天然氣能否成為低碳未來的一部分？

在2010年代中期，人們普遍認為天然氣將成為通往零碳未來的橋樑燃料，在這個未來中，太陽能、風能和其他可再生技術將提供我們所有的能源，而不會產生任何二氧化碳排放來加劇氣候變化。但是，如果天然氣真的只是一座橋樑，那麼它就不是長期計劃的一部分。如果我們真的建造了這座橋樑，我們很可能會一直留在橋上。

過去15年中，美國天然氣消耗量增加了三分之一。天然氣佔能源總消耗量的32%，現在是全國最大的電力來源，很大程度上取代了燃煤發電廠。天然氣（主要是甲烷）比煤炭燃燒得更清潔，並且可以為可變的風能和太陽能發電場提供隨時可用的備用電力。這聽起來很有希望，但燃燒天然氣仍然會產生二氧化碳。井和管道中的甲烷會洩漏到大氣中，加劇全球變暖。一旦最後一座燃煤電廠關閉，天然氣發電廠將成為最髒的電力來源。

為了減少二氧化碳排放，社會必須儘快實現能源系統的脫碳。建造更多的風能和太陽能發電場相對便宜且快速，並且可以加速燃煤電廠的關閉。但是，開發最佳地點（風力強勁的平原和陽光充足的沙漠）需要大大擴充套件輸電網，才能將電力輸送到主要城市和製造中心。這些電線和電線杆帶來了風暴、洪水和火災的風險，所有這些都因氣候變化而加劇，而一個又一個的城鎮都在例行公事地反對擴張計劃：“不要在我家後院。”

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天然氣基礎設施幾乎全部位於地下，因此不易中斷。美國約有300萬英里的天然氣管道，幾乎遍佈美國本土48個州的所有主要城市下方。加上所有的壓縮機、儲罐和儲氣洞穴，基礎設施價值數萬億美元。發電廠本身又增加了數千億美元。近7000萬戶家庭使用天然氣，他們的爐子、熱水器和灶臺至少價值1000億美元。將所有這些沉沒投資乘以大約五倍，就是全世界的規模。天然氣也比任何其他能源都更深入地與其他社會部門交織在一起——交通運輸、建築（用於供暖和烹飪）和工業（用於供熱和作為化學品的原料）——這使得它更難被取代。

在天然氣基礎設施的自然壽命結束之前將其更換，也會給當前的業主帶來經濟損失，他們會進行抵制。更換技術可能會讓納稅人、費率支付者和房主付出代價，他們也會進行抵制。而且，更多的電力並不能輕易解決卡車、輪船和飛機燃燒的液體燃料的需求，或者冶煉廠、釀酒廠和煉油廠生產大量金屬、水泥、玻璃、航空燃料和化學品所需的高溫的需求。液體燃料的能量密度是難以匹敵的。

如果我們能夠清除天然氣系統中的排放物，它就可以成為碳中和未來的一部分，而不是一座橋樑。存在提取碳或轉化天然氣的技術，從而使排出的碳和進入的碳達到零平衡或接近零平衡。

國家能源基礎設施脫碳綜合計劃的第一步是提高能源效率和節約能源，以減少消耗。第二步是儘可能多地將汽車、空間加熱器、熱水器和灶臺電氣化，使用可再生能源。與此同時，收緊洩漏的天然氣基礎設施。儘可能用低碳替代品（如沼氣、氫氣和合成甲烷）替代天然氣，或者在天然氣管道末端使用稱為熱解的過程來去除碳。

清潔能源支持者正確地擔心，對天然氣基礎設施的任何投資都會產生鎖定效應。每座新的發電廠、管道或儲氣裝置都有25至80年的預期壽命，因此每個要素都可能成為更多排放的陷阱或擱淺資產。但是，我們可以透過天然氣的直接替代品來解決鎖定問題：低碳氣體可以流過現有的管道、儲罐和發電廠，從而利用數萬億美元的資產。

零碳天然氣

最容易替代天然氣的直接替代品是生物甲烷——從生物來源產生的甲烷氣體。大型桶狀容器（稱為厭氧消化池）內的微生物會吞噬有機物，例如農作物廢棄物、糞便、汙水以及垃圾填埋場中的食物垃圾和其他垃圾，從而產生甲烷。生物消化池已是一項成熟的技術，可以將垃圾填埋場和集中式動物飼養場附近的廢物瀉湖中的廢物流從環境負債轉化為有價值的商品，為市政當局和農民創造收入。

生物甲烷正在德克薩斯州奧斯汀市發揮作用。運營該市一個垃圾填埋場的廢物管理公司從其場地的128口井中收集生物甲烷，並將其燃燒以產生足夠4000至6000戶家庭使用的電力。該市的一個汙水處理廠有八個生物消化池，每個容量為200萬加侖；微生物將汙水轉化為沼氣，為現場發電機提供燃料。該過程產生一種稱為“犰狳土”的固體副產品，摸起來和聞起來都像塊狀堆肥。一家城市承包商在當地商店按袋出售，用於肥沃土壤。

在美國2000多個垃圾填埋場中，約有四分之一的垃圾填埋場現在正在收集天然氣或使用生物消化池將其廢物加工成沼氣。然而，這僅抵消了該國天然氣總使用量的不到1%。沼氣可以作為天然氣的直接替代品，但就全球而言，相對體積較低。如果農場、垃圾填埋場或汙水處理廠無法輕易地使用沼氣發電，或者不在天然氣管網旁邊，則生物甲烷可能需要液化並用卡車運到另一個地點，從而降低碳回報。儘管如此，生物甲烷是一項商業上可行的技術，可以開始使天然氣系統的一部分脫碳。

氫氣替代甲烷

天然氣可以完全被氫氣取代。渦輪機可以燃燒氫氣為電網發電，內燃機可以燃燒氫氣為重型車輛提供動力。燃料電池中的氫氣可以為汽車、家庭或辦公室發電。氫氣是許多基本化學品的現成組成部分。燃燒氫氣或在燃料電池中使其發生反應不會產生二氧化碳。洩漏的氫氣的溫室效應僅為甲烷的一小部分。

天然氫氣從地球上許多克拉通（構成大陸中心部分的大塊古老岩石）的盆地中滲出地面。一個多世紀以來，科學家們偶然發現了這些滲漏。然而，石油和天然氣公司認為氫氣是一種 nuisance，當他們在地下儲層旁邊發現氫氣時，因為它會著火併可能腐蝕金屬管道。但如今，企業和大學研究人員正在鑽探氫氣測試井，並啟動多年期計劃來尋找地下氫氣。這種預期感覺類似於頁岩水力壓裂技術早期出現時的情景：那裡有巨大的資源，如果工程師能夠找到廉價且安全地利用它的方法。

我們也可以製造氫氣。目前，工業用氫氣大部分是透過甲烷的蒸汽重整生產的——將熱量和熱水新增到甲烷中以產生氫氣和二氧化碳。電解——使用電力將水分解為氫氣和氧氣——也可以產生氫氣。然而，這兩個過程都需要大量的能量。

移動和儲存氣態氫氣也是一個挑戰。由於氫氣的密度低，因此與甲烷等密度較高的氣體或石油等液體相比，透過管道輸送氫氣需要大量的能量。經過數百公里後，這種低效率使得輸送氫氣的成本高於其所攜帶的能量的價值。而且，氫氣會使鋼製管道變脆，除非透過改變操作條件或摻入昂貴的合金來緩解這種情況。

整合氫氣的一種方法是將氫氣與甲烷混合到現有的天然氣管道中。這種混合透過用氫氣取代一部分天然氣，使系統部分脫碳。英國和法國的實驗表明，在天然氣管道中可以有效地輸送80%甲烷和20%氫氣的混合物。作為2018年中期至2020年3月的一項研究的一部分，法國敦刻爾克使用80-20的混合物為100戶家庭和一家醫院的鍋爐供氣，而無需沿管道或建築物安裝任何新裝置。

對於氫氣含量超過20%的混合物，爐子和灶臺內部的配件（例如燃燒器噴嘴）可能需要進行改裝或更換，因為與純氫氣一樣，混合氣體在不同的溫度和速率下燃燒。另一個考慮因素是，由於氫氣的能量密度低，按體積計算，20%的混合物每立方英尺提供的能量比天然氣少14%。

繞過某些成本和安全挑戰的一種方法是以另一種我們知道如何處理的化學形式（例如氨）輸送氫氣，氨的分子由一個氮原子和三個氫原子組成。包含氫原子的分子稱為氫載體。氫氣在發現或生產地被轉化為載體，然後投入到現有的管道中，並以該形式使用或在目的地再次轉化為氫氣。

常見的載體（如氨、甲酸和甲醇）在接近環境條件下是液體，這使得它們比氣態氫氣更容易運輸。雖然氨具有腐蝕性，但它已經作為肥料成分在世界範圍內運輸，並且燃燒時不會產生任何二氧化碳。甲烷可能是最有效的選擇，因為它每個碳原子攜帶四個氫原子，並且已經與現有的管道、壓縮機、儲罐、渦輪機和器具相容。

示範專案數量正在迅速增加。芬蘭工業建築商瓦錫蘭公司正在建造一艘名為“維京能源”號的新船，該船將於2023年下水，將使用燃料電池以氨為燃料執行，從而避免溫室氣體排放和其他困擾海運業的汙染物。法國航空公司和巴黎戴高樂機場對氫氣作為航空業脫碳的一種方式非常感興趣。然而，氫載體仍處於研究的早期階段，因此很難說它們會取得多大的成功。

燃燒氫氣的發電廠也正在設計中。在猶他州三角洲市，州際電力公司電廠（美國最大的燃煤電廠之一）將電力輸送數百英里至洛杉磯。為了滿足該市對可再生能源和低碳能源的長期要求，電廠所有者將於2025年用可以燃燒氫氣的渦輪機取代燃煤鍋爐。他們將從天然氣中30%的氫氣混合物開始，稍後將轉向100%的氫氣。氫氣將在那裡使用風能和太陽能發電的電解法產生，並將儲存在100多個現有的地下鹽穴中，每個鹽穴的大小都與帝國大廈差不多。

管道末端

我們可以不在天然氣進入管道之前對其進行脫碳，而是可以在管道末端（客戶消耗天然氣的地方）去除碳。例如，甲烷可以在使用者所在地分解為氫氣和固態碳，固態碳看起來像細小的黑色粉塵。這個過程稱為甲烷熱解，效率很高，並且消除了二氧化碳排放。每公斤熱解甲烷產生的氫氣會產生三公斤固態碳，而不是如果甲烷燃燒會排放的九公斤二氧化碳氣體。

堆積在爐子或灶臺收集器內的碳粉堆每月左右會被運走。我們已經向垃圾搬運工和市政汙水處理廠支付費用來清理我們的固體和液體廢物；我們也應該支付費用來清理我們使用天然氣產生的廢物。然而，碳堆實際上是有價值的，因為它們可以作為製造石墨、橡膠、塗料、電池和化學品以及農業土壤改良劑的基本成分出售。

儘管工程師們已經研究甲烷熱解幾十年了，但他們只在小型示範專案中部署了它。管道末端的一些裝置必須進行更換以分離碳，但無需建造昂貴的氫氣管道，這大大簡化了問題。傳統天然氣的熱解可以將整個系統帶到接近零碳的水平。新增來自生物消化池的甲烷或使用可再生電力從大氣中的二氧化碳製成的甲烷可以使系統實現負碳。

想象這些脫碳的未來可能會讓人聯想到大型的新工業綜合體或消費者數百萬次的小型裝置更換。但其他控制排放的建議也是如此。將每個加熱器、爐子和車輛電氣化將需要廣泛的技術更換。直接從空氣中提取二氧化碳的計劃將需要數百萬臺大型機器來捕獲氣體並封存它——龐大的企業也需要大量的新土地和新電力。

脫碳天然氣將使我們能夠利用數萬億美元的現有管道、裝置和器具，從而在建立零碳能源系統方面節省大量資金和時間。當然，我們必須修復洩漏的基礎設施。透過用電氣裝置替換井場的 pneumatic 裝置，改進使用無人機和機器人上的感測器對管道和儲罐進行自動化檢查，以及制定不再對洩漏視而不見的法規，以及故意排放或燃燒不需要的天然氣，可以最大限度地減少洩漏。這項工作將為石油和天然氣行業的工人創造就業機會，並將清理能源基礎設施，這反過來可以減少能源設施附近社群的汙染。

控制氣候變化需要多種解決方案。宣佈誰不能成為其中的一部分，例如天然氣公司，只會增加對進步的阻力。由於脫碳天然氣可以補充可再生電力，並且對於社會中難以電氣化的部分來說，它可能是一條更快、更便宜、更有效的途徑，因此我們不應將天然氣作為一種選擇而拋棄。我們擁有龐大的天然氣基礎設施，我們必須弄清楚如何處理它。報廢它將是緩慢、昂貴且極其困難的，但我們可以轉而利用它來幫助創造低碳未來。