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(jià)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(píng)論》“全球十大突破性技術(shù)”。

2018年《麻省理工科技評(píng)論》全球十大突破性技術(shù)榜單

正在研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的是一家名為NetPower的公司。上榜時(shí)，《麻省理工科技評(píng)論》認(rèn)為，如果NetPower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(jià)格從化石燃料中獲得零碳能源。這樣的天然氣發(fā)電必會(huì)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，NetPower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(bào)道。

NetPower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(duì)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(huì)疑問，建設(shè)一座化石燃料電站似乎與”節(jié)能減排”的口號(hào)格格不入。但NetPower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(dòng)專門設(shè)計(jì)的渦輪機(jī)的“工質(zhì)”。過程中過剩的氣體會(huì)被抽走，可以運(yùn)走或銷售。

其中的關(guān)鍵在于，NetPower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(huì)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(dòng)葉片產(chǎn)生電力。

混合氣體通過汽輪機(jī)之后溫度會(huì)稍有降低，它們隨后會(huì)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(huì)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(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電廠來說是不經(jīng)濟(jì)的。NetPower利用新型工藝-氧燃料、超臨界二氧化碳動(dòng)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(dòng)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(shí)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(huì)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。

NetPower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NetPower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(jià)、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(jià)值1.4億美元的示范工廠的原因，以及《麻省理工科技評(píng)論》為什么會(huì)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NetPower新電力系統(tǒng)的基本可操作性和技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，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(duì)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(huì)增加發(fā)電成本和能耗，降低經(jīng)濟(jì)效益。NetPower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，NetPower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(duì)天然氣發(fā)電意義重大，對(duì)煤電領(lǐng)域也有非常重要的參考價(jià)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，NetPower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(duì)裝置的技術(shù)要求變化會(huì)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(huì)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，NetPower公司是8RiversCapital，Exelon電力公司以及CB&I能源公司合作的產(chǎn)物。

NETPower總裁CharlieBowser對(duì)于此次點(diǎn)火成功表示：“這是一個(gè)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(gè)好消息是，過去幾個(gè)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(chǔ)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（carboncaptureandstorage,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(shí)間對(duì)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(shí)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PetraNova項(xiàng)目和加拿大的”邊界大壩”（BoundaryDam）。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?cè)诓东@排放物的同時(shí)，卻犧牲了燃料的能量轉(zhuǎn)化效率，從而使電廠成本增高。NetPower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％。NetPower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），NetPower會(huì)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(huì)掩埋排放物，但未來的大功率商業(yè)電站會(huì)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)。