他山之石|全球首座零排放發(fā)電站于美國(guó)誕生 曾獲“十大突破性技術(shù)”
在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái),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(guó)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%?,F(xiàn)成又便宜的天然氣發(fā)出的電占美國(guó)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?,也不像可再生能源那樣供給不穩(wěn)。
好消息是,就在剛剛過(guò)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(wèn),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(lái)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(guò)程中過(guò)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(guò)程,選用全新的Allam循環(huán)過(guò)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(guò)汽輪機(jī),推動(dòng)葉片產(chǎn)生電力。
混合氣體通過(guò)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(lái)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(lái)很困難而且昂貴,這使得碳捕獲對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電廠來(lái)說(shuō)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(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪機(jī),實(shí)際上將二氧化碳問(wèn)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(méi)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(lái)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?,為發(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(lái)源,和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)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(guó)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(lái)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(guò)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(guò)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(wèn)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(jiǎn)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(kāi)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(lái)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(guò)去幾個(gè)月,美國(guó)政府通過(guò)了《未來(lái)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(kāi)始考慮用CCS技術(shù)改善氣候。雖然風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源越來(lái)越便宜,但全世界80%的能源仍然來(lái)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(wú)法實(shí)現(xiàn)巴黎氣候協(xié)定的目標(biāo)。CCS猶如一場(chǎng)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(guó)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(guò)200萬(wàn)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(guò)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(yíng),每年它們減少進(jìn)入大氣的二氧化碳少于4000萬(wàn)噸。這不足我們每年排放的400億公噸的0.01%。NetPower以更長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光看待未來(lái),采用新方法來(lái)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(yíng)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(cè)試設(shè)備不會(huì)掩埋排放物,但未來(lái)的大功率商業(yè)電站會(huì)這樣做。迪米格沒(méi)有透露太多細(xì)節(jié),但他說(shuō)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)。

責(zé)任編輯:電朵云
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