国家能源技术实验室(NETL)以其广泛的实验而闻名。
它现在正在努力解决可能是有史以来最棘手的问题:如何刺激三个新产业的技术,以捕获、运输和储存化石燃料产生的、导致气候变化的排放物。
该实验室,像其他能源部实验室一样,通过与工业界和大学的合作开展工作。根据其最近的经验,它估计捕获、运输和储存二氧化碳最终将创造“数万个就业岗位”。
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这项工作通常会使用与化石燃料行业所需的技能相似的技能,包括燃煤发电厂和其他遭受就业岗位损失严重打击的行业。该实验室的前身之一,被称为匹兹堡实验站,成立于1919年,旨在帮助解决煤矿开采和新兴的石油和天然气行业的问题。
一个世纪后,NETL找到了新的合作伙伴。其中包括蒙斯塔德技术中心。蒙斯塔德是挪威的一个工业场所,拥有一家炼油厂和一个发电厂,政府对它们进行了改造,以测试捕获二氧化碳排放的最新设备。其中一些设备安装在烟囱顶部。
直到最近,从烟气中去除二氧化碳一直很困难、昂贵且常常令人沮丧。虽然这种看不见的气体有能力使地球变暖,但它只是发电厂排放物中相对较小的成分,从天然气发电厂烟气中的低至 4% 到燃煤废气中的 15% 不等。二氧化碳也难以从伴随的氮气和氢气中分离出来。
蒙斯塔德为 NETL 提供了世界上最大的实验室,以观察如何实现这一目标。NETL 目前正在那里测试四种美国碳捕获工艺。即将测试的另一种工艺是由加利福尼亚州的 SRI 国际(前斯坦福研究所)发明的,这项工作可以追溯到 2006 年。
SRI 项目经理 Indira Jayaweera 预测,这项技术将是第一个通过在室温下运行来节省能源,同时不会向烟囱排放任何自身化学物质的技术。
她在一次采访中说,该设备与早期版本的她称之为“混合盐工艺”相比,具有“更高的处理排放物的能力”。
总部位于德克萨斯州的国际石油和天然气工程公司 Baker Hughes Co. 于 3 月份购买了该工艺的国际营销权。它正在构建所谓的碳捕获设备“组合”,可以吸收来自发电厂或工业设施的烟气,并提取纯二氧化碳。该工艺使用由氨和钾制成的廉价化学盐溶液。
在蒙斯塔德的实验之后——假设该技术通过了测试——SRI 设备的完整版本将安装在伊利诺伊州厄巴纳的一家燃煤发电厂。
Baker Hughes 执行副总裁 Rod Christie 在一份新闻声明中表示,这项发明将以较低的成本捕获二氧化碳,“使其成为商业应用的理想选择”。这正是 Baker Hughes 正准备进入的全球市场。
其他最近的发明也将形成竞争。NETL 还在与各种类型膜的制造商合作,这些膜声称可以从烟气中去除二氧化碳。
二氧化碳水泥
还有一种工艺可以完全避免碳捕获,而是将排放物捕获在未加工的水泥块中。这将它们储存起来以备将来使用,并且似乎不会削弱水泥的强度。
NETL 在 2018 年发现了这个概念,并开始与加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 的一个研究团队合作以完善它。4 月,加州大学洛杉矶分校的团队利用该工艺在 XPRIZE 竞赛中击败了来自七个国家的 38 个团队。
在 3 月份进行的一项测试中,总共生产了六批水泥,其中四批来自燃煤烟气,两批来自天然气烟气。它们产生了 5,000 多个混凝土砌块,捕获了 75% 的二氧化碳。
NETL 的项目经理 Andrew Jones 解释说,该工艺为使用波特兰水泥制成的传统混凝土砌块提供了替代品。结果不仅仅是一场小小的胜利:他指出,每年生产超过 200 亿公吨的混凝土。
Jones 补充说,波特兰水泥对于当前硬化混凝土的工艺至关重要,但因为它需要高热量(通常是燃煤热量),因此会导致全球 10% 的二氧化碳排放量。
一旦二氧化碳从美国排放物中去除,最经济高效的储存方式是将其注入地下岩层。
根据 NETL 的碳储存研究负责人 Mark McKoy 的说法,并非所有地层都适用。捕获的二氧化碳必须在高压下注入地下 3,000 英尺或更深的位置,以找到多孔岩层,如砂岩。那里的压力将气体挤压成所谓的超临界状态,这是一种接近液体的状态,其体积约为以前的 1%。
在这种状态下,它可以被推入岩石中的小空间或孔隙中。如果上面有不透水的盖层岩石,它将永久地留在那里,但必须仔细选择和测试场地以防止泄漏。
McKoy 在最近的一次 NETL 网络研讨会上说:“与美国的二氧化碳排放量相比,有很大的储存能力。”“现在我们正在考虑建立一个碳储存行业。我们希望这对我们的社会来说是负担得起的,并且我们希望支持早期的示范项目。”
根据 NETL 的说法,选择的储存地点并非总是在附近,这将需要第三个行业:一个全国性的二氧化碳管道系统,将捕获的气体输送到选定的地点。
在得克萨斯州等石油资源丰富的地区,存在为输送二氧化碳而建的现有管道网络。但它们使用的是从地下开采的二氧化碳,并通过管道输送到枯竭的油藏。在那里,气体被重新注入以排出剩余的原油,以便可以用作燃料。
总部位于明尼阿波利斯的环保组织大平原研究所 (Great Plains Institute) 在 2018 年帮助说服国会为那些使用从烟囱或工业过程中回收的二氧化碳来排出更多石油的公司提供税收抵免。
该抵免额位于美国税法中称为 45Q 的一部分。去年 6 月,GPI 发布了一份报告,称在未来 30 年内,建立一个用于分配二氧化碳的“超大型”全国管道系统将更便宜,部分原因是税收抵免,以减少排放。
它还将帮助更多公司直接从大气中去除二氧化碳,并将其运输到有用的或防泄漏的储存地点。
在 GPI 和 NETL 研究人员估计新兴的碳捕获行业(包括储存和管道系统)将需要的“数万个就业岗位”中,许多所需的技能与现有行业中使用的技能非常匹配。
石油和天然气行业经常使用将二氧化碳注入地下的地质和工程知识。
McKoy 说,现有的管道建设行业有能力建设全国性的二氧化碳管道系统。至于建设三个新行业所需的创新,他预测“精明的个人将能够创办企业,并且许多现有企业将希望转型”。
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