煤的未来 以清洁的名义

它是世界上最脏的化石燃料。每年80亿吨煤炭消耗所带来的后果让我们这个地球不堪重负。未来，它会不会变得更清洁一些。环保主义者认为清洁煤是一个神话。事实也的确如此，比如美国西弗吉尼亚，由于煤炭的开采，阿巴拉契亚山脉的顶峰已经成为谷地，山溪中流淌着橙色的酸水；再比如北京城区，在很多时候，空气的污浊度已经超过机场的吸烟室。中国的空气污染主要是由煤燃烧造成的，每年因此而过早死亡的人预计超过100万。除此之外，在中国及世界其他地区，每年还有成千上万的人死于煤矿事故。这些问题已经不是什么新鲜事。在17世纪末，当来自威尔士和诺森伯兰郡的煤点燃英国工业革命的第一把火时，英国作家约翰·伊夫林（John Evelyn）就曾抱怨弥漫在伦敦上空的烟雾“又臭又黑”。3个世纪后的1952年12月，浓厚的煤烟降临伦敦，持续了一个漫长的周末，结果引发呼吸道疾病大流行，致使12000人在随后的几个月里死去。美国城市也不例外。1948年10月的一个周末，在宾西法尼亚州的小镇多诺拉，正在观看高中橄榄球比赛的观众突然发现他们既看不到球员也看不到球了：附近一家燃煤炼锌厂飘来的烟雾遮蔽了球场。在接下来的几天里，该镇有20人死亡，约6000人患病，而这也占了当地人口的近一半。借用经济学家的委婉说法，煤具有明显的“外部经济效果”，也就是说它会将高昂成本转嫁于社会。它是我们所拥有的最脏、最致命的能源。但同时，它又是我们所依赖的最便宜的能源。因而，时下的主要问题并不是煤能不能成为“清洁能源”，而是能否让它变得足够清洁，因为这不仅可以避免地方性灾难，而且也有助于防止全球气候的急剧变化。去年6月，在一个闷热潮湿的日子，美国总统贝拉克·奥巴马（Barack Obama）在华盛顿特区就气候变化问题发表了演说。这次演说是美国煤炭和电力行业最担心的，同时又是环保主义者最为期盼的。奥巴马表示，到2014年6月，美国环保署（EPA）将会起草新的规定，“中止发电厂无限制地向空中排放碳污染物。”这些规定将会纳入到《清洁空气法案》中，而该法案的出台与当年的多诺拉事件有很大关系。基于这项法案，美国电厂排放的二氧化硫、一氧化氮和烟尘粒子已经大大降低，但导致全球气候变暖的主因，即二氧化碳的排放量却未得到有效遏制。2012年，全球化石燃料排放的二氧化碳达到了创纪录的345亿吨，其中煤是最大的贡献者。近年来，廉价的天然气已经减少了美国对煤的需求，但在世界其他地区，尤其是中国，煤的需求仍在上升。在充满不确定性的未来，北极融化的速度、海平面上升的高度以及热浪的强度等等，都与煤的燃烧有着重大关系。我们是不是要继续烧煤，继续无节制地排放碳？或者，我们像对待化石燃料中的硫和氮一样，寻找方法将排放出来的碳捕获，然后存储于地下？美国电力公司（AEP）所属的登山者电厂（Mountaineer Plant）位于西弗吉尼亚纽黑文的俄亥俄河畔，每小时吞噬超过450吨产自阿巴拉契亚山的煤。通过驳船或煤矿的传送带，这些新开采出来的煤被直接运往电厂。进入电厂后，高尔夫球大小的块煤会被磨成煤粉，然后吹进世界上最大的锅炉之一的炉膛—一个可轻松吞下自由女神像的钢箱。电厂内3个涂有白星的蓝色蒸汽涡轮机，以每度电约为0.1美元的价格为美国7个州的130万用户提供电力，一个普通家庭每月电费的平均开支仅为113美元。正如该电厂经理查理·鲍威尔（Charlie Powell）所言，即便是环保主义者，他们也喜欢整天开着灯。每年，从登山者电厂数百英尺高的大烟囱中都会排出六七百万吨的二氧化碳，但无论是电厂还是用户，都无需为此埋单。碳之所以会被无节制地排放，原因就在这里，而且目前美国也没有任何法律明令禁止这种行为。不过，美国众议院在2009年夏已经通过了一项法案，未来有可能上升为法律。值得称赞的是，美国电力公司已决定提前采取行动。2009年10月，登山者电厂发起了开创性的碳捕获实验。鲍威尔是具体的负责人。在他看来，这项实验很简单，无非就是烧煤、制造蒸汽，然后驱动涡轮机运转。但真正操作起来，事情就复杂了。美国电力公司在电厂后侧建了一座化工厂。登山者电厂大约1.5%的排烟经由该厂冷却，导入会吸收二氧化碳的碳酸铵溶液中。这些二氧化碳经强力压缩后，会注入到俄亥俄河岸下方约1英里处的多孔砂岩层内。这个系统是有效的。在接下来的两年里，美国电力公司捕获和存储了超过3.7万吨的纯二氧化碳。这些二氧化碳仍被埋在地下，而未飘逸到空中。虽然该数字仅相当于登山者电厂排放物的0.25%，但这只是一个开始。美国电力公司计划扩大规模，捕获该电厂四分之一的排放物，折合计算就是一年150万吨二氧化碳。该公司已同意投入3.34亿美元，而美国能源部（DOE）也承诺给予同等额度的补助。不过，这项协议能不能实施下去，取决于美国电力公司能否收回这笔投资。自气候变化立法在参议院遭否决后，州所在地公用事业监管机构表示，公司不得为法律所未要求的技术而向用户收取额外费用。2011年春，美国电力公司中止了这一计划。随后，密集的管道、水泵和水槽被拆除。就登山者电厂的该套系统而言，虽然规模很小，但却是世界上首个直接捕获和存储燃煤电厂二氧化碳的系统，而且吸引了数百名来自世界各地的参观者。“这套程序确实有效，很多参观者都受到了启发。”鲍威尔说，“不过，要想恢复这个计划，我们还需要其他方面的突破。”这些突破首先是监管上的突破—比如奥巴马去年夏天在演说中所做的承诺。当然，技术上的突破也会有所助益。对批评者来说，捕获和存储二氧化碳或将二氧化碳“隔离”在地下多孔岩层中，听起来就像是天方夜谭。但在过去的30年里，美国能源部在该技术研发和测试上的投入已经达到65亿美元。就石油行业而言，在过去的40多年里，压缩后的二氧化碳被注入到枯竭的油田中，藉此把困于地下的残余石油逼到地表。在加拿大的大平原区，这已经发展成为世界上最大规模的地下碳存储业务之一。自2000年以来，北达科他州的一座煤气化(000968,股吧)厂已经捕获到了超过2000万吨二氧化碳，并将其输送到200英里之外的加拿大萨斯喀彻温省。在那里，加拿大石油公司西诺沃斯能源（Cenovus Energy）将这些二氧化碳注入到韦伯恩和米达尔油田的深处。基于这种新的技术，每一吨的二氧化碳可以从储油岩层中溶出两到三桶原油，而溶出原油的二氧化碳则被重新存储，截留在距离地面约1英里的密闭的页岩层和盐岩层内。它们能被封存多久？一些自然沉积的二氧化碳已经在存储地封存了数百万年之久。实际上，有些二氧化碳还被开采出来卖给石油公司。但如果二氧化碳大规模外泄，那么这将会对人和动物造成致命危险，尤其是当二氧化碳被集中封存在密闭空间中时。不过，科学家认为，灾难性外泄的可能性微乎其微。他们担心的是长期的少量外泄，因为这将会使整个计划失去意义。斯坦福大学地球物理学家马克·泽贝克（Mark Zoback）和史蒂文·格雷里克（Steven Gorelick）认为，如果存储地的岩层易碎且存在断层——在他们看来，大多数存储地都是如此，那么注入二氧化碳可能会引发小规模地震，而即便地震没有引发其他灾害，也可能会造成上方页岩断裂，致使二氧化碳逃逸。泽贝克和格雷里克认为，碳存储是一个“成本高昂且充满风险的策略”。但即便是他们，也认为碳可以有效地存储在某些地点，比如北海的斯莱普耐尔气田。在过去的17年里，挪威国家石油公司（Statoil）每年把大约100万吨的二氧化碳注入到海底之下约半英里处的富含盐水的砂岩层中。由于这里岩层的空间非常大，即便注入如此多的二氧化碳也没有提高它的内部压力，而且也从未出现过地震或外泄迹象。欧洲研究人员预计，北海海底可以储存欧洲所有电厂运营100年所排放的二氧化碳。据美国能源部表示，美国地下也有类似的“深盐水层”，足以存储全美电厂运营超过1000年所产生的二氧化碳。挪威国家石油公司注入斯莱普耐尔气田的二氧化碳不是燃烧的产物，而是它从海底钻取的天然气中所含的不纯成分。在将天然气输送给客户之前，公司必须先把里面的二氧化碳分离出来。过去，它都直接把这些不纯物质排到大气中。但从1991年起，挪威开始征收碳税，目前税率约为每吨65美元，而挪威国家石油公司只要付出17美元，就能将二氧化碳再次注入到海底之下。因此，在斯莱普耐尔，碳储存比碳排放要便宜得多，而这也正是挪威国家石油公司投资该项技术的原因。时至今日，它的天然气业务仍保持着丰厚利润。燃煤电厂的情况就不同了。二氧化碳是从烟囱中排放出来的混合气体的一部分，而且电力公司并没有捕获它的经济诱因。正如登山者电厂的工程师所发现的，在任何有关碳的捕获和储存计划中，捕获都是成本最高的一环。在登山者电厂，二氧化碳吸收系统占地14英亩，整个装置相当于一栋十层楼高的公寓，但即便是如此规模，它所捕获的也只是极少量的碳。吸收剂必须加热才能释放出二氧化碳，而二氧化碳还必须经过高度压缩才能存储。这些能源密集型的程序导致了工程师所谓的“附加载荷”：若想捕获燃煤电厂排放出的全部碳，可能要耗费总能源产出的30%。减少这种高昂成本的方法之一就是在煤炭燃烧之前先把它气化。气化不仅可以提升发电效率，而且还便于分离二氧化碳。在美国密西西比州的肯珀县，就有这样一座正在兴建的电厂。该电厂已将二氧化碳的捕获纳入设计之中，所以在燃烧之前，煤炭会先进行气化处理。就现存的电厂而言，它们通常是为燃烧粉煤而设计的，所以就得另寻他途。构想之一是，在纯氧而非一般空气中燃烧煤炭，这样产生的烟气成分相对单一，便于分离二氧化碳。在美国能源部位于西弗吉尼亚摩根敦的国家能源技术实验室，研究员杰奥·理查兹（Geo Richards）正在研发该技术的高阶应用。理查兹说，由于从空气中制造纯氧的成本非常高昂，所以他使用铁等金属捕获空气中的氧，然后再把氧输送到燃煤区。从理论上讲，化学链可以大大降低碳捕获的成本。在过去超过25年的研究中，理查兹一直在寻求更有效的捕获碳的方法。但几十年来，看着政客和公众在气候变化问题上的不断争论，有时他也会想未来自己的解决方案会不会真正派上用场。相比于现实中的电厂，他这个试验中的碳捕获系统小得不成比例。“从事我们这个行业，”理查兹说，“你得是一个乐观主义者才行。”在今日的西弗吉尼亚州，随着美国电厂开始采用天然气，有着上百年历史的煤矿纷纷关闭。在美国，由于天然气价格已几乎降到历史低点，煤炭似乎已经成为明日黄花，因此投资发展先进的煤炭技术似乎有些不合时宜。但在中国的榆林市，人们的看法却不一样。榆林位于陕西省，坐落在内蒙古鄂尔多斯盆地东缘，距北京约500英里。有着300万人口的榆林虽然气候条件恶劣，但却拥有丰富的矿产资源，其中就包括中国储量最大的几个煤矿区。在这里，煤被认为是一种推动经济发展的燃料。榆林周围的沙质高原上矗立着一根根高耸的燃煤烟囱，庞大的煤炭加工厂以及驻厂员工的宿舍在沙漠中绵延数公里。虽然煤为中国提供了大约80%的电力，但它的用途却不止于此。由于储量丰富，它还被用来制造数十种工业化学品和液态燃料。煤炭也使得中国成为世界上二氧化碳排放量最多的国家，但就人均排放量来看，美国还是遥遥领先。目前，虽然中国尚未大幅减少煤炭使用，但与过去相比，它已经更清楚地认识到了燃煤带来的高昂代价。“在过去的10年里，”加利福尼亚大学圣迭戈分校环境政策研究员黛博拉·塞利森（Deborah Seligsohn）说，“中国的环境问题越来越受关注，已经从先前排不上议事日程转变成优先考虑的事项。”公众对空气质量的抱怨，再加上政府对气候变化风险意识的提高以及对能源安全和技术优势的渴望，使得中国加大了对可再生能源的投入，规模达数千亿美元之巨。同时，中国也在推动建立超高效能的燃煤发电厂，推广更便捷和更实惠的碳捕获方法。这些努力不但吸引了外资，也招来了外国专家。比如，美国太阳能工业协会前主席就担任过世界最大煤企神华集团下属的北京低碳清洁能源研究所的所长。戴维斯说，他来中国，是因为中国政府对改善空气质量和降低二氧化碳排放量作出了“坚定承诺”。“要想对碳排放施加最大影响，”他说，“那你就要去碳排放量最多的国家。”环境工程公司阿米那（LP Amina）的创始人威尔·拉塔（Will Latta）是移居北京的美国人，与中国的电力公司合作密切。“坦白讲，中国的煤很便宜，储量也很大，而替代能源还需要几十年的时间才能真正发挥作用。”他说，“中国已经意识到，煤在环境上是不可持续的。所以，它正在进行大规模投资，以便让煤变得更清洁。”在距离北京大约85英里的天津，中国第一座基于碳捕获原理设计的电厂预计在2016年运营。这家名为“绿色煤电”的公司的最终目标是捕获80%的碳排放。去年秋天，在全球煤炭消耗量与碳排放量双双创下新高之际，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了最新报告，首次对地球的“碳排放预算”作了估算。所谓碳排放预算，就是在气温升幅不超过2摄氏度的情况下，我们所能排放的碳的总量，因为在很多科学家看来，如果全球气温升幅超过2摄氏度，那么就会引发灾难性风险。碳排放量的计算是从19世纪工业革命时代开始的。IPCC认为，目前的碳排放量已经超过了预算的一半，而按当前的排放速度计算，不用30年我们就会用完预算。“如果减少5%～10%的温室气体排放量就能解决这个问题，那么我们没有必要去谈碳的捕获和存储。”卡内基-梅隆大学环境工程与科学教授爱德华·鲁宾（Edward Rubin）说，“我们讨论的是如何在未来的三四十年里减少全球大约80%的排放量。”美国第一座基于捕集碳原理而设计的发电厂预计在今年年底启用。设在密西西比州东部肯珀县的煤气化厂会捕集该厂超过一半的二氧化碳排放量，然后再把它输送到附近的油田。对于美国能源部出资支持的这项计划，环保主义者与反对政府过度支出的活动人士均持负面观点。不过，美国南方公司（Southern Company）旗下的密西西比电力公司（Mississippi Power）表示会坚持下去。公司负责人说，该电厂用的是密西西比储量丰富的褐煤，而且产生的二氧化碳已有现成市场，这有助于抵消率先采用新科技的高昂成本。然而，若政府没有出台关于开征碳税或直接限制排放量的强制要求，这项技术就不会得到推广。“碳捕获必须靠法规来推动，”美国能源部太平洋(601099,股吧)西北国家实验室研究员詹姆斯·杜利（James Dooley)说。如果美国环保署能在今年践行奥巴马的承诺，对已有和新建电厂的碳排放量进行立法限制，那么碳捕获技术才能得到真正推广。与此同时，中国已经开始在一些地区试行市场导向型策略—这种做法美国已率先尝试过。20世纪90年代，美国环保署根据《清洁空气法案》限制电厂的二氧化硫总排放量，并向污染制造者发放可转让的“污染许可”。当时，电力业者预言这种做法会引发灾难性的经济后果。但相反，这个策略催生了技术的创新，也提升了空气的质量。鲁宾说，现在碳捕获系统所处的阶段，与上世纪80年代二氧化硫捕获系统所处的阶段差不多。一旦排放限制为这些系统创造出市场，其成本就会大幅降低。即便一切进展顺利，煤也不会成为清洁能源，但无可否认，它会变得比现在更加清洁。（作者系美国知名科学记者、自由撰稿人。翻译：陈召强）