在可預(yù)見的未來，我們可能要一直將天然氣作為主要的發(fā)電能源之一。我國目前天然氣約占總電力供應(yīng)量的 3%，截至 2020 年預(yù)計(jì)將占 6.7%。現(xiàn)成又便宜的天然氣發(fā)出的電占美國總發(fā)電量的 30%, 全世界發(fā)電量的 22%。

天然氣雖然比煤炭清潔得多，仍造成了大量的碳排放。

那么，發(fā)電廠能否以廉價高效的方式捕捉天然氣燃燒釋放的碳元素，進(jìn)而避免了溫室氣體的排放?這就是零碳天然氣技術(shù)所要實(shí)現(xiàn)的效果。而這項(xiàng)技術(shù)也入圍了 2018 年《麻省理工科技評論》“全球十大突破性技術(shù)”。

正在研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的是一家名為 Net Power 的公司。上榜時，《麻省理工科技評論》認(rèn)為，如果 Net Power 的零碳天然氣的技術(shù)真能實(shí)現(xiàn)，就意味著人類從此就可以以合理的價格從化石燃料中獲得零碳能源。這樣的天然氣發(fā)電必會改善能源供給的局面，因?yàn)樗炔幌窈四苣菢映杀靖咂螅膊幌窨稍偕茉茨菢庸┙o不穩(wěn)。

好消息是，就在剛剛過去的 5 月，Net Power 位于德克薩斯州拉波特市的天然氣電站已經(jīng)成功點(diǎn)火，此次點(diǎn)火也被 Nature 等科學(xué)媒體報道。

Net Power 的這座新電站，也是全球首座可以在不額外增加成本的情況下，有效捕獲所有排放物化石燃料電站，這對削減溫室氣體具有里程碑意義.

如何實(shí)現(xiàn)零碳發(fā)電?

或許有人會疑問，建設(shè)一座化石燃料電站似乎與”節(jié)能減排”的口號格格不入。但 Net Power 與眾不同。

該發(fā)電廠采用全新的方法來捕獲二氧化碳：將二氧化碳轉(zhuǎn)化為驅(qū)動專門設(shè)計(jì)的渦輪機(jī)的“工質(zhì)”。過程中過剩的氣體會被抽走，可以運(yùn)走或銷售。

其中的關(guān)鍵在于，Net Power 徹底摒棄傳統(tǒng)的以水蒸氣為工質(zhì)的熱能循環(huán)過程，選用全新的 Allam 循環(huán)過程。該循環(huán)利用特殊設(shè)計(jì)的小型汽輪機(jī)，在充滿高溫高壓的超臨界二氧化碳的燃燒室內(nèi)，燃燒天然氣與純氧的混合氣體。燃燒會產(chǎn)生額外的二氧化碳、水和很多熱量。這些高溫、高壓混合物通過汽輪機(jī)，推動葉片產(chǎn)生電力。

混合氣體通過汽輪機(jī)之后溫度會稍有降低，它們隨后會被分離。適量的二氧化碳被壓縮到臨界狀態(tài)，再重新添加到初始的燃燒室內(nèi)，這樣系統(tǒng)就有穩(wěn)定的氣體循環(huán)。剩余的純二氧化碳?xì)怏w可以出售或者埋于地下。水蒸氣可以凝結(jié)成干凈的水。阿拉姆循環(huán)的熱轉(zhuǎn)換效率非常高，可以將 80% 的天然氣能量轉(zhuǎn)化為電能(大部分先進(jìn)天然氣電站只能做到 60%)。

現(xiàn)有的天然氣工廠用空氣來燃燒天然氣，空氣是氧氣和氮?dú)獾幕旌衔铩＿@些技術(shù)會排放出二氧化碳，這與氮?dú)夂蜌堄嗟难鯕夥蛛x起來很困難而且昂貴，這使得碳捕獲對于傳統(tǒng)發(fā)電廠來說是不經(jīng)濟(jì)的。Net Power 利用新型工藝 - 氧燃料、超臨界二氧化碳動力循環(huán) - 解決了舊技術(shù)的成本障礙，該技術(shù)可高效生產(chǎn)電力。該系統(tǒng)用氧氣燃燒天然氣，而不是空氣。此外，該循環(huán)不使用蒸汽，而是使用高壓二氧化碳來轉(zhuǎn)動渦輪機(jī)，實(shí)際上將二氧化碳問題轉(zhuǎn)化為氣候解決方案，同時運(yùn)行的效率與當(dāng)今大多數(shù)天然氣發(fā)電廠相當(dāng)。此外，該技術(shù)可以在沒有水的情況下運(yùn)行(但會少量降低效率)。該技術(shù)將成為未來經(jīng)濟(jì)型世界清潔能源的可靠基石。

Net Power 的這項(xiàng)技術(shù)之所以重要，是因?yàn)槠駷橹梗瑸榘l(fā)電廠增加回收排放物的系統(tǒng)已經(jīng)變得非常復(fù)雜和昂貴，極大地增加了發(fā)電成本。而 Net Power 預(yù)計(jì)，建成幾座商業(yè)規(guī)模的發(fā)電廠之后，它的成本將低于標(biāo)準(zhǔn)天然氣發(fā)電廠的成本。

這意味著該技術(shù)可為電網(wǎng)提供廉價、清潔和靈活的電力來源，和標(biāo)準(zhǔn)太陽能以及風(fēng)力發(fā)電廠相比，更容易根據(jù)需求調(diào)整電量。這也是為什么能源研究人員密切關(guān)注這座價值 1.4 億美元的示范工廠的原因，以及《麻省理工科技評論》為什么會將該工廠列為 2018 年 10 項(xiàng)突破性技術(shù)的原因。

這次首次點(diǎn)火基本上驗(yàn)證了 Net Power 新電力系統(tǒng)的基本可操作性和技術(shù)基礎(chǔ)。同時，也驗(yàn)證了東芝燃燒器在商業(yè)規(guī)模上的運(yùn)作。但是，我們?nèi)孕枰C據(jù)證明，該發(fā)電廠能以商業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

源頭創(chuàng)新難能可貴，但仍有障礙

中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所副研究員陳成猛曾對 DT 君表示，為使以天然氣和煤炭等為燃料的火電廠更清潔環(huán)保，在現(xiàn)有技術(shù)體系通常是進(jìn)一步增設(shè)二氧化碳吸附、脫硫脫硝、降灰等環(huán)保裝置來實(shí)現(xiàn)。然而，這些手段大都是補(bǔ)救性質(zhì)的，會增加發(fā)電成本和能耗，降低經(jīng)濟(jì)效益。Net Power 公司則不然。在天然氣發(fā)電領(lǐng)域，他們選擇了源頭創(chuàng)新，徹底摒棄傳統(tǒng)的以水蒸氣為工質(zhì)的熱能循環(huán)過程，選用全新的以高壓高溫超臨界二氧化碳為介質(zhì)的 Allam 循環(huán)過程。這樣就從本質(zhì)上解決了二氧化碳排放和氮氧化合物污染的問題，且回收的二氧化碳還變廢為寶，可應(yīng)用于采油或作為化工原材料等利用。

他認(rèn)為，Net Power 該技術(shù)發(fā)電綜合效率更高，設(shè)施大幅簡化，固定投資少，占地面積小。如果該技術(shù)成熟并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將引領(lǐng)熱力發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)革命，不僅對天然氣發(fā)電意義重大，對煤電領(lǐng)域也有非常重要的參考價值。另外，該技術(shù)的突破還有望改變當(dāng)前全球碳排放和碳交易的格局。

按照陳成猛的分析，Net Power 估計(jì)存在如下工程技術(shù)難點(diǎn)：一、由于工質(zhì)從水蒸氣變成了二氧化碳，對裝置的技術(shù)要求變化會很大，許多設(shè)備都需重新設(shè)計(jì)開發(fā)，其與工藝的匹配性還需進(jìn)一步的中試和工業(yè)示范驗(yàn)證。二、由于燃燒氣氛從空氣改為純氧，這就需要在前端增加空氣分離裝置，會增加一些固定投資和單位能耗。此外，由此帶來的燃燒速度控制和安全隱患亦不容小覷。

事實(shí)上，Net Power 公司是 8 Rivers Capital，Exelon 電力公司以及 CB&I 能源公司合作的產(chǎn)物。

NET Power 總裁 Charlie Bowser 對于此次點(diǎn)火成功表示：“這是一個需要我們的投資者付出辛勤工作和奉獻(xiàn)精神的成果，我們的成就完全符合我們的期望。”

另一個好消息是，過去幾個月，美國政府通過了《未來法案》(FUTUREAct)，該法案為發(fā)電廠或化工廠捕獲和儲存的每公噸排放物提供了高達(dá) 50 美元的稅收抵免。

碳捕獲與封存

碳捕獲與封存(carbon capture andstorage, CCS)技術(shù)自 20 世紀(jì) 70 年代就已經(jīng)存在。但由于技術(shù)復(fù)雜而且成本較高，直到最近，人們才開始考慮用 CCS 技術(shù)改善氣候。雖然風(fēng)能、太陽能等清潔能源越來越便宜，但全世界 80% 的能源仍然來自于化石燃料。2017 年，全球碳排放再創(chuàng)新高，全世界削減排放的整體日期不得不再度延遲。時間對我們而言是奢侈的，如果按照能源轉(zhuǎn)換的固有節(jié)奏，我們將無法實(shí)現(xiàn)巴黎氣候協(xié)定的目標(biāo)。CCS 猶如一場及時雨，可以幫助我們免于災(zāi)難性的氣候變化。

CCS 技術(shù)可以應(yīng)用到傳統(tǒng)化石燃料電廠，比如美國的 Petra Nova 項(xiàng)目和加拿大的”邊界大壩”(Boundary Dam)。二者都是捕獲燃煤電廠的排放物，每年總共可以捕獲超過 200 萬公噸二氧化碳。但它們在捕獲排放物的同時，卻犧牲了燃料的能量轉(zhuǎn)化效率，從而使電廠成本增高。Net Power 認(rèn)為，阿拉姆循環(huán)的高轉(zhuǎn)化效率足以彌補(bǔ)碳捕獲過程所損失的能量。

然而，目前僅有 17 家大型 CCS 工廠投入運(yùn)營，每年它們減少進(jìn)入大氣的二氧化碳少于 4000 萬噸。這不足我們每年排放的 400 億公噸的 0.01%。Net Power 以更長遠(yuǎn)的眼光看待未來，采用新方法來部署碳捕集技術(shù)，該技術(shù)可以徹底改變我們使用天然氣發(fā)電的方式。

如果試點(diǎn)電廠能全面運(yùn)營并輸出電力(25 兆瓦的額定功率)，Net Power 會在 2021 年將其功率擴(kuò)大為 300 兆瓦。試點(diǎn)電站作為測試設(shè)備不會掩埋排放物，但未來的大功率商業(yè)電站會這樣做。迪米格沒有透露太多細(xì)節(jié)，但他說公司目前正與投資者與合作伙伴共同協(xié)商以達(dá)成目標(biāo)。