探索用煤的新方法

來源:新浪財經訊
日期:2010/11/11

最新一期的美國《大西洋》月刊雜誌於2010年11月10日正式出刊，本期封面文章標題為“探索用煤的新方法”。文章認為，對信奉環境保護主義者而言，"清潔煤('clean coal')"是一種冒犯和刺激性的矛盾表述。

但至少在目前階段，滿足全球能源需求，在環境變化尚未發生不可逆轉的大災難之前，控制它的唯一方法是以各種更可忍受的方式繼續使用骯髒、烏黑和有毒的煤。已有的好消息是，新科技正使得新用煤方式成為可能。中國現在這方面是能源世界中的英特爾和谷歌。如果人們在嚴肅對待全球變暖趨勢，美國就應與中國合作，以在煤應用基礎上構建起更綠色的未來。否則，清潔能源革命會把美國甩在後面，並讓全球環境和美國經濟付出嚴重代價。

人類因從煤獲取能源而開採煤礦一直有惡名昭彰的危險。開採完後遺留的礦區變成為地球表面的傷疤。煤燃燒時排放的副產品不只是骯髒烏黑的煤煙和二氧化碳，而且還包含有毒的汞、鉛類重金屬。污染物中還帶有腐蝕性的氮、硫氧化物。由於煤的氫原子聚攏了更多碳原子，意味著煤比石油、天然氣和其他碳氫化合物有更高的碳氫比，因此，與其他大多數礦物類能源相比，煤在碳遺留上天生有更糟的性質。中、美兩國都是靠煤獲取能源的大國，兩國煤礦區景象也別無二致。

"清潔煤('clean coal')"在煤炭圈內只是一句廣告性質的口號，而環保運動人士卻視其為是一種有冒犯和刺激性的矛盾表述。然而，支撐"清潔煤"設想的兩種觀念都受到了中美兩國工商界、科學家和政府官員們的嚴肅對待。一種是要找到比現在危害程度更低、更可忍受的方式來利用煤。因無其他任何能滿足全球無可避免的能源需求的辦法，另一種觀念是煤只能以當前方式加以利用。

這不是一場針對所有能源形式的全部努力的大辯論，而是一場承認中國在面對現實，全力以赴地對煤的使用發起除碳(decarbonize)的努力，以及承認美國做同樣事情的困難。

根據測算，人類每年向大氣排放的二氧化碳約達370噸，且排放量還隨著人口，汽車，工廠和發電廠數量的增加而增加。25年前的全球排放量不足250億噸，而未來20年的排放量可能達500億噸。二氧化碳不是人類排放的唯一有溫室效應的氣體，它不僅影響大氣吸收和散髮熱的能力，而是使更多太陽能籠罩著，加熱地球，無法把熱反射回空間。大量的甲烷、一氧化二氮(nitrous oxide)，各種懸浮顆粒(aerosols)和其他排放物對產生溫室效果上也有很大影響。但因人類排放的二氧化碳最多，對環境影響持續時間更長，因此重點要放在控制二氧化碳排放上。

與10年時間即可消散的甲烷不同，進入大氣的二氧化碳持續的時間會延續數十年，甚至數個世紀。這意味著一旦二氧化碳排放量超過了自然生態系統所能吸收的程度，大氣中的二氧化碳濃度會持續增加。在瓦特發明蒸汽機車，即開始燒煤獲取能源之前，大氣中二氧化碳含量為每百萬個干縮空氣分子中約280個粒子(280 parts per million，ppm)。隨著歐洲和北美地區的工業化，這一指標達到300ppm的程度。

目前二氧化碳濃度指標等於或高於390，可能是近數百萬年來的最高程度。因每年排放370億噸二氧化碳，大氣中二氧化碳濃度未來每年會增加2ppm。

人們當前對環境惡化問題無爭議，存在的爭議主要涉及濃度更高的二氧化碳與未來環境變化，以及這種變化對今後的危害程度之間的精確關係。因全球氣候可能出現突變而造成的嚴重後果，參加環保討論的包括中、美兩國主要燃煤和發電企業領導人，都接受了溫室氣體排放是要迫切解決的問題的事實。今夏在舊金山舉行的美、中環境大會上，曾有電力企業的高管承認自己企業大量排放的事實和迫切希望改革的願望。

主要的不確定性涉及當二氧化碳濃度達到450ppm，或更高時究竟會產生怎樣的後果。特別是”正反饋 (‘positive feedback’)” 循環何時會出現，以及怎樣發生作用，讓環境變得更熱和影響溫度上升速度。若此情形發生，南北極地的冰雪會消融，夠反射太陽熱量的白色冰雪面積將變小，吸收熱量的深藍色大洋的面積會更大。

專家們認為，不斷增加的二氧化碳濃度極大地增加了人類生存環境惡化的嚴重可能性，即更多的嚴重和持續的熱浪襲擊、更多毀滅性的颶風和洪水，更多像千年一旱這樣嚴峻的乾旱氣候，致澳大利亞農業遭受重創，改變了厄爾尼諾現象模式，由此造成美國降雨模式發生變化。氣候變化還可能造成嚴重的海平面抬高，使紐約、上海、倫敦、荷蘭和其他有衛星城的大都市失去居住價值，對印度、孟加拉和其他一些地區的海岸線都市區造成不可估量損失。

以全球60億人口計算，當前人類每年排放370億噸二氧化碳意味著人均排放6噸多。但從平均數無法看到問題的實質。以美國為例，其年人均排放25噸，歐洲差不多11噸，日本略低於歐洲，而中國為8噸。總體上，因中國經濟更側重於建設和重型製造類，因此，它比歐美更強調使用能源。此外，中國建築物保暖和隔熱標準低，讓每一美元經濟?出比美國耗費更多燃料、電力和原始形態能源。但因中國整體生活標準不高，由此人均排放量不及美國的三分之一，而印度年人均排放僅3噸，不到中國的半數。像肯尼亞這類未工業化國家的排放量僅約1噸。

環境科學家在分析總結以上數據後認為，為穩定大氣中二氧化碳濃度，整個世界的平均排放應降至肯尼亞的水平，即美國的排放量要減少96%。數據還意味著美國談判代表在勸說擁有數以百萬計窮人的國家，放棄美國長期以來發掘財富的方式時所要面臨的外交挑戰。

據常因公出差到中國的美國杜克能源公司(Duke Energy Corporation)的首席科技官David Mohler的看法，表面上美、中年人均電力使用比達5:1，但中國近年新增的發電量都被出口企業消化掉，而非居民采暖、照明和家用電器等生活所用。美國人年人均使用13.6兆瓦小時電量，中國為2.6。據Mohler推算，若剔除出口工業用途因素，中國實際年人均用電量只有1.5兆瓦小時。

面對能源需求如此強勁的情形，人們自然想到清潔能源。一些專家建議進一步強調能源利用效率和進一步加大對自然環境的保護力度。一些人提出加大利用核能和增加使用天然氣一類快速見效的措施，另一些人在全力推動太陽能和其他可再生能源。

在普林斯頓大學提出的減緩碳排放倡議(Carbon Mitigation Initiative，CMI)中，"碳素梯尺('carbon wedge)"分析是針對相關問題解決方案的最佳說明。其假定為避免在未來50年內讓二氧化碳濃度達到500ppm，全球應共同每年減排260億噸二氧化碳。為達此目標，CMI提出了7個”穩定階梯(‘stabilization wedges’)”，每一階梯不足40億噸排放量的建議。一部份的40億噸排量通過各國的努力實現，另一部份通過可再生能源，剩餘部份則通過避免採伐森林和改變農業經營行為實現。所有做法最終會形成改善氣候的綜合效果。

然而，風能、太陽能和保護自然環境替代危害氣候能源的設想，並不能從根本上解決人類對能源的需求。從煤在能源比重可以看到，全球各國，特別是中、美這兩個最大能源消費國都大量採用燃煤發電，後者靠煤獲取能源的比重接近能源總供給的半數。美國用天然氣供應的能源比重為23%、核電20%、水電7%、其他形式能源占4%-5%。盡管最後一項值得關注，但即使此比重翻2-3倍，它們也無法滿足美國能源總需求。中國火電廠提供的能源比重比美國更高，估計至少在70%，三峽和其他水電站提供約20%能源，而天然氣、核電、風和太陽能所占比例很小。火電同樣也約占全球能源總供給的半數。美國人年均用電量需燒掉7500磅煤。

美國在1995-2008年間，來自太陽能的電力增長三分之二，風力發電量增長15倍。然而，火電廠同期提供的電力在相對數上卻比其他任何形式能源增長的更快。美政府數據顯示，煤電在以上時期內的增長量是風能的5.8倍，太陽能的823倍。美國去年的風和太陽能發電增長量巨大，但煤電增長仍是前兩種形式能源的7倍以上。

美國人了解中國企業製造太陽能電池板在世界上執牛耳，並常使用最初在美國開發成功的科技。但中國快速增長的太陽能電力系統提供的電力僅占中國能源總需求的1%。依照中美兩國當前火電提供能源的比重和能源總需求狀況，要大幅減少火電的能源形式是根本不可能的。

中國能源部專家認為，未來數十年內難以實現大幅減少電煤消耗。對中國火電廠用煤的唯一重大制約只有鐵路運輸體系的運能。此外，運煤車輛阻塞公路的場景在中國也是司空見慣。這也是中國為何要在未來10年投資800億美元，建設輕軌網絡的原因。這由此也為鐵路運輸煤進一步敞開了大門。因此，人們未來還要繼續忍耐使用煤所帶來的各種副作用。

人類之所以使用煤作為能源，是因其在自然界廣泛存在，且主要生存在美、俄、中、印4國境內。4國的總人口約占全球40%，煤儲藏量卻占全球60%以上。另外，煤的開採成本也遠低於其他形式能源。人類使用煤的更重要原因，是因為毀滅環境和對導致大氣中含碳濃度增加的間接成本不受制約，也不存在任何外在化的損害形式。有環保專家認為，因燒煤造成骯髒和污染仍未達到限制它使用的程度，所以它的成本才會如此之低。當美國和國際上都無制約燒煤的立法和多邊約定，骯髒和污染仍會繼續下去。正因為徹底改變能源基礎結構有違於現實，是需多年才能完成的，因此人們還將一如既往地繼續從煤獲取能源。

人類在上個世紀中有著各種發明創造，在醫學、電腦和通信系統、宇航和納米等几乎各領域上的科技都有重大突破，但唯獨在生產電力能源仍保留蒸汽機發明家瓦特所使用的技術：燃燒煤、石油和天然氣來加熱水，產生推動轉輪的蒸汽來發電。若從今往後的10年內，電廠能比今天的效率稍有提高，無疑將是一個巨大進步。當今最先進的，以超高壓和超高溫方式把燃燒效率最大化的"極超臨界('ultra-supercritical')"火電廠，充其量最多隻能把煤的48%的潛在能源轉為電能，其余部分則隨發熱而損失掉。"超臨界('subcritical')"電廠一般只有上世紀30年代的效率。因此代價最大和最先進的科技只是在改進，而不是突破，因突破意味著發電不再使用煤。

加州Lawrence Livermore國家實驗室的Julio Friedmann認為，風和太陽能會越來越重要，但很難讓這兩種能源形式占到能源總供應量的10%以上。他還指出，太陽光電池板能源轉換效率雖取得從25%提高到30%的巨大進步，但人們實在難以用太陽能電池作為煉鋼廠的能源。他認為至今最流行和最有效的發電方法還是用煤，且人們今後還會繼續下去。在不改變煤使用方式前提下也?不會有氣候改善，特別是美、中在煤使用方式上的進步。

改善使用煤的方式主要有兩個努力方向，一是在二氧化碳排向空中之前就捕捉住它，二是燒煤時降低二氧化碳排放量。前一個看來代價很大，因它需要對現有燃燒設備內部做改革，像一位中國電廠經理所言那樣，這樣做就如同把自己的住家裝修成宮殿一樣。而美國目前只有兩座經過改造的小規模類似火電廠在運行。

從火電廠開始建造之初就設計捕捉二氧化碳氣體裝置的確要比改造成本低很多。但用以處理、壓縮和解決被分離後的二氧化碳氣流的寄生負載的能源需求，將占火電廠總發電量的30%，甚至更高，所以，在發同樣數量電力情況下，電廠要燒掉更多煤。顯而易見，在無強制性排放限制或執行碳排放價格政策時，任何想要讓煤燃燒的更清潔的做法都會比傳統方式的成本高得多。美國金融和能源界人士因此現都對改變現狀無動於衷。

降低二氧化碳排放量的做法本質上更有效。煤在燃燒前經化學處理後，能產生含有更低碳成份的可燃性煙霧。這意味著需經過煙囪分離和儲藏的二氧化碳數量更少。

以上兩種方式的最後一步是處理被分離後的二氧化碳，以避免其向空中散髮。二氧化碳有大量的小規模商業用途，其中之一是軟飲料充碳。而大規模和長期性儲存碳的方法是將其注入可無限期收藏的地下多孔岩石地帶。它還可以迫使石油流出多孔的岩石方式，讓產油量逐漸減少的油井重新恢復原貌。

在探索改善煤使用方法上中國走在了世界的前面。杜克能源公司的David Mohler承認中國至今在此的進展很快，成效也很大，其學習解決問題的速度和能力在美無法實現。

一位在華工作的美政府官員表示，在美國獲得建設電廠的許可證需花10年，而在中國只需21個月就能完成了電廠建設。他還稱，人們可以把中國想象為巨大的科技應用實驗室。中國對能源的需求快速增長，因此它一直在增加發電量。從想法到應用，中國只需美國的一半時間，有時甚至是三分之一。美國有先進的想法，而中國有快速應用的能力。這正是兩國可以合作的地方。

中美在煤的利用上的合作對世界是個福音。兩國在合作中盡管存在分歧和爭執，但現在看來雙方似乎都在找出可繼續合作下去的途徑。雙方想法雖尚未公之於世，但它們在試圖解決世界性問題是值得重視和贊譽的。

Lawrence Livermore國家實驗室的Julio Friedmann稱，中國人令人印象最深刻的是，他們決心要做那些需要做的事情。中國想要成為世上首個最大的擁有可供出口的，最佳清除煤污染科技的國家。美國尚未展示出可比的決心，而美國最悲哀的外在表現似乎是對解決問題沒有深思熟慮，而且一直處於被動和次要地位，這反映出現代美國在公共事務上，沒有集中?人意志能力的結果。

中國雖在整體有很大弱點，但另一方面它又很有實力。相對而言，中國面臨的挑戰，讓美國面對的威脅看起來微不足道。中國應對能源挑戰，以及對解決使用煤帶來的不可避免的污染的現實問題的承諾，展示它在面對巨大問題時，擁有美國當前缺乏的認真態度。