互动科普

在减缓全球变暖的进程中，每一项与碳捕捉相关的技术都起着至关重要的作用，但现实却让这类项目前路难料。

平克斯顿所站的地方，原来是一整片森林，现在这里已经开辟出了一块开阔的空地，铺上了混泥土。平克斯顿指着一套体积庞大管线复杂的设备，它们高耸入云，管道总长可达数百千米。在化工厂和发电厂之间，竖立着的是两个近百米的气化炉，单个仓体重达2 550吨，能形成和火山喷发类似的高温高压。这种气化炉可以用来处理一种含水量很高的棕褐色煤碳，把它转化为发电用的气体燃料。而褐煤可以直接从平克斯顿脚下的土地中开采。

这整套设备的独特之处不在于能够产出燃料，而在于它能处理发电的主要副产品：二氧化碳。这种物质能够产生温室效应，带动全球变暖。传统的燃煤电厂会直接让二氧化碳通过烟囱排放到大气中，平克斯顿和他在肯珀工作的同事却试图捕捉这些气体。

肯珀电厂是美国最先进的燃煤电厂，对缓解全球温室气体的排放有着非常重要的意义。在2015年12月的巴黎气候大会中，190多个国家和地区的政府都对这样的项目表示欢迎。目前，燃煤电厂是污染排放大国的主要电力来源，也是世界上最大的二氧化碳排放源。这些国家都不太愿意减少煤的使用量，就美国而言，煤炭燃烧的供电量占到了总量的40%左右。既然不想关闭燃煤电厂，控制二氧化碳的排放量，使它不进入大气就是履行承诺的唯一办法。

除了碳捕捉与封存技术（CCS），无论是某个国家，还是联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）都没有其他可靠计划来延缓全球变暖。即使扩大了核能和再生能源的使用量，仍然需要通过碳捕捉技术来控制从水泥和钢铁产业中释放的二氧化碳。仅在北美地区，就有6 000个以上的大型工业二氧化碳排放源，其中近千家是水泥窖或水泥厂，这些窖厂的二氧化碳年均排放量甚至超过100 000吨。其中还有5 000家是采用化石燃料的发电厂，它们的排放量更大。再加上中国、印度等国还有数以千计的化石燃料电厂，把这些工厂的排放量稍微汇总，就会发现它们释放了地球上70%左右的二氧化碳。因此，CCS是应对二氧化碳污染非常核心的办法。

问题是，碳捕捉设备成本高昂。从肯珀能源设施，以及与它存在竞争关系的其他设施的建设和运行中，我们意识到，虽然从技术上来看这种办法是可行的，但是建造和运行一所规模齐备的工厂耗资巨大。而且，接下来的问题是，一旦开始捕捉碳，我们又该如何处理这些被收集回来的碳？如果把它们灌输到地下深处的地层中存储起来，虽然可以封存上千年的时间，但这又会产生额外的花销。政府部门肯定不愿意为此买单。为了收回投资，电厂就不得不在目前的基础上大幅提高电价。

CCS项目昂贵的成本使许多国家的承诺土崩瓦解。美国西弗吉尼亚州有一个示范工程，叫做登山之家燃煤电厂（Mountaineer Plant），在运行时，这个工厂封储了超过100万吨的二氧化碳，但是由于资金不足，项目不得不终止。同样，美国能源部在花费了16.5亿美元后，于2015年宣布取消了对未来发电项目（FutureGen）的投资。这个标志性项目的取消意味着，伊利诺伊州将重回燃煤电厂的传统思路。如今，世界范围内仅有15个CCS项目在运行，包括肯珀电厂在内的7个项目还在建设中，要研究、设计和完成这些项目，需要花费数十亿美元的资金。

不过，肯珀电厂找到了一条独特的筹资途径。他们计划卖掉收集来的二氧化碳，为CCS的运行买单。在很多公司中，二氧化碳的使用非常常见，它们可以生产小苏打、塑料、燃料或者石膏墙板。其中，水泥行业是二氧化碳的最大消耗者之一。但是，即使年产量超过40亿吨的水泥厂，在消耗二氧化碳时也与无法与全世界发电厂排放的二氧化碳量相比。阿莉莎·朴（Ah-Hyung “Alissa” Park）是哥伦比亚大学的化学工程师，她说：“要处理的二氧化碳太多了，我们不能指望它们全部都能转化为有用的物质。”

事实上，只有一类客户对二氧化碳的需求量有这么大，这类公司的经济实力也完全能够负担相关支出——大型石油公司。他们把大量二氧化碳注入地下，驱使石油逐渐涌出井口，防止石油在开采过程中因动力不足而无法采集。但是，这样利用被捕捉的二氧化碳就会出现一个矛盾：收集二氧化碳是为了应对气候变暖，但是将这些收集来气体用于开采更多的化石燃料，是否有悖当初的愿望？

混乱如麻的现状

肯珀电厂是在2006年启动的，当时卡特里娜飓风引起的天然气价格飙升还未平息。新闻发言人李·扬布拉德（Lee Youngblood）说，如果按当时密西西比电力公司的发展态势，未来天然气发电的比例将会达到80%。为了降低天然气发电比例，就只能依靠其他能源，但核能发电成本太高，风能和太阳这样的可再生能源又是间断不持续的，只剩下本地的褐煤可利用。这种煤湿度很高，产生的污染也很严重，但是在附近地区有近7亿吨的储量，可供肯珀电厂使用50年之久。

传统的燃煤电厂通常不会使用褐煤，因为应对二氧化碳排放的问题已经够麻烦了，使用它还得处理空气污染的问题。平克斯顿和他的团队发现，在两个气化炉旁边修建电厂，就可以做到在美国联邦政府限定的排放标准内使用褐煤。他们还意识到，通过增加捕捉二氧化碳的设备，甚至还能完成原本计划的战略目标。恰好美国国会当时正在积极考虑立法限制温室气体污染，2009年，密西西比州允许密西西比电力公司建立肯珀电厂，造价限额为28.8亿美元。

作为密西西比电力公司的母公司，南方公司在上世纪90年代就研发出了气化炉，这是将褐煤转化为清洁燃料的研究成果之一。平克斯顿团队选了一种工业溶剂（聚乙二醇二甲醚）来处理褐煤，试图在高压高温下吸收褐煤产出的二氧化碳。随后，骤降的压力又可轻易地使二氧化碳从该溶剂中释放出来，就像拧开苏打水瓶盖一样。使用这种方式，就意味着在后续的处理工程中，可以减少用来处理污染的能源，从而降低成本。实际上，这个计划中的所有技术都是来自其他项目中使用多年的技术。正如肯珀电厂的副厂长布鲁斯·哈林顿（Bruce Harrington）所说：“这里面没有新技术，只是把原来的技术重新做了整合。”

把电厂和气化炉结合起来的项目比预想的要困难。由于某些零件的问题，原来用于烘干煤炭的设备需拆卸后重新组建。随着肯珀电厂的完工，迷宫般的管道也在不断增长，目前长度是276千米，超出了原计划122千米。在这套庞大而又复杂的设备间工作的工人们把一部分装置刷上了一层特制的蓝色颜料，它在过热或过冷时都会改变颜色，这是检视这个复杂系统内部是否正常运行的唯一办法。此外，电厂需引进一批具有石油化工专长的工程师，为了铺设长达3 700千米的电线，施工工人的数量也得翻倍。

这些错综复杂的因素使工程成本飞速上涨：到2015 年10月，肯珀电厂的花费已经从2009年24亿的预算增加到63亿，整整超出了39亿美元。设备组建的滞后导致开工日期也滞后了，从2014年5月推迟到了2016年4月；根据南方公司上报给美国证券交易委员会的数据显示，每推迟一个月，成本就会增加2 500万美元。公司也被迫交回因为税收减免而少上缴的数亿美元，因为这笔钱与项目完工时间挂钩。

筹建电厂的花费比公司其他所有资产加在一起还要多，为了规避破产风险，密西西比电力公司不得不把目标投向自己的客户，在2015年8月，公司将电费提高了18%。然而，最有力的解决办法，还是将纯净干燥的二氧化碳卖给石油行业。

石油行业是救赎者吗

早在几十年前，为了增加原油采收率，石油公司就开始采购来自其他公司的二氧化碳了，这些公司也会打钻，不过他们并不是寻找石油或天然气，而是获得地下的二氧化碳气藏。一般，石油公司会在油田上建一个小型工厂，将二氧化碳压缩后注入地下的储层中。二氧化碳的混入降低了原油的粘度，同时补偿了开采过程中油井压力的减少，驱使更多的原油涌出。注入地下的二氧化碳有三分之二会随着原油回到地面，这些二氧化碳则会与增补的二氧化碳一起，被原地回注。在每一轮的周期中，约有三分之一的二氧化碳会被封存在地下，留在砂岩储层微小的孔隙中。从某种程度上来说，这也能减少排入大气的温室气体，改善全球增温。

肯珀附近的廷斯利（Tinsley）油田发现于1939年，目前产油量已超过2.2亿桶。如此大规模的油田完全有能力从肯珀电厂购买二氧化碳，并且完成配套设施的建设，比如新建道路、货运和二氧化碳的运输管线。如果按计划运行，这项合作将为油田增加一亿桶的产量。在2008年3月时，邓伯瑞资源公司（Denbury Resources）就开始用从天然沉积物中收集的二氧化碳驱油。廷斯利油田每年除了回收利用0.19亿立方米的二氧化碳，还会另外购买0.02亿立方米的二氧化碳，他们计划使日产油量从原来的50桶增加到5 000桶以上。在全速运作的情况下，肯珀电厂计划通过一条96千米长的新建管线向廷斯利和附近其他油田输送二氧化碳，每年输送的总量在17亿立方米左右。

但这其中也隐藏着一个陷阱，当采出更多的石油后，它们会作为汽油或家用燃料被消耗掉，产出的二氧化碳又会进入大气。作为一项原本是了应对气候变化采取的措施，需要通过石油的增产才能消耗掉捕捉到的二氧化碳，本来已经很可笑，而增产的石油又会产生更多的二氧化碳。在油田工人间，这件事已经成了常常被提起的笑话。

在全美范围内，有近140个的日产量300 000桶左右的油田，如果石油价格反弹，这个产量可能还会增加。据美国能源部估算，全美（包括阿拉斯加）每天要消耗7 200万桶石油，释放出大量的二氧化碳。为了输送二氧化碳，这些企业在地下修建了长达8 000千米的管线，这些如同蜘蛛网一般的管线会把二氧化碳从密西西比的杰克逊杜姆（Jackson Dome）输至其他老油田，在地面上，也偶尔能看到控制这个网络的阀门或者操作泵。

碳封存并不经济

目前，将二氧化碳封存在地下的成本每吨为0.5美元。然而，用肯珀电厂的设备来处理这些二氧化碳，成本就可能上升到3倍多。

我们可以通过多种不同的实例来估算，比如，萨斯喀彻温的边界大坝电厂（Boundary Dam Power）就是一例，它是第一批实施碳捕捉与封存项目的电站之一。2014年10月，这家实施“清洁煤”计划的电厂开始向电网供电。萨斯喀彻温省电力公司（SaskPower）花费了10亿多美元的资金才重修其中一个燃煤锅炉（一共有3个），使设备拥有捕捉回收二氧化碳的功能。这个电厂每千瓦的发电成本在11 000美元左右，是常规锅炉的3倍多。密西西比电力公司对肯珀电厂的发电成本也做了近似的估计，每千瓦的发电成本在10 000美元左右。

按照同样的水平估算，美国能源部认为捕捉二氧化碳将使每度电的价格至少上涨0.04美元。相比原来每度0.12美元的电价，增长率达33%。如果不是法规对碳捕捉的要求以及电厂想要规避碳排放税，很难在经济方面找到动力来发展碳捕捉技术。印度提交给巴黎气候大会的文件显示，他们计划修建更多的燃煤电厂，很难想象这些新建的电厂会包含成本高昂的CCS设备。

即使碳捕捉技术的费用在降低，封存的成本仍然很高。在美国，大部分电厂的所在地没有适宜的地质构造，超过600个燃煤电厂都面临类似的问题，他们无法将二氧化碳注入地下永久封存。虽然美国本土有超过1 600处油田需要二氧化碳供给，但是这些电厂却不在附近，要想运输就得建立成本高昂的长途运输管线和压缩站。即使如此，科学研究也无法清楚说明，在石油开采过程中使用二氧化碳，会在多大程度上使全球气候从中受益。帝国理工学院的化学工程师卡米尔·珀蒂（Camille Petit）说：“我们不知道到底有多少二氧化碳真正被封存在地下了。”

前路依然难料

从肯珀电厂的案例来看，推行碳捕捉技术可能导致电厂变成像核电厂一样，规模庞大，而且造价昂贵。这会造成很多项目夭折，就像“未来发”电项目那样。据全球碳捕获与封存研究所的记录，从2010年开始，世界范围内已经有33个碳捕捉与封存项目宣布取消。这些项目大多在宣布结束以前就已经耗资过亿。目前这种现象还在蔓延，巅峰电力公司（Summit Power）在得克萨斯的清洁能源项目只能艰难维系，边界大坝公司的碳捕捉项目也很难达到之前定下的目标。

然而，为了应对气候变化，碳捕捉与封存项目还是迫在眉睫。NRG Carbon 360公司在得克萨斯州还有一个项目正在施工，这个叫做“佩特拉新星”的项目希望通过销售电力和二氧化碳获利，他们计划每年向休斯顿附近的西牧场油田（West Ranch Oil Field）输送1 600万吨二氧化碳。项目最早将于2016年底上线，目前只计划捕捉电厂二氧化碳总量的10%，可是，即便如此，这个项目也已经消耗了近10亿美元的资金。

阿尔·阿门达里兹（Al Armendariz）不仅是塞拉俱乐部（Sierra Club）中非常活跃的会员，也是美国环境保护局前官员。他说：“处理燃煤电厂排出的气体是一个不错的方向，但是，与得克萨斯州成本低廉的风能、与太阳能等可再生能源相比，‘佩特拉新星’项目的花费过于高昂，很多人都在质疑，这样的项目是不是减少碳排放的最佳方式。”

现在，矛盾就摆在眼前：美国要么逐步关闭大量的燃煤电厂，甚至天然气电厂，要么继续推进碳捕捉与封存的项目，找到降低成本的办法。否则，在2050年来临时，美国不可能实现将温室气体排放量降低80%的长远目标。

肯珀电厂没有给大家带来更光明的希望，碳捕捉项目不大可能成为一个经济又简便的解决办法。在电厂如巨兽般的气化炉边，两个黑色的煤堆一直被密西西比的阳光烘烤着，体积也越来越大。自由贝拉（Liberty Belle）是一架价值900万英磅的全电动露天采煤机器，从英国进口回来后就一直闲置着。同时闲置的还有运煤的卡特彼勒789D（Caterpillar 789D），这座大型矿用车在工作时每小时可消耗100升柴油。在短时间内，应该不会有人考虑通过这套设备捕捉尾气中排放出的二氧化碳了。

如肯珀电厂按设计运行，它能捕捉排放气体中65%的二氧化碳。这算不上清洁煤，只是符合21世纪的标准，比以前的燃煤干净罢了。而且，这个先进的电厂也会释放甲醛、甲苯和一系列重金属，导致酸雨的二氧化硫、组成烟雾的氮氧化物以及烟灰。除了二氧化碳，这个工厂还将释放出91 000吨其他类型的温室气体。煤炭燃烧后的灰烬也有毒，也需要做进一步处理。肯珀电厂每发出一兆瓦的电量，就会产生至少700斤的二氧化碳，尽管这个量比常规燃煤电厂至少小一半，但却与天然气发电厂没有区别。

现在全世界又站在应对另一个垃圾问题的起跑线上，在这一长串的问题中，我们的前辈们已经在为垃圾填埋或污水处理买单了，为了尽量不把大气层也当作垃圾场，我还是需要付出代价。肯珀电厂的出现，代表这个行业在清洁燃煤方面做出的巨大努力，尽管它还不完美，但正如美国能源部主管化石能源的副助理部长胡里奥·弗里德曼（Julio Friedmann）所说：“我们会取得更大更快的进步。”

从严格的经济学角度来说，碳捕捉与封存项目比常规燃煤成本要高，如果不考虑减缓环境污染的问题，这类项目的关键技术很难得到发展。

此前，为了盈利，肯珀电厂已经在没有气化炉的情况下运行了一年多。埋在地下的管线把天然气从气田中输往涡轮机，燃烧后释放的二氧化碳也没有被收集。从烟囱中排除的气体无形中使大气层变得更厚，像毯子一般的温室气体捂住了地球，它给密西西比，甚至是全世界都增加了不必要的热量。