与所有大型燃煤发电厂一样，位于德国施普伦贝格的 1600 兆瓦容量的 Schwarze Pumpe 发电厂无疑是肮脏的。然而，该设施的一个小小的附加装置——一个为当地工业客户输送 30 兆瓦蒸汽的小型锅炉——代表着从燃烧化石燃料对全球气候变化造成的后果中获得拯救的希望。
为了加热该锅炉，潮湿、易碎的褐煤（比更坚硬的黑煤——无烟煤污染更严重）在纯氧存在下燃烧，释放出水蒸气和更臭名昭著的温室气体二氧化碳 (CO2) 作为废物。通过在一个简单的管道中冷凝水，拥有该发电厂的瑞典公用事业公司 Vattenfall 捕获并隔离了近 95% 的 CO2，纯度高达 99.7%。
然后，CO2 被压缩成液体并交给另一家公司 Linde 出售；潜在用户包括碳酸饮料制造商（如可口可乐）以及使用二氧化碳从衰竭矿藏中冲出更多石油的石油公司。然而，原则上，CO2 也可以被泵入地下深处，并安全地锁定在特定的岩层中数千年。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
从国际能源署到联合国批准的政府间气候变化专门委员会 (IPCC)，碳捕获和储存 (CCS)，特别是对于燃煤发电厂，已被确定为对于大幅、快速减少温室气体排放至关重要的技术。毕竟，煤炭燃烧占人类活动每年排放的 300 亿吨二氧化碳的 40%。位于弗吉尼亚州阿灵顿的智库皮尤全球气候变化中心区域气候变化政策协调员史蒂夫·考德威尔说：“美国和其他国家有可能继续依赖煤炭作为能源，同时保护气候免受与煤炭相关的巨大温室气体排放的影响。”
甚至巴拉克·奥巴马总统也称这项技术对于“能源独立”非常重要，并在经济刺激计划中纳入了 34 亿美元用于“清洁煤”发电厂。但是，尽管世界各地有多个项目在研究或测试 CCS 的各个方面，但很少有项目与全尺寸发电厂相连：一个平均每天产生 500 兆瓦及以上电力和 10,000 吨二氧化碳的发电厂——这是排放问题的核心。
Vattenfall 的 CCS 发言人斯塔凡·格尔茨 (Staffan Görtz) 在谈到 Schwarze Pumpe 价值 1 亿美元的 CCS 示范锅炉时说：“满负荷运行时，它每小时产生 9 吨二氧化碳。”但他承认，“我们还没有储存地点。”
埋藏在海底
储存可能是 CCS 挑战中最简单的部分。毕竟，自 1996 年以来，挪威石油公司 StatoilHydro 一直在从北海 Sleipner 油田的天然气中去除二氧化碳，并且没有将其排放到大气中，而是将其泵回地下 1000 米深的油田进行永久储存。
Statoil 的 CCS 顾问奥拉夫·卡尔斯塔德 (Olav Kaarstad) 解释说，二氧化碳储存的基础知识很简单：储存天然气数百万年的同一 Utsira 砂岩地层可以用来捕获二氧化碳。250 米厚的砂岩带——多孔、易碎的岩石，可将气体捕获在其颗粒之间的微小空间中——顶部覆盖着相对不可渗透的 200 米厚的页岩和泥岩层（想想硬化的粘土）。卡尔斯塔德说：“我们实际上并不太担心密封的完整性以及二氧化碳是否会在地下停留数百年。”
他指出，已将超过 1200 万吨二氧化碳注入该地层。斯坦福大学全球气候与能源项目主任、水文学家萨莉·本森 (Sally Benson) 表示，Statoil 通过定期地震测试来监测其储存情况，这个过程很像对地球进行声纳扫描。监测表明，从 1996 年到今年 3 月，液态二氧化碳已扩散成薄层，渗透到多孔砂岩的三平方公里范围内——仅占可用储存面积的 0.0001%。
德克萨斯大学奥斯汀分校的地质学家苏珊·D·霍沃卡 (Susan D. Hovorka) 解释说：“我们不是进入盐穴；我们不是进入地下河。我们正在进入微小的孔洞”，她曾在美国的试点项目上工作。“加起来，这是一个很大的体积”的存储空间。
事实上，能源部 2008 年的一份地图集估计，仅美国就拥有 39110 亿吨二氧化碳的可用存储空间，形式为可渗透砂岩的地质储层或深层盐水含水层。这些储层对于该国约 4600 个大型工业来源每年排放的 32 亿吨二氧化碳来说绰绰有余。大部分储存地点靠近美国大部分煤炭燃烧的地方：中西部、东南部和西部。本森说：“至少有 100 年的二氧化碳封存能力，甚至可能更多。”
储存似乎也是长期的；封存的气体不仅仅是停留在岩石中等待逃逸的机会。霍沃卡指出，几十年后，它会溶解到与孔隙空间共享的盐水中，或者在更长的时间跨度内，与周围的岩石形成碳酸盐矿物。事实上，当她尝试使用天然气开采技术将二氧化碳从她的试验场泵出时，尝试完全失败了。
IPCC 在 2005 年发布的一份关于 CCS 的特别报告中指出，一个经过适当选择的场地应安全地储存至少 99% 的封存二氧化碳超过 1000 年。太平洋西北国家实验室高级研究科学家兼 IPCC 主要作者詹姆斯·杜利 (James Dooley) 认为这是一个可以实现的目标。“如果将（二氧化碳）推入砂岩需要那么多能量，那么将其取出就需要大量能量，”他指出。“就像油田一样，我们只能开采出原始石油的一半或更少，大量的二氧化碳被困在里面。它被固定在岩石中。”
受到 Sleipner 项目成功的鼓舞，Statoil 最近在巴伦支海的 Snøhvit 天然气田启动了另一个二氧化碳注入计划，尽管需要建造一条 150 公里的海底管道，将二氧化碳泵送到可以封存的地方。
自 2004 年以来，石油巨头 BP 及其在阿尔及利亚 In Salah 天然气田的合作伙伴（包括 Statoil）一直在从那里每年生产的 90 亿立方米天然气中去除其中包含的 10% 的二氧化碳，并通过另外三口井将 100 万吨液态二氧化碳泵回下方的盐水含水层。
BP 使用多种技术，其中包括卫星监测，来观察二氧化碳储存（和天然气去除）对陆地的影响。BP 替代能源部门 CCS 技术与工程经理加德纳·希尔 (Gardiner Hill) 表示，虽然在天然气开采过程中，某些区域下沉了约 6 毫米，但在二氧化碳注入井附近，陆地上升了约 10 毫米。美国国家能源技术实验室也在致力于开发适当的监测、验证和核算技术。
当然，BP 和 Statoil 进行这些 CCS 项目并非出于慈善目的。挪威政府对每吨碳征收约 50 美元的税，这激发了 Sleipner 和 Snøhvit 的二氧化碳封存。“这只花费税收的一小部分，”卡尔斯塔德说。“我们实际上正在从中赚钱。”
Statoil 和 BP 都预见到有利可图的二氧化碳储存机会将大量涌现。希尔指出，如果 CCS 以非常大的规模部署，社会将需要石油行业的专业知识——其“100 年的地下理解”，他说。“我们希望通过此积累的经验能够使 BP 能够利用任何未来的业务。”
今日盈利
通过提高石油采收率 (EOR)，将二氧化碳泵入地下已经为一些人赚钱。35 年来，Denbury Resources 和 Kinder Morgan 等石油服务公司已将二氧化碳从科罗拉多州自然形成的储层输送到西德克萨斯州二叠纪盆地日益衰竭的油田。
美国至少有 100 个这样的项目和 6000 公里的二氧化碳管道。Kinder Morgan 的二氧化碳总裁 R. Tim Bradley 表示，自 1970 年代以来，他们总共注入了约 3000 亿立方米的气体，使油田产量每天提高约 650,000 桶——超过美国每日总产量的 10%。
关于 CCS 最重要的是，自 2000 年以来，北达科他州大平原合成燃料厂每年向萨斯喀彻温省韦伯恩油田泵送多达 200 万吨二氧化碳。二氧化碳基本上是从油田中洗刷出更多的碳氢化合物。总部位于波士顿的环保组织清洁空气任务部队的碳储存开发协调员库尔特·沃尔泽 (Kurt Waltzer) 观察到，“达科他州气化项目正在生产合成气，并从该过程中获取二氧化碳”，然后通过管道输送到韦伯恩油田。“实际上，您已经展示了进行 CCS 项目的所有组成部分。”
使用二氧化碳泵出更多的化石燃料——并在此过程中永久储存气体——听起来可能与限制气候变化适得其反，因为这些燃料在燃烧时会将更多的二氧化碳排放到大气中。但 Denbury 的储层工程高级副总裁罗纳德·埃文斯 (Ronald Evans) 计算，这确实至少减少了 24% 的总排放量：每回收一桶石油最终会将 0.42 吨二氧化碳排放到大气中，但在回收过程中会注入地下 0.52 至 0.64 吨。事实上，布拉德利估计，如果做得正确，美国提高石油采收率可以将二氧化碳排放量减少 4%。
与碳封存相关的最大恐惧通常是，被捕获的二氧化碳可能会突然逸出到地表，造成致命后果，就像 1986 年喀麦隆尼奥斯湖发生的事件一样。那个火山湖在其寒冷的深处自然积累了 200 万吨二氧化碳；一天晚上，它自发地喷发出来，取代了含氧空气，并使 1000 多名附近的村民窒息而死。
然而，在 EOR 商业二氧化碳注入的几十年中，从未发生过危险的泄漏。泄漏和破裂的注入井中的二氧化碳总是扩散得太快，以至于不会构成威胁。
例如，1936 年，犹他州的勘探者在钻探天然气时意外地制造了一个二氧化碳间歇泉。斯坦福大学的本森说，它仍然每天喷发几次，因为压力不断增加，但“它是如此无害，以至于它是一个旅游景点，而不是风险”。事实上，根据劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的建模，空气中二氧化碳的浓度必须累积到 10% 以上才具有危险性，这很难实现。
劳伦斯·利弗莫尔碳管理项目负责人胡里奥·弗里德曼 (Julio Friedmann) 解释说，原因是火山湖喷出的二氧化碳创造的条件与从井口逸出或渗入地下室的气体条件截然不同。在尼奥斯湖，二氧化碳的突然释放导致危险浓度积聚在低洼的周围地区。从井口或裂缝逸出的加压气体只是迅速与大气混合，不会造成危险，就像使用灭火器不会造成危险一样。在空气混合最小的情况下，例如缓慢泄漏到地下室，可以通过简单地安装传感器和风扇来消除问题，就像今天在意大利和匈牙利天然二氧化碳渗漏附近的公寓楼中一样。
在日本的一个示范项目中，即使是 6.8 级地震也没有将注入的二氧化碳从深层盐水含水层中震松；井口甚至没有泄漏。弗里德曼说，大地震可能会导致泄漏，但在许多情况下，它们不会。
然而，环保基金 (EDF) 气候与空气项目纽约市业务合作关系总经理马克·布朗斯坦 (Mark Brownstein) 警告说，“第一个做得不好的 CCS 项目将是最后一个 CCS 项目”。“在这方面，它与核电非常相似。”
因此，储存可能有效，但是否可以捕获发电厂的二氧化碳？毕竟，正如 Statoil 的卡尔斯塔德所说，“就捕获二氧化碳而言，发电厂的难度要高出一个数量级。”
捕获 CO2
如今，三种类型的技术可以在发电厂捕获二氧化碳。其中一种是 Schwarze Pumpe 发电厂采用的富氧燃料工艺：在纯氧中燃烧煤炭，产生富含二氧化碳的排放流。第二种是使用各种形式的化学物质——以胺或氨洗涤器、特殊膜或离子液体的形式——从更混合的废气集中去除二氧化碳。第三种是气化，其中液体或固体燃料首先转化为合成天然气；可以从气体转化过程中虹吸二氧化碳。
所有这些技术的主要问题是成本。简而言之，捕获二氧化碳需要花钱——和能源——从 In Salah 等天然气项目的每吨 5 美元到某些气化技术的每吨 90 多美元不等。
能源部在 2007 年 5 月估计，一座新的燃用粉煤并配备胺洗涤器以捕获 90% 二氧化碳的发电厂，其发电成本将超过每兆瓦时 114 美元（相比之下，不捕获二氧化碳时仅为每兆瓦时 63 美元）。类似的整体煤气化联合循环 (IGCC) 电厂——其中煤炭在燃烧前转化为气体——捕获相同量的二氧化碳，其发电成本约为每兆瓦时 103 美元。对于消费者而言，碳捕获的额外成本将约为每千瓦时 0.04 美元。
能源部方面希望降低价格。洛斯阿拉莫斯国家实验室二氧化碳封存项目负责人拉杰什·帕瓦尔 (Rajesh Pawar) 说：“就总成本而言，他们希望争取每吨二氧化碳 10 美元。”“我们目前更接近每吨 50 美元的价格范围。”
然而，即使是目前的高成本也没有阻止公用事业公司和政府建造一些碳捕获工厂并计划建造更多工厂。马里兰州的 180 兆瓦勇士跑 (Warrior Run) 发电厂已经捕获了 96% 的二氧化碳排放量，用于在灭火器中销售。田纳西州的金斯波特 (Kingsport) 发电厂自 1984 年以来一直在捕获二氧化碳，用于销售给碳酸饮料制造商。在国外，Vattenfall 将扩大 Schwarze Pumpe 的运营，并在 2015 年之前将德国扬什瓦尔德 (Janschwalde) 和丹麦北日德兰 (Nordjylland) 等发电厂的几个商用锅炉改造为 CCS，Vattenfall 的格尔茨表示。澳大利亚和中国都在建造将使用 IGCC 技术的零排放燃煤发电厂，分别称为 ZeroGen 和 GreenGen。
奥巴马政府甚至可能会重启 FutureGen 项目——一座 275 兆瓦的 IGCC 发电厂，该发电厂将捕获 90% 的排放量；布什政府曾因成本飙升（可能被误算）而取消了该项目。能源部已为配备 CCS 的燃煤发电厂提供了至少 80 亿美元的贷款担保。
杜克能源公司 (Duke Energy) 花费 23.5 亿美元在印第安纳州爱德华兹波特 (Edwardsport) 建造一座 630 兆瓦的 IGCC 发电厂，该发电厂可能会成为该国第一个商业 CCS 项目——尽管按照设计（并正在等待批准），它在 2013 年将仅捕获约 18% 的二氧化碳。“我们的目标是使之成为在运行中的发电厂首次进行的 CCS 示范之一，”杜克发言人安吉琳·普罗托热 (Angeline Protogere) 说。“煤炭为全国约一半的电力提供动力，我们必须找到清洁燃烧它的方法。”
当然，这样的示范工厂不会解决一些其他诋毁煤炭使用的问题，例如为了获取煤层而进行的削山顶采矿或之后留下的有毒煤灰。而且，为了使燃煤发电厂对气候友好，需要捕获所有（或几乎所有）温室气体。但 IGCC 能够去除 90% 或更多的二氧化碳。普罗托热说：“我们的要求是考虑 18% 的捕获和封存。”“这并不排除以后再要求更高水平的可能性。”
杜克并非孤身一人。美国电力公司 (American Electric Power) 将于今年晚些时候开始捕获西弗吉尼亚州 1300 兆瓦 Mountaineer 发电厂排放的 850 万吨二氧化碳中最多略高于 3% 的二氧化碳，并将二氧化碳注入地下 3 公里以上。Erora Group 计划在肯塔基州亨德森县建造一座 630 兆瓦的 IGCC 电厂，名为 Cash Creek，配备 CCS。Summit Power 提议在西德克萨斯州建造一座 170 兆瓦的 IGCC 电厂，该电厂将捕获 80% 的二氧化碳排放量。BP 和南方公司也有项目。
但是，之前的工厂，例如 NRG 在纽约州和特拉华州提议的两座工厂，已经半途而废。摩根大通环境市场主管卡罗琳·安戈利 (Caroline Angoorly) 指出，这些工厂因技术成本高昂以及缺乏联邦政策——碳排放交易计划、碳税或一些其他机制有效地设定二氧化碳污染的价格——使其在经济上可行而被扼杀。安戈利之前在 NPG 工作期间领导了这些项目的开发。
然而，总部位于俄克拉荷马州的 Tenaska 正在计划建造两座工厂。伊利诺伊州泰勒维尔 (Taylorville) 一座价值 35 亿美元的工厂将首先气化当地的高硫煤，然后捕获至少 50% 的二氧化碳。计划在德克萨斯州斯威特沃特 (Sweetwater) 建造的另一座价值 35 亿美元的工厂将燃烧粉煤以产生 600 兆瓦的电力，同时使用胺或氨洗涤器或可能使用先进膜来分离二氧化碳与其他烟道气，以捕获其 575 万吨排放物。
澳大利亚和中国已经证明，这种燃烧后捕获在试点工厂中是可行的。在维多利亚州 Loy Yang 发电站，CSIRO 运营的一个试点工厂每年将捕获 1000 吨二氧化碳；澳大利亚研究机构已与中国华能集团合作，使用胺洗涤器从北京的一家热电联产发电厂捕获二氧化碳，然后出售。
Tenaska 环境事务副总裁格雷格·昆克尔 (Greg Kunkel) 说，如果燃烧后捕获能够得到商业化证明，“那么现有燃煤发电厂的市场非常庞大。仅国内粉煤发电厂的排放量就至少有 20 亿吨”。“除非你以某种方式处理这些工厂，否则你无法解决更大的（气候变化）问题。”
正是这种考虑甚至促使自然资源保护委员会 (NRDC) 和 EDF 等环保组织支持碳捕获和储存。据他们估计，自千年之交以来投入使用的燃煤发电厂在其 50 年的寿命期内排放的二氧化碳将超过自工业时代曙光以来所有人为煤炭燃烧的总量：6600 亿吨，而 1751 年至 2000 年之间为 5240 亿吨。NRDC 气候中心的工程师兼科学家乔治·佩里达斯 (George Peridas) 说：“未来 25 年的投资将比以往所有人为使用煤炭产生的排放量多 34%”。“这是一笔巨大的遗产，我们不能让这种情况发生。”
当然，并非所有环保主义者都同意。塞拉俱乐部和绿色和平组织都反对 CCS，尽管所有环保主义者似乎都同意，到本世纪中叶，全球温室气体排放量必须比 1990 年的水平至少减少 80%，这也是奥巴马政府的目标。
EDF 的布朗斯坦补充说：“环保主义者谈论煤炭并不是因为我们热爱煤炭”。“这是因为我们必须处理煤炭问题，才能在我们需要的时间框架内实现我们需要的二氧化碳减排量。”因此，NRDC、EDF、清洁空气任务部队和其他团体都支持限制二氧化碳排放的碳排放交易计划以及对首批 CCS 燃煤发电厂的补贴。“如果我们不解决煤炭问题，气候变化的博弈就结束了，”清洁空气任务部队煤炭转型项目主任约翰·汤普森 (John Thompson) 说。
CCS 也可以同样很好地应用于其他二氧化碳密集型行业：水泥生产、钢铁冶炼和铝冶炼等。它们甚至可以与植物物质的燃烧相结合，创造一种“碳负排放”燃料，这种燃料在燃烧时从空气中去除的二氧化碳比排放的二氧化碳还多。但这将需要时间：麻省理工学院的研究工程师霍华德·赫尔佐格 (Howard Herzog) 估计，美国第一座新的 CCS 煤电厂在 2015 年之前不会完工。“到 2020 年，我们可能会有少数，甚至可能接近 10 座，”他说。“如果你的目标是在 2050 年之前减排 80%（二氧化碳排放量），那么这还不够。”
但 BP 的希尔指出，“每五年不采取行动...就需要额外减排 10 亿吨”。“除非我们现在开始，否则我们不会获得 CCS 的优势以及我们需要的减排量。”而行动将需要资金：国际能源署估计未来十年至少需要 200 亿美元，而行业组织美国清洁煤炭电力联盟表示，到 2025 年 CCS 可用将需要 170 亿美元。
劳伦斯·利弗莫尔的弗里德曼说：“我们将不得不这样做，就像增加风能、太阳能、核电和节能一样”。“这是气候的当务之急，所以让我们开始行动吧。”
注意：本文最初印刷时的标题为“捕获碳能拯救煤炭吗？”