關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮訂閱我們的獲獎新聞以支援我們： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
編者注：這是關於碳捕獲和儲存的五篇系列文章中的第五篇，從2009年4月6日至4月10日每日釋出。
人類活動導致每年排放約300億公噸導致氣候變化的二氧化碳(CO2)。大約一半的溫室氣體被世界海洋和植物等自然過程吸收，但其餘的則在大氣中徘徊一個世紀或更長時間，使年CO2濃度上升約百萬分之二（ppm）。
這些大氣濃度已從18世紀化石燃料廣泛燃燒之前的約280 ppm攀升至今天的386 ppm，並且還在持續上升。根據自然資源保護委員會（NRDC）的資料，自21世紀初以來建造或計劃建造的燃煤電廠將排放比工業時代初期以來所有人燃燒煤炭排放的二氧化碳更多的二氧化碳：未來25年內排放6600億公噸，而1751年至2000年間排放5240億公噸。
“未來25年的投資將比以往人類所有煤炭使用產生的排放量多26％，”舊金山NRDC的機械工程師和科學家George Peridas說。“這是一個巨大的遺留問題，我們不能讓這種情況發生。”
像NRDC、環境保護基金（EDF）、關注科學家聯盟和清潔空氣工作組（CATF）這樣的環保組織正在推動立法者實施諸如碳排放交易計劃等政策，以限制CO2排放，從而導致碳捕獲和儲存（CCS）技術的廣泛採用。
“環保主義者談論煤炭並非因為我們喜歡煤炭，”EDF的商業關係主管Mark Brownstein說。“而是因為我們必須處理煤炭問題，才能在我們需要的時間框架內實現我們所需的CO2減排目標。”
大多數環保組織都認為，到本世紀中期，全球溫室氣體排放量必須比1990年的水平至少減少80％，這也是奧巴馬政府的共同目標。但是，他們對於如何實現這一目標存在分歧。例如，塞拉俱樂部和綠色和平組織反對CCS技術，他們更傾向於推動更多來自風能和太陽能等可再生資源的電力。
但是，CCS的支持者認為該技術對於快速減少排放至關重要。“如果我們不解決煤炭問題，氣候變化就game over了，”CATF煤炭轉型專案主任John Thompson說。例如，NRDC支援為前三個吉瓦的配備完整CCS的燃煤電廠埋藏的每公噸CO2支付90美元。
這是因為CCS成本高昂。如今，有三種技術可以在發電廠捕獲CO2。一種，如德國的施瓦茨蓬佩，涉及富氧燃燒過程：在純氧中燃燒煤炭以產生富含CO2的排放流。第二種方法使用各種形式的化學物質——以胺或氨洗滌器、特殊膜或離子液體的形式——從更混合的廢氣中提取CO2。第三種是氣化，其中液態或固態燃料首先轉化為合成天然氣，最常見的是整體煤氣化聯合迴圈（IGCC）技術；可以從氣體轉化過程中分離出CO2。
所有這些技術的主要問題是成本。簡而言之，捕獲CO2需要金錢和能源，成本從阿爾及利亞In Salah等天然氣專案每公噸5美元的低價到某些氣化技術每公噸90美元以上不等。“CCS的大部分成本在於第一個'C'：捕獲，”麻省理工學院（M.I.T.）的研究工程師Howard Herzog說。
美國能源部（DoE）在2007年5月估計，新建一座燃燒粉煤並配備胺洗滌器以捕獲90％CO2的電廠，發電成本將超過每兆瓦時114美元（而沒有CO2捕獲的成本僅為每兆瓦時63美元）。一個類似的整體煤氣化聯合迴圈（IGCC）電廠（將煤炭轉化為氣體後再燃燒）捕獲相同數量的CO2，發電成本約為每兆瓦時103美元。因此，對於消費者而言，碳捕獲的額外成本將約為每千瓦時0.04美元。
能源部希望降低這個價格。“就總成本而言，他們希望將CO2的價格控制在每公噸10美元，”新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的CO2封存專案負責人Rajesh Pawar說。“我們目前的價格更接近每噸50美元。”
世界各地的政府和公用事業公司正在開始制定計劃，以建造更多此類昂貴的發電廠。根據Vattenfall的CCS發言人Staffan Gortz的說法，Vattenfall將擴大施瓦茨蓬佩行動，併到2015年改造德國揚斯瓦爾德和丹麥北日德蘭等發電廠的幾個商用鍋爐以用於CCS。挪威國家石油公司Statoil Hydro正在其蒙斯塔德煉油廠建立一個CCS研究基地，法國道達爾公司在其拉克天然氣發電廠改造了富氧燃燒技術。澳大利亞和中國都在建設將使用IGCC技術的零排放燃煤發電廠，分別稱為零點能源和綠色能源。
“（中國）每月增加約一臺（煤）氣化爐，並且這種情況已經持續了四年，”CATF的Kurt Waltzer說。“由於所有這些氣化爐都在生產化學品、燃料和肥料，它們都在進行碳捕獲。我懷疑中國正在進行的CO2捕獲比其他任何人都多。但是所有這些都被排放了。”
奧巴馬政府甚至可能會重啟未來發電專案——一座275兆瓦的IGCC發電廠，可以捕獲其溫室氣體排放量的90％；布什政府由於成本不斷上升而取消了該專案（可能被誤算了）。能源部還為配備CCS的燃煤電廠提供了至少80億美元的貸款擔保。
因此，商業CCS專案也在美國湧現。杜克能源公司正在斥資23.5億美元在印第安納州愛德華茲波特建設一座630兆瓦的IGCC發電廠，該電廠可能會成為美國第一個商業CCS專案——儘管它將被設計為僅捕獲其在2013年產生的約18％的CO2。“我們的目標是使其成為在執行的發電廠中首次展示CCS之一，”杜克發言人Angeline Protogere說。“煤炭為美國大約一半的電力提供動力，我們必須找到清潔燃燒它的方法。”
當然，這樣的示範工廠將無法解決一些其他譴責煤炭使用的問題，例如獲取煤層所需的山頂爆破採礦或燃燒後剩下的有毒煤灰。並且，為了使燃煤電廠對氣候友好，需要捕獲所有（或幾乎所有）溫室氣體。但是IGCC能夠去除90％或更多的CO2。“我們的要求是檢視18％的捕獲和封存，”Protogere說。“這並不排除以後要求更高水平的可能性。”
杜克並非孤身一人。美國電力公司將在今年晚些時候開始捕獲其西弗吉尼亞州1300兆瓦的登山者發電廠排放的850萬公噸CO2中的略超過3％，並將CO2注入地下近兩英里（3.2公里）深處。Erora集團計劃在肯塔基州亨德森縣建造一座名為Cash Creek的630兆瓦IGCC發電廠，配備CCS。Summit Power公司已提議在西德克薩斯州建造一座170兆瓦的IGCC發電廠，該電廠將捕獲其80％的CO2排放量。英國石油公司和南方公司也有專案。
但是，以前的工廠，例如紐約和特拉華州的公用事業公司NRG提出的兩個工廠，已經半途而廢。摩根大通環境市場主管Caroline Angoorly指出，它們因技術成本高昂以及缺乏聯邦政策（碳排放交易計劃，碳稅或其他一些有效設定CO2汙染價格的機制）使其在經濟上不可行，她曾領導NRG的這些專案的開發。
儘管如此，總部位於俄克拉荷馬州的Tenaska公司正在計劃建設兩家工廠。伊利諾伊州泰勒維爾的一家耗資35億美元的工廠將對當地高硫煤進行氣化，然後捕獲至少50％的CO2。另一家計劃在得克薩斯州斯威特沃特的耗資35億美元的工廠將燃燒粉煤以產生600兆瓦的電力，同時使用胺或氨洗滌器或可能使用先進的膜將CO2與其他煙道氣分離，捕獲其燃燒後的575萬公噸排放物。
如果可以在商業上證明燃燒後捕獲技術可行，“那麼現有燃煤發電廠的市場將非常龐大。粉煤發電廠的國內排放量至少有20億噸，”Tenaska環境事務副總裁Greg Kunkel說。“除非以某種方式處理這些工廠，否則你無法解決更大的氣候變化問題。”
CCS也可以同樣很好地應用於其他CO2密集型行業：水泥生產、鍊鋼和鍊鋁等。它們甚至可以與植物物質的燃燒相結合，以創造一種“碳負排放”燃料，這種燃料燃燒時從空氣中去除的CO2多於其排放的CO2。
“碳捕獲與封存（CCS）也與印度尼西亞和馬來西亞那些擁有高達 50% 二氧化碳含量的超大型天然氣田有關。這就像 Sleipner 專案一樣，但濃度更高，因為每公噸二氧化碳 20 美元的成本問題，這些二氧化碳將會排放到大氣中，”太平洋西北國家實驗室的高階研究科學家工程師 James Dooley 說。“[煤炭]是最大的市場，但在短期內和發展中國家，碳捕獲與封存可以減少其他行業的排放，這具有益處。”
但這需要時間：麻省理工學院的研究工程師 Howard Herzog 估計，美國第一個新的碳捕獲與封存燃煤電廠在 2015 年之前不會建成。“到 2020 年，我們可能會有少數幾個，甚至接近 10 個，”他說。“如果你的目標是到 2050 年減排 80% [二氧化碳排放量]，那麼這還遠遠不夠。”
而且這還需要資金——根據國際能源署的估計，未來十年至少需要 200 億美元。即使是行業組織美國清潔煤電力聯盟也估計，到 2025 年實現碳捕獲與封存的可用性將耗資 170 億美元。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室碳管理專案負責人 Julio Friedmann 說：“我們必須這樣做，就像增加風能、太陽能、核能和節約能源一樣。”“這是一個氣候的迫切需求，所以讓我們開始行動吧。”
畢竟，“每拖延五年，就需要額外減排 10 億噸，”英國石油公司替代能源部門的碳捕獲與封存技術與工程經理 Gardiner Hill 說。“除非我們現在開始行動，否則我們無法獲得碳捕獲與封存的優勢以及我們需要的減排量。”