與所有大型燃煤發電廠一樣，位於德國施普倫貝格的 1600 兆瓦容量的 Schwarze Pumpe 發電廠無疑是骯髒的。然而，該設施的一個小小的附加裝置——一個為當地工業客戶輸送 30 兆瓦蒸汽的小型鍋爐——代表著從燃燒化石燃料對全球氣候變化造成的後果中獲得拯救的希望。
為了加熱該鍋爐，潮溼、易碎的褐煤（比更堅硬的黑煤——無煙煤汙染更嚴重）在純氧存在下燃燒，釋放出水蒸氣和更臭名昭著的溫室氣體二氧化碳 (CO2) 作為廢物。透過在一個簡單的管道中冷凝水，擁有該發電廠的瑞典公用事業公司 Vattenfall 捕獲並隔離了近 95% 的 CO2，純度高達 99.7%。
然後，CO2 被壓縮成液體並交給另一家公司 Linde 出售；潛在使用者包括碳酸飲料製造商（如可口可樂）以及使用二氧化碳從衰竭礦藏中衝出更多石油的石油公司。然而，原則上，CO2 也可以被泵入地下深處，並安全地鎖定在特定的岩層中數千年。
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從國際能源署到聯合國批准的政府間氣候變化專門委員會 (IPCC)，碳捕獲和儲存 (CCS)，特別是對於燃煤發電廠，已被確定為對於大幅、快速減少溫室氣體排放至關重要的技術。畢竟，煤炭燃燒占人類活動每年排放的 300 億噸二氧化碳的 40%。位於弗吉尼亞州阿靈頓的智庫皮尤全球氣候變化中心區域氣候變化政策協調員史蒂夫·考德威爾說：“美國和其他國家有可能繼續依賴煤炭作為能源，同時保護氣候免受與煤炭相關的巨大溫室氣體排放的影響。”
甚至巴拉克·奧巴馬總統也稱這項技術對於“能源獨立”非常重要，並在經濟刺激計劃中納入了 34 億美元用於“清潔煤”發電廠。但是，儘管世界各地有多個專案在研究或測試 CCS 的各個方面，但很少有專案與全尺寸發電廠相連：一個平均每天產生 500 兆瓦及以上電力和 10,000 噸二氧化碳的發電廠——這是排放問題的核心。
Vattenfall 的 CCS 發言人斯塔凡·格爾茨 (Staffan Görtz) 在談到 Schwarze Pumpe 價值 1 億美元的 CCS 示範鍋爐時說：“滿負荷執行時，它每小時產生 9 噸二氧化碳。”但他承認，“我們還沒有儲存地點。”
埋藏在海底
儲存可能是 CCS 挑戰中最簡單的部分。畢竟，自 1996 年以來，挪威石油公司 StatoilHydro 一直在從北海 Sleipner 油田的天然氣中去除二氧化碳，並且沒有將其排放到大氣中，而是將其泵回地下 1000 米深的油田進行永久儲存。
Statoil 的 CCS 顧問奧拉夫·卡爾斯塔德 (Olav Kaarstad) 解釋說，二氧化碳儲存的基礎知識很簡單：儲存天然氣數百萬年的同一 Utsira 砂岩地層可以用來捕獲二氧化碳。250 米厚的砂岩帶——多孔、易碎的岩石，可將氣體捕獲在其顆粒之間的微小空間中——頂部覆蓋著相對不可滲透的 200 米厚的頁岩和泥岩層（想想硬化的粘土）。卡爾斯塔德說：“我們實際上並不太擔心密封的完整性以及二氧化碳是否會在地下停留數百年。”
他指出，已將超過 1200 萬噸二氧化碳注入該地層。斯坦福大學全球氣候與能源專案主任、水文學家薩莉·本森 (Sally Benson) 表示，Statoil 透過定期地震測試來監測其儲存情況，這個過程很像對地球進行聲納掃描。監測表明，從 1996 年到今年 3 月，液態二氧化碳已擴散成薄層，滲透到多孔砂岩的三平方公里範圍內——僅佔可用儲存面積的 0.0001%。
德克薩斯大學奧斯汀分校的地質學家蘇珊·D·霍沃卡 (Susan D. Hovorka) 解釋說：“我們不是進入鹽穴；我們不是進入地下河。我們正在進入微小的孔洞”，她曾在美國的試點專案上工作。“加起來，這是一個很大的體積”的儲存空間。
事實上，能源部 2008 年的一份地圖集估計，僅美國就擁有 39110 億噸二氧化碳的可用儲存空間，形式為可滲透砂岩的地質儲層或深層鹽水含水層。這些儲層對於該國約 4600 個大型工業來源每年排放的 32 億噸二氧化碳來說綽綽有餘。大部分儲存地點靠近美國大部分煤炭燃燒的地方：中西部、東南部和西部。本森說：“至少有 100 年的二氧化碳封存能力，甚至可能更多。”
儲存似乎也是長期的；封存的氣體不僅僅是停留在岩石中等待逃逸的機會。霍沃卡指出，幾十年後，它會溶解到與孔隙空間共享的鹽水中，或者在更長的時間跨度內，與周圍的岩石形成碳酸鹽礦物。事實上，當她嘗試使用天然氣開採技術將二氧化碳從她的試驗場泵出時，嘗試完全失敗了。
IPCC 在 2005 年釋出的一份關於 CCS 的特別報告中指出，一個經過適當選擇的場地應安全地儲存至少 99% 的封存二氧化碳超過 1000 年。太平洋西北國家實驗室高階研究科學家兼 IPCC 主要作者詹姆斯·杜利 (James Dooley) 認為這是一個可以實現的目標。“如果將（二氧化碳）推入砂岩需要那麼多能量，那麼將其取出就需要大量能量，”他指出。“就像油田一樣，我們只能開採出原始石油的一半或更少，大量的二氧化碳被困在裡面。它被固定在岩石中。”
受到 Sleipner 專案成功的鼓舞，Statoil 最近在巴倫支海的 Snøhvit 天然氣田啟動了另一個二氧化碳注入計劃，儘管需要建造一條 150 公里的海底管道，將二氧化碳泵送到可以封存的地方。
自 2004 年以來，石油巨頭 BP 及其在阿爾及利亞 In Salah 天然氣田的合作伙伴（包括 Statoil）一直在從那裡每年生產的 90 億立方米天然氣中去除其中包含的 10% 的二氧化碳，並透過另外三口井將 100 萬噸液態二氧化碳泵回下方的鹽水含水層。
BP 使用多種技術，其中包括衛星監測，來觀察二氧化碳儲存（和天然氣去除）對陸地的影響。BP 替代能源部門 CCS 技術與工程經理加德納·希爾 (Gardiner Hill) 表示，雖然在天然氣開採過程中，某些區域下沉了約 6 毫米，但在二氧化碳注入井附近，陸地上升了約 10 毫米。美國國家能源技術實驗室也在致力於開發適當的監測、驗證和核算技術。
當然，BP 和 Statoil 進行這些 CCS 專案並非出於慈善目的。挪威政府對每噸碳徵收約 50 美元的稅，這激發了 Sleipner 和 Snøhvit 的二氧化碳封存。“這隻花費稅收的一小部分，”卡爾斯塔德說。“我們實際上正在從中賺錢。”
Statoil 和 BP 都預見到有利可圖的二氧化碳儲存機會將大量湧現。希爾指出，如果 CCS 以非常大的規模部署，社會將需要石油行業的專業知識——其“100 年的地下理解”，他說。“我們希望透過此積累的經驗能夠使 BP 能夠利用任何未來的業務。”
今日盈利
透過提高石油採收率 (EOR)，將二氧化碳泵入地下已經為一些人賺錢。35 年來，Denbury Resources 和 Kinder Morgan 等石油服務公司已將二氧化碳從科羅拉多州自然形成的儲層輸送到西德克薩斯州二疊紀盆地日益衰竭的油田。
美國至少有 100 個這樣的專案和 6000 公里的二氧化碳管道。Kinder Morgan 的二氧化碳總裁 R. Tim Bradley 表示，自 1970 年代以來，他們總共注入了約 3000 億立方米的氣體，使油田產量每天提高約 650,000 桶——超過美國每日總產量的 10%。
關於 CCS 最重要的是，自 2000 年以來，北達科他州大平原合成燃料廠每年向薩斯喀徹溫省韋伯恩油田泵送多達 200 萬噸二氧化碳。二氧化碳基本上是從油田中洗刷出更多的碳氫化合物。總部位於波士頓的環保組織清潔空氣任務部隊的碳儲存開發協調員庫爾特·沃爾澤 (Kurt Waltzer) 觀察到，“達科他州氣化專案正在生產合成氣，並從該過程中獲取二氧化碳”，然後透過管道輸送到韋伯恩油田。“實際上，您已經展示了進行 CCS 專案的所有組成部分。”
使用二氧化碳泵出更多的化石燃料——並在此過程中永久儲存氣體——聽起來可能與限制氣候變化適得其反，因為這些燃料在燃燒時會將更多的二氧化碳排放到大氣中。但 Denbury 的儲層工程高階副總裁羅納德·埃文斯 (Ronald Evans) 計算，這確實至少減少了 24% 的總排放量：每回收一桶石油最終會將 0.42 噸二氧化碳排放到大氣中，但在回收過程中會注入地下 0.52 至 0.64 噸。事實上，布拉德利估計，如果做得正確，美國提高石油採收率可以將二氧化碳排放量減少 4%。
與碳封存相關的最大恐懼通常是，被捕獲的二氧化碳可能會突然逸出到地表，造成致命後果，就像 1986 年喀麥隆尼奧斯湖發生的事件一樣。那個火山湖在其寒冷的深處自然積累了 200 萬噸二氧化碳；一天晚上，它自發地噴發出來，取代了含氧空氣，並使 1000 多名附近的村民窒息而死。
然而，在 EOR 商業二氧化碳注入的幾十年中，從未發生過危險的洩漏。洩漏和破裂的注入井中的二氧化碳總是擴散得太快，以至於不會構成威脅。
例如，1936 年，猶他州的勘探者在鑽探天然氣時意外地製造了一個二氧化碳間歇泉。斯坦福大學的本森說，它仍然每天噴發幾次，因為壓力不斷增加，但“它是如此無害，以至於它是一個旅遊景點，而不是風險”。事實上，根據勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的建模，空氣中二氧化碳的濃度必須累積到 10% 以上才具有危險性，這很難實現。
勞倫斯·利弗莫爾碳管理專案負責人胡里奧·弗裡德曼 (Julio Friedmann) 解釋說，原因是火山湖噴出的二氧化碳創造的條件與從井口逸出或滲入地下室的氣體條件截然不同。在尼奧斯湖，二氧化碳的突然釋放導致危險濃度積聚在低窪的周圍地區。從井口或裂縫逸出的加壓氣體只是迅速與大氣混合，不會造成危險，就像使用滅火器不會造成危險一樣。在空氣混合最小的情況下，例如緩慢洩漏到地下室，可以透過簡單地安裝感測器和風扇來消除問題，就像今天在義大利和匈牙利天然二氧化碳滲漏附近的公寓樓中一樣。
在日本的一個示範專案中，即使是 6.8 級地震也沒有將注入的二氧化碳從深層鹽水含水層中震松；井口甚至沒有洩漏。弗裡德曼說，大地震可能會導致洩漏，但在許多情況下，它們不會。
然而，環保基金 (EDF) 氣候與空氣專案紐約市業務合作關係總經理馬克·布朗斯坦 (Mark Brownstein) 警告說，“第一個做得不好的 CCS 專案將是最後一個 CCS 專案”。“在這方面，它與核電非常相似。”
因此，儲存可能有效，但是否可以捕獲發電廠的二氧化碳？畢竟，正如 Statoil 的卡爾斯塔德所說，“就捕獲二氧化碳而言，發電廠的難度要高出一個數量級。”
捕獲 CO2
如今，三種類型的技術可以在發電廠捕獲二氧化碳。其中一種是 Schwarze Pumpe 發電廠採用的富氧燃料工藝：在純氧中燃燒煤炭，產生富含二氧化碳的排放流。第二種是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——從更混合的廢氣集中去除二氧化碳。第三種是氣化，其中液體或固體燃料首先轉化為合成天然氣；可以從氣體轉化過程中虹吸二氧化碳。
所有這些技術的主要問題是成本。簡而言之，捕獲二氧化碳需要花錢——和能源——從 In Salah 等天然氣專案的每噸 5 美元到某些氣化技術的每噸 90 多美元不等。
能源部在 2007 年 5 月估計，一座新的燃用粉煤並配備胺洗滌器以捕獲 90% 二氧化碳的發電廠，其發電成本將超過每兆瓦時 114 美元（相比之下，不捕獲二氧化碳時僅為每兆瓦時 63 美元）。類似的整體煤氣化聯合迴圈 (IGCC) 電廠——其中煤炭在燃燒前轉化為氣體——捕獲相同量的二氧化碳，其發電成本約為每兆瓦時 103 美元。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。
能源部方面希望降低價格。洛斯阿拉莫斯國家實驗室二氧化碳封存專案負責人拉傑什·帕瓦爾 (Rajesh Pawar) 說：“就總成本而言，他們希望爭取每噸二氧化碳 10 美元。”“我們目前更接近每噸 50 美元的價格範圍。”
然而，即使是目前的高成本也沒有阻止公用事業公司和政府建造一些碳捕獲工廠並計劃建造更多工廠。馬里蘭州的 180 兆瓦勇士跑 (Warrior Run) 發電廠已經捕獲了 96% 的二氧化碳排放量，用於在滅火器中銷售。田納西州的金斯波特 (Kingsport) 發電廠自 1984 年以來一直在捕獲二氧化碳，用於銷售給碳酸飲料製造商。在國外，Vattenfall 將擴大 Schwarze Pumpe 的運營，並在 2015 年之前將德國揚什瓦爾德 (Janschwalde) 和丹麥北日德蘭 (Nordjylland) 等發電廠的幾個商用鍋爐改造為 CCS，Vattenfall 的格爾茨表示。澳大利亞和中國都在建造將使用 IGCC 技術的零排放燃煤發電廠，分別稱為 ZeroGen 和 GreenGen。
奧巴馬政府甚至可能會重啟 FutureGen 專案——一座 275 兆瓦的 IGCC 發電廠，該發電廠將捕獲 90% 的排放量；布什政府曾因成本飆升（可能被誤算）而取消了該專案。能源部已為配備 CCS 的燃煤發電廠提供了至少 80 億美元的貸款擔保。
杜克能源公司 (Duke Energy) 花費 23.5 億美元在印第安納州愛德華茲波特 (Edwardsport) 建造一座 630 兆瓦的 IGCC 發電廠，該發電廠可能會成為該國第一個商業 CCS 專案——儘管按照設計（並正在等待批准），它在 2013 年將僅捕獲約 18% 的二氧化碳。“我們的目標是使之成為在執行中的發電廠首次進行的 CCS 示範之一，”杜克發言人安吉琳·普羅託熱 (Angeline Protogere) 說。“煤炭為全國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，這樣的示範工廠不會解決一些其他詆譭煤炭使用的問題，例如為了獲取煤層而進行的削山頂採礦或之後留下的有毒煤灰。而且，為了使燃煤發電廠對氣候友好，需要捕獲所有（或幾乎所有）溫室氣體。但 IGCC 能夠去除 90% 或更多的二氧化碳。普羅託熱說：“我們的要求是考慮 18% 的捕獲和封存。”“這並不排除以後再要求更高水平的可能性。”
杜克並非孤身一人。美國電力公司 (American Electric Power) 將於今年晚些時候開始捕獲西弗吉尼亞州 1300 兆瓦 Mountaineer 發電廠排放的 850 萬噸二氧化碳中最多略高於 3% 的二氧化碳，並將二氧化碳注入地下 3 公里以上。Erora Group 計劃在肯塔基州亨德森縣建造一座 630 兆瓦的 IGCC 電廠，名為 Cash Creek，配備 CCS。Summit Power 提議在西德克薩斯州建造一座 170 兆瓦的 IGCC 電廠，該電廠將捕獲 80% 的二氧化碳排放量。BP 和南方公司也有專案。
但是，之前的工廠，例如 NRG 在紐約州和特拉華州提議的兩座工廠，已經半途而廢。摩根大通環境市場主管卡羅琳·安戈利 (Caroline Angoorly) 指出，這些工廠因技術成本高昂以及缺乏聯邦政策——碳排放交易計劃、碳稅或一些其他機制有效地設定二氧化碳汙染的價格——使其在經濟上可行而被扼殺。安戈利之前在 NPG 工作期間領導了這些專案的開發。
然而，總部位於俄克拉荷馬州的 Tenaska 正在計劃建造兩座工廠。伊利諾伊州泰勒維爾 (Taylorville) 一座價值 35 億美元的工廠將首先氣化當地的高硫煤，然後捕獲至少 50% 的二氧化碳。計劃在德克薩斯州斯威特沃特 (Sweetwater) 建造的另一座價值 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膜來分離二氧化碳與其他煙道氣，以捕獲其 575 萬噸排放物。
澳大利亞和中國已經證明，這種燃燒後捕獲在試點工廠中是可行的。在維多利亞州 Loy Yang 發電站，CSIRO 運營的一個試點工廠每年將捕獲 1000 噸二氧化碳；澳大利亞研究機構已與中國華能集團合作，使用胺洗滌器從北京的一家熱電聯產發電廠捕獲二氧化碳，然後出售。
Tenaska 環境事務副總裁格雷格·昆克爾 (Greg Kunkel) 說，如果燃燒後捕獲能夠得到商業化證明，“那麼現有燃煤發電廠的市場非常龐大。僅國內粉煤發電廠的排放量就至少有 20 億噸”。“除非你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。”
正是這種考慮甚至促使自然資源保護委員會 (NRDC) 和 EDF 等環保組織支援碳捕獲和儲存。據他們估計，自千年之交以來投入使用的燃煤發電廠在其 50 年的壽命期內排放的二氧化碳將超過自工業時代曙光以來所有人為煤炭燃燒的總量：6600 億噸，而 1751 年至 2000 年之間為 5240 億噸。NRDC 氣候中心的工程師兼科學家喬治·佩裡達斯 (George Peridas) 說：“未來 25 年的投資將比以往所有人為使用煤炭產生的排放量多 34%”。“這是一筆巨大的遺產，我們不能讓這種情況發生。”
當然，並非所有環保主義者都同意。塞拉俱樂部和綠色和平組織都反對 CCS，儘管所有環保主義者似乎都同意，到本世紀中葉，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目標。
EDF 的布朗斯坦補充說：“環保主義者談論煤炭並不是因為我們熱愛煤炭”。“這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需要的二氧化碳減排量。”因此，NRDC、EDF、清潔空氣任務部隊和其他團體都支援限制二氧化碳排放的碳排放交易計劃以及對首批 CCS 燃煤發電廠的補貼。“如果我們不解決煤炭問題，氣候變化的博弈就結束了，”清潔空氣任務部隊煤炭轉型專案主任約翰·湯普森 (John Thompson) 說。
CCS 也可以同樣很好地應用於其他二氧化碳密集型行業：水泥生產、鋼鐵冶煉和鋁冶煉等。它們甚至可以與植物物質的燃燒相結合，創造一種“碳負排放”燃料，這種燃料在燃燒時從空氣中去除的二氧化碳比排放的二氧化碳還多。但這將需要時間：麻省理工學院的研究工程師霍華德·赫爾佐格 (Howard Herzog) 估計，美國第一座新的 CCS 煤電廠在 2015 年之前不會完工。“到 2020 年，我們可能會有少數，甚至可能接近 10 座，”他說。“如果你的目標是在 2050 年之前減排 80%（二氧化碳排放量），那麼這還不夠。”
但 BP 的希爾指出，“每五年不採取行動...就需要額外減排 10 億噸”。“除非我們現在開始，否則我們不會獲得 CCS 的優勢以及我們需要的減排量。”而行動將需要資金：國際能源署估計未來十年至少需要 200 億美元，而行業組織美國清潔煤炭電力聯盟表示，到 2025 年 CCS 可用將需要 170 億美元。
勞倫斯·利弗莫爾的弗裡德曼說：“我們將不得不這樣做，就像增加風能、太陽能、核電和節能一樣”。“這是氣候的當務之急，所以讓我們開始行動吧。”
注意：本文最初印刷時的標題為“捕獲碳能拯救煤炭嗎？”