編者按：鑑於奧巴馬政府重新關注如何在不向大氣中排放大量溫室氣體的情況下使用最豐富（也是最髒的）化石燃料煤炭，我們釋出了 2006 年 9 月刊的這篇文章。
處理氣候變化問題在很大程度上意味著要解決燃煤發電廠排放物造成的問題，這比大多數人意識到的要多。除非人類迅速採取行動，嚴格限制在消耗煤炭發電時向大氣中排放的二氧化碳（CO2）量，否則我們幾乎沒有機會控制全球變暖。
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煤炭是為工業革命提供動力的燃料，它是一種特別令人擔憂的能源，部分原因是燃燒煤炭每單位發電量產生的二氧化碳量遠高於燃燒石油或天然氣。此外，煤炭價格低廉，並且在石油和天然氣變得非常稀缺之後，煤炭的儲量仍然充足。由於煤炭儲量充足且價格低廉，其在美國和其他地區的使用正在蓬勃發展，並且預計在煤炭資源豐富的地區將繼續增長。事實上，預計美國電力供應商將在 2003 年至 2030 年間建造相當於近 280 座 500 兆瓦的燃煤發電廠。與此同時，中國每週已經建造相當於一座大型燃煤發電站。在它們大約 60 年的生命週期內，到 2030 年投入運營的新發電設施可能會向大氣中排放與自工業革命開始以來燃燒的所有煤炭排放的二氧化碳量大致相同的二氧化碳。
煤炭預計的受歡迎程度不僅讓那些關心氣候變化的人感到不安，也讓那些擔心環境的其他方面以及人類健康和安全的人感到不安。煤炭的市場價格可能較低，但其開採、加工和消費的真實成本很高。煤炭的使用會導致一系列有害後果，包括山脈被削頂、酸性和有毒排放物造成的空氣汙染以及被煤炭廢物汙染的水源。開採還會危及礦工的生命，甚至導致死亡。這些影響加在一起，使得煤炭生產和轉化為有用能源成為地球上最具破壞性的活動之一。
為了配合《大眾科學》本期關注氣候問題的重點，我們將在下面集中討論可以幫助防止煤炭轉化過程中產生的二氧化碳進入大氣的方法。毋庸置疑，煤炭生產和使用的環境、安全和健康影響也必須減少。幸運的是，解決二氧化碳排放和這些其他問題的經濟適用技術已經存在，儘管迅速實施這些技術的意願仍然明顯滯後。
地質儲存策略 電力供應商可以採用的技術，以防止他們產生的大部分二氧化碳進入空氣，這些技術統稱為二氧化碳捕獲和儲存 (CCS) 或地質碳封存。這些程式包括分離出煤炭轉化為有用能源時產生的大部分二氧化碳，並將其輸送到可以深埋在地下的多孔介質中的場所——主要是在枯竭的油田或氣田或鹽水層（充滿鹽水的滲透性地質層）中[參見羅伯特·H·索科洛的文章《我們可以埋葬全球變暖嗎？》；《大眾科學》，2005 年 7 月]。
煤炭轉化廠所需的 CCS 所有技術元件都已商業化——已在與減緩氣候變化無關的應用中得到驗證，儘管尚未以必要的規模構建整合系統。捕獲技術已在世界各地廣泛部署，用於化學品（如化肥）的製造和受二氧化碳和硫化氫汙染的天然氣供應的淨化（“酸氣”）。工業界在淨化天然氣（主要在加拿大）的業務以及注入二氧化碳以提高石油產量（主要在美國）的業務中積累了豐富的二氧化碳儲存經驗。提高石油採收率過程佔進入地下儲層的二氧化碳的大部分。目前，每年注入約 3500 萬噸用於從成熟油田中誘出更多石油，約佔美國原油產量的 4%。
如果大氣中的二氧化碳濃度要保持在可接受的水平，則在消耗煤炭的工廠實施 CCS 是勢在必行的。1992 年的《聯合國氣候變化框架公約》呼籲將大氣中二氧化碳濃度穩定在“安全”水平，但並未明確規定最大值應是多少。許多科學家目前的觀點是，大氣中二氧化碳水平必須保持在百萬分之 450 (ppmv) 以下，以避免不可接受的氣候變化。要實現這一積極目標，電力行業必須在未來幾年內啟動商業規模的 CCS 專案，並在之後迅速擴大規模。僅靠 CCS 無法實現這一穩定基準，但如果將其與其他環保措施相結合，例如大幅提高能源效率和廣泛使用可再生能源，則可以合理地實現這一目標。
政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 在 2005 年估計，全球地質介質很可能能夠封存至少 2 萬億噸二氧化碳，這比 21 世紀化石燃料消耗工廠可能產生的二氧化碳量還要多。然而，在允許潛在的封存場所執行之前，社會需要確保對其保留二氧化碳的能力進行仔細評估。需要關注兩類風險：突然逃逸和逐漸洩漏。
大量二氧化碳的快速流出會對附近的人造成致命的危險。據 IPCC 稱，在精心挑選的深層多孔地質構造中進行的工程二氧化碳儲存專案發生危險的突然釋放（如 1986 年發生在喀麥隆尼奧斯湖的事件，當時火山來源的二氧化碳使附近 1700 名村民和數千頭牛窒息而死）的可能性不大。
二氧化碳逐漸滲入空氣也是一個問題，因為隨著時間的推移，它可能會破壞 CCS 的目標。2005 年 IPCC 報告估計，在適當選擇和管理的地質儲層中保留的比例很可能在 100 年內超過 99%，並且很可能在 1000 年內超過 99%。仍然需要證明的是，在實踐中，運營商是否可以常規地將二氧化碳洩漏保持在避免不可接受的環境和公共健康風險的水平。
技術選擇
設計研究表明，現有的發電技術可以捕獲煤炭中 85% 到 95% 的碳作為二氧化碳，其餘部分釋放到大氣中。
能夠以最低成本滿足減緩氣候變化目標要求的煤炭轉化技術將成為主導。對於使用傳統粉煤蒸汽迴圈和較新的整體煤氣化聯合迴圈 (IGCC) 的發電廠，將採用根本不同的 CCS 方法。儘管當今的燃煤 IGCC 發電（帶二氧化碳排放）比燃煤蒸汽發電略貴，但看起來 IGCC 是 CCS 最有效且最便宜的選擇。
標準發電廠在常壓下的鍋爐中燃燒煤炭。煤炭燃燒產生的熱量將水轉化為蒸汽，蒸汽驅動汽輪機，汽輪機的機械能由發電機轉換為電能。在現代工廠中，燃燒產生的氣體（煙氣）然後透過去除顆粒物和硫和氮氧化物的裝置，然後透過煙囪排放到空氣中。
在去除傳統汙染物後，可以從此類蒸汽發電廠的煙氣中提取二氧化碳。由於煙氣中含有大量的氮（在空氣中燃燒煤炭的結果，空氣中約 80% 是氮），因此回收的二氧化碳濃度和壓力會較低，這意味著必須使用能源密集且昂貴的工藝從大量氣體中去除二氧化碳。然後，將捕獲的二氧化碳壓縮並透過管道輸送到合適的儲存地點。
在 IGCC 系統中，煤炭不是燃燒，而是在氣化爐中高壓下部分氧化（與來自空氣分離廠的少量氧氣和蒸汽反應）。氣化的產物是所謂的合成氣，或合成氣，它主要由一氧化碳和氫氣組成，沒有被氮氣稀釋。在目前的實踐中，IGCC 操作會去除合成氣中的大部分傳統汙染物，然後將其燃燒，以驅動燃氣和蒸汽輪機發電機，這被稱為聯合迴圈。
在旨在捕獲二氧化碳的 IGCC 工廠中，從氣化爐出來的合成氣在冷卻和清潔顆粒後，將與蒸汽反應，生成主要由二氧化碳和氫氣組成的氣體混合物。然後將二氧化碳提取、乾燥、壓縮並輸送到儲存地點。剩餘的富氫氣體將在聯合迴圈發電廠中燃燒以產生電力。
分析表明，與在捕獲和儲存二氧化碳的傳統燃煤電廠中可能實現的相比，在消耗優質煙煤的 IGCC 電廠中捕獲二氧化碳將需要更少的能源和成本，並且總髮電成本更低。氣化系統從高濃度和高壓的氣流中回收二氧化碳，這一特性使其比在傳統的蒸汽設施中更容易實現。（對於低品級次煙煤和褐煤，其獲益程度不太清楚，這些煤的研究較少。）與傳統電廠的煙氣淨化系統相比，包括汞在內的傳統汙染物在燃燒前去除，使得以低得多的成本和更小的能源損失實現非常低的排放水平成為可能。
捕獲的二氧化碳可以透過管道輸送數百公里到合適的地質儲存地點，然後利用捕獲過程中產生的壓力進行地下儲存。但是，更遠的距離可能需要重新壓縮，以補償管道輸送過程中的摩擦損失。
總的來說，為燃煤發電設施尋求 CCS 需要消耗更多的煤炭來產生一千瓦時的電力，而不是排放二氧化碳時的情況——燃煤蒸汽發電廠的情況約為額外 30%，而 IGCC 電廠的情況則不到額外 20%。但是，煤炭的整體使用量不一定會增加，因為新增 CCS 裝置導致煤基電力的價格上漲會抑制對煤基電力的需求，使得可再生能源和節能產品對消費者更具吸引力。
碳捕獲與封存（CCS）的成本將取決於發電廠的型別、到儲存地點的距離、儲存庫的特性以及銷售捕獲的二氧化碳的機會（例如提高石油採收率）。最近一項由我們其中一位（Williams）合著的研究估計了在典型生產、運輸和儲存條件下，煤炭整體氣化聯合迴圈（IGCC）電廠兩種替代 CCS 方案的增量發電成本。對於在距離發電廠 100 公里的鹽水地層中進行二氧化碳封存，該研究計算得出，CCS 的增量成本為每千瓦時 1.9 美分（超出排放二氧化碳的煤炭 IGCC 電廠的每千瓦時 4.7 美分的發電成本——溢價 40%）。對於在距離轉換廠 100 公里的地方結合提高石油採收率進行的 CCS，分析發現，只要油價至少為每桶 35 美元，就不會出現淨髮電成本的增加，這遠低於當前的價格。
現在還是以後進行 CCS？工業界的許多電力生產商都認識到，如果他們要繼續使用煤炭，環境問題將在某個時候迫使他們實施 CCS。但是，大多數公司並沒有建造實際捕獲和儲存二氧化碳的電廠，而是計劃建造傳統的蒸汽設施，他們聲稱這些設施將“可進行二氧化碳捕獲”——在強制要求 CCS 時可進行轉換。
電力供應商經常透過指出美國和大多數其他以煤炭為能源經濟主導的國家尚未制定應對氣候變化的政策來為這些決定辯護，這些政策將使 CCS 在非提高石油採收率的用途中具有成本效益。如果沒有來自油田運營商的銷售收入，那麼僅當排放二氧化碳的成本至少為每公噸 25 至 30 美元時，將 CCS 應用於使用當前技術的新煤電廠才是成本最低的途徑。美國目前許多應對氣候變化的政策提案都設想對電力供應商排放二氧化碳的成本罰款要低得多（或者類似地，為減少二氧化碳排放量支付報酬）。
然而，在全經濟範圍內的二氧化碳控制成本高於 CCS 成本之前，推遲煤電廠的 CCS 是目光短淺的。由於以下幾個原因，如果現在就開始部署配備 CCS 裝置的電廠，煤炭和電力行業以及社會最終都會受益。
首先，降低 CCS 成本的最快方法是透過“在實踐中學習”——積累建造和執行此類電廠的經驗。對新技術的瞭解積累得越快，訣竅就會增長得越快，成本就會下降得越快。
其次，儘快安裝 CCS 裝置從長遠來看應該能省錢。目前正在建設中的大多數發電站將在幾十年後仍然執行，屆時 CCS 工作可能會成為強制性的。對發電設施進行 CCS 改造的成本本質上高於在新電廠中部署 CCS。此外，在沒有二氧化碳排放限制的情況下，熟悉的傳統煤蒸汽發電技術將傾向於在大多數新電廠建設中取代新型氣化技術，後者的 CCS 成本效益更高。
最後，快速實施將允許在短期內繼續使用化石燃料（直到更多環境友好型能源普及），而不會將大氣中的二氧化碳含量推高到可容忍的水平以上。我們的研究表明，如果煤炭能源完全脫碳，並且實施左側框中描述的其他措施，那麼在未來半個世紀內將大氣中的二氧化碳水平穩定在 450 ppmv 是可行的。這項工作將需要在 2020 年之前使 36 吉瓦的新煤炭發電能力脫碳（相當於在 2011 年開始的十年中，在全球預期新建的煤炭產能的 7%，如果按慣常情況）。在 2020 年之後的 35 年裡，二氧化碳捕獲量需要以平均每年約 12% 的速度增長。與典型的能源市場增長率相比，這種持續的速度很高，但並非前所未有。它遠低於核發電能力在其鼎盛時期（1956 年至 1980 年）的擴張速度——在此期間，全球產能平均每年增長 40%。此外，自 20 世紀 90 年代初以來，全球風能和太陽能光伏發電能力的擴張速度一直徘徊在每年 30% 左右。在這三種情況下，如果沒有公共政策措施的支援，這種增長是不切實際的。
我們的計算表明，CCS 部署的成本也是可以控制的。使用保守的假設——例如技術不會隨著時間的推移而改進——我們估計，在未來 200 年內捕獲和儲存煤電廠產生的所有二氧化碳的現值將為 1.8 萬億美元（以 2002 年美元計算）。這似乎是一個高昂的價格標籤，但它僅相當於同一時間間隔內全球產品總值當前價值的 0.07%。因此，煤炭快速脫碳的道路在物理上和經濟上都是可行的，儘管需要進行詳細的區域分析以證實這一結論。
需要政策推動
這些儘快開始協調一致的 CCS 工作的充分理由可能不會促使該行業採取行動，除非它也受到新的公共政策的推動。這些舉措將是控制所有來源的二氧化碳排放的更廣泛努力的一部分。
在美國，必須儘快制定一項限制二氧化碳排放的國家計劃，以引入必要的政府法規和市場激勵措施，從而迅速且大規模地將投資轉向汙染最少的能源技術。美國商業和政策界的領導人越來越一致認為，對全球變暖排放進行量化和可執行的限制是勢在必行的。為了確保電力公司以具有成本效益的方式實施減排，應建立一個二氧化碳排放信用交易市場——類似於導致酸雨的硫排放信用交易市場。在此計劃中，打算超出指定排放限額的組織可以從能夠低於這些值的其他組織購買信用額度。
提高能源效率和增加可再生能源生產對於以儘可能低的成本實現二氧化碳排放限制至關重要。碳總量管制與交易計劃產生的排放配額的一部分應分配給一項基金，以幫助克服阻礙廣泛部署其他具有成本效益的二氧化碳減排技術的制度障礙和技術風險。
即使在未來幾年內製定了二氧化碳總量管制與交易計劃，二氧化碳減排的經濟價值最初可能不足以說服電力供應商投資於帶有 CCS 的電力系統。為避免建設另一代傳統煤電廠，聯邦政府必須制定鼓勵 CCS 的激勵措施。
一種方法是堅持要求總煤炭發電量中越來越大的份額來自符合低二氧化碳排放標準的設施——或許每千瓦時最多 30 克碳（使用當今的煤炭 CCS 技術可以實現的目標）。可以透過要求使用煤炭的電力生產商在其供應組合中包括越來越大比例的脫碳煤電來實現這一目標。每個受管制的電力生產商可以生產所需數量的脫碳煤電，或購買脫碳發電信用額度。該系統將在所有美國煤電生產商和消費者之間分攤煤電 CCS 的增量成本。
如果目前正在規劃中的大量傳統燃煤電廠按計劃建成，那麼大氣中的二氧化碳含量幾乎肯定會超過 450 ppmv。然而，透過結合提高能源使用效率、更多地依賴可再生能源以及對所進行的新煤炭投資安裝二氧化碳捕獲和地質儲存技術，我們可以在滿足全球能源需求的同時，將二氧化碳穩定在 450 ppmv。儘管沒有所謂的“清潔煤炭”，但必須採取更多措施來減少與煤炭生產和使用相關的危險和環境退化。一個包含二氧化碳捕獲和儲存的綜合低碳能源戰略可以使未來幾十年大量使用煤炭，同時又能防止地球氣候發生災難性的變化。