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中英合作:“无碳”发电给世界树一个新标准

    2006 年8 月,琼·吉宾斯博士(左四)访问位于中国西安市近郊的火电研究所煤气化研究实验基地。(图片提供:琼·吉宾斯)

12月3日,在印尼巴厘岛举行的2007年联合国气候变化大会开幕式上,《联合国气候变化框架公约》秘书处执行秘书伊沃·德博埃指出,“共同但有区别的责任”原则是应对气候变化问题的基石。在应对气候变化的过程中,工业化国家应起带头作用,发达国家和发展中国家应加强技术合作,目前化石燃料仍被广泛使用,为避免使用化石燃料对环境造成的破坏,应开发使用新技术。
 
2005年9月,“英国—欧盟—中国燃煤近零排放项目”计划提出,2014年前,计划在中国建成一座拥有碳捕集和储存技术的燃煤发电厂,英国将在项目执行的第一阶段提供350万英镑的资金。
 
今年11月20日,“英国—中国清洁煤计划”在北京正式启动。日前,就这个计划的有关情况,琼·吉宾斯博士接受了《科学时报》的专访。
 
煤炭目前约占全球能源消费量的1/4,是仅次于石油的第二大能源,也是成本最低的发电原料之一,但煤的燃烧产生了大量温室气体。“电力工业是全球最大的温室气体排放行业,目前大部分电力公司依然倚赖燃烧煤炭等化石燃料发电,全球37%的CO2排放来自电力行业。”世界自然基金会气候项目主任詹尼弗·摩根说。
 
人类能否扭转乾坤,将排向天空的CO2埋入地下呢?这不是一个异想天开的假设,而是已成现实的技术。
 
吉宾斯从2001年开始研究碳捕集和储存技术,他说:“我非常关注碳的捕集和储存,因为我认为这是避免灾难性气候变化的关键技术,我不想让子孙后代面临不可解决的气候变化难题。”
 
为什么要捕捉二氧化碳?
 
CO2是大气中主要的含碳气体,也是碳参与物质循环的主要形式。大气中的CO2含量在受到人类活动干扰之前是相当稳定的。
 
随着18世纪工业革命来临,汽车、火车、飞机和发电厂消耗了大量化石燃料,也向大气中排放了大量CO2,打破了大气中的碳循环平衡,导致温室效应的发生。
 
能否捕捉化石燃料燃烧过程中产生的CO2,并将其分离出来,不让它们排向天空呢?
 
吉宾斯说,早在半个世纪前,人类就开始用碳捕集技术为饮料、干冰和灭火器等制造工业生产CO2。今天化石燃料燃烧后的捕集技术就是通过改进成熟的小型捕集机组发展起来的,这种系统可应用于传统的蒸汽锅炉发电和现代发电厂,在排放物到达烟囱前清洗出CO2,这种技术被称为“燃烧后捕集”。
 
还有一种碳捕集技术叫做“燃烧前捕集”。吉宾斯说,这是另一种新型的捕集技术,在燃烧前将天然气分离为氢气和CO2,将氢气作为发电用的燃料,CO2则被捕捉和埋存。“燃烧前捕集”系统主要应用于以天然气为燃料的发电厂。
 
到哪里储存二氧化碳?
 
自工业革命以来,大气中CO2含量增加了25%。预计2030年全球CO2排放量将逾400亿吨。
 
人类怎样才能建造出如此庞大的CO2储存器呢?吉宾斯说,大自然已经为我们作好了准备:一是废弃的油井和天然气井,二是地下1000多米处的含盐水层。英国就是一个埋藏CO2的最佳地方。
 
英国有众多的油田和天然气田,其中许多已日渐枯竭。1996年的一项研究估计,英国已枯竭的油田可储存5.3亿吨的CO2,已枯竭的气田可储存11亿~15亿吨的CO2,也就是说,废弃的油田可储存英国未来10年的CO2排放总量,废弃的气井可储存英国未来30年的CO2排放总量。
 
地质储存是第二种方案,这种方案也称为深部含盐水层CO2储存。位于地层深处的多孔岩石充满了盐水,这些水既不能用作饮用水,也不能用于灌溉。1996年的一项研究估计,英国地下的含盐水层可储存716亿吨CO2,相当于英国500年的排放量。然而,因为人们对这些地层的地质结构和特点知之甚少,地质储存还有相当多的问题有待解决。事实上,目前一个位于英国北海海底1000米深处盐水层的地质储存试验基地,每年可储存挪威斯莱普纳天然气田产生的100万吨CO2,这个过程的实现只需要一根注射管道。
 
吉宾斯呼吁,全球气候正在变暖,人类应该立即行动,捕集并储存CO2。立即采取行动的另一主要原因是:如今英国所有位于海洋中的油田和气田都有钻探平台,略经改造,这些平台就可用于CO2的储存,所需成本很小。20年后,因为油田或气田的枯竭,许多这样的平台将被拆除。
 
给世界树一个新标准
 
从2005年开始,英国BP公司开始计划研制和建造世界上第一套工业化规模的“燃烧前捕集”电力生产集成系统。该系统以现有的天然气为燃料生产电力,但过程中所产生的90%的CO2被注入老化的油田中,一方面提高了石油采收率,另一方面永久性地埋藏了CO2
 
这座“无碳”电力系统位于英国北海附近的苏格兰阿伯丁郡。该系统将北海气井中采集到的天然气(CH4)通过管道送到岸上的分离装置中,天然气接着被分离成氢气和CO2;通过不同的管线,氢气作为燃料被送往彼德海德发电厂,CO2被运送并注射到附近的米勒油田中。
 
米勒油田位于北海海底3000米深处,CO2的注入有望将油田的寿命增加20年,产出约4000万桶目前技术尚无法采集的石油。
 
该系统计划于2009年前投入运行,一旦建成,可生产350兆瓦特的“无碳”电力,供25万户家庭使用;永久性埋藏130万吨的CO2,相当于路面上少了30万辆小汽车。
 
BP公司估计,在2050年前,如果将“无碳”电力应用于世界5%的电力生产,那么有可能每年减少10亿吨左右的CO2排放量。
 
今年5月,BP公司和世界超大型煤矿——力拓矿业签署合作方案,向全球推广和提供“无碳”电力技术……
 
吉宾斯说,苏格兰“无碳”电力的建设为化石燃料发电提供了一种新方法,为世界树立了一种新标准,有可能成为世界范围内对付全球变暖行动的一部分。他希望在2015年前能在全世界广泛使用“无碳”电力技术。
 
要花钱,但不会太多
 
在燃煤发电过程中实施碳的捕集和储存,虽然会增加成本,但不会太多。
 
吉宾斯说,如果在现有电厂设备的基础上,增加碳捕集和储存设备,将增加30%~40%的发电成本,额外成本看起来很多,但平均下来,每吨CO2的减排成本为25~30欧元(相当于250~300元人民币),这已经达到了2005年冬天欧盟排放交易市场的价格水平。
 
这样的成本可以接受吗?以英国为例,每位英国公民每年大约排放10吨CO2,将这些CO2捕捉、液化再储存到北海海底的盐水层中,费用为每吨20英镑,也就是说,每人每年的负担为200英镑。如果加上能量效率的提高,那么成本可以减少一半,即每人每年100英镑,这不会给英国经济造成灾难性后果。
 
吉宾斯说,碳捕集和储存技术已经开发出来,但技术的应用需要经费:电力公司需要额外资金购买CO2的捕集和运输设备,石油公司也需要钱将CO2深埋进地层。他希望政府能通过政策和提供资金来支持碳捕集和储存技术的应用。
 
走进中国
 
《联合国气候变化框架公约》是世界上第一个为全面控制CO2等温室气体排放而制定的国际公约,它于1992年6月在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展大会上被通过,目标是将大气中的温室气体浓度稳定在不对气候系统造成危害的水平上。
 
2005年9月5日,在欧盟—中国峰会上,双方签署了欧盟—中国气候变化合作伙伴关系,核心是在中国展示近零排放以及碳捕集和储存的潜力。
 
2005年9月13日,作为轮值欧盟主席国,英国与中国签署了《英国—欧盟—中国燃煤近零排放项目》,该项目计划于2014年前在中国建立一座拥有碳捕集和储存技术的燃煤发电厂,英国将在项目执行的第一阶段提供350万英镑的资金,帮助中国碳捕集和储存技术能力的建设。
 
今年8月1日,中国科学院和英国BP公司签署建立“中国清洁能源商业化中心”谅解备忘录。中国科学院副院长江绵恒在签字仪式上说:“目前,中国是全球第二大能源消费国,煤炭占总体能源消耗的70%,因此,寻找更清洁的方法来利用能源,特别是煤炭资源,对中国的可持续发展至关重要。依托中国科学院的专业技术和在自然科学研究领域的资源优势,结合BP在技术商业化和项目管理上的先进经验和国际化的实践,此次新的合作必将为煤转化技术及其商业化带来突破性进展。同时,它也将创造具有实质性意义的清洁能源投资机会,为中国的能源产业、经济增长和环境作出贡献。”
 
也就在一周前,12月5日,中国科学院大连化学物理研究所与BP公司举行能源创新实验室成立签字仪式,该实验室将成为大连化物所正在筹建的洁净能源国家实验室的重要组成部分,BP为此捐赠300万美元,并承诺在今后20年中,每年至少对该实验室提供100万美元的支持。
 
吉宾斯建议,中国对新建发电厂实行“碳捕集预留”,这意味着在设计阶段加入一些简单但不昂贵的改造,从而让未来的捕集不需要付出很高的代价。他认为,中国乃至全球的大部分潜在CO2储存能力是在地下1000米或更深处的含盐水层。
 
一场新的奥林匹克竞赛
 
吉宾斯说,遏制气候变暖就像是一场全球战争。人类正面临共同的敌人,我们需要的是合作而不是竞争。
 
吉宾斯说:“英国政府非常清楚碳捕集的必要性,研究人员十分仔细地研究了为粉煤厂增加碳捕集系统的可能性。现在,只有增加碳捕集系统的新电厂才有可能被批准在英国建造。如今,伦敦已成为CO2贸易和清洁能源项目的世界中心,我们正在研究如何规范管理碳捕集和储存,在这方面,尤其是在政府的承诺和与中国合作方面,我们已经走在美国的前面。”
 
吉宾斯相信,“后京都时代”的争论将会停止,人们的兴趣将转向对碳捕集和储存系统项目应用的支持。他说:“我们正努力将英国的新电厂碳捕集系统规范和经验应用于中国,希望中国的新建电厂也将增加碳捕集预留系统。”
 
吉宾斯认为碳捕集和储存技术的商业化,需要全球的政治领袖们在遏制气候变化问题上达成共识,尤其是美国和中国在承担共同但有区别的责任上达成共识。
 
2012年,第30届夏季奥运会将在伦敦举行,吉宾斯希望,那时粉煤电厂能竞相采用大规模的碳捕集和储存设备,“也许,这将是我们发明的一项最大的奥林匹克运动”。
 
背景资料
 
琼·吉宾斯
 
琼·吉宾斯博士是英国伦敦帝国理工学院机械工程系高级讲师、英国碳捕集和储存联盟发起人和首席研究员。他曾7次访问中国。最近,他和哈尔滨工业大学燃烧工程研究所教授孙绍增进行了合作研究。
 
碳捕集和储存
 
当化石燃料进行燃烧时,碳就会以CO2的形式排放到大气中。汽车、火车和燃煤发电厂是最主要的碳排放源。CO2在大气中的堆积可能会导致全球变暖。通过捕集燃料中产生的CO2,不让其排向天空,并将CO2注入废旧的油田和天然气田,或者是地层深处,便可以实现碳的永久埋存,预防全球变暖的发生,这就是碳捕集和储存技术。
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