CCS:清洁煤炭的一种可能?

陈冰

CCS技术大致包含二氧化碳捕获、运输以及封存三个环节,它可以使单位发电碳排放减少85%——90%。

何谓CCS?

对于大多数人来说,这是一个陌生的名词。但如果说这项名为碳捕获与储存(CarbonCaptureandStorage,简称CCS)的技术能够拯救越来越热的地球,也许你我就不会觉得它“与我无关”了。

很多人,包括科学家、政治家以及环保人士、媒体人士正在试图让人们坚定这样一种基本信念——CCS在所有减少温室气体排放的宏伟蓝圖中占有重要地位。《斯特恩评论》这一在气候变化经济学中广受赞誉的报告认为CCS是“根本的”技术。它的原理很简单,就是将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放大户排出的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存以避免其排放到大气中去。

政治家们不失时机地拥护这些观念:奥巴马在美国大选期间谈到了CCS技术;英国首相戈登·布朗说,“如果我们要抓住机会达成全球气候目标的话”,那么CCS技术不可或缺;富国俱乐部八国集团(G8)的领导人希望这一技术在2020年前能够普及。

尽管人们对CCS技术充满热情,但一个让人无法乐观的事实却是:目前世界上还没有一家大型发电厂采用CCS技术。所有的一切,包括成本、安全性、能耗都还建立在实验的数据之上。

但是地球妈妈显然已经等不及了。气候变化业已成为世界各国的“威胁倍增器”,并进一步加剧了现有的问题和压力,如水资源短缺、农作物减产、低效率管理、疾病和移民等。我们究竟该如何抉择?

碳捕获与储存

CCS技术大致包含二氧化碳捕获、运输以及封存三个环节,它可以使单位发电碳排放减少85%——90%。

这项技术的发现和石油开采密不可分,人们发现将二氧化碳注入地下可以提高石油开采率。早在1975年,美国就开始采用这种方法增加石油产量。随着环保观念的日益深入,CCS开始作为一项存储二氧化碳以减少温室气体排放的环保技术进入人们的视野。

这项研究肇始于1989年的麻省理工学院,现今得到越来越多的重视和研究。据伦敦帝国大学机械工程系、能源技术及可持续发展研究组、英国碳捕获和储存联盟的首席研究员Jon Gibbins博士介绍,从纯技术的角度来看,CCS技术前景光明,应用于碳的捕集、运输以及封存的各项技术都是已有的、成熟的,只不过此前并未应用于CCS方向,问题主要存在于现有发电厂的改造以及新建发电厂的技术和资金投入。

现在,二氧化碳的捕获方式主要有三种:燃烧前捕获(Pre-combustion)、富氧燃烧(Oxy-fuelcombustion)和燃烧后捕获(Post-combustion)。无论哪种捕获方法,简而言之都是将燃煤发电厂产生的气体收集起来,利用燃烧技术和一种可以跟二氧化碳发生化学反应的化学“清扫夫”经过脱硫、氮氧化物等制备后,将二氧化碳分离并收集起来。

二氧化碳运输,可以使用汽车、火车、轮船以及管道。一般来说,管道是最经济的运输方式。这一方面,石油公司有着长期经验。他们通过将二氧化碳抽到蓄气罐中来增大压力,从而开采出更多的石油。正是为了达成这一目标,埃克森·美孚公司在怀俄明州的拉巴奇运行着世界上最大的碳捕获设备,因此有着长达5800公里的管网,可以将二氧化碳输送到需要的油田和气田。

二氧化碳封存的方法大致有地质封存(GeologicalStorage)和海洋封存(Ocean Storage)两类。用一个不是特别恰当的比喻来解释科学家们的做法——想方设法让二氧化碳变成石头。

地质封存一般是将超临界状态(气态及液态的混合体)的二氧化碳注入地质结构中,这些地质结构可以是油田、气田、多孔岩层、无法开采的煤矿等。把二氧化碳注入油田或气田用以驱油或驱气可以提高采收率;注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气(甲烷)驱出来,提高煤层气采收率。若要封存大量的二氧化碳,最适合的地点是多孔岩层。二氧化碳水溶液可以与岩层产生化学反应形成碳酸钙。

玄武岩是地球上最常见的岩层,形成了10%的大陆壳。在环绕大多数大陆的海底及内陆地区也能找到玄武岩。据联合国政府间气候变化专门委员会说,世界各地的地质层至少为2万亿吨二氧化碳准备了存储空间,而人类每年大概会产出300亿吨二氧化碳。如此看来,与二氧化碳相比,大气中有更多的岩石。

海洋封存是指将二氧化碳通过轮船或管道运输到深海海底进行封存。执行这项试验的仍然是石油公司。1996年,挪威政府将斯勒普内尔(Sleipner)气田地区作为存碳区,他们在距离斯莱普尼肯尔A平台几百米远处建立了一个收集工厂,这个足球场大小的设备由四根混凝土圆柱支撑,放置在常有风浪的北海海平面30米之上。根据已经公布的资料,二氧化碳被注入了海床1公里下的砂石层之中,被一个多孔的砂岩层和一个名叫Utsira,长700公里,宽70-80公里的大水库所吸收,其上方覆盖着数百米不透二氧化碳的细泥岩。作为历史最悠久的二氧化碳封存项目,每年二氧化碳的封存量达到120万吨。迄今为止已运行了13年,并未发现二氧化碳泄漏的迹象。Jon Gibbins博士指出,二氧化碳在岩层中存放的时间越久,就越稳定,最后会和岩层结合在一起,如果10年没发生问题,100年就不会发生问题……

但人们对于二氧化碳泄漏还是心存疑虑。他们担心也许会对环境造成负面的影响,比如过高的二氧化碳含量将杀死深海的生物、使海水酸化等,此外,封存在海底的二氧化碳也有可能会逃逸到大气当中(有研究指出,海底的海水流动到海面需要1600年的时间)。要想确保永远不发生这样的泄漏可能需要对注入地点进行很长时间的监测——也许数百年,也许数万年。这可能吗?

可怜的现状

对这种看上去很美的技术,人们质疑还有很多。昂贵的成本是CCS技术难以推广的核心问题。支持CCS的人坚称随着时间推移和经验的积累,这一技术的价格会下降,然而价格具体能降多少以及谁来承担额外的成本则难以说清。一个现实的例子是美国位于伊利诺伊州的未来发电项目于去年1月份宣布取消。原因是它的预计成本从8.3亿美元猛增至18亿美元。

而根据英国政府最新公布的环保计划,如果全英国所有燃煤电厂都必须安装碳捕捉和封存技术(CCS)设备,那么包括全国最大的碳排放者德拉克斯在内的英国所有燃煤电厂可能会被迫关门。德拉克斯是英国最新、最大的燃煤电厂,这座电厂离海岸40英里,因此运输捕捉到的碳到北海封存显得非常困难。

一份名为《碳捕捉技术无法令碳变洁净》(CarbonCapture Cant Make CoalClean)的报告指出:每捕获一吨二氧化碳的成本大约在70美元,却最多只能捕获90%的二氧化碳排放量。而且,它还需要很多的能源来完成去碳工作,也就是说,你必须再多消耗25%的煤炭才能将原先产生的二氧化碳去除。这也就意味着CCS电厂至少需要比普通电厂大三分之一,才能产生同样多的净电量,并且还将至少多消耗三分之一的燃料。

“为了清除二氧化碳,我们不得不额外燃烧20%至40%的煤或天然气或石油。原来可供200年使用的资源,现在也许只能供100年使用了。从资源保护的角度来说,这是否正确呢?”拥护CCS的专家也不得不面临如是困境。

此外,这份唱衰CCS技术的报告还提到一个颇具黑色幽默的细节。美国阿尔斯通电力公司和威斯康新能源公司进行了一个示范项目:用冷氨法从锅炉烟气中吸收二氧化碳以展示碳捕集技术的可行性。这一项目已无故障地连续运营了4600多个小时,并在一年里捕获了超过1.8万吨的二氧化碳。但是,由于这只是示范性项目,所以阿尔斯通没有对二氧化碳进行任何处理,就将它和其他的锅炉烟气重新放回了烟囱。

“远离碳吧,还是把精力花在那些在未来更有应用前景的能源上吧……比如太阳热发电。”这份报告如是说。

但试验仍在进行。

一家名为大瀑布(Vattenfall)的瑞典公用事業公司在德国建造第一个使用CCS技术的发电厂——黑泵电厂(Schwarze Pumpe)。这个项目还只是一个试点项目,其规模还不到大部分现代化燃煤电厂的二十分之一。不过到目前为止,瑞典大瀑布公司称电厂运行良好。

作为全球最大的煤电发电国,中国也在试水CCS项目。华能集团已经赶在2008年奥运前夕在北京建设了我国首个碳捕集示范燃煤电厂,年回收二氧化碳能力为3000吨。由于没有封存,这些二氧化碳卖给了食品加工企业生产碳酸饮料,据说收集成本仅占售出获利的二分之一。最近,华能集团又提出将在世博前夕在上海启动第二个碳捕集示范项目,年捕集1万吨二氧化碳。即使1万吨,也只占电厂实际排放量很小的一部分,而且成本高昂。“按目前的技术计算,碳捕集成本约在200元/吨,而实际处理加工至可进行商业应用的程度每吨还需增加150元投入。”华能集团公司科技部长蒋敏华如是说。

在2009年6月3日召开的康奈尔全球可持续企业论坛上,美国前副总统、环保倡导者阿尔·戈尔指出:中国许多燃煤电厂应用的都是老式技术,效率低下……碳捕集与封存将消耗中国老式电厂高达50%的能量……运用CCS技术将会非常困难。不过戈尔乐观地指出,除了CCS,中国还能找到很多方法实现温室气体减排。

由于眼下的CCS项目都处在试验阶段,所以人们无法确切地知道此类项目的投入产出比究竟如何,也很难去进一步探讨究竟该由谁来承担昂贵的成本支出,是政府还是企业?有业内人士指出,当前二氧化碳排放交易价格差不多在每吨10美元左右,除非CCS技术能够将二氧化碳捕获封存的成本降低到几美元或者十几美元,否则企业完全没有动力安装运行CCS设备。

目前,包括中国在内,全球工业界需要更换大量已经达到或超过使用期限的发电厂,在一些经济快速发展的国家,预计还要额外大幅度的增加发电能力,在中国、美国、印度很可能建设大量发电厂,而燃煤仍然是主要的能量来源。为此,专家期望2020年前能够让CCS技术在欧盟和美国采用,到2025年进行全球推广。

在发达国家手握技术专利的前提下,一种“挟技术与资金”抑制发展中国家的“阴谋”论调日益四起。政治力量与商业利益的纠结早已让技术不仅仅是技术,而是一种博弈。CCS技术能否在最近10年解决成本和大规模商业化的问题,人们目前似乎还看不到明朗的前景。