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点火成功!全球首座零排放发电站于美国诞生

北极蚊子 2018-6-18 00:31

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”。

图 | 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 Net Power 的公司。上榜时,《麻省理工科技评论》认为,如果 Net Power 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,Net Power 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。

Net Power 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 Net Power 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,Net Power 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%)。

(视频https://www.youtube.com/watch?v=vFcbev1TkoU)

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。Net Power 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。

Net Power 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 Net Power 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 Net Power 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。Net Power 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,Net Power 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,Net Power 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,Net Power 公司是 8 Rivers Capital,Exelon 电力公司以及 CB&I 能源公司合作的产物。

NET Power 总裁 Charlie Bowser 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(carbon capture andstorage, 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 Petra Nova 项目和加拿大的”边界大坝”(Boundary Dam)。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。Net Power 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%。Net Power 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),Net Power 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。

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