他山之石｜全球首座零排放发电站于美国诞生 曾获“十大突破性技术”

在可预见的未来，我们可能要一直将天然气作为主要的发电能源之一。我国目前天然气约占总电力供应量的3%，截至2020年预计将占6.7%。现成又便宜的天然气发出的电占美国总发电量的30%,全世界发电量的22%。

天然气虽然比煤炭清洁得多，仍造成了大量的碳排放。

那么，发电厂能否以廉价高效的方式捕捉天然气燃烧释放的碳元素，进而避免了温室气体的排放？这就是零碳天然气技术所要实现的效果。而这项技术也入围了2018年《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”。

2018年《麻省理工科技评论》全球十大突破性技术榜单

正在研发这项技术的是一家名为NetPower的公司。上榜时，《麻省理工科技评论》认为，如果NetPower的零碳天然气的技术真能实现，就意味着人类从此就可以以合理的价格从化石燃料中获得零碳能源。这样的天然气发电必会改善能源供给的局面，因为它既不像核能那样成本高企，也不像可再生能源那样供给不稳。

好消息是，就在刚刚过去的5月，NetPower位于德克萨斯州拉波特市的天然气电站已经成功点火，此次点火也被Nature等科学媒体报道。

NetPower的这座新电站，也是全球首座可以在不额外增加成本的情况下，有效捕获所有排放物化石燃料电站，这对削减温室气体具有里程碑意义。

如何实现零碳发电？

或许有人会疑问，建设一座化石燃料电站似乎与”节能减排”的口号格格不入。但NetPower与众不同。

该发电厂采用全新的方法来捕获二氧化碳：将二氧化碳转化为驱动专门设计的涡轮机的“工质”。过程中过剩的气体会被抽走，可以运走或销售。

其中的关键在于，NetPower彻底摒弃传统的以水蒸气为工质的热能循环过程，选用全新的Allam循环过程。该循环利用特殊设计的小型汽轮机，在充满高温高压的超临界二氧化碳的燃烧室内，燃烧天然气与纯氧的混合气体。燃烧会产生额外的二氧化碳、水和很多热量。这些高温、高压混合物通过汽轮机，推动叶片产生电力。

混合气体通过汽轮机之后温度会稍有降低，它们随后会被分离。适量的二氧化碳被压缩到临界状态，再重新添加到初始的燃烧室内，这样系统就有稳定的气体循环。剩余的纯二氧化碳气体可以出售或者埋于地下。水蒸气可以凝结成干净的水。阿拉姆循环的热转换效率非常高，可以将80%的天然气能量转化为电能（大部分先进天然气电站只能做到60%）。

现有的天然气工厂用空气来燃烧天然气，空气是氧气和氮气的混合物。这些技术会排放出二氧化碳，这与氮气和残余的氧气分离起来很困难而且昂贵，这使得碳捕获对于传统发电厂来说是不经济的。NetPower利用新型工艺-氧燃料、超临界二氧化碳动力循环-解决了旧技术的成本障碍，该技术可高效生产电力。该系统用氧气燃烧天然气，而不是空气。此外，该循环不使用蒸汽，而是使用高压二氧化碳来转动涡轮机，实际上将二氧化碳问题转化为气候解决方案，同时运行的效率与当今大多数天然气发电厂相当。此外，该技术可以在没有水的情况下运行（但会少量降低效率）。该技术将成为未来经济型世界清洁能源的可靠基石。

NetPower的这项技术之所以重要，是因为迄今为止，为发电厂增加回收排放物的系统已经变得非常复杂和昂贵，极大地增加了发电成本。而NetPower预计，建成几座商业规模的发电厂之后，它的成本将低于标准天然气发电厂的成本。

这意味着该技术可为电网提供廉价、清洁和灵活的电力来源，和标准太阳能以及风力发电厂相比，更容易根据需求调整电量。这也是为什么能源研究人员密切关注这座价值1.4亿美元的示范工厂的原因，以及《麻省理工科技评论》为什么会将该工厂列为2018年10项突破性技术的原因。

这次首次点火基本上验证了NetPower新电力系统的基本可操作性和技术基础。同时，也验证了东芝燃烧器在商业规模上的运作。但是，我们仍需要证据证明，该发电厂能以商业规模实现经济运行。

源头创新难能可贵，但仍有障碍

中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员陈成猛曾对DT君表示，为使以天然气和煤炭等为燃料的火电厂更清洁环保，在现有技术体系通常是进一步增设二氧化碳吸附、脱硫脱硝、降灰等环保装置来实现。然而，这些手段大都是补救性质的，会增加发电成本和能耗，降低经济效益。NetPower公司则不然。在天然气发电领域，他们选择了源头创新，彻底摒弃传统的以水蒸气为工质的热能循环过程，选用全新的以高压高温超临界二氧化碳为介质的Allam循环过程。这样就从本质上解决了二氧化碳排放和氮氧化合物污染的问题，且回收的二氧化碳还变废为宝，可应用于采油或作为化工原材料等利用。

他认为，NetPower该技术发电综合效率更高，设施大幅简化，固定投资少，占地面积小。如果该技术成熟并实现产业化，将引领热力发电领域的技术革命，不仅对天然气发电意义重大，对煤电领域也有非常重要的参考价值。另外，该技术的突破还有望改变当前全球碳排放和碳交易的格局。

按照陈成猛的分析，NetPower估计存在如下工程技术难点：一、由于工质从水蒸气变成了二氧化碳，对装置的技术要求变化会很大，许多设备都需重新设计开发，其与工艺的匹配性还需进一步的中试和工业示范验证。二、由于燃烧气氛从空气改为纯氧，这就需要在前端增加空气分离装置，会增加一些固定投资和单位能耗。此外，由此带来的燃烧速度控制和安全隐患亦不容小觑。

事实上，NetPower公司是8RiversCapital，Exelon电力公司以及CB&I能源公司合作的产物。

NETPower总裁CharlieBowser对于此次点火成功表示：“这是一个需要我们的投资者付出辛勤工作和奉献精神的成果，我们的成就完全符合我们的期望。”

另一个好消息是，过去几个月，美国政府通过了《未来法案》（FUTUREAct），该法案为发电厂或化工厂捕获和储存的每公吨排放物提供了高达50美元的税收抵免。

碳捕获与封存

碳捕获与封存（carboncaptureandstorage,CCS）技术自20世纪70年代就已经存在。但由于技术复杂而且成本较高，直到最近，人们才开始考虑用CCS技术改善气候。虽然风能、太阳能等清洁能源越来越便宜，但全世界80%的能源仍然来自于化石燃料。2017年，全球碳排放再创新高，全世界削减排放的整体日期不得不再度延迟。时间对我们而言是奢侈的，如果按照能源转换的固有节奏，我们将无法实现巴黎气候协定的目标。CCS犹如一场及时雨，可以帮助我们免于灾难性的气候变化。

CCS技术可以应用到传统化石燃料电厂，比如美国的PetraNova项目和加拿大的”边界大坝”（BoundaryDam）。二者都是捕获燃煤电厂的排放物，每年总共可以捕获超过200万公吨二氧化碳。但它们在捕获排放物的同时，却牺牲了燃料的能量转化效率，从而使电厂成本增高。NetPower认为，阿拉姆循环的高转化效率足以弥补碳捕获过程所损失的能量。

然而，目前仅有17家大型CCS工厂投入运营，每年它们减少进入大气的二氧化碳少于4000万吨。这不足我们每年排放的400亿公吨的0.01％。NetPower以更长远的眼光看待未来，采用新方法来部署碳捕集技术，该技术可以彻底改变我们使用天然气发电的方式。

如果试点电厂能全面运营并输出电力（25兆瓦的额定功率），NetPower会在2021年将其功率扩大为300兆瓦。试点电站作为测试设备不会掩埋排放物，但未来的大功率商业电站会这样做。迪米格没有透露太多细节，但他说公司目前正与投资者与合作伙伴共同协商以达成目标。