编者按：鉴于奥巴马政府重新关注如何在不向大气中排放大量温室气体的情况下使用最丰富（也是最脏的）化石燃料煤炭，我们发布了 2006 年 9 月刊的这篇文章。
处理气候变化问题在很大程度上意味着要解决燃煤发电厂排放物造成的问题，这比大多数人意识到的要多。除非人类迅速采取行动，严格限制在消耗煤炭发电时向大气中排放的二氧化碳（CO2）量，否则我们几乎没有机会控制全球变暖。
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煤炭是为工业革命提供动力的燃料，它是一种特别令人担忧的能源，部分原因是燃烧煤炭每单位发电量产生的二氧化碳量远高于燃烧石油或天然气。此外，煤炭价格低廉，并且在石油和天然气变得非常稀缺之后，煤炭的储量仍然充足。由于煤炭储量充足且价格低廉，其在美国和其他地区的使用正在蓬勃发展，并且预计在煤炭资源丰富的地区将继续增长。事实上，预计美国电力供应商将在 2003 年至 2030 年间建造相当于近 280 座 500 兆瓦的燃煤发电厂。与此同时，中国每周已经建造相当于一座大型燃煤发电站。在它们大约 60 年的生命周期内，到 2030 年投入运营的新发电设施可能会向大气中排放与自工业革命开始以来燃烧的所有煤炭排放的二氧化碳量大致相同的二氧化碳。
煤炭预计的受欢迎程度不仅让那些关心气候变化的人感到不安，也让那些担心环境的其他方面以及人类健康和安全的人感到不安。煤炭的市场价格可能较低，但其开采、加工和消费的真实成本很高。煤炭的使用会导致一系列有害后果，包括山脉被削顶、酸性和有毒排放物造成的空气污染以及被煤炭废物污染的水源。开采还会危及矿工的生命，甚至导致死亡。这些影响加在一起，使得煤炭生产和转化为有用能源成为地球上最具破坏性的活动之一。
为了配合《大众科学》本期关注气候问题的重点，我们将在下面集中讨论可以帮助防止煤炭转化过程中产生的二氧化碳进入大气的方法。毋庸置疑，煤炭生产和使用的环境、安全和健康影响也必须减少。幸运的是，解决二氧化碳排放和这些其他问题的经济适用技术已经存在，尽管迅速实施这些技术的意愿仍然明显滞后。
地质储存策略 电力供应商可以采用的技术，以防止他们产生的大部分二氧化碳进入空气，这些技术统称为二氧化碳捕获和储存 (CCS) 或地质碳封存。这些程序包括分离出煤炭转化为有用能源时产生的大部分二氧化碳，并将其输送到可以深埋在地下的多孔介质中的场所——主要是在枯竭的油田或气田或盐水层（充满盐水的渗透性地质层）中[参见罗伯特·H·索科洛的文章《我们可以埋葬全球变暖吗？》；《大众科学》，2005 年 7 月]。
煤炭转化厂所需的 CCS 所有技术组件都已商业化——已在与减缓气候变化无关的应用中得到验证，尽管尚未以必要的规模构建集成系统。捕获技术已在世界各地广泛部署，用于化学品（如化肥）的制造和受二氧化碳和硫化氢污染的天然气供应的净化（“酸气”）。工业界在净化天然气（主要在加拿大）的业务以及注入二氧化碳以提高石油产量（主要在美国）的业务中积累了丰富的二氧化碳储存经验。提高石油采收率过程占进入地下储层的二氧化碳的大部分。目前，每年注入约 3500 万吨用于从成熟油田中诱出更多石油，约占美国原油产量的 4%。
如果大气中的二氧化碳浓度要保持在可接受的水平，则在消耗煤炭的工厂实施 CCS 是势在必行的。1992 年的《联合国气候变化框架公约》呼吁将大气中二氧化碳浓度稳定在“安全”水平，但并未明确规定最大值应是多少。许多科学家目前的观点是，大气中二氧化碳水平必须保持在百万分之 450 (ppmv) 以下，以避免不可接受的气候变化。要实现这一积极目标，电力行业必须在未来几年内启动商业规模的 CCS 项目，并在之后迅速扩大规模。仅靠 CCS 无法实现这一稳定基准，但如果将其与其他环保措施相结合，例如大幅提高能源效率和广泛使用可再生能源，则可以合理地实现这一目标。
政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 在 2005 年估计，全球地质介质很可能能够封存至少 2 万亿吨二氧化碳，这比 21 世纪化石燃料消耗工厂可能产生的二氧化碳量还要多。然而，在允许潜在的封存场所运行之前，社会需要确保对其保留二氧化碳的能力进行仔细评估。需要关注两类风险：突然逃逸和逐渐泄漏。
大量二氧化碳的快速流出会对附近的人造成致命的危险。据 IPCC 称，在精心挑选的深层多孔地质构造中进行的工程二氧化碳储存项目发生危险的突然释放（如 1986 年发生在喀麦隆尼奥斯湖的事件，当时火山来源的二氧化碳使附近 1700 名村民和数千头牛窒息而死）的可能性不大。
二氧化碳逐渐渗入空气也是一个问题，因为随着时间的推移，它可能会破坏 CCS 的目标。2005 年 IPCC 报告估计，在适当选择和管理的地质储层中保留的比例很可能在 100 年内超过 99%，并且很可能在 1000 年内超过 99%。仍然需要证明的是，在实践中，运营商是否可以常规地将二氧化碳泄漏保持在避免不可接受的环境和公共健康风险的水平。
技术选择
设计研究表明，现有的发电技术可以捕获煤炭中 85% 到 95% 的碳作为二氧化碳，其余部分释放到大气中。
能够以最低成本满足减缓气候变化目标要求的煤炭转化技术将成为主导。对于使用传统粉煤蒸汽循环和较新的整体煤气化联合循环 (IGCC) 的发电厂，将采用根本不同的 CCS 方法。尽管当今的燃煤 IGCC 发电（带二氧化碳排放）比燃煤蒸汽发电略贵，但看起来 IGCC 是 CCS 最有效且最便宜的选择。
标准发电厂在常压下的锅炉中燃烧煤炭。煤炭燃烧产生的热量将水转化为蒸汽，蒸汽驱动汽轮机，汽轮机的机械能由发电机转换为电能。在现代工厂中，燃烧产生的气体（烟气）然后通过去除颗粒物和硫和氮氧化物的装置，然后通过烟囱排放到空气中。
在去除传统污染物后，可以从此类蒸汽发电厂的烟气中提取二氧化碳。由于烟气中含有大量的氮（在空气中燃烧煤炭的结果，空气中约 80% 是氮），因此回收的二氧化碳浓度和压力会较低，这意味着必须使用能源密集且昂贵的工艺从大量气体中去除二氧化碳。然后，将捕获的二氧化碳压缩并通过管道输送到合适的储存地点。
在 IGCC 系统中，煤炭不是燃烧，而是在气化炉中高压下部分氧化（与来自空气分离厂的少量氧气和蒸汽反应）。气化的产物是所谓的合成气，或合成气，它主要由一氧化碳和氢气组成，没有被氮气稀释。在目前的实践中，IGCC 操作会去除合成气中的大部分传统污染物，然后将其燃烧，以驱动燃气和蒸汽轮机发电机，这被称为联合循环。
在旨在捕获二氧化碳的 IGCC 工厂中，从气化炉出来的合成气在冷却和清洁颗粒后，将与蒸汽反应，生成主要由二氧化碳和氢气组成的气体混合物。然后将二氧化碳提取、干燥、压缩并输送到储存地点。剩余的富氢气体将在联合循环发电厂中燃烧以产生电力。
分析表明，与在捕获和储存二氧化碳的传统燃煤电厂中可能实现的相比，在消耗优质烟煤的 IGCC 电厂中捕获二氧化碳将需要更少的能源和成本，并且总发电成本更低。气化系统从高浓度和高压的气流中回收二氧化碳，这一特性使其比在传统的蒸汽设施中更容易实现。（对于低品级次烟煤和褐煤，其获益程度不太清楚，这些煤的研究较少。）与传统电厂的烟气净化系统相比，包括汞在内的传统污染物在燃烧前去除，使得以低得多的成本和更小的能源损失实现非常低的排放水平成为可能。
捕获的二氧化碳可以通过管道输送数百公里到合适的地质储存地点，然后利用捕获过程中产生的压力进行地下储存。但是，更远的距离可能需要重新压缩，以补偿管道输送过程中的摩擦损失。
总的来说，为燃煤发电设施寻求 CCS 需要消耗更多的煤炭来产生一千瓦时的电力，而不是排放二氧化碳时的情况——燃煤蒸汽发电厂的情况约为额外 30%，而 IGCC 电厂的情况则不到额外 20%。但是，煤炭的整体使用量不一定会增加，因为添加 CCS 设备导致煤基电力的价格上涨会抑制对煤基电力的需求，使得可再生能源和节能产品对消费者更具吸引力。
碳捕获与封存（CCS）的成本将取决于发电厂的类型、到储存地点的距离、储存库的特性以及销售捕获的二氧化碳的机会（例如提高石油采收率）。最近一项由我们其中一位（Williams）合著的研究估计了在典型生产、运输和储存条件下，煤炭整体气化联合循环（IGCC）电厂两种替代 CCS 方案的增量发电成本。对于在距离发电厂 100 公里的盐水地层中进行二氧化碳封存，该研究计算得出，CCS 的增量成本为每千瓦时 1.9 美分（超出排放二氧化碳的煤炭 IGCC 电厂的每千瓦时 4.7 美分的发电成本——溢价 40%）。对于在距离转换厂 100 公里的地方结合提高石油采收率进行的 CCS，分析发现，只要油价至少为每桶 35 美元，就不会出现净发电成本的增加，这远低于当前的价格。
现在还是以后进行 CCS？工业界的许多电力生产商都认识到，如果他们要继续使用煤炭，环境问题将在某个时候迫使他们实施 CCS。但是，大多数公司并没有建造实际捕获和储存二氧化碳的电厂，而是计划建造传统的蒸汽设施，他们声称这些设施将“可进行二氧化碳捕获”——在强制要求 CCS 时可进行转换。
电力供应商经常通过指出美国和大多数其他以煤炭为能源经济主导的国家尚未制定应对气候变化的政策来为这些决定辩护，这些政策将使 CCS 在非提高石油采收率的用途中具有成本效益。如果没有来自油田运营商的销售收入，那么仅当排放二氧化碳的成本至少为每公吨 25 至 30 美元时，将 CCS 应用于使用当前技术的新煤电厂才是成本最低的途径。美国目前许多应对气候变化的政策提案都设想对电力供应商排放二氧化碳的成本罚款要低得多（或者类似地，为减少二氧化碳排放量支付报酬）。
然而，在全经济范围内的二氧化碳控制成本高于 CCS 成本之前，推迟煤电厂的 CCS 是目光短浅的。由于以下几个原因，如果现在就开始部署配备 CCS 设备的电厂，煤炭和电力行业以及社会最终都会受益。
首先，降低 CCS 成本的最快方法是通过“在实践中学习”——积累建造和运行此类电厂的经验。对新技术的了解积累得越快，诀窍就会增长得越快，成本就会下降得越快。
其次，尽快安装 CCS 设备从长远来看应该能省钱。目前正在建设中的大多数发电站将在几十年后仍然运行，届时 CCS 工作可能会成为强制性的。对发电设施进行 CCS 改造的成本本质上高于在新电厂中部署 CCS。此外，在没有二氧化碳排放限制的情况下，熟悉的传统煤蒸汽发电技术将倾向于在大多数新电厂建设中取代新型气化技术，后者的 CCS 成本效益更高。
最后，快速实施将允许在短期内继续使用化石燃料（直到更多环境友好型能源普及），而不会将大气中的二氧化碳含量推高到可容忍的水平以上。我们的研究表明，如果煤炭能源完全脱碳，并且实施左侧框中描述的其他措施，那么在未来半个世纪内将大气中的二氧化碳水平稳定在 450 ppmv 是可行的。这项工作将需要在 2020 年之前使 36 吉瓦的新煤炭发电能力脱碳（相当于在 2011 年开始的十年中，在全球预期新建的煤炭产能的 7%，如果按惯常情况）。在 2020 年之后的 35 年里，二氧化碳捕获量需要以平均每年约 12% 的速度增长。与典型的能源市场增长率相比，这种持续的速度很高，但并非前所未有。它远低于核发电能力在其鼎盛时期（1956 年至 1980 年）的扩张速度——在此期间，全球产能平均每年增长 40%。此外，自 20 世纪 90 年代初以来，全球风能和太阳能光伏发电能力的扩张速度一直徘徊在每年 30% 左右。在这三种情况下，如果没有公共政策措施的支持，这种增长是不切实际的。
我们的计算表明，CCS 部署的成本也是可以控制的。使用保守的假设——例如技术不会随着时间的推移而改进——我们估计，在未来 200 年内捕获和储存煤电厂产生的所有二氧化碳的现值将为 1.8 万亿美元（以 2002 年美元计算）。这似乎是一个高昂的价格标签，但它仅相当于同一时间间隔内全球产品总值当前价值的 0.07%。因此，煤炭快速脱碳的道路在物理上和经济上都是可行的，尽管需要进行详细的区域分析以证实这一结论。
需要政策推动
这些尽快开始协调一致的 CCS 工作的充分理由可能不会促使该行业采取行动，除非它也受到新的公共政策的推动。这些举措将是控制所有来源的二氧化碳排放的更广泛努力的一部分。
在美国，必须尽快制定一项限制二氧化碳排放的国家计划，以引入必要的政府法规和市场激励措施，从而迅速且大规模地将投资转向污染最少的能源技术。美国商业和政策界的领导人越来越一致认为，对全球变暖排放进行量化和可执行的限制是势在必行的。为了确保电力公司以具有成本效益的方式实施减排，应创建一个二氧化碳排放信用交易市场——类似于导致酸雨的硫排放信用交易市场。在此计划中，打算超出指定排放限额的组织可以从能够低于这些值的其他组织购买信用额度。
提高能源效率和增加可再生能源生产对于以尽可能低的成本实现二氧化碳排放限制至关重要。碳总量管制与交易计划产生的排放配额的一部分应分配给一项基金，以帮助克服阻碍广泛部署其他具有成本效益的二氧化碳减排技术的制度障碍和技术风险。
即使在未来几年内制定了二氧化碳总量管制与交易计划，二氧化碳减排的经济价值最初可能不足以说服电力供应商投资于带有 CCS 的电力系统。为避免建设另一代传统煤电厂，联邦政府必须制定鼓励 CCS 的激励措施。
一种方法是坚持要求总煤炭发电量中越来越大的份额来自符合低二氧化碳排放标准的设施——或许每千瓦时最多 30 克碳（使用当今的煤炭 CCS 技术可以实现的目标）。可以通过要求使用煤炭的电力生产商在其供应组合中包括越来越大比例的脱碳煤电来实现这一目标。每个受管制的电力生产商可以生产所需数量的脱碳煤电，或购买脱碳发电信用额度。该系统将在所有美国煤电生产商和消费者之间分摊煤电 CCS 的增量成本。
如果目前正在规划中的大量传统燃煤电厂按计划建成，那么大气中的二氧化碳含量几乎肯定会超过 450 ppmv。然而，通过结合提高能源使用效率、更多地依赖可再生能源以及对所进行的新煤炭投资安装二氧化碳捕获和地质储存技术，我们可以在满足全球能源需求的同时，将二氧化碳稳定在 450 ppmv。尽管没有所谓的“清洁煤炭”，但必须采取更多措施来减少与煤炭生产和使用相关的危险和环境退化。一个包含二氧化碳捕获和储存的综合低碳能源战略可以使未来几十年大量使用煤炭，同时又能防止地球气候发生灾难性的变化。