应对气候变化的“安全气囊" —— 碳捕获和碳埋存(CCS)取得技术突破

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在一份关于减轻气候变化所造成的影响的潜在方案的报告中指出:减少发电所造成的二氧化碳排放对于减缓全球气球变暖的趋势至关重要,而诸如碳捕获和碳埋存技术(Carbon Capture and Storage,简称CCS)则将在应对这一挑战中扮演重要角色。

将能源工业和其他行业生产中产生的二氧化碳分离、搜集并集中埋存于地下数千米的地质层中与大气隔绝,这个充满想象力的构想如今已突破所有的技术障碍并开始走上了商业化之路,逐渐惠及人类对抗气候变化的持久战役。

美国普林斯顿大学的两位科学家Robert Socolow和Stephen Pacala在2004年发表的研究报告中指出,15项现有技术均可帮助人们在2054年以前实现每年减少10亿吨的碳排放量,而碳捕获与碳埋存技术就是其中之一。该技术可以将原本会被排放到大气中90%的二氧化碳安全地捕获并埋存于地下,已被公认是大规模开发低碳能源和可持续使用化石燃料的关键。

一位来自“自然资源保护委员会”的气象科学家George Peridass曾形象地将碳捕获和埋存技术比喻成“气囊”技术(‘airbag’ technology)——也许,对于日益恶化的气候状况而言,这项技术不仅能像“气袋子”一样将二氧化碳气体收集并封存于其中,更能如“安全气囊”一般隔离和缓冲不断增长的二氧化碳排放对气候所造成的危害。

CCS—技术路径

二氧化碳捕获和埋存技术在具体实践中同样分为“碳捕获”和“碳埋存”两个步骤进行。对于碳捕获而言,人们现今已掌握了三种最主要的安全可行的技术路径:燃烧后捕获(post-combustion)、燃烧前捕获(pre-combustion)和富氧燃烧捕获(oxyfuel-combustion)。

顾名思义,燃烧后捕获是从化石燃料燃烧后产生的废气中采用液体溶剂和加热的方式将二氧化碳分离出来,而燃烧前捕获则是首先将化石燃料转化为氢气和二氧化碳的混合气体,然后二氧化碳被液体溶剂或固体吸附剂吸收,再通过加热或减压得以释放和集中。与燃烧后捕获相比,燃料前捕获中碳的压力和浓度均相对较高——这使得碳的分离更为容易,同时也提供了进一步应用新型碳捕获技术的可能性。而如今正在实验室或试点项目中小规模使用的富氧燃烧技术,同样涉及燃料燃烧过程,但不同之处在于助燃剂是氧气而非空气——燃烧后的废气也主要由水蒸气和高浓度的二氧化碳构成。

碳埋存技术的现实应用则需要首先寻找到适宜封存二氧化碳并使其与大气完全隔绝的地质层。而从地质学角度看,实际上有三类地质层均能用来埋存二氧化碳,其中最具吸引力的当属现有的油田和气田了。基于人们对产油层和产气层的地质概况的深入了解,油田和气田已被证实可以容纳碳氢化合物。而更重要的是,将二氧化碳回注油田能显著提高油田采收率多达5%至15%,并可相应地延长油井生产寿命——这种“化腐朽为神奇”之术实质上已成功地帮助了不少产量日减的油田得以增产延寿。第二类地质层是不含碳氢化合物的圈闭,但它具有和含油层、含气层和煤层类似的结构。第三种就是底水-深度蓄水盐层,由于盐层的分布面积广大,因而被推举为一种长久的碳埋存解决方案。

CCS—不乏用武之地

以化石燃料作为主要原料的发电业是目前最大的二氧化碳气体排放源,占能源行业碳排放总量的40%以上,而其中多达75%的排放更是来源于煤炭发电。在所有的化石燃料中,低廉的价格和丰富的储量使得煤炭成为了发电业所倚重的主要原料来源。今后几十年计划建造的新发电厂中,更多的将选择使用煤炭来发电;据国际能源署预测,到2030年,全球一次能源需求增长可达50%,化石燃料将继续占据主导地位。届时,全球的电力需求也预计将增长50%以上,并且大部分电力仍将是以煤炭为燃料生产的。

在这样的背景下,二氧化碳捕获和埋存技术对化石燃料脱碳使用和实现二氧化碳减排目标的重要性已是不言而喻。而要使这项技术真正有利人类福祉,成功的商业化进程是不可或缺因素之一——充分的商业化可推动该项技术的落地实施和规模化应用,使其真正成为帮助人类应对气候变化的“安全气囊”。令人振奋的是,一些能源公司已经开始了对碳捕获和埋存技术的商业化探索,而将该项技术与氢气发电相结合则成为这些公司首选的试点项目之一。在这些项目中,煤炭和天然气等化石燃料原料被转换为氢气和二氧化碳,氢气用于大规模的清洁电力生产,而二氧化碳则通过碳捕获项技术实现捕获和集中,并注入油气田以获取额外油气产量——正是二氧化碳减排、能源生产和增产的并行不悖,为该技术商业化之路的顺利起步提供了最重要的原动力。

CCS—商业化之路

在能源行业里,BP公司是最早开始探索二氧化碳捕获和埋存技术商业化途径的公司之一。2007年,BP更与力拓矿业集团(Rio Tinto)携手组建了氢能源合资公司,以在全球范围内拓展脱碳能源项目。该合资公司计划中的项目之一即是将二氧化碳捕获和埋存技术应用于位于澳大利亚西部奎纳纳地区(Kwinana)的火力发电厂:煤炭气化生成氢气和二氧化碳,其中氢气的发电量将满足澳大利亚西南部地区15%的电力需求,而多达400多万吨的二氧化碳则将被捕获和封存于地层深处。

另一个项目计划在美国加利福尼亚州的卡森市展开。氢能合资公司将与爱迪生能源公司(Edison Mission Energy)合作,以石油焦(一种炼油副产品)作为原料生产氢气,其发电量每年可为加州电网提供500兆瓦的低碳电力,并供居住在南加州的30多万户家庭使用;而每年分离出来的约400万吨二氧化碳,则将通过管道输送至并埋存于BP位于加州的油田,并将为这些油田带来可观的额外产油量。

除了BP和其合作伙伴,不少能源公司也都在稳妥推进碳捕获和埋存技术的商业化尝试。如德国的RWE公司,如今就正在投资兴建一座以煤炭为燃料并结合二氧化碳捕获和埋存技术的450兆瓦特发电厂,该电厂有望于2014年正式投入运行。

CCS—前景广阔

二氧化碳捕获和埋存技术的规模化应用,已经蓄势待发。“二氧化碳捕获和埋存技术并不存在技术障碍和实质性障碍”,来自碳捕获与埋存协会(CCSA)的Jeff Chapman指出,“眼前唯一需要的就是好的政策。”享誉国际的环境问题智囊团“世界资源研究所”(WRI)对此观点表示赞同——资金是现成的,技术是现成的,需要的只是一个能够让金融中介获得与其投资相应的回报的规范框架。

不少国家都已开始为二氧化碳捕获和埋存技术的推广和应用创造鼓励性的政策环境。作为煤炭大国和能源消费大国的中国,也在积极鼓励和推动相关研发工作的开展,以期尽快掌握这一关键技术,实现化石燃料尤其是煤炭的脱碳利用。
本文资料来源:来自普林斯顿大学学者Robert Socolow,石油经济学家Tom Nicholls,以及 BP公司Chris Brwon 和Jonathan Forsyth的著作