石油之后的生活

11月初的一个清晨，在“玉米加”工厂前门外，半挂车排了四排，等待着一个用红色大字警告“禁止吸烟”的标志。在这个明尼苏达州南部小镇温尼伯格的沉睡角落里，烟囱冒着烟，工厂的嗡嗡声打破了乡村的宁静。一股酸涩的气味，弥漫着啤酒厂的味道，笼罩在空中。

“玉米加”中的“加”是乙醇，更广为人知的名字是乙醇。玉米加工厂一天将45辆卡车运来的玉米粒转化为122,000加仑的燃料。油罐车停在工厂后面的铁路侧线上，准备将其运往新英格兰、芝加哥和加利福尼亚。

随着原油价格创下历史新高，“玉米加”工厂的生意兴隆，而且这种局面很可能持续下去。过去十年，乙醇的生产成本稳步下降，尽管一些能源分析师预测，汽油价格可能再也回不到每加仑3美元以下。在今年国情咨文中，布什总统发出了一句被广泛引用的警告：“美国对石油上瘾”，之后他呼吁“采用尖端方法生产乙醇，不仅来自玉米，还来自木屑、秸秆或柳枝稷。我们的目标是在六年内使这种新型乙醇变得实用和具有竞争力。”最终目标是：“到2025年，取代我们从中东进口石油的75%以上。”

这是一个非同寻常的立场。在华盛顿特区，乙醇通常被视为仅仅是对农业游说集团的一种安抚。这种传统观念已经根深蒂固，甚至虚构的政治人物也接受它：电视剧《白宫风云》中的总统候选人在虚构的爱荷华州党团会议上都批评乙醇。“运输和施肥所需的石油比我们使用它节省的还要多，”拉塞尔代表抱怨道。桑托斯参议员抱怨物流：“运输困难；储存是个噩梦……支持乙醇是个错误。”

尽管如此，总统的倡议与其说是一项新事业的宣布，不如说是对正在进行的工作的肯定。它也没有听起来那么雄心勃勃；来自波斯湾的石油仅占美国消费的16%左右。然而，最了解乙醇的研究人员认为，它代表着一个非凡的机会。他们说，如果大力推动，乙醇可以在25年内取代国内汽油消费的30%。因为乙醇是由植物制成的，而植物在生长过程中会从大气中吸收碳，所以它可以大大减少汽车的温室气体排放，这是仅次于发电厂的第二大排放源。尽管布什总统没有明确表示，能源部还在追求一个更宏伟的目标——一个“生物炼制厂”，不仅可以生产燃料，还可以生产目前从石油中提取的塑料和其他产品。

当你考虑到这些说法正在国外实现时，它们听起来就不那么离谱了。在巴西——一个拥有1.88亿人口、世界第14大经济体——客车燃烧的燃料中约有40%是甘蔗提炼的乙醇。乙醇的泵售价大约是汽油的一半。巴西70%的新车都配备了“柔性燃料”发动机，这些发动机可以使用纯汽油或E85（一种高达85%乙醇和15%汽油的混合物），巴西政府已宣布将在今年年底前完全摆脱对外国石油的进口。所有这一切都发生在使用一种基本美国技术的情况下：柔性燃料发动机及其前身——亨利·福特预期使用乙醇的福特T型车——都是在美国发明的。

事实上，乙醇已经逐渐成为主流。去年，美国约有16亿蒲式耳的玉米被发酵生产出40亿加仑的乙醇，是2001年的两倍。全国所有加油站加注的汽油中，有3%实际上是乙醇，它通常作为低排放“重整”汽油的成分添加。这里约有500万辆汽车可以使用E85，尽管大多数司机可能不知道。2005年《能源政策法案》要求到2012年使用75亿加仑乙醇，而该行业已超额完成目标。35家新工厂正在建设中，可再生产20亿加仑乙醇。在全国各地的实验室、工厂和加油站，一场能源革命正在以小而重要的方式进行着。

里克·伦兹（Rick Lunz）的家庭农场，距离玉米加工厂一个县，是新的乙醇经济萌芽的地方之一。我开车过去，看到他正在把谷物装进筒仓。

他已经在他的约翰迪尔9650 STS联合收割机的驾驶室里待了大约八个小时。我们回到车里，里克（Rick）的弟弟鲍勃（Bob）发动了它。很快，坚固的六英尺高玉米在我们前进时倒下，一次八排。秸秆、叶子和玉米芯碎片随着玉米粒消失在下面而舞动，但在密封的驾驶室里，钢齿啃食玉米的声音几乎听不到。完成一次四分之一英里的通行大约需要三分钟，然后鲍勃再次转动联合收割机。一辆卡车驶到旁边，他按下一个开关，谷物从联合收割机后方的料仓倒入卡车。这不是你父亲的农业作业。也许这就是为什么49岁的伦兹仍然拥有一张稚嫩的脸。

1979年，当乙醇被称为汽油醇时，伦茨在报纸上看到一则关于农场乙醇工厂的广告。1973年的能源危机在他脑海中记忆犹新。吉米·卡特总统说服国会通过了一项促进合成燃料的法律，其中包括对乙醇生产商的税收抵免。伦茨订购了一套每年可生产15万加仑的设备：“我花了好长时间才把它建好。我运行了三个月。”伦茨爽朗地笑了。然后里根总统取消了激励措施，伦茨无法支付费用。“我转而把它拆掉，寄给了内布拉斯加州的一个人。他们有一个州级项目，而我们没有。”

到了20世纪80年代中期，明尼苏达州也有了这样的项目。一项税收抵免使乙醇在明尼苏达州汽油供应中的比例达到了约4%。1991年，当伦兹开始与温尼伯格附近的一群农民会面时，他们可以依靠国家提供的每加仑20美分的现金支付，每年高达300万美元。伦兹和他的同事最终筹集了1300万美元——大约占建设成本的一半——来建造一座他们命名为“玉米加”的乙醇工厂。该工厂于1994年11月投产，年生产能力为1500万加仑乙醇。

此后产量翻了三倍。立式输送机、拖动输送机和螺旋输送机将玉米粒运到储存仓，然后运到一对锤磨机，将其粉碎成细粉。在混合罐中，磨碎的谷物与水和酶混合，开始将淀粉转化为简单的糖。最终，浆液到达发酵罐，酵母开始作用于糖。在接下来的54小时内，玉米浆液变成含有15%酒精的糊状物。酒精在蒸馏器中被去除；分子筛然后提取最后几滴水。最后，乙醇——一蒲式耳玉米可生产2.7加仑——被冷却成液体并用汽油变性。蒸馏器底部的糊状物被干燥并作为一种名为“酒糟”的动物饲料出售。

从表面上看，乙醇的生产方式并没有太大变化，但每个生产环节的效率都显著提高，首先是农民。例如，伦茨说，他的田地每英亩生产约175蒲式耳玉米，比十年前多25蒲式耳，同时燃料使用量减少了25%到30%。

玉米加公司也做出了显著的进步。工程师格雷戈里·科伊尔递给我一副耳塞，带我进了一个房间，房间里有一个巨大的不锈钢锥体，让人想起老式蒸汽机车的烟囱。这是一个流化床反应器，一种几十年来一直用于造纸厂和废水处理厂的能源生产技术，但此前从未安装在乙醇厂。

每分钟，80加仑蒸馏后剩余的玉米糖浆被泵入1300度砂床，砂床由压缩空气搅动，使其像液体一样流动。沙子点燃糖浆。“糖浆固体的热值与褐煤相似，”科伊尔在燃烧的轰鸣声中说道。“当它燃烧，当它氧化时，它会产生热量。”热量为锅炉和干燥器产生蒸汽。流化床反应器已将工厂的天然气使用量减少了一半以上。新的热回收系统可能进一步将天然气消耗量减少到两年前的三分之一。

这些改进至关重要。从一开始，乙醇行业就一直受到对其净能量平衡的担忧——即乙醇在生产过程中是否需要比它所取代的化石燃料更多的化石燃料。这通过将生产每个阶段的所有能源投入加起来来衡量，从种植玉米种子到耕种和收获谷物，将其运输到工厂，再将乙醇运到终端。如果乙醇的能量平衡为负，正如一些批评者（包括那些絮絮叨叨的《白宫风云》角色）所断言的那样，那么这项事业就注定失败：浪费本可以在其他地方直接消耗的化石燃料有什么意义呢？

美国农业部研究人员过去十年的研究结果令人乐观。他们一致显示出积极且不断改善的能量平衡。到2001年，乙醇生产中每消耗一个英热单位（BTU）就能产生多出67%的能量，这还是在考虑了酒糟等副产品的情况下。其他研究人员也报告了类似的趋势；综合来看，他们的发现显示出明显的上升趋势。

然而，挥之不去的疑虑依然存在，这主要是由两位执着的怀疑论者煽动的：康奈尔大学生态学和农业科学教授大卫·皮门特尔（David Pimentel）和加州大学伯克利分校地质工程教授塔德·帕采克（Tad Patzek），后者创立了由行业资助的研究小组UC石油联盟。在他们最新的研究中，他们得出结论，乙醇的平衡是负面的。这些研究人员发现，乙醇需要比其提供的化石能源多29%，他们质疑在世界饥饿面前使用谷物为汽车提供燃料的道德性。他们写道：“扩大乙醇生产，可能意味着将宝贵的农田从生产人类所需玉米转移到为乙醇工厂生产玉米。”

大多数研究人员在转化过程所需的能量上或多或少达成了一致，但与帕采克和皮门特尔不同的是，他们将副产品计入了能量抵免。然而，大部分差异来自于玉米种植的不同测量方法。帕采克和皮门特尔计算的投入比其他人多得多，包括农场工人消耗的劳动能量以及农场设备和乙醇工厂本身所蕴含的能量。当燃料是汽油时，通常不会计算这些外部来源。

一个更相关的问题是乙醇的能量平衡是比汽油好还是差。毕竟，正如能源经济学家菲利普·维莱格（Philip Verleger）所指出的：“我们不是用英热单位来衡量平衡的；我们是用美元和美分来衡量的。所以，如果我能找到一种廉价且易于使用的能源，那么使用大量这种能源来生产一加仑汽油可能是有意义的。”

根据定义，石油的化石能量平衡是负的。生产一加仑石油所需的能量比其本身所含的能量多23%。即使使用帕采克未经修订的估算，乙醇的表现也优于现有燃料。玉米加工厂的流化床反应器进一步使乙醇的论点更具优势。使用帕采克的方法论对乙醇生产的各个方面（除了转化过程本身）进行计算，一加仑玉米加乙醇消耗的能量少于其所含的能量——这甚至还没有计入副产品的功劳。

与此同时，乙醇的效率持续提高。明尼苏达州生物炼制公司开发的新型机械能将玉米粒精确地分解成其组成元素，这可能以更低的成本将更多淀粉转化为乙醇，同时还能释放出更多有价值的副产品，如玉米油。生物技术公司Genencor和Novozymes开发了酶，可以在一个步骤中将淀粉转化为糖并将糖发酵成乙醇，从而简化了过程。种子公司正在尝试培育适合乙醇转化的玉米。

然而，在某个时候，玉米乙醇将遇到瓶颈。即使美国决定将其全部玉米作物用于发酵，这也只能取代我们汽油消耗的不到20%。美国玉米种植者协会描绘了一个更现实（如果仍然乐观）的场景，预计到2015年玉米乙醇产量将翻两番，达到160亿加仑，这还不到预期需求的7%。布什总统的故事就从这里开始。

事实证明，那天晚上里克·伦兹在他的田里留下了大量的能量。玉米秸秆——被联合收割机咀嚼并吐出的外壳、秸秆和玉米芯——从某种意义上说，大约含有三分之二的糖。问题是，只有通过化学转化，才能从构成植物细胞壁的坚韧分子：纤维素、半纤维素和木质素中获取这些糖。

这种被称为木质纤维素生物质的物质，代表着一种巨大且尚未开发的自然资源。根据田纳西州橡树岭国家实验室最近的一份报告，如果我们能找到一种有效的方法来转化它，到2040年左右，玉米残渣可以额外提供200亿加仑的乙醇。更好的是，每种植物都含有纤维素，因此不需要将发酵过程限制在玉米秸秆上。

柳枝稷，一种北美洲本土高大草原草，是一种更有前景的原材料。它可以长到九英尺高，从墨西哥湾到加拿大平原，从落基山脉到大西洋沿岸，它都能轻松生长。奥本大学农学教授大卫·布兰斯比说，它可以在贫瘠的土壤和干燥的气候中生长，因此它需要很少的肥料和水，并且可以在目前没有用于耕种的土地上生长。一英亩柳枝稷可以生产的乙醇是玉米的两倍多。到2030年，能源部设想美国农民将专门为了能源含量而收割柳枝稷田。

人们渴望这种能量已经很久了。“当我第一次研究乙醇工业时，就有人承诺纤维素技术只需几年时间就能实现，”伦茨回忆道，“好吧，现在已经25年了。”卡特执政期间在科罗拉多州戈尔登的太阳能研究所开始的生物质研究在20世纪80年代初几乎停滞不前，直到老布什总统上任后才得以复兴。克林顿总统扩建了该设施，现在被称为NREL，即国家可再生能源实验室。那里的研究人员表示，他们已非常接近实现早期承诺。

他们成功解决了长期困扰乙醇研究人员的一个问题：如何最好地将纤维素分解成可发酵成酒精的简单糖。一种方法是在高温高压下用硫酸浸泡纤维素，这是德国在第二次世界大战期间开发的一种昂贵技术。相反，NREL的研究人员寻求一种能够更清洁、更便宜地完成这项工作的酶。巧合的是，对这种纤维素分解酶（或称纤维素酶）的研究也追溯到第二次世界大战，当时美国陆军调查了在南太平洋溶解制服的“丛林腐烂”。迄今为止，纤维素酶最有利可图的应用是将其作用于牛仔裤中的纤维，时间刚好足以使它们看起来“石洗”。

2000年，NREL将其蛋白质研究专利套件提供给Novozymes和Genencor，要求它们在分摊投资的同时将纤维素酶推向市场。自2004年以来，两家公司都宣布已设法降低了适用于工业生产的纤维素酶的成本，尽管具体降低了多少仍存在争议。生物技术公司声称自2000年以来成本降低了30倍，从每加仑乙醇约5.60美元降至最高18美分；NREL则将成本定为32美分。

NREL 的生物技术经理托马斯·福斯特（Thomas Foust）表示，从纤维素生产乙醇的成本已降至每加仑2.26美元或更低。然而，目标是1.07美元——这是NREL和能源部在NREL签订酶协议时，估算从玉米粒生产一加仑乙醇的成本。

实现这个目标将是一项困难而混乱的任务。在递给我护目镜和安全帽后，福斯特和工程师丹·谢尔带我进入实验室的乙醇中试工厂。它干净而安静，是一堆阀门、管道和罐子的集合，没有生产的污垢，因为它主要用于测试工艺。我们站在一个矮胖的容器前。这是预处理反应器，半纤维素在这里溶解成简单的糖液，使纤维素暴露在酶的作用下。然而，实验室在这里仍然使用旧酸浴技术的一种变体，这种技术既昂贵（这个反应器由锆制成）又繁琐。如果酸浓度不够强，一些小聚合物就不会分解，也不会发酵。如果太强，一些就会降解到无法使用的程度，抑制其他糖的发酵。最终，NREL希望用更可靠的纤维素酶和半纤维素酶混合物来取代酸浴。

这还没有发生，因为半纤维素是一个难题。它是木糖、葡萄糖和少量其他三种糖的混合物，到目前为止，NREL 还没有成功改造出能同时消化所有这些物质的细菌。“20年前，这似乎很简单——拿出你的基因镊子，然后开始干，”福斯特说，“事实证明它比那要困难得多。”因此，今天的技术每吨玉米秸秆只能生产约65加仑乙醇，而不是 NREL 期望的90加仑。

许多研究人员认为解决方案是放弃发酵的整个想法，转而通过一种称为气化的技术生产乙醇。如果原料——谷物、草、玉米壳，随便什么——在氧气受限的环境中燃烧，反应会产生氢气、一氧化碳和甲烷。这些可以在涡轮机中燃烧，但在合适的催化剂存在下，它们会结合成乙醇。

丹佛的一家初创公司BioConversion Technology声称已开发出这样一种催化剂，并表示它能以比NREL发酵更少的成本从一吨原料中生产更多乙醇。“NREL一直非常偏颇，”奥本大学的戴维·布兰斯比说。“我认为他们押错了宝。”福斯特并不否认气化的潜力——他认为这两种技术是互补的。他说，NREL已将其生物质研究预算的40%用于气化。尽管如此，BioConversion Technology尚未从能源部获得任何资金。

如果乙醇的倡导者掌握了纤维素转化技术，那么他们就必须找到一种有效的方法，将大量新燃料投放市场。像水一样，乙醇通过氢氧原子之间的强键结合在一起，因此乙醇无法通过大多数石油管道运输。如果乙醇在管道中遇到水，它就会吸收水而变得无法使用。它还会溶解管道和储罐壁上的脏石油胶残留物。罗伯特·雷诺兹（Robert Reynolds）是一位为能源部研究乙醇基础设施的顾问，他说乙醇必须至少占汽油供应量的30%，才能证明改造现有石油管道以供共享的费用是合理的。

目前，乙醇主要用作燃料添加剂；美国销售的汽油约有三分之一含有少量乙醇（通常约占10%），以减少汽车排放。这为能源公司提供了一个探索运输困难的机会。来自“玉米加”等地的乙醇通过驳船或铁路运到分销站，然后与汽油在油罐车装载的货架上混合。为了接收乙醇，这些油罐场可能需要增加新的铁路支线、储罐和混合系统。将一加仑汽油从墨西哥湾沿岸运到纽约大约需要三美分。通过火车从中西部运输一加仑乙醇至少需要12美分，而且运输容易受到铁路延误的影响。

但近年来发生了一件有趣的事情，许多大型市场淘汰了竞争性汽油添加剂MTBE，转而使用乙醇：什么也没发生。在终端增加新基础设施并没有被证明是令人生畏的；铁路及时交付了装满乙醇的油罐车。当出现价格波动时，它们仅限于过渡季节。从长远来看，消费者似乎没有因为使用乙醇而在加油站受到很大惩罚。雷诺兹甚至认为，如果乙醇产量达到100亿加仑，并且消费者接受E85（85%乙醇混合物），那么从中西部到东海岸的专用管道在经济上可能是有意义的，尽管传统观点仍然反对他。

目前，E85仍然是一个独特的精品店业务。购买它的地点每天都在增加，但数量很少：只有600多个加油站，其中约三分之一在明尼苏达州。许多州根本没有加油站。底特律正在大张旗鼓地承诺今年建造125万辆E85兼容柔性燃料汽车和卡车，但这些汽车和卡车分散在全国各地的经销商处，因此大多数车主将无法获得乙醇。此外，这些车辆对汽油发动机进行了初步改造，并未充分利用乙醇的高辛烷值。

即使是乙醇的拥趸也承认，建设乙醇基础设施需要政府支持，至少目前如此。自然资源保护委员会的一份报告估计，开发具有竞争力的乙醇技术将耗资11亿美元；部署它也可能需要同样多的资金。“这是一项长期投资，需要承诺，”普渡大学生物工程师迈克尔·拉迪施说。除了研究，承诺还包括每加仑51美分的联邦税收抵免、地方抵免以及建造E85泵的激励措施。作为原材料的玉米也受到补贴，农民获得现金支付。2004年，这相当于每加仑16美分。（并非所有税收都对乙醇有利；每加仑54美分的关税有效地阻止了廉价巴西乙醇进入美国市场。）

美国石油协会的雷德·卡瓦尼（Red Cavaney）警告说，“重要的是，在科学尚未追赶上来之前，我们不要让政府来决定技术赢家和输家。”然而，能源部的真正问题可能不在于它押宝何处，而在于它押注多少。2006年，布什政府提议仅为乙醇研究拨款5000多万美元，不到克林顿政府2001年预算要求的一半。NREL最初将乙醇每加仑1.07美元的目标定在2010年；到去年，该目标已推迟到2020年。随着目前对生物燃料的重新重视，福斯特的团队有望在2007年获得2750万美元，略高于2004年的支出。能源部将把其生物质总支出增加到1.5亿美元——增长65%。

最终，这取决于国会。多年来，它一直介于克林顿政府对生物能源的热情和布什政府的冷漠之间。最近，立法上的慷慨伴随着附加条件：定向支出项目，这是“猪肉桶”政治的命脉。

NREL对外事务执行董事鲍勃·诺恩说：“大约三年前就开始了，但在去年，它们翻了一番。”在2006年的预算中，专用拨款转移了6100万美元，占生物质研究总预算的三分之二。这些专用拨款标题模糊，没有说明；能源部的员工必须与国会拨款委员会的员工协商，才能弄清楚谁得到了什么。尽管能源部鼓励受助者朝着其研究议程努力，但它不能强迫他们——法律要求它移交资金。

这些拨款大多是积少成多：这里十万美元，那里五十万美元。一个显著的例外是向密西西比州立大学提供的1100万美元拨款，用于建立一个“可持续能源中心”，由众议员查尔斯·皮克林争取。这笔慷慨的拨款似乎让该校感到意外。尽管立法于11月通过，但该大学的公关团队直到4月才听说此事。新中心的联合主任、工程学教授格伦·斯蒂尔说：“有许多问题需要我们共同解决。我们正在研究木屑和其他不一定在乙醇主流中但我们地区丰富的原料来源。我们将与国家实验室合作，以确保我们不会重复研究。”

一个令人鼓舞的迹象是，众议院最近投票决定额外拨款，以支付其“猪肉桶”附加费用；能源部的生物质请求获得了全额资助。汤姆·福斯特相信，如果能源部科学家获得所有研发资金，纤维素乙醇将在2012年实现商业竞争力。“我们了解这些工具，也了解蛋白质工程，”他说，“我们提出的这些突破都不是从天而降的启示。”