煤的未來 以清潔的名義

它是世界上最臟的化石燃料。每年80億噸煤炭消耗所帶來的后果讓我們這個地球不堪重負(fù)。未來，它會不會變得更清潔一些。環(huán)保主義者認(rèn)為清潔煤是一個神話。事實(shí)也的確如此，比如美國西弗吉尼亞，由于煤炭的開采，阿巴拉契亞山脈的頂峰已經(jīng)成為谷地，山溪中流淌著橙色的酸水；再比如北京城區(qū)，在很多時候，空氣的污濁度已經(jīng)超過機(jī)場的吸煙室。中國的空氣污染主要是由煤燃燒造成的，每年因此而過早死亡的人預(yù)計超過100萬。除此之外，在中國及世界其他地區(qū)，每年還有成千上萬的人死于煤礦事故。這些問題已經(jīng)不是什么新鮮事。在17世紀(jì)末，當(dāng)來自威爾士和諾森伯蘭郡的煤點(diǎn)燃英國工業(yè)革命的第一把火時，英國作家約翰·伊夫林（John Evelyn）就曾抱怨彌漫在倫敦上空的煙霧“又臭又黑”。3個世紀(jì)后的1952年12月，濃厚的煤煙降臨倫敦，持續(xù)了一個漫長的周末，結(jié)果引發(fā)呼吸道疾病大流行，致使12000人在隨后的幾個月里死去。美國城市也不例外。1948年10月的一個周末，在賓西法尼亞州的小鎮(zhèn)多諾拉，正在觀看高中橄欖球比賽的觀眾突然發(fā)現(xiàn)他們既看不到球員也看不到球了：附近一家燃煤煉鋅廠飄來的煙霧遮蔽了球場。在接下來的幾天里，該鎮(zhèn)有20人死亡，約6000人患病，而這也占了當(dāng)?shù)厝丝诘慕话搿＝栌媒?jīng)濟(jì)學(xué)家的委婉說法，煤具有明顯的“外部經(jīng)濟(jì)效果”，也就是說它會將高昂成本轉(zhuǎn)嫁于社會。它是我們所擁有的最臟、最致命的能源。但同時，它又是我們所依賴的最便宜的能源。因而，時下的主要問題并不是煤能不能成為“清潔能源”，而是能否讓它變得足夠清潔，因?yàn)檫@不僅可以避免地方性災(zāi)難，而且也有助于防止全球氣候的急劇變化。去年6月，在一個悶熱潮濕的日子，美國總統(tǒng)貝拉克·奧巴馬（Barack Obama）在華盛頓特區(qū)就氣候變化問題發(fā)表了演說。這次演說是美國煤炭和電力行業(yè)最擔(dān)心的，同時又是環(huán)保主義者最為期盼的。奧巴馬表示，到2014年6月，美國環(huán)保署（EPA）將會起草新的規(guī)定，“中止發(fā)電廠無限制地向空中排放碳污染物。”這些規(guī)定將會納入到《清潔空氣法案》中，而該法案的出臺與當(dāng)年的多諾拉事件有很大關(guān)系?；谶@項(xiàng)法案，美國電廠排放的二氧化硫、一氧化氮和煙塵粒子已經(jīng)大大降低，但導(dǎo)致全球氣候變暖的主因，即二氧化碳的排放量卻未得到有效遏制。2012年，全球化石燃料排放的二氧化碳達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的345億噸，其中煤是最大的貢獻(xiàn)者。近年來，廉價的天然氣已經(jīng)減少了美國對煤的需求，但在世界其他地區(qū)，尤其是中國，煤的需求仍在上升。在充滿不確定性的未來，北極融化的速度、海平面上升的高度以及熱浪的強(qiáng)度等等，都與煤的燃燒有著重大關(guān)系。我們是不是要繼續(xù)燒煤，繼續(xù)無節(jié)制地排放碳？或者，我們像對待化石燃料中的硫和氮一樣，尋找方法將排放出來的碳捕獲，然后存儲于地下？美國電力公司（AEP）所屬的登山者電廠（Mountaineer Plant）位于西弗吉尼亞紐黑文的俄亥俄河畔，每小時吞噬超過450噸產(chǎn)自阿巴拉契亞山的煤。通過駁船或煤礦的傳送帶，這些新開采出來的煤被直接運(yùn)往電廠。進(jìn)入電廠后，高爾夫球大小的塊煤會被磨成煤粉，然后吹進(jìn)世界上最大的鍋爐之一的爐膛—一個可輕松吞下自由女神像的鋼箱。電廠內(nèi)3個涂有白星的藍(lán)色蒸汽渦輪機(jī)，以每度電約為0.1美元的價格為美國7個州的130萬用戶提供電力，一個普通家庭每月電費(fèi)的平均開支僅為113美元。正如該電廠經(jīng)理查理·鮑威爾（Charlie Powell）所言，即便是環(huán)保主義者，他們也喜歡整天開著燈。每年，從登山者電廠數(shù)百英尺高的大煙囪中都會排出六七百萬噸的二氧化碳，但無論是電廠還是用戶，都無需為此埋單。碳之所以會被無節(jié)制地排放，原因就在這里，而且目前美國也沒有任何法律明令禁止這種行為。不過，美國眾議院在2009年夏已經(jīng)通過了一項(xiàng)法案，未來有可能上升為法律。值得稱贊的是，美國電力公司已決定提前采取行動。2009年10月，登山者電廠發(fā)起了開創(chuàng)性的碳捕獲實(shí)驗(yàn)。鮑威爾是具體的負(fù)責(zé)人。在他看來，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)很簡單，無非就是燒煤、制造蒸汽，然后驅(qū)動渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。但真正操作起來，事情就復(fù)雜了。美國電力公司在電廠后側(cè)建了一座化工廠。登山者電廠大約1.5%的排煙經(jīng)由該廠冷卻，導(dǎo)入會吸收二氧化碳的碳酸銨溶液中。這些二氧化碳經(jīng)強(qiáng)力壓縮后，會注入到俄亥俄河岸下方約1英里處的多孔砂巖層內(nèi)。這個系統(tǒng)是有效的。在接下來的兩年里，美國電力公司捕獲和存儲了超過3.7萬噸的純二氧化碳。這些二氧化碳仍被埋在地下，而未飄逸到空中。雖然該數(shù)字僅相當(dāng)于登山者電廠排放物的0.25%，但這只是一個開始。美國電力公司計劃擴(kuò)大規(guī)模，捕獲該電廠四分之一的排放物，折合計算就是一年150萬噸二氧化碳。該公司已同意投入3.34億美元，而美國能源部（DOE）也承諾給予同等額度的補(bǔ)助。不過，這項(xiàng)協(xié)議能不能實(shí)施下去，取決于美國電力公司能否收回這筆投資。自氣候變化立法在參議院遭否決后，州所在地公用事業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)表示，公司不得為法律所未要求的技術(shù)而向用戶收取額外費(fèi)用。2011年春，美國電力公司中止了這一計劃。隨后，密集的管道、水泵和水槽被拆除。就登山者電廠的該套系統(tǒng)而言，雖然規(guī)模很小，但卻是世界上首個直接捕獲和存儲燃煤電廠二氧化碳的系統(tǒng)，而且吸引了數(shù)百名來自世界各地的參觀者。“這套程序確實(shí)有效，很多參觀者都受到了啟發(fā)。”鮑威爾說，“不過，要想恢復(fù)這個計劃，我們還需要其他方面的突破。”這些突破首先是監(jiān)管上的突破—比如奧巴馬去年夏天在演說中所做的承諾。當(dāng)然，技術(shù)上的突破也會有所助益。對批評者來說，捕獲和存儲二氧化碳或?qū)⒍趸?ldquo;隔離”在地下多孔巖層中，聽起來就像是天方夜譚。但在過去的30年里，美國能源部在該技術(shù)研發(fā)和測試上的投入已經(jīng)達(dá)到65億美元。就石油行業(yè)而言，在過去的40多年里，壓縮后的二氧化碳被注入到枯竭的油田中，藉此把困于地下的殘余石油逼到地表。在加拿大的大平原區(qū)，這已經(jīng)發(fā)展成為世界上最大規(guī)模的地下碳存儲業(yè)務(wù)之一。自2000年以來，北達(dá)科他州的一座煤氣化(000968,股吧)廠已經(jīng)捕獲到了超過2000萬噸二氧化碳，并將其輸送到200英里之外的加拿大薩斯喀徹溫省。在那里，加拿大石油公司西諾沃斯能源（Cenovus Energy）將這些二氧化碳注入到韋伯恩和米達(dá)爾油田的深處?；谶@種新的技術(shù)，每一噸的二氧化碳可以從儲油巖層中溶出兩到三桶原油，而溶出原油的二氧化碳則被重新存儲，截留在距離地面約1英里的密閉的頁巖層和鹽巖層內(nèi)。它們能被封存多久？一些自然沉積的二氧化碳已經(jīng)在存儲地封存了數(shù)百萬年之久。實(shí)際上，有些二氧化碳還被開采出來賣給石油公司。但如果二氧化碳大規(guī)模外泄，那么這將會對人和動物造成致命危險，尤其是當(dāng)二氧化碳被集中封存在密閉空間中時。不過，科學(xué)家認(rèn)為，災(zāi)難性外泄的可能性微乎其微。他們擔(dān)心的是長期的少量外泄，因?yàn)檫@將會使整個計劃失去意義。斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)家馬克·澤貝克（Mark Zoback）和史蒂文·格雷里克（Steven Gorelick）認(rèn)為，如果存儲地的巖層易碎且存在斷層——在他們看來，大多數(shù)存儲地都是如此，那么注入二氧化碳可能會引發(fā)小規(guī)模地震，而即便地震沒有引發(fā)其他災(zāi)害，也可能會造成上方頁巖斷裂，致使二氧化碳逃逸。澤貝克和格雷里克認(rèn)為，碳存儲是一個“成本高昂且充滿風(fēng)險的策略”。但即便是他們，也認(rèn)為碳可以有效地存儲在某些地點(diǎn)，比如北海的斯萊普耐爾氣田。在過去的17年里，挪威國家石油公司（Statoil）每年把大約100萬噸的二氧化碳注入到海底之下約半英里處的富含鹽水的砂巖層中。由于這里巖層的空間非常大，即便注入如此多的二氧化碳也沒有提高它的內(nèi)部壓力，而且也從未出現(xiàn)過地震或外泄跡象。歐洲研究人員預(yù)計，北海海底可以儲存歐洲所有電廠運(yùn)營100年所排放的二氧化碳。據(jù)美國能源部表示，美國地下也有類似的“深鹽水層”，足以存儲全美電廠運(yùn)營超過1000年所產(chǎn)生的二氧化碳。挪威國家石油公司注入斯萊普耐爾氣田的二氧化碳不是燃燒的產(chǎn)物，而是它從海底鉆取的天然氣中所含的不純成分。在將天然氣輸送給客戶之前，公司必須先把里面的二氧化碳分離出來。過去，它都直接把這些不純物質(zhì)排到大氣中。但從1991年起，挪威開始征收碳稅，目前稅率約為每噸65美元，而挪威國家石油公司只要付出17美元，就能將二氧化碳再次注入到海底之下。因此，在斯萊普耐爾，碳儲存比碳排放要便宜得多，而這也正是挪威國家石油公司投資該項(xiàng)技術(shù)的原因。時至今日，它的天然氣業(yè)務(wù)仍保持著豐厚利潤。燃煤電廠的情況就不同了。二氧化碳是從煙囪中排放出來的混合氣體的一部分，而且電力公司并沒有捕獲它的經(jīng)濟(jì)誘因。正如登山者電廠的工程師所發(fā)現(xiàn)的，在任何有關(guān)碳的捕獲和儲存計劃中，捕獲都是成本最高的一環(huán)。在登山者電廠，二氧化碳吸收系統(tǒng)占地14英畝，整個裝置相當(dāng)于一棟十層樓高的公寓，但即便是如此規(guī)模，它所捕獲的也只是極少量的碳。吸收劑必須加熱才能釋放出二氧化碳，而二氧化碳還必須經(jīng)過高度壓縮才能存儲。這些能源密集型的程序?qū)е铝斯こ處熕^的“附加載荷”：若想捕獲燃煤電廠排放出的全部碳，可能要耗費(fèi)總能源產(chǎn)出的30%。減少這種高昂成本的方法之一就是在煤炭燃燒之前先把它氣化。氣化不僅可以提升發(fā)電效率，而且還便于分離二氧化碳。在美國密西西比州的肯珀縣，就有這樣一座正在興建的電廠。該電廠已將二氧化碳的捕獲納入設(shè)計之中，所以在燃燒之前，煤炭會先進(jìn)行氣化處理。就現(xiàn)存的電廠而言，它們通常是為燃燒粉煤而設(shè)計的，所以就得另尋他途。構(gòu)想之一是，在純氧而非一般空氣中燃燒煤炭，這樣產(chǎn)生的煙氣成分相對單一，便于分離二氧化碳。在美國能源部位于西弗吉尼亞摩根敦的國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，研究員杰奧·理查茲（Geo Richards）正在研發(fā)該技術(shù)的高階應(yīng)用。理查茲說，由于從空氣中制造純氧的成本非常高昂，所以他使用鐵等金屬捕獲空氣中的氧，然后再把氧輸送到燃煤區(qū)。從理論上講，化學(xué)鏈可以大大降低碳捕獲的成本。在過去超過25年的研究中，理查茲一直在尋求更有效的捕獲碳的方法。但幾十年來，看著政客和公眾在氣候變化問題上的不斷爭論，有時他也會想未來自己的解決方案會不會真正派上用場。相比于現(xiàn)實(shí)中的電廠，他這個試驗(yàn)中的碳捕獲系統(tǒng)小得不成比例。“從事我們這個行業(yè)，”理查茲說，“你得是一個樂觀主義者才行。”在今日的西弗吉尼亞州，隨著美國電廠開始采用天然氣，有著上百年歷史的煤礦紛紛關(guān)閉。在美國，由于天然氣價格已幾乎降到歷史低點(diǎn)，煤炭似乎已經(jīng)成為明日黃花，因此投資發(fā)展先進(jìn)的煤炭技術(shù)似乎有些不合時宜。但在中國的榆林市，人們的看法卻不一樣。榆林位于陜西省，坐落在內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地東緣，距北京約500英里。有著300萬人口的榆林雖然氣候條件惡劣，但卻擁有豐富的礦產(chǎn)資源，其中就包括中國儲量最大的幾個煤礦區(qū)。在這里，煤被認(rèn)為是一種推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的燃料。榆林周圍的沙質(zhì)高原上矗立著一根根高聳的燃煤煙囪，龐大的煤炭加工廠以及駐廠員工的宿舍在沙漠中綿延數(shù)公里。雖然煤為中國提供了大約80%的電力，但它的用途卻不止于此。由于儲量豐富，它還被用來制造數(shù)十種工業(yè)化學(xué)品和液態(tài)燃料。煤炭也使得中國成為世界上二氧化碳排放量最多的國家，但就人均排放量來看，美國還是遙遙領(lǐng)先。目前，雖然中國尚未大幅減少煤炭使用，但與過去相比，它已經(jīng)更清楚地認(rèn)識到了燃煤帶來的高昂代價。“在過去的10年里，”加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校環(huán)境政策研究員黛博拉·塞利森（Deborah Seligsohn）說，“中國的環(huán)境問題越來越受關(guān)注，已經(jīng)從先前排不上議事日程轉(zhuǎn)變成優(yōu)先考慮的事項(xiàng)。”公眾對空氣質(zhì)量的抱怨，再加上政府對氣候變化風(fēng)險意識的提高以及對能源安全和技術(shù)優(yōu)勢的渴望，使得中國加大了對可再生能源的投入，規(guī)模達(dá)數(shù)千億美元之巨。同時，中國也在推動建立超高效能的燃煤發(fā)電廠，推廣更便捷和更實(shí)惠的碳捕獲方法。這些努力不但吸引了外資，也招來了外國專家。比如，美國太陽能工業(yè)協(xié)會前主席就擔(dān)任過世界最大煤企神華集團(tuán)下屬的北京低碳清潔能源研究所的所長。戴維斯說，他來中國，是因?yàn)橹袊畬Ω纳瓶諝赓|(zhì)量和降低二氧化碳排放量作出了“堅定承諾”。“要想對碳排放施加最大影響，”他說，“那你就要去碳排放量最多的國家。”環(huán)境工程公司阿米那（LP Amina）的創(chuàng)始人威爾·拉塔（Will Latta）是移居北京的美國人，與中國的電力公司合作密切。“坦白講，中國的煤很便宜，儲量也很大，而替代能源還需要幾十年的時間才能真正發(fā)揮作用。”他說，“中國已經(jīng)意識到，煤在環(huán)境上是不可持續(xù)的。所以，它正在進(jìn)行大規(guī)模投資，以便讓煤變得更清潔。”在距離北京大約85英里的天津，中國第一座基于碳捕獲原理設(shè)計的電廠預(yù)計在2016年運(yùn)營。這家名為“綠色煤電”的公司的最終目標(biāo)是捕獲80%的碳排放。去年秋天，在全球煤炭消耗量與碳排放量雙雙創(chuàng)下新高之際，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布了最新報告，首次對地球的“碳排放預(yù)算”作了估算。所謂碳排放預(yù)算，就是在氣溫升幅不超過2攝氏度的情況下，我們所能排放的碳的總量，因?yàn)樵诤芏嗫茖W(xué)家看來，如果全球氣溫升幅超過2攝氏度，那么就會引發(fā)災(zāi)難性風(fēng)險。碳排放量的計算是從19世紀(jì)工業(yè)革命時代開始的。IPCC認(rèn)為，目前的碳排放量已經(jīng)超過了預(yù)算的一半，而按當(dāng)前的排放速度計算，不用30年我們就會用完預(yù)算。“如果減少5%～10%的溫室氣體排放量就能解決這個問題，那么我們沒有必要去談碳的捕獲和存儲。”卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)環(huán)境工程與科學(xué)教授愛德華·魯賓（Edward Rubin）說，“我們討論的是如何在未來的三四十年里減少全球大約80%的排放量。”美國第一座基于捕集碳原理而設(shè)計的發(fā)電廠預(yù)計在今年年底啟用。設(shè)在密西西比州東部肯珀縣的煤氣化廠會捕集該廠超過一半的二氧化碳排放量，然后再把它輸送到附近的油田。對于美國能源部出資支持的這項(xiàng)計劃，環(huán)保主義者與反對政府過度支出的活動人士均持負(fù)面觀點(diǎn)。不過，美國南方公司（Southern Company）旗下的密西西比電力公司（Mississippi Power）表示會堅持下去。公司負(fù)責(zé)人說，該電廠用的是密西西比儲量豐富的褐煤，而且產(chǎn)生的二氧化碳已有現(xiàn)成市場，這有助于抵消率先采用新科技的高昂成本。然而，若政府沒有出臺關(guān)于開征碳稅或直接限制排放量的強(qiáng)制要求，這項(xiàng)技術(shù)就不會得到推廣。“碳捕獲必須靠法規(guī)來推動，”美國能源部太平洋(601099,股吧)西北國家實(shí)驗(yàn)室研究員詹姆斯·杜利（James Dooley)說。如果美國環(huán)保署能在今年踐行奧巴馬的承諾，對已有和新建電廠的碳排放量進(jìn)行立法限制，那么碳捕獲技術(shù)才能得到真正推廣。與此同時，中國已經(jīng)開始在一些地區(qū)試行市場導(dǎo)向型策略—這種做法美國已率先嘗試過。20世紀(jì)90年代，美國環(huán)保署根據(jù)《清潔空氣法案》限制電廠的二氧化硫總排放量，并向污染制造者發(fā)放可轉(zhuǎn)讓的“污染許可”。當(dāng)時，電力業(yè)者預(yù)言這種做法會引發(fā)災(zāi)難性的經(jīng)濟(jì)后果。但相反，這個策略催生了技術(shù)的創(chuàng)新，也提升了空氣的質(zhì)量。魯賓說，現(xiàn)在碳捕獲系統(tǒng)所處的階段，與上世紀(jì)80年代二氧化硫捕獲系統(tǒng)所處的階段差不多。一旦排放限制為這些系統(tǒng)創(chuàng)造出市場，其成本就會大幅降低。即便一切進(jìn)展順利，煤也不會成為清潔能源，但無可否認(rèn)，它會變得比現(xiàn)在更加清潔。（作者系美國知名科學(xué)記者、自由撰稿人。翻譯：陳召強(qiáng)）