CCS:清潔煤炭的一種可能?

陳冰

CCS技術大致包含二氧化碳捕獲、運輸以及封存三個環節,它可以使單位發電碳排放減少85%——90%。

何謂CCS?

對于大多數人來說,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”了。

很多人,包括科學家、政治家以及環保人士、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圖中占有重要地位。《斯特恩評論》這一在氣候變化經濟學中廣受贊譽的報告認為CCS是“根本的”技術。它的原理很簡單,就是將大型發電廠、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。

政治家們不失時機地擁護這些觀念:奧巴馬在美國大選期間談到了CCS技術;英國首相戈登·布朗說,“如果我們要抓住機會達成全球氣候目標的話”,那么CCS技術不可或缺;富國俱樂部八國集團(G8)的領導人希望這一技術在2020年前能夠普及。

盡管人們對CCS技術充滿熱情,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電廠采用CCS技術。所有的一切,包括成本、安全性、能耗都還建立在實驗的數據之上。

但是地球媽媽顯然已經等不及了。氣候變化業已成為世界各國的“威脅倍增器”,并進一步加劇了現有的問題和壓力,如水資源短缺、農作物減產、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技術大致包含二氧化碳捕獲、運輸以及封存三個環節,它可以使單位發電碳排放減少85%——90%。

這項技術的發現和石油開采密不可分,人們發現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量。隨著環保觀念的日益深入,CCS開始作為一項存儲二氧化碳以減少溫室氣體排放的環保技術進入人們的視野。

這項研究肇始于1989年的麻省理工學院,現今得到越來越多的重視和研究。據倫敦帝國大學機械工程系、能源技術及可持續發展研究組、英國碳捕獲和儲存聯盟的首席研究員Jon Gibbins博士介紹,從純技術的角度來看,CCS技術前景光明,應用于碳的捕集、運輸以及封存的各項技術都是已有的、成熟的,只不過此前并未應用于CCS方向,問題主要存在于現有發電廠的改造以及新建發電廠的技術和資金投入。

現在,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電廠產生的氣體收集起來,利用燃燒技術和一種可以跟二氧化碳發生化學反應的化學“清掃夫”經過脫硫、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,管道是最經濟的運輸方式。這一方面,石油公司有著長期經驗。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。正是為了達成這一目標,埃克森·美孚公司在懷俄明州的拉巴奇運行著世界上最大的碳捕獲設備,因此有著長達5800公里的管網,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封存(GeologicalStorage)和海洋封存(Ocean Storage)兩類。用一個不是特別恰當的比喻來解釋科學家們的做法——想方設法讓二氧化碳變成石頭。

地質封存一般是將超臨界狀態(氣態及液態的混合體)的二氧化碳注入地質結構中,這些地質結構可以是油田、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油或驅氣可以提高采收率;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生化學反應形成碳酸鈣。

玄武巖是地球上最常見的巖層,形成了10%的大陸殼。在環繞大多數大陸的海底及內陸地區也能找到玄武巖。據聯合國政府間氣候變化專門委員會說,世界各地的地質層至少為2萬億噸二氧化碳準備了存儲空間,而人類每年大概會產出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到深海海底進行封存。執行這項試驗的仍然是石油公司。1996年,挪威政府將斯勒普內爾(Sleipner)氣田地區作為存碳區,他們在距離斯萊普尼肯爾A平臺幾百米遠處建立了一個收集工廠,這個足球場大小的設備由四根混凝土圓柱支撐,放置在常有風浪的北海海平面30米之上。根據已經公布的資料,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,其上方覆蓋著數百米不透二氧化碳的細泥巖。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到120萬噸。迄今為止已運行了13年,并未發現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,就越穩定,最后會和巖層結合在一起,如果10年沒發生問題,100年就不會發生問題……

但人們對于二氧化碳泄漏還是心存疑慮。他們擔心也許會對環境造成負面的影響,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)。要想確保永遠不發生這樣的泄漏可能需要對注入地點進行很長時間的監測——也許數百年,也許數萬年。這可能嗎?

可憐的現狀

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

而根據英國政府最新公布的環保計劃,如果全英國所有燃煤電廠都必須安裝碳捕捉和封存技術(CCS)設備,那么包括全國最大的碳排放者德拉克斯在內的英國所有燃煤電廠可能會被迫關門。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,現在也許只能供100年使用了。從資源保護的角度來說,這是否正確呢?”擁護CCS的專家也不得不面臨如是困境。

此外,這份唱衰CCS技術的報告還提到一個頗具黑色幽默的細節。美國阿爾斯通電力公司和威斯康新能源公司進行了一個示范項目:用冷氨法從鍋爐煙氣中吸收二氧化碳以展示碳捕集技術的可行性。這一項目已無故障地連續運營了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行任何處理,就將它和其他的鍋爐煙氣重新放回了煙囪。

“遠離碳吧,還是把精力花在那些在未來更有應用前景的能源上吧……比如太陽熱發電。”這份報告如是說。

但試驗仍在進行。

一家名為大瀑布(Vattenfall)的瑞典公用事業公司在德國建造第一個使用CCS技術的發電廠——黑泵電廠(Schwarze Pumpe)。這個項目還只是一個試點項目,其規模還不到大部分現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電國,中國也在試水CCS項目。華能集團已經趕在2008年奧運前夕在北京建設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生產碳酸飲料,據說收集成本僅占售出獲利的二分之一。最近,華能集團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。“按目前的技術計算,碳捕集成本約在200元/噸,而實際處理加工至可進行商業應用的程度每噸還需增加150元投入。”華能集團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企業論壇上,美國前副總統、環保倡導者阿爾·戈爾指出:中國許多燃煤電廠應用的都是老式技術,效率低下……碳捕集與封存將消耗中國老式電廠高達50%的能量……運用CCS技術將會非常困難。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出比究竟如何,也很難去進一步探討究竟該由誰來承擔昂貴的成本支出,是政府還是企業?有業內人士指出,當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技術能夠將二氧化碳捕獲封存的成本降低到幾美元或者十幾美元,否則企業完全沒有動力安裝運行CCS設備。

目前,包括中國在內,全球工業界需要更換大量已經達到或超過使用期限的發電廠,在一些經濟快速發展的國家,預計還要額外大幅度的增加發電能力,在中國、美國、印度很可能建設大量發電廠,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技術在歐盟和美國采用,到2025年進行全球推廣。

在發達國家手握技術專利的前提下,一種“挾技術與資金”抑制發展中國家的“陰謀”論調日益四起。政治力量與商業利益的糾結早已讓技術不僅僅是技術,而是一種博弈。CCS技術能否在最近10年解決成本和大規模商業化的問題,人們目前似乎還看不到明朗的前景。