CCS:清潔煤炭的一種可能?

陳冰

CCS技術(shù)大致包含二氧化碳捕獲、運輸以及封存三個環(huán)節(jié),它可以使單位發(fā)電碳排放減少85%——90%。

何謂CCS?

對于大多數(shù)人來說,這是一個陌生的名詞。但如果說這項名為碳捕獲與儲存(CarbonCaptureandStorage,簡稱CCS)的技術(shù)能夠拯救越來越熱的地球,也許你我就不會覺得它“與我無關(guān)”了。

很多人,包括科學(xué)家、政治家以及環(huán)保人士、媒體人士正在試圖讓人們堅定這樣一種基本信念——CCS在所有減少溫室氣體排放的宏偉藍(lán)圖中占有重要地位。《斯特恩評論》這一在氣候變化經(jīng)濟(jì)學(xué)中廣受贊譽(yù)的報告認(rèn)為CCS是“根本的”技術(shù)。它的原理很簡單,就是將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放大戶排出的二氧化碳收集起來,并用各種方法儲存以避免其排放到大氣中去。

政治家們不失時機(jī)地?fù)碜o(hù)這些觀念:奧巴馬在美國大選期間談到了CCS技術(shù);英國首相戈登·布朗說,“如果我們要抓住機(jī)會達(dá)成全球氣候目標(biāo)的話”,那么CCS技術(shù)不可或缺;富國俱樂部八國集團(tuán)(G8)的領(lǐng)導(dǎo)人希望這一技術(shù)在2020年前能夠普及。

盡管人們對CCS技術(shù)充滿熱情,但一個讓人無法樂觀的事實卻是:目前世界上還沒有一家大型發(fā)電廠采用CCS技術(shù)。所有的一切,包括成本、安全性、能耗都還建立在實驗的數(shù)據(jù)之上。

但是地球媽媽顯然已經(jīng)等不及了。氣候變化業(yè)已成為世界各國的“威脅倍增器”,并進(jìn)一步加劇了現(xiàn)有的問題和壓力,如水資源短缺、農(nóng)作物減產(chǎn)、低效率管理、疾病和移民等。我們究竟該如何抉擇?

碳捕獲與儲存

CCS技術(shù)大致包含二氧化碳捕獲、運輸以及封存三個環(huán)節(jié),它可以使單位發(fā)電碳排放減少85%——90%。

這項技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和石油開采密不可分,人們發(fā)現(xiàn)將二氧化碳注入地下可以提高石油開采率。早在1975年,美國就開始采用這種方法增加石油產(chǎn)量。隨著環(huán)保觀念的日益深入,CCS開始作為一項存儲二氧化碳以減少溫室氣體排放的環(huán)保技術(shù)進(jìn)入人們的視野。

這項研究肇始于1989年的麻省理工學(xué)院,現(xiàn)今得到越來越多的重視和研究。據(jù)倫敦帝國大學(xué)機(jī)械工程系、能源技術(shù)及可持續(xù)發(fā)展研究組、英國碳捕獲和儲存聯(lián)盟的首席研究員Jon Gibbins博士介紹,從純技術(shù)的角度來看,CCS技術(shù)前景光明,應(yīng)用于碳的捕集、運輸以及封存的各項技術(shù)都是已有的、成熟的,只不過此前并未應(yīng)用于CCS方向,問題主要存在于現(xiàn)有發(fā)電廠的改造以及新建發(fā)電廠的技術(shù)和資金投入。

現(xiàn)在,二氧化碳的捕獲方式主要有三種:燃燒前捕獲(Pre-combustion)、富氧燃燒(Oxy-fuelcombustion)和燃燒后捕獲(Post-combustion)。無論哪種捕獲方法,簡而言之都是將燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的氣體收集起來,利用燃燒技術(shù)和一種可以跟二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)“清掃夫”經(jīng)過脫硫、氮氧化物等制備后,將二氧化碳分離并收集起來。

二氧化碳運輸,可以使用汽車、火車、輪船以及管道。一般來說,管道是最經(jīng)濟(jì)的運輸方式。這一方面,石油公司有著長期經(jīng)驗。他們通過將二氧化碳抽到蓄氣罐中來增大壓力,從而開采出更多的石油。正是為了達(dá)成這一目標(biāo),?？松っ梨诠驹趹讯砻髦莸睦推孢\行著世界上最大的碳捕獲設(shè)備,因此有著長達(dá)5800公里的管網(wǎng),可以將二氧化碳輸送到需要的油田和氣田。

二氧化碳封存的方法大致有地質(zhì)封存(GeologicalStorage)和海洋封存(Ocean Storage)兩類。用一個不是特別恰當(dāng)?shù)谋扔鱽斫忉尶茖W(xué)家們的做法——想方設(shè)法讓二氧化碳變成石頭。

地質(zhì)封存一般是將超臨界狀態(tài)(氣態(tài)及液態(tài)的混合體)的二氧化碳注入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中,這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以是油田、氣田、多孔巖層、無法開采的煤礦等。把二氧化碳注入油田或氣田用以驅(qū)油或驅(qū)氣可以提高采收率;注入無法開采的煤礦可以把煤層中的煤層氣(甲烷)驅(qū)出來,提高煤層氣采收率。若要封存大量的二氧化碳,最適合的地點是多孔巖層。二氧化碳水溶液可以與巖層產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成碳酸鈣。

玄武巖是地球上最常見的巖層,形成了10%的大陸殼。在環(huán)繞大多數(shù)大陸的海底及內(nèi)陸地區(qū)也能找到玄武巖。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會說,世界各地的地質(zhì)層至少為2萬億噸二氧化碳準(zhǔn)備了存儲空間,而人類每年大概會產(chǎn)出300億噸二氧化碳。如此看來,與二氧化碳相比,大氣中有更多的巖石。

海洋封存是指將二氧化碳通過輪船或管道運輸?shù)缴詈：５走M(jìn)行封存。執(zhí)行這項試驗的仍然是石油公司。1996年,挪威政府將斯勒普內(nèi)爾(Sleipner)氣田地區(qū)作為存碳區(qū),他們在距離斯萊普尼肯爾A平臺幾百米遠(yuǎn)處建立了一個收集工廠,這個足球場大小的設(shè)備由四根混凝土圓柱支撐,放置在常有風(fēng)浪的北海海平面30米之上。根據(jù)已經(jīng)公布的資料,二氧化碳被注入了海床1公里下的砂石層之中,被一個多孔的砂巖層和一個名叫Utsira,長700公里,寬70-80公里的大水庫所吸收,其上方覆蓋著數(shù)百米不透二氧化碳的細(xì)泥巖。作為歷史最悠久的二氧化碳封存項目,每年二氧化碳的封存量達(dá)到120萬噸。迄今為止已運行了13年,并未發(fā)現(xiàn)二氧化碳泄漏的跡象。Jon Gibbins博士指出,二氧化碳在巖層中存放的時間越久,就越穩(wěn)定,最后會和巖層結(jié)合在一起,如果10年沒發(fā)生問題,100年就不會發(fā)生問題……

但人們對于二氧化碳泄漏還是心存疑慮。他們擔(dān)心也許會對環(huán)境造成負(fù)面的影響,比如過高的二氧化碳含量將殺死深海的生物、使海水酸化等,此外,封存在海底的二氧化碳也有可能會逃逸到大氣當(dāng)中(有研究指出,海底的海水流動到海面需要1600年的時間)。要想確保永遠(yuǎn)不發(fā)生這樣的泄漏可能需要對注入地點進(jìn)行很長時間的監(jiān)測——也許數(shù)百年,也許數(shù)萬年。這可能嗎?

可憐的現(xiàn)狀

對這種看上去很美的技術(shù),人們質(zhì)疑還有很多。昂貴的成本是CCS技術(shù)難以推廣的核心問題。支持CCS的人堅稱隨著時間推移和經(jīng)驗的積累,這一技術(shù)的價格會下降,然而價格具體能降多少以及誰來承擔(dān)額外的成本則難以說清。一個現(xiàn)實的例子是美國位于伊利諾伊州的未來發(fā)電項目于去年1月份宣布取消。原因是它的預(yù)計成本從8.3億美元猛增至18億美元。

而根據(jù)英國政府最新公布的環(huán)保計劃,如果全英國所有燃煤電廠都必須安裝碳捕捉和封存技術(shù)(CCS)設(shè)備,那么包括全國最大的碳排放者德拉克斯在內(nèi)的英國所有燃煤電廠可能會被迫關(guān)門。德拉克斯是英國最新、最大的燃煤電廠,這座電廠離海岸40英里,因此運輸捕捉到的碳到北海封存顯得非常困難。

一份名為《碳捕捉技術(shù)無法令碳變潔凈》(CarbonCapture Cant Make CoalClean)的報告指出:每捕獲一噸二氧化碳的成本大約在70美元,卻最多只能捕獲90%的二氧化碳排放量。而且,它還需要很多的能源來完成去碳工作,也就是說,你必須再多消耗25%的煤炭才能將原先產(chǎn)生的二氧化碳去除。這也就意味著CCS電廠至少需要比普通電廠大三分之一,才能產(chǎn)生同樣多的凈電量,并且還將至少多消耗三分之一的燃料。

“為了清除二氧化碳,我們不得不額外燃燒20%至40%的煤或天然氣或石油。原來可供200年使用的資源,現(xiàn)在也許只能供100年使用了。從資源保護(hù)的角度來說,這是否正確呢?”擁護(hù)CCS的專家也不得不面臨如是困境。

此外,這份唱衰CCS技術(shù)的報告還提到一個頗具黑色幽默的細(xì)節(jié)。美國阿爾斯通電力公司和威斯康新能源公司進(jìn)行了一個示范項目:用冷氨法從鍋爐煙氣中吸收二氧化碳以展示碳捕集技術(shù)的可行性。這一項目已無故障地連續(xù)運營了4600多個小時,并在一年里捕獲了超過1.8萬噸的二氧化碳。但是,由于這只是示范性項目,所以阿爾斯通沒有對二氧化碳進(jìn)行任何處理,就將它和其他的鍋爐煙氣重新放回了煙囪。

“遠(yuǎn)離碳吧,還是把精力花在那些在未來更有應(yīng)用前景的能源上吧……比如太陽熱發(fā)電?！边@份報告如是說。

但試驗仍在進(jìn)行。

一家名為大瀑布(Vattenfall)的瑞典公用事業(yè)公司在德國建造第一個使用CCS技術(shù)的發(fā)電廠——黑泵電廠(Schwarze Pumpe)。這個項目還只是一個試點項目,其規(guī)模還不到大部分現(xiàn)代化燃煤電廠的二十分之一。不過到目前為止,瑞典大瀑布公司稱電廠運行良好。

作為全球最大的煤電發(fā)電國,中國也在試水CCS項目。華能集團(tuán)已經(jīng)趕在2008年奧運前夕在北京建設(shè)了我國首個碳捕集示范燃煤電廠,年回收二氧化碳能力為3000噸。由于沒有封存,這些二氧化碳賣給了食品加工企業(yè)生產(chǎn)碳酸飲料,據(jù)說收集成本僅占售出獲利的二分之一。最近,華能集團(tuán)又提出將在世博前夕在上海啟動第二個碳捕集示范項目,年捕集1萬噸二氧化碳。即使1萬噸,也只占電廠實際排放量很小的一部分,而且成本高昂?！鞍茨壳暗募夹g(shù)計算,碳捕集成本約在200元/噸,而實際處理加工至可進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用的程度每噸還需增加150元投入?！比A能集團(tuán)公司科技部長蔣敏華如是說。

在2009年6月3日召開的康奈爾全球可持續(xù)企業(yè)論壇上,美國前副總統(tǒng)、環(huán)保倡導(dǎo)者阿爾·戈爾指出:中國許多燃煤電廠應(yīng)用的都是老式技術(shù),效率低下……碳捕集與封存將消耗中國老式電廠高達(dá)50%的能量……運用CCS技術(shù)將會非常困難。不過戈爾樂觀地指出,除了CCS,中國還能找到很多方法實現(xiàn)溫室氣體減排。

由于眼下的CCS項目都處在試驗階段,所以人們無法確切地知道此類項目的投入產(chǎn)出比究竟如何,也很難去進(jìn)一步探討究竟該由誰來承擔(dān)昂貴的成本支出,是政府還是企業(yè)?有業(yè)內(nèi)人士指出,當(dāng)前二氧化碳排放交易價格差不多在每噸10美元左右,除非CCS技術(shù)能夠?qū)⒍趸疾东@封存的成本降低到幾美元或者十幾美元,否則企業(yè)完全沒有動力安裝運行CCS設(shè)備。

目前,包括中國在內(nèi),全球工業(yè)界需要更換大量已經(jīng)達(dá)到或超過使用期限的發(fā)電廠,在一些經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的國家,預(yù)計還要額外大幅度的增加發(fā)電能力,在中國、美國、印度很可能建設(shè)大量發(fā)電廠,而燃煤仍然是主要的能量來源。為此,專家期望2020年前能夠讓CCS技術(shù)在歐盟和美國采用,到2025年進(jìn)行全球推廣。

在發(fā)達(dá)國家手握技術(shù)專利的前提下,一種“挾技術(shù)與資金”抑制發(fā)展中國家的“陰謀”論調(diào)日益四起。政治力量與商業(yè)利益的糾結(jié)早已讓技術(shù)不僅僅是技術(shù),而是一種博弈。CCS技術(shù)能否在最近10年解決成本和大規(guī)模商業(yè)化的問題,人們目前似乎還看不到明朗的前景。