天然气能否成为低碳未来的一部分？

在2010年代中期，人们普遍认为天然气将成为通往零碳未来的桥梁燃料，在这个未来中，太阳能、风能和其他可再生技术将提供我们所有的能源，而不会产生任何二氧化碳排放来加剧气候变化。但是，如果天然气真的只是一座桥梁，那么它就不是长期计划的一部分。如果我们真的建造了这座桥梁，我们很可能会一直留在桥上。

过去15年中，美国天然气消耗量增加了三分之一。天然气占能源总消耗量的32%，现在是全国最大的电力来源，很大程度上取代了燃煤发电厂。天然气（主要是甲烷）比煤炭燃烧得更清洁，并且可以为可变的风能和太阳能发电场提供随时可用的备用电力。这听起来很有希望，但燃烧天然气仍然会产生二氧化碳。井和管道中的甲烷会泄漏到大气中，加剧全球变暖。一旦最后一座燃煤电厂关闭，天然气发电厂将成为最脏的电力来源。

为了减少二氧化碳排放，社会必须尽快实现能源系统的脱碳。建造更多的风能和太阳能发电场相对便宜且快速，并且可以加速燃煤电厂的关闭。但是，开发最佳地点（风力强劲的平原和阳光充足的沙漠）需要大大扩展输电网，才能将电力输送到主要城市和制造中心。这些电线和电线杆带来了风暴、洪水和火灾的风险，所有这些都因气候变化而加剧，而一个又一个的城镇都在例行公事地反对扩张计划：“不要在我家后院。”

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天然气基础设施几乎全部位于地下，因此不易中断。美国约有300万英里的天然气管道，几乎遍布美国本土48个州的所有主要城市下方。加上所有的压缩机、储罐和储气洞穴，基础设施价值数万亿美元。发电厂本身又增加了数千亿美元。近7000万户家庭使用天然气，他们的炉子、热水器和灶台至少价值1000亿美元。将所有这些沉没投资乘以大约五倍，就是全世界的规模。天然气也比任何其他能源都更深入地与其他社会部门交织在一起——交通运输、建筑（用于供暖和烹饪）和工业（用于供热和作为化学品的原料）——这使得它更难被取代。

在天然气基础设施的自然寿命结束之前将其更换，也会给当前的业主带来经济损失，他们会进行抵制。更换技术可能会让纳税人、费率支付者和房主付出代价，他们也会进行抵制。而且，更多的电力并不能轻易解决卡车、轮船和飞机燃烧的液体燃料的需求，或者冶炼厂、酿酒厂和炼油厂生产大量金属、水泥、玻璃、航空燃料和化学品所需的高温的需求。液体燃料的能量密度是难以匹敌的。

如果我们能够清除天然气系统中的排放物，它就可以成为碳中和未来的一部分，而不是一座桥梁。存在提取碳或转化天然气的技术，从而使排出的碳和进入的碳达到零平衡或接近零平衡。

国家能源基础设施脱碳综合计划的第一步是提高能源效率和节约能源，以减少消耗。第二步是尽可能多地将汽车、空间加热器、热水器和灶台电气化，使用可再生能源。与此同时，收紧泄漏的天然气基础设施。尽可能用低碳替代品（如沼气、氢气和合成甲烷）替代天然气，或者在天然气管道末端使用称为热解的过程来去除碳。

清洁能源支持者正确地担心，对天然气基础设施的任何投资都会产生锁定效应。每座新的发电厂、管道或储气装置都有25至80年的预期寿命，因此每个要素都可能成为更多排放的陷阱或搁浅资产。但是，我们可以通过天然气的直接替代品来解决锁定问题：低碳气体可以流过现有的管道、储罐和发电厂，从而利用数万亿美元的资产。

零碳天然气

最容易替代天然气的直接替代品是生物甲烷——从生物来源产生的甲烷气体。大型桶状容器（称为厌氧消化池）内的微生物会吞噬有机物，例如农作物废弃物、粪便、污水以及垃圾填埋场中的食物垃圾和其他垃圾，从而产生甲烷。生物消化池已是一项成熟的技术，可以将垃圾填埋场和集中式动物饲养场附近的废物泻湖中的废物流从环境负债转化为有价值的商品，为市政当局和农民创造收入。

生物甲烷正在德克萨斯州奥斯汀市发挥作用。运营该市一个垃圾填埋场的废物管理公司从其场地的128口井中收集生物甲烷，并将其燃烧以产生足够4000至6000户家庭使用的电力。该市的一个污水处理厂有八个生物消化池，每个容量为200万加仑；微生物将污水转化为沼气，为现场发电机提供燃料。该过程产生一种称为“犰狳土”的固体副产品，摸起来和闻起来都像块状堆肥。一家城市承包商在当地商店按袋出售，用于肥沃土壤。

在美国2000多个垃圾填埋场中，约有四分之一的垃圾填埋场现在正在收集天然气或使用生物消化池将其废物加工成沼气。然而，这仅抵消了该国天然气总使用量的不到1%。沼气可以作为天然气的直接替代品，但就全球而言，相对体积较低。如果农场、垃圾填埋场或污水处理厂无法轻易地使用沼气发电，或者不在天然气管网旁边，则生物甲烷可能需要液化并用卡车运到另一个地点，从而降低碳回报。尽管如此，生物甲烷是一项商业上可行的技术，可以开始使天然气系统的一部分脱碳。

氢气替代甲烷

天然气可以完全被氢气取代。涡轮机可以燃烧氢气为电网发电，内燃机可以燃烧氢气为重型车辆提供动力。燃料电池中的氢气可以为汽车、家庭或办公室发电。氢气是许多基本化学品的现成组成部分。燃烧氢气或在燃料电池中使其发生反应不会产生二氧化碳。泄漏的氢气的温室效应仅为甲烷的一小部分。

天然氢气从地球上许多克拉通（构成大陆中心部分的大块古老岩石）的盆地中渗出地面。一个多世纪以来，科学家们偶然发现了这些渗漏。然而，石油和天然气公司认为氢气是一种 nuisance，当他们在地下储层旁边发现氢气时，因为它会着火并可能腐蚀金属管道。但如今，企业和大学研究人员正在钻探氢气测试井，并启动多年期计划来寻找地下氢气。这种预期感觉类似于页岩水力压裂技术早期出现时的情景：那里有巨大的资源，如果工程师能够找到廉价且安全地利用它的方法。

我们也可以制造氢气。目前，工业用氢气大部分是通过甲烷的蒸汽重整生产的——将热量和热水添加到甲烷中以产生氢气和二氧化碳。电解——使用电力将水分解为氢气和氧气——也可以产生氢气。然而，这两个过程都需要大量的能量。

移动和存储气态氢气也是一个挑战。由于氢气的密度低，因此与甲烷等密度较高的气体或石油等液体相比，通过管道输送氢气需要大量的能量。经过数百公里后，这种低效率使得输送氢气的成本高于其所携带的能量的价值。而且，氢气会使钢制管道变脆，除非通过改变操作条件或掺入昂贵的合金来缓解这种情况。

整合氢气的一种方法是将氢气与甲烷混合到现有的天然气管道中。这种混合通过用氢气取代一部分天然气，使系统部分脱碳。英国和法国的实验表明，在天然气管道中可以有效地输送80%甲烷和20%氢气的混合物。作为2018年中期至2020年3月的一项研究的一部分，法国敦刻尔克使用80-20的混合物为100户家庭和一家医院的锅炉供气，而无需沿管道或建筑物安装任何新设备。

对于氢气含量超过20%的混合物，炉子和灶台内部的配件（例如燃烧器喷嘴）可能需要进行改装或更换，因为与纯氢气一样，混合气体在不同的温度和速率下燃烧。另一个考虑因素是，由于氢气的能量密度低，按体积计算，20%的混合物每立方英尺提供的能量比天然气少14%。

绕过某些成本和安全挑战的一种方法是以另一种我们知道如何处理的化学形式（例如氨）输送氢气，氨的分子由一个氮原子和三个氢原子组成。包含氢原子的分子称为氢载体。氢气在发现或生产地被转化为载体，然后投入到现有的管道中，并以该形式使用或在目的地再次转化为氢气。

常见的载体（如氨、甲酸和甲醇）在接近环境条件下是液体，这使得它们比气态氢气更容易运输。虽然氨具有腐蚀性，但它已经作为肥料成分在世界范围内运输，并且燃烧时不会产生任何二氧化碳。甲烷可能是最有效的选择，因为它每个碳原子携带四个氢原子，并且已经与现有的管道、压缩机、储罐、涡轮机和器具兼容。

示范项目数量正在迅速增加。芬兰工业建筑商瓦锡兰公司正在建造一艘名为“维京能源”号的新船，该船将于2023年下水，将使用燃料电池以氨为燃料运行，从而避免温室气体排放和其他困扰海运业的污染物。法国航空公司和巴黎戴高乐机场对氢气作为航空业脱碳的一种方式非常感兴趣。然而，氢载体仍处于研究的早期阶段，因此很难说它们会取得多大的成功。

燃烧氢气的发电厂也正在设计中。在犹他州三角洲市，州际电力公司电厂（美国最大的燃煤电厂之一）将电力输送数百英里至洛杉矶。为了满足该市对可再生能源和低碳能源的长期要求，电厂所有者将于2025年用可以燃烧氢气的涡轮机取代燃煤锅炉。他们将从天然气中30%的氢气混合物开始，稍后将转向100%的氢气。氢气将在那里使用风能和太阳能发电的电解法产生，并将储存在100多个现有的地下盐穴中，每个盐穴的大小都与帝国大厦差不多。

管道末端

我们可以不在天然气进入管道之前对其进行脱碳，而是可以在管道末端（客户消耗天然气的地方）去除碳。例如，甲烷可以在用户所在地分解为氢气和固态碳，固态碳看起来像细小的黑色粉尘。这个过程称为甲烷热解，效率很高，并且消除了二氧化碳排放。每公斤热解甲烷产生的氢气会产生三公斤固态碳，而不是如果甲烷燃烧会排放的九公斤二氧化碳气体。

堆积在炉子或灶台收集器内的碳粉堆每月左右会被运走。我们已经向垃圾搬运工和市政污水处理厂支付费用来清理我们的固体和液体废物；我们也应该支付费用来清理我们使用天然气产生的废物。然而，碳堆实际上是有价值的，因为它们可以作为制造石墨、橡胶、涂料、电池和化学品以及农业土壤改良剂的基本成分出售。

尽管工程师们已经研究甲烷热解几十年了，但他们只在小型示范项目中部署了它。管道末端的一些设备必须进行更换以分离碳，但无需建造昂贵的氢气管道，这大大简化了问题。传统天然气的热解可以将整个系统带到接近零碳的水平。添加来自生物消化池的甲烷或使用可再生电力从大气中的二氧化碳制成的甲烷可以使系统实现负碳。

想象这些脱碳的未来可能会让人联想到大型的新工业综合体或消费者数百万次的小型设备更换。但其他控制排放的建议也是如此。将每个加热器、炉子和车辆电气化将需要广泛的技术更换。直接从空气中提取二氧化碳的计划将需要数百万台大型机器来捕获气体并封存它——庞大的企业也需要大量的新土地和新电力。

脱碳天然气将使我们能够利用数万亿美元的现有管道、设备和器具，从而在创建零碳能源系统方面节省大量资金和时间。当然，我们必须修复泄漏的基础设施。通过用电气设备替换井场的 pneumatic 设备，改进使用无人机和机器人上的传感器对管道和储罐进行自动化检查，以及制定不再对泄漏视而不见的法规，以及故意排放或燃烧不需要的天然气，可以最大限度地减少泄漏。这项工作将为石油和天然气行业的工人创造就业机会，并将清理能源基础设施，这反过来可以减少能源设施附近社区的污染。

控制气候变化需要多种解决方案。宣布谁不能成为其中的一部分，例如天然气公司，只会增加对进步的阻力。由于脱碳天然气可以补充可再生电力，并且对于社会中难以电气化的部分来说，它可能是一条更快、更便宜、更有效的途径，因此我们不应将天然气作为一种选择而抛弃。我们拥有庞大的天然气基础设施，我们必须弄清楚如何处理它。报废它将是缓慢、昂贵且极其困难的，但我们可以转而利用它来帮助创造低碳未来。