约城。

考虑到美国巨大的煤炭蕴藏量——约占全球储量的四分之一,有人认为美国空军未来最有潜力的燃料是液化煤,这一提议显然十分具有诱惑力。曾任美国空军部长的麦克·韦恩在谈到替代燃料的初步构想时表示,空军曾积极考虑过使用煤基燃料。“我们将在一段时间里成为以煤为燃料的国家,使用这种能源将产生巨大的影响,也会带来很多问题。或许不等我们成功证明所有喷气式飞机都能使用煤基燃料,外国宣传报道上就会出现满脸乌黑的美国矿工形。”

事实上,批评使用煤炭资源的呼声也不少。把煤液化作为燃料使用,会导致更多的二氧化碳排放,由此带来的问题难以解决。美国空军部长助理比尔·安德森认为,如果我们没有办法取得“清洁煤”,那么全世界都面临严重问题……全球煤炭的开采和使用在未来将迅速增加,这一趋势不可逆转。寻找可再生能源、开发核能,以及节约和提高效率的做法会起一定的作用,但仍然无法满足全球能源需求的增长。

韦恩并未完全否定应用煤基燃料的可能,他说空军会考虑将煤基燃料和生物燃料联合使用。“现在是时候考虑我们的餐盘上有些什么了?美国拥有辽阔的沙漠地区可以生产生物燃料,拥有丰富的煤炭储量。我们应该充分利用。”但也有一些专家合成燃料表示怀疑,剑桥能量研究所全球石油咨询组主任朱里奥斯说,长期使用F-T工艺合成燃料“并不实际也不经济”。

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美国空军使用的R-11加油车,该车储油量为6000加仑,从其侧面标识可知内部装载的是JP-8航空燃油。

“F-T法最大的缺陷在于,制取燃料的工厂占地巨大,这需要巨额资金投入。而在同样产出水平上,F-T合成燃料生产厂所需的投资是普通炼油厂的5倍。”无独有偶,美国国防部科学委员会在2008年也出具了一份报告,对这项技术的可行性表现出“极大的担忧”,认为建造合成燃料工厂投资过大,而种植原料则可能带来环境问题。此外,目前的生产工艺还会产生大量的废水。报告中几乎毫不遮掩地说,“花费如此巨大的投资制取合成燃料,最后的结果只能证明这项技术缺乏可行的市场前景,不可能扭转战区燃料缺乏的局面。这笔钱完全可以花在更有效果的方案上。”但究竟什么方案可能更有效,报告中却没有提及。

美国空军的想法与此不同,按照韦恩尼的说法,空军应该成为“市场缔造者”,通过创造巨大的可靠的合成燃料市场需求来刺激市场运行。安德森把这称为能源方面的“曼哈顿工程”(二战时期美国原子弹研制工程的代号),在这个工程中,私营公司将由于新发现发生革命性的变化,军方的投资也会相当慷慨。

空军的需求=市场+利润

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2008年3月19日,在新墨西哥州白沙导弹试验场上空,这架B-1B成为首次使用合成燃料(石油燃料与合成燃料按照1:1比例的混合物)实现超声速飞行的飞机。

如果说,近来合成燃料技术的发展都是缘于美国空军的推动,显然不大负责。事实上一些商业公司也做出了不小的贡献,著名的普惠公司先进发动机项目部主任吉米·李德就说,普惠公司积极支持美国空军的做法。他指出,过去10到15年间商业公司已经进行了大量的基础研究,主要集中在航空领域使用合成燃料的可能性方面,某些方面取得了突出进展。

“15年来我们一直把煤炭和天然气视为燃料来源,但今天我们关注的是生物燃料技术。利用这种技术,你几乎可以用任何含有碳和氢的化合物制造出航空燃料。”李德同时也表示,利用煤炭、天然气或生物制取航空燃料的方法也存在固有的问题。例如,目前的石油基燃料中含有的芳香族化合物可以帮助燃油系统中的密封件膨胀,进而实现更好的密封效果,防止航空燃油泄漏。而合成燃料中则没有这样的芳香族,需要添加剂来实现这种效果。“解决这一问题需要时间”。

除了生物合成燃料,另一个引起美军兴趣的改善发动机效率的商业技术。李德特别提到普惠公司的发动机洗涤技术,宣称该技术可以将燃油消耗率降低1.2%。2008年普惠公司为客户进行了3888次洗涤服务,据称节约燃油总值7300万美元,为此减少的碳排放量为5.33亿磅——相当于26675辆轿车,116000人或4100万株树的含碳量。洛克希德-马丁公司也一直从事合成天然气的研究,该公司合成燃料项目部经理怀特解释说。“我们的技术研究主要集中在气化方面”。事实上这项技术可以将任何垃圾、木本生物以及非粮食作物加工成合成气体,而这种气体最后又被转化为汽油、柴油、JP5或JP8等液态航空燃料。“我们需要利用当地的生物材料,包括垃圾——现在我们只是在焚烧它们,但新技术甚至可以让蛋糕包装塑料纸之类的东西实现气化。”

如果这些技术能够实现,得到满足的不仅是美国空军在合成燃料方面的需求,各个军事基地制造的大量垃圾的处理问题也都有了答案。“只要开发出相应的技术,你甚至可以让所有含碳材料完成气化。这方面的技术有些可以用来处理大量的固体垃圾,有些经过改进可以用于木本植物或者能量原料……这是一个爆炸式膨胀的市场。经济危机最终会被时间淹没,就像是硕大雷达屏幕上微笑的亮点儿。来自社会私人和政府军界的大量研究资金,就是最好的刺激。我们看到的一切,都还只是开始。”

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2010年1月6日,美国空军第380远征勤务准备中队的油料技术人员正在检测油罐车中航空油料的质量。该中队任务中最为重要的一项,便是贮存、输送和分配各种燃料。

HED:陆军的省油车

美国陆军未来作战系统FCS将采用HED底盘,虽然FCS陷入停顿,但HED技术仍然被陆军所器重。

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美国陆军未来作战系统FCS将采用HED底盘,虽然FCS陷入停顿,但HED技术仍然被陆军所器重。

和空军相比,陆军除了寻求替代燃料,还有混合电驱动技术(HED)可以依靠。混合电驱动发动机正在成为研究领域的焦点,在各种测试中,HED已经表现出了不俗的潜质——节省燃油和费用。美国国会已经通过一项法案,要求美国陆军在今年让其30%的车辆用上HED(现在看来这个目标并不好实现),一旦这一目标实现,美国陆军在战区对于燃油运输的依赖将显著降低。

2009年,HED技术似乎遭遇了重大挫折。先是美国未来作战系统(FCS)项目寿终正寝——该项目的平台车辆正是采用HED发动机;接着是瑞典国防器材管理局作出决定,采购113辆装有常规柴油机的帕特利亚(Patria)模块式装甲车,一同参与竞标的使用HED的BAE装甲战术系统落选。

BAE系统公司美国作战系统部的负责人唐纳·克里斯蒂安在接受《简氏防务周刊》采访时说,HED的前景是光明的。现代军用车辆的外形尺寸和技术复杂程度越来越高,而处于“储备待用”(Hotel load)状态的能量需求也随之增加。“储备待用”原本是一个海军术语,指的是那些与传播推进无关的能源需求。

“在汽车领域,人们很早就意识到让汽车跑起来只是汽车功能的一个部分,” 克里斯蒂安说。“汽车要有明亮的大灯、收音机、点烟器、电视机等等设备,这类需要能源的设备越来越多。军用车辆也是如此,导航设备、计算机显示屏、电子对抗设备、干扰设备等等,这些设备价格昂贵,但却一刻也离不开能源,确切地说是电力。”例如,执行观察任务的军用车辆可能要长时间停留在某一个地点,这段时间里,车辆的发动机处于关闭状态——如果驾驶员不想在需要离开时耗尽燃油的话。车辆保持这种状态的时间越长,就越应该采用电力作为能源。

HED首要的优势在于燃油经济性。和普通柴油机相比,HED车辆可以节省30-40%的燃料。HED系统可以在燃料消耗高峰时段采用早前储备的电力作为补充,而在燃料消耗率较低的时段完全不使用发动机,减少燃油浪费。省了油还不算,HED可以采用全电力模式驱动车辆,这样可以显著降低车辆的红外信号和声学信号,有助于提高车辆的隐蔽性。HED车辆不需要携带大量的燃料,车上的电池的更换周期也更长。此外,HED系统存储的电力可以为各种设备提供电能,研究这项技术的奥什科什公司宣称,其ProPulse HED系统甚至可以为整座机场、医院或指挥中心提供电力。

大多数HED驱动车辆的驱动电机不是装在车辆肚子里,而是装在每个轮毂上,直接驱动每个车轮。这意味着车辆设计过程中可以拥有更大的灵活度,设计人员再也不用为如何把动力从发动机传递到车轮,如何布置长长的传动轴和复杂的变速箱而犯愁,这些东西都被柔软的电缆所取代。采用HED驱动方式的车辆,其性能、操纵性都得到改善,模块化设计理念也可以得到真正充分的体现。HED车辆通常重量更轻,也更易于维护。美国陆军FCS底盘测试时,在公路上FCS的HED底盘可以用一加仑燃料跑上2.56公里,而等量的燃料只能让普通柴油动力车辆行驶0.832公里。

目前世界上各发达国家都十分关注HED技术。澳大利亚国防部虽然表示迄今尚未进行过HED车辆测试,但也声明并未排除“未来该技术成熟后应用的可能”。南非在2005年起就对Armscor公司的CVED电动战斗演示车进行过测试(这种车辆采用8×8Rooikat装甲侦察车改进而成)。德国军事技术和采购办公室在2007年同克劳斯-玛菲-韦格曼公司签署协议,要求后者开发VT-E电动测试平台。

美国海军的能源构想

4月22日,马里兰州帕托克森河海军航空站。一架F/A-18F双座战斗机启动、滑行,接着麻利地拉起升空,开始一次45分钟的盘旋飞行。在许多海军军官眼里,这个时刻意义非常:这架绰号为“绿色大黄蜂”的F/A-18F使用的燃料,并非平常的航空燃油,而是添加了50%亚麻荠基合成油料的混合物。美国海军航空兵希望这次试验能够证明,混合替代燃料完全可以和标准的JP-5航空燃油一样发挥作用。

试验飞行中“绿色大黄蜂”由一架使用常规燃料的飞机伴飞,通过网络视频,美国海军部长马布斯等一些海军高官全程观看了整个试验。“替代燃料测试计划是一个重要的里程碑,它标志着美国海军和海军陆战队在生物燃料的认证和使用上取得了重大进步。”马布斯说。“美国海军非常有必要减少对进口油料的依赖,同时保护我们的环境。我们的海军,和美国工业以及其他军种一起,率先采用替代能源。”

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4月22日使用50/50比例混合合成燃料的海军F/A-18F“绿色大黄蜂”战斗机实现了超声速飞行。该机的垂尾上带有特殊的绿色条纹,机头部位带有海军部能源安全徽志。

试飞“绿色大黄蜂”的海军飞行员在着陆后表示,飞机的飞行表现和预期的一样,替代燃料工作状态良好,操纵性能也没有异常。据透露,接下来美国海军航空兵还将继续试验,目的是确认新型替代燃料在超级大黄蜂整个飞行包线范围内对其发动机性能的发挥都没有影响,在亚音速和超音速情况下,都能保证发动机完全正常工作。

先前的测试已经证明,生物燃料没有造成发动机性能的变化,其实际效能和使用常规燃料时完全相同。按照计划,海军还要进行14次飞行试验,针对生物燃料的测试内容还将从航空喷气发动机扩展到目前驱动美国大多数水面战舰和海军陆战队地面作战车辆的汽轮机上。

眼下生物合成燃料的价格并不便宜:2009年9月国防能源支援中心花费了270万美元,用于购买40000加仑亚麻荠基生物燃料,每加仑生物燃料的价格接近67.5美元,而目前的JP-5标准燃料价格每加仑才2.94美元。当下高昂的成本,可能随着技术进步而快速下降。美国海军战斗序列中已没有常规动力航母,航母全部采用核动力,几乎具备无限航行能力。但航母舰载机却仍然需要航空油料,航母战斗群中的巡洋舰、驱逐舰、补给船等水面舰艇也要依靠石油燃料。这样一来,航母战斗群的实际作战能力仍然存在一个“石油瓶颈”。

美国海军未来的理想能源蓝图是让全部航母和护航潜艇将采用核动力,其他水面舰艇和作战飞机则使用生物合成燃料。马布斯曾提出过一个颇为豪迈的计划——到2016年建成一支“大绿舰队”,即一个完全不依赖石油燃料的航空母舰打击群。如今,作为航母战斗力释放途径的舰载机,已经在逐渐和生物合成燃料接口,“大绿舰队”还会太遥远么?

除了航空兵,美国海军还有其他难缠的能源问题。为了满足遥远而分散的各个海军基地的需要,海军不得不频繁地向各地运送大量燃料。一艘前往印度洋上迭戈·加西亚基地或太平洋上夸贾林环礁的油船,常常要在航行中花费数周。这些基地上的电力也只能保证断续供应。2006年,美国国防部提出,今后美国将在海外更多地区驻扎小规模部队,这意味着燃料供应更加困难。为此,美国海军提出了一项雄心勃勃的计划——海洋热能转换厂(OTEC)。一旦该计划实现,就能大幅度降低各海军基地对油船运输的依赖。所谓海洋热能转换,其实质就是通过将温度较高和较低的海水进行混合来产生电能和淡水。按照这种理论,在某些海域,表层海水温度较高,深层海水温度较低,温暖的海水流经热交换器,使某些低沸点工质变成蒸汽,推动涡轮发电机产生电力。这种发电方式不仅能为海军基地提供大量电力,而且还没有任何污染。

在节约与替代能源方面,美国海军走得比其他军种更远。海军已经开始采用节能的球鼻首以及综合电推进(IED)技术,而在冷战时代曾以无限航程被各国所看重的核动力推进方式,正越来越不被看好,一些国家已经表示将逐渐摒弃这种推进方式。

2007财年国防白皮书强调“美国海军应该更多地应用包括核动力在内的替代能源作为其未来水面战斗舰艇的驱动能源。”2009年美国国防预算曾拨款8.28亿美元,建造用于潜艇和航母动力的海军核反应堆。尽管如此,这并不说明美国政界热衷于核动力推进方式,由于固有的对核动力舰艇安全方面的传统顾虑,扩大核动力舰队的规模,实际上面临着诸多政治约束。

继续还是停顿?

目前世界市场上相对便宜的石油产品仍然存在,而另一方面,对于美英等军事大国,替代能源的急迫性显然不能与目前反恐战争相比。眼下美国控制的能源渠道尚未枯竭,价格波动最多造成军费水平的浮动,所谓环境问题也不应该是军方优先考虑的要务。美军决策的真正大背景是,中国和印度等发展中国家,以及以及非洲急迫的发展态势,可能刺激能源紧张程度加剧,导致能源供求关系发生变化,甚至增加美国的政治和国际关系压力。如果美国未来没有替代能源方面的准备,将变得非常被动。从这个角度说,替代能源战略的高度,比单一的新技术装备更高。

韦恩尼表示,在奥巴马总统的任期,替代能源战略处于前所未有的有利环境。“新政府比布什政府采取了更多的绿色政策,替代能源战略的阻力比过去显著减少。但是这一战略仍然存在困难,问题的根源不能简单地归结于总统和副总统,还在于其他政府官员。”

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