全球首座零排放發電站於美國誕生，曾獲「十大突破性技術」

在可預見的未來，我們可能要一直將天然氣作為主要的發電能源之一。我國目前天然氣約佔總電力供應量的 3%，截至 2020 年預計將佔 6.7%。現成又便宜的天然氣發出的電佔美國總發電量的 30%, 全世界發電量的 22%。

天然氣雖然比煤炭清潔得多，仍造成了大量的碳排放。

那麼，發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，進而避免了溫室氣體的排放？這就是零碳天然氣技術所要實現的效果。而這項技術也入圍了 2018 年《麻省理工科技評論》「全球十大突破性技術」。

圖 | 2018 年《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術榜單

正在研發這項技術的是一家名為 Net Power 的公司。上榜時，《麻省理工科技評論》認為，如果 Net Power 的零碳天然氣的技術真能實現，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。這樣的天然氣發電必會改善能源供給的局面，因為它既不像核能那樣成本高企，也不像可再生能源那樣供給不穩。

好消息是，就在剛剛過去的 5 月，Net Power 位於德克薩斯州拉波特市的天然氣電站已經成功點火，此次點火也被 Nature 等科學媒體報道。

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。

如何實現零碳發電？

或許有人會疑問，建設一座化石燃料電站似乎與」節能減排」的口號格格不入。但 Net Power 與眾不同。

該發電廠採用全新的方法來捕獲二氧化碳：將二氧化碳轉化為驅動專門設計的渦輪機的「工質」。過程中過剩的氣體會被抽走，可以運走或銷售。

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

混合氣體通過汽輪機之後溫度會稍有降低，它們隨後會被分離。適量的二氧化碳被壓縮到臨界狀態，再重新添加到初始的燃燒室內，這樣系統就有穩定的氣體循環。剩餘的純二氧化碳氣體可以出售或者埋於地下。水蒸氣可以凝結成乾淨的水。阿拉姆循環的熱轉換效率非常高，可以將 80% 的天然氣能量轉化為電能（大部分先進天然氣電站只能做到 60%）。

現有的天然氣工廠用空氣來燃燒天然氣，空氣是氧氣和氮氣的混合物。這些技術會排放出二氧化碳，這與氮氣和殘餘的氧氣分離起來很困難而且昂貴，這使得碳捕獲對於傳統發電廠來說是不經濟的。Net Power 利用新型工藝 - 氧燃料、超臨界二氧化碳動力循環 - 解決了舊技術的成本障礙，該技術可高效生產電力。該系統用氧氣燃燒天然氣，而不是空氣。此外，該循環不使用蒸汽，而是使用高壓二氧化碳來轉動渦輪機，實際上將二氧化碳問題轉化為氣候解決方案，同時運行的效率與當今大多數天然氣發電廠相當。此外，該技術可以在沒有水的情況下運行（但會少量降低效率）。該技術將成為未來經濟型世界清潔能源的可靠基石。

Net Power 的這項技術之所以重要，是因為迄今為止，為發電廠增加回收排放物的系統已經變得非常複雜和昂貴，極大地增加了發電成本。而 Net Power 預計，建成幾座商業規模的發電廠之後，它的成本將低於標準天然氣發電廠的成本。

這意味著該技術可為電網提供廉價、清潔和靈活的電力來源，和標準太陽能以及風力發電廠相比，更容易根據需求調整電量。這也是為什麼能源研究人員密切關注這座價值 1.4 億美元的示範工廠的原因，以及《麻省理工科技評論》為什麼會將該工廠列為 2018 年 10 項突破性技術的原因。

這次首次點火基本上驗證了 Net Power 新電力系統的基本可操作性和技術基礎。同時，也驗證了東芝燃燒器在商業規模上的運作。但是，我們仍需要證據證明，該發電廠能以商業規模實現經濟運行。

源頭創新難能可貴，但仍有障礙

中國科學院山西煤炭化學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保，在現有技術體系通常是進一步增設二氧化碳吸附、脫硫脫硝、降灰等環保裝置來實現。然而，這些手段大都是補救性質的，會增加發電成本和能耗，降低經濟效益。Net Power 公司則不然。在天然氣發電領域，他們選擇了源頭創新，徹底摒棄傳統的以水蒸氣為工質的熱能循環過程，選用全新的以高壓高溫超臨界二氧化碳為介質的 Allam 循環過程。這樣就從本質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，可應用於採油或作為化工原材料等利用。

他認為，Net Power 該技術發電綜合效率更高，設施大幅簡化，固定投資少，佔地面積小。如果該技術成熟並實現產業化，將引領熱力發電領域的技術革命，不僅對天然氣發電意義重大，對煤電領域也有非常重要的參考價值。另外，該技術的突破還有望改變當前全球碳排放和碳交易的格局。

按照陳成猛的分析，Net Power 估計存在如下工程技術難點：一、由於工質從水蒸氣變成了二氧化碳，對裝置的技術要求變化會很大，許多設備都需重新設計開發，其與工藝的匹配性還需進一步的中試和工業示範驗證。二、由於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 能源公司合作的產物。

NET Power 總裁 Charlie Bowser 對於此次點火成功表示：「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），該法案為發電廠或化工廠捕獲和儲存的每公噸排放物提供了高達 50 美元的稅收抵免。

碳捕獲與封存

碳捕獲與封存（carbon capture andstorage, CCS）技術自 20 世紀 70 年代就已經存在。但由於技術複雜而且成本較高，直到最近，人們才開始考慮用 CCS 技術改善氣候。雖然風能、太陽能等清潔能源越來越便宜，但全世界 80% 的能源仍然來自於化石燃料。2017 年，全球碳排放再創新高，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，如果按照能源轉換的固有節奏，我們將無法實現巴黎氣候協定的目標。CCS 猶如一場及時雨，可以幫助我們免於災難性的氣候變化。

CCS 技術可以應用到傳統化石燃料電廠，比如美國的 Petra Nova 項目和加拿大的」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化效率，從而使電廠成本增高。Net Power 認為，阿拉姆循環的高轉化效率足以彌補碳捕獲過程所損失的能量。

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

如果試點電廠能全面運營並輸出電力（25 兆瓦的額定功率），Net Power 會在 2021 年將其功率擴大為 300 兆瓦。試點電站作為測試設備不會掩埋排放物，但未來的大功率商業電站會這樣做。迪米格沒有透露太多細節，但他說公司目前正與投資者與合作夥伴共同協商以達成目標。

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