煤炭的難題 - 國家地理雜誌

我們會繼續燃燒煤，並且不經任何處理就將碳排放到空氣中嗎？還是會找到方法把碳捕集起來，就像處理化石燃料中的硫和氮一樣，然後儲存於地下？ 煤炭的難題-國家地理雜誌中文網 https://www.natgeomedia.com/environment/article/content-4529.html?utm_source=natgeomedia&utm_medium=article&utm_content=Share_4529 請先登入 登入 科學與新知 環境與保育 歷史與文化 探索與冒險 旅遊 主題企畫 會員專區 會員中心 電子雜誌 特刊 相關連結 雜誌訂閱 最新書訊 活動 大石商城 少年科學俱樂部 全站搜尋 電子雜誌搜尋 AD 首頁 環境與保育 文章總匯 不錯過任何知識訊息，立即加入國家地理官方Telegram 防疫期間遠端工作，請利用客服信箱聯繫。

Apr. 01 2014 煤炭的難題 煤炭的難題 1 撰文：蜜雪兒・奈赫斯MichelleNijhuis   環保人士說，乾淨的煤根本就是神話。

這當然沒錯。

只要看看西維吉尼亞州就知道了：為了開採底下的煤礦，阿帕拉契山的一座座山峰被剷成了凹谷，溪裡流著橘色的酸水。

或者看看北京市中心：這年頭北京的空氣常常比機場的吸菸室還要汙濁。

中國的空氣汙染大部分是燃燒煤炭造成的，據稱每年造成上百萬人過早死亡。

除此之外，中國和世界各地每年還有數以千計的礦工死於礦坑意外。

  這些問題早就不是新聞了。

17世紀末，也就是威爾斯和諾森柏蘭郡出產的煤礦點燃英國工業革命第一把火的時候，英國作家約翰‧伊夫林就曾抱怨瀰漫在倫敦的煙霧「又臭又黑」。

三個世紀後，一層濃密的煤煙在1952年12月籠罩倫敦，滯留了一整個週末，結果引發一場呼吸道疾病大流行，在接下來的幾個月內造成多達1萬2000人死亡。

美國城市也歷經過類似的悲劇。

1948年10月的某個週末，在賓州小鎮多諾拉，正在觀賞一場高中足球賽的群眾突然發現他們既看不到球員也看不到球：原來是附近一座燃煤煉鋅廠飄來煙霧，遮蔽了球場。

接下來幾天內，共有20人死亡，全鎮近一半的人口、也就是六千多人生病。

  若借用經濟學家的委婉說法，煤具有很強的「外部性」――也就是轉嫁給社會的昂貴成本。

它是我們所擁有最髒、最致命的能源。

但根據大部分的評估方式，它也是最便宜的，我們都依賴它。

因此今日的主要問題不在於煤究竟能不能成為「清潔能源」。

它不能。

問題在於能否將它的汙染性降得夠低，以避免地方災害與全球氣候劇變。

  去年6月一個悶熱潮溼的日子，歐巴馬總統在華盛頓特區針對氣候變遷發表了演說。

自他於2009年首次就職以來，美國的煤礦及電力產業就一直擔憂著這件事，環保人士則是殷切盼望。

歐巴馬宣布，美國環保署將在2014年6月起草新的法規，以「中止我們（美國）的發電廠無限制地排放碳汙染物」。

這些法規將會納入多諾拉小鎮那次環災所協助催生的《清潔空氣法案》。

拜這項法案之賜，美國發電廠排放的二氧化硫、氮氧化物以及煤煙粒子已經大幅減少。

但全球暖化的主因：二氧化碳問題，規模卻比這大得多。

  2012年，全球因燃燒化石燃料所排放的二氧化碳量創下345億公噸的紀錄。

其中煤是最大的貢獻者。

近年來因為有廉價天然氣的緣故，美國對煤的需求已經降低，但在世界其他地方（尤其是中國），煤的需求量都節節攀升。

往後的20年裡，全球將會有數億人第一次獲得電力，而若依照目前的趨勢，這些人使用的電將大部分來自燃煤。

即便以最積極的方式推動替代能源和節能意識，也無法讓煤被取代――至少短時間內不可能。

  北極融化的速度、海平面上升的高度、熱浪的強度――我們不確定的未來包含了這些因素，而這些因素都取決於全世界使用煤的方式，尤其是美國和中國。

我們會繼續燃燒煤，並且不經任何處理就將碳排放到空氣中嗎？還是會找到方法把碳捕集起來，就像處理化石燃料中的硫和氮一樣，然後儲存於地下？   「我們必須全力推動再生能源與能量效率，並且減低燃煤的碳排放量，」專精於碳儲存法的史丹佛大學研究員莎莉‧班森說。

「我們必須找到很多方法，並且多管齊下――現在已經不能只從一、兩種方法中去選擇。

」碳的問題就是這麼嚴重。

  美國電力公司的「登山家發電廠」位於西維吉尼亞州新哈芬市的俄亥俄河畔，每小時都吞下超過45萬公斤產自阿帕拉契山的煤。

這些煤都是剛開採出來就以駁船運來，或是用輸送帶從馬路對面的礦坑直接送過來。

一進入發電廠，高爾夫球大小的煤塊就被磨成細如蜜粉的煤灰，然後吹進世界最大的鍋爐之一的爐膛――這爐膛是個鋼箱，大到可以輕鬆裝下自由女神像。

發電廠內的三個蒸氣渦輪漆著藍底白星，夜以繼日地為美國七個州的130萬用戶提供電力。

這些用戶以每度電（即1千瓦時）約0.1美元的價格（差不多每月台幣3400元）驅動著一般家庭使用的冰箱、洗衣機、乾衣機、平板電視、智慧型手機，電燈就更不用說了。

誠如登山家發電廠經理查理‧鮑爾常說的：即使是環保人士也喜歡開著燈。

  然而，用戶跟美國電力公司（AEP）都不必花一毛錢，就可以經由登山家發電廠那座305公尺高的煙囪，每年將600到700萬公噸的二氧化碳排放到大氣中。

這就是問題所在。

人們之所以毫無限制地排放碳，是因為這麼做在大多數地區都不用錢，而且截至目前為止，美國也還沒有任何法律禁止這種行為。

其實，在2009年夏天，美國眾議院已經通過了一項法案，看起來有機會通過制訂這樣一條法律。

AEP決定趕在法案通過前採取行動，這一點值得肯定。

  那年10月，在鮑爾的監督下，登山家發電廠展開了開創性的碳捕集實驗。

鮑爾說他的工作原本很簡單：「我們就是燒煤、製造蒸汽、讓渦輪運轉。

」但進行實驗時，事情就比較複雜了。

AEP在發電廠後側加蓋了一座化學工廠。

登山家發電廠大約1.5%的排煙經由這座工廠冷卻，導入會吸收二氧化碳的碳酸銨溶液中。

然後這些二氧化碳再經強力壓縮，注入俄亥俄河岸下方超過1.5公里深處的多孔砂岩層內。

  這個系統是有效的。

接下來兩年內，AEP捕集並儲存了超過3萬7000公噸的純二氧化碳。

這些二氧化碳仍然深埋地底，沒有逸散到大氣中。

這個數字僅占登山家發電廠排放廢氣的0.25%，但這只是個開始。

AEP打算擴大計畫，捕集登山家發電廠四分之一的廢氣，也就是一年150萬公噸的二氧化碳。

該公司已經同意投入3億3400萬美元，而美國能源部也允諾給予同額的補助。

但這項協議能否付諸實行，得看AEP的投資是否能夠回收。

氣候變遷立法在參議院遭到否決後，州政府的事業管理單位就告訴AEP，說他們不得為法律尚未要求的技術向用戶收費。

  AEP於2011年春天終止了這項計畫。

錯綜複雜的管線、幫浦和水槽被拆除了。

登山家發電廠這套系統規模雖小，卻是世界第一套能直接從燃煤發電廠捕集並儲存二氧化碳的系統，而且吸引了數以百計來自世界各地的好奇訪客，包括中國人和印度人。

「這個處理程序確實有效，我們也教育了很多人，」鮑爾說。

「但是，唉，還得再有另一次突破，才值得我們這樣做。

」最重要的是法規上的突破（例如歐巴馬去年夏天所承諾的），但技術上的突破也會有所幫助。

  對批評者來說，捕集碳並將之儲存或「隔離」在地下的多孔岩層裡，聽起來就像某種高科技的天方夜譚。

但美國能源部在過去30年內已經斥資65億美元研發並測試這種技術。

而過去四十多年來，石油工業也不斷將壓縮過的二氧化碳打入枯竭的油田底下，藉此把困在地底的殘餘石油逼到地表。

在加拿大的大平原區，這種做法已經變成了世界規模最大的地下碳儲存行動之一。

  自2000年起，北達科塔州一座專門把煤轉化為合成天然氣的工廠已經捕集了超過2000萬公噸的二氧化碳，經由管線送到北方320公里處的薩斯卡其萬，然後加拿大石油公司「山諾威斯能源」再將這些二氧化碳注入威伯恩和米岱爾油田深處。

這裡曾經是一片遼闊的產油區，在1960年代達到鼎盛。

每1公噸的二氧化碳可以從儲油岩內溶出2至3桶原油，之後這些二氧化碳再被重新打入儲油岩內儲存。

它們就這麼靜靜躺在地下將近1.5公里深處，封存在一層層不透水的頁岩和鹽之下。

  能封存多久？某些自然沉積的二氧化碳已經在原地靜置了數百萬年之久，事實上有些二氧化碳還被開採出來賣給石油公司。

但二氧化碳如果突然大量釋出，可能對人類和動物造成致命危險，二氧化碳高度集中在某個封閉空間裡時更是如此。

截至目前為止，受國際能源署監控的威伯恩還沒有傳出大量外洩事件；世界其他幾個大型的二氧化碳儲存場也一樣。

科學家認為，災難性外洩的可能性微乎其微。

  他們比較擔心的是長期的少量外洩，因為這將會使整個計畫失去意義。

史丹佛大學的地球物理學家馬克‧佐貝克與史蒂芬‧高利克認為，儲存場的岩層如果質脆且有斷裂（根據他們的看法，多數儲存場都如此），那麼注入二氧化碳可能會引發小地震，而即使地震沒有引發其他災害，也可能造成上方的頁岩斷裂，讓二氧化碳逸散出去。

佐貝克和高利克認為碳儲存是一項「極其昂貴且高風險的策略」。

但即使是他們也同意，碳可以有效地儲存在某些地點，例如北海的史萊普納天然氣田。

過去17年來，挪威國家石油公司每年都把大約100萬公噸的二氧化碳灌注到海床下近1公里深處、飽含鹽水的一片砂岩層內。

那片岩層的空間非常大，即使灌了那麼多二氧化碳進去也沒有提高它的內部壓力，而且沒有地震或外洩的跡象。

  歐洲研究人員估計，北海底下可以儲存全歐洲發電廠運作100年所排放的二氧化碳。

根據美國能源部的說法，美國地底也有類似的「深部鹽水層」，足以儲存全美發電廠運作超過1000年產生的二氧化碳。

其他種類的岩石也有封存碳的潛力。

例如冰島和華盛頓州哥倫比亞河盆地就正在進行實驗，將少量的二氧化碳注入火山玄武岩內。

根據預期，二氧化碳會跟玄武岩內的鈣與鎂起反應，形成碳酸鹽岩――這麼一來就不會有氣體逸散的風險了。

  挪威國家石油公司注入史萊普納天然氣田的二氧化碳不是燃燒的產物，而是他們從海床鑽取的天然氣所含的不純成分。

把天然氣送到用戶家中前，公司必須先把裡頭的二氧化碳分離出來，他們過去都直接把它排到大氣中。

但挪威自1991年開始徵收碳稅，目前的稅率大約是每公噸65美元。

挪威國家石油公司只要花每公噸17美元，就能將二氧化碳再次注入海床底下。

因此在史萊普納，碳的儲存比排放便宜得多，這就是為什麼挪威國家石油公司會投資這項技術。

它的天然氣事業仍然獲利極佳。

  燃煤發電廠的狀況就不同了。

二氧化碳是從煙囪排放的混合廢氣的一部分，而電力公司並沒有捕集它的經濟誘因。

正如登山家發電廠的工程師所發現的，在任何碳的捕集儲存計畫中，捕集都是成本最高的一環。

登山家發電廠的二氧化碳吸收系統有一棟十層樓公寓那麼大，占地5.6公頃――而且捕集的還只是發電廠碳排放量的極小一部分而已。

吸收劑必須加熱才能釋出二氧化碳，二氧化碳還必須經過高度壓縮才能儲存。

這些能源密集的程序製造了工程師口中的「寄生負荷」：如果要把一座燃煤發電廠排放的碳全部捕集起來，可能會消耗掉總能源產量的30%。

  降低這個高昂損失的一個辦法是在燃燒煤炭之前先將它氣化。

氣化可以提高電力生產效率，並且讓二氧化碳能夠以更簡單、更便宜的方式被析出。

美國密西西比州肯珀郡有一座興建中的發電廠，由於在設計時就考慮到要能夠捕集碳，因此這裡的煤炭將會先經過氣化。

已經在運轉中的發電廠通常是為燃燒粉煤而設計的，所以必須另覓出路。

有一個構想是用純氧而非一般空氣來燃燒煤炭。

這樣產生的煙道氣成分比較單純，要析出二氧化碳也比較容易。

在位於西維吉尼亞州摩根鎮的美國能源部國家能源技術實驗室，研究員吉歐‧李察茲正在研發這種技術的進階版。

  「來瞧瞧我們的新玩意兒，」他說，一邊縮起肩膀抵擋阿帕拉契山區冬天的寒意，一邊輕快地走向一座白色的大倉庫。

裡面的工作人員正在組裝一座五層樓高的鷹架，以便進行一項「化學迴圈」實驗。

李察茲解釋：以空氣製造純氧本身就是一件很昂貴的事，所以他的程序是用鐵之類的金屬捕捉空氣中的氧，再送到燃煤的地方。

理論上，化學迴圈可以大幅削減捕集碳的成本。

李察茲已經花了超過25年研究如何更有效率地捕集碳。

對他而言，這個工作本身就是回報。

「我就是那種喜歡把基礎物理變成科技的怪人，」他說。

但幾十年來，看著政客和大眾連氣候變遷究竟是不是個問題都要爭辯，他有時的確會懷疑自己研究的解決方案是否真有派上用場的一天。

相較於一座真正發電廠的需求，他試驗中的碳捕集系統小得不成比例。

「做這一行，非得是個樂觀主義者才行，」他說。

  在今日的西維吉尼亞州，隨著美國發電廠紛紛改用天然氣，有上百年歷史的煤礦場也一一關閉。

在美國，由於天然氣價格逼近歷史低點，煤炭彷彿已是過時的燃料，因此投資發展先進的煤炭技術就算不顯得愚蠢，也顯得是力氣用錯了地方。

但在中國的榆林市，人們的看法卻不一樣。

  榆林是陝西省最北的市，坐落在內蒙古的鄂爾多斯盆地東緣，若從北京出發，必須往內陸走過塵土飛揚的800公里路。

鐵鏽色的沙丘包圍著一棟棟空無一人的嶄新公寓，沙礫溢出了公路旁的擋土牆，飄送到街道上成為一陣陣塵雲。

榆林和它的300萬居民缺乏雨水及綠蔭，夏季酷熱、冬季嚴寒。

但這個地區坐擁豐富的礦藏，包括中國蘊藏量最大的幾個煤礦場。

在這裡，煤似乎是代表進步的燃料。

  榆林市周圍的沙質高原上矗立著一根根燃煤發電廠的高聳煙囪，龐大的煤炭處理廠以及駐廠員工的宿舍在沙漠上綿延數公里。

穿著工作服的年輕男女在新的燃煤發電廠裡忙進忙出。

中國有大約80%的電力來自燃煤，但煤的用途並不止於發電。

由於當地煤礦藏量如此豐富，它也被用來製造數十種工業用化學品和液態燃料，這個用途在其他大多數國家都靠石油來滿足。

在中國，煤是從塑膠到嫘縈等各式產品中的關鍵成分。

  煤炭也使中國成為全世界二氧化碳總排放量最高的國家，雖然就人均排放量而論，美國還是遙遙領先。

中國不打算減少煤的使用量，但比起過去，他們已經警覺到其中的高昂代價。

有將近20年中國經驗的加州大學聖地牙哥分校環境政策研究員黛博拉‧塞利克松說：「過去十年內，中國的環境問題已經從不在討論範圍內躍升為優先討論事項。

」由於空氣品質引發民怨、政府對氣候變遷風險的意識提高、加上渴望獲得能源安全與科技優勢，中國已經投入數千億美元研發再生能源。

如今中國已是風力機和太陽能板的頭號生產國之一，榆林市周圍的煙囪之間散布著巨大的太陽能電廠。

但中國也在推動超高效能的燃煤發電，以及更簡便、更低價的碳捕集措施。

  這些努力不但吸引了外資，也招來了外國移民。

中國國營的神華集團是全世界最大的煤礦公司，集團下的北京低碳清潔能源研究所直到不久前還由美國人J‧麥可‧戴維斯主持。

戴維斯說他是受到中國政府改善空氣品質與減低二氧化碳排放量的「堅定承諾」所吸引才會來到中國。

「若想對減低排放量造成最大影響，就到排放量最大的地方去。

」   阿米那能源環保技術公司的創始人威爾‧拉塔是移居北京的美國人，與中國的電力公司合作密切。

「中國擺明了說：嘿，煤很便宜，我們煤很多，替代能源的生產規模還要幾十年才能追得上，」他說。

「但同時他們也了解到，這在環境上是無法永續的。

因此他們投入大筆資金讓燃煤發電變得比較乾淨。

」中國第一座打從一開始就為捕集碳而設計的發電廠預定於2016年在天津啟用。

這座電廠取名「綠色煤電」，終極目標是要捕集80%的排放量。

  去年秋天，正當全球的煤消耗量與碳排放量都即將突破新高之際，政府間氣候變遷委員會（IPCC）發布了最新報告，首度估算出地球的「碳排放預算」――也就是如果我們不希望氣溫升高超過攝氏2度，最多可容許的碳總排放量；攝氏2度是許多科學家認定的門檻，超過它就會發生嚴重災害。

碳排放量的計算從19世紀工業革命的蔓延開始。

IPCC總結指出，我們目前排放的碳已經超過預算的一半。

若依現況發展下去，我們不到30年就會達到上限。

  想用碳捕集的方式改變現狀將是浩大的工程。

光是想捕集並儲存目前世界十分之一的排放量，就必須把和我們目前抽取的石油差不多體積的二氧化碳注入地下。

這需要許多的管線和灌注井。

但若想靠以零排放量的太陽能板取代煤炭來達到同樣的減碳效果，就得用太陽能板覆蓋近2萬720平方公里的土地（約為台灣面積的60%）。

所有的解決方案都是大工程，因為問題很大――而我們每一種方案都必須動用。

  「如果這個問題可以靠減少5%到10%的溫室氣體排放量來解決，那麼我們根本用不著談碳的捕集和儲存，」卡內基美隆大學的愛德華‧魯賓說。

「但我們談的是在未來三、四十年內將全球的排放量減少80%左右。

」碳捕集具有在短時間內大幅減低排放量的潛力：例如，光是捕集一座發電量1000百萬瓦的燃煤發電廠的二氧化碳，效果就相當於讓280萬人從小貨車改開豐田Prius（油電混合車）。

  美國第一座為捕集碳而設計的發電廠預計在今年年底啟用。

密西西比州東部的肯珀郡煤氣化廠會捕集該廠超過一半的二氧化碳排放量，輸送到鄰近的油田。

這項受美國能源部部分補助的計畫一方面飽受預算超支之苦，一方面受到環保人士與反對政府過度支出者的兩面夾擊。

但密西西比電力公司誓言堅持下去。

公司領導人說這家發電廠燃燒的是褐煤，而且產生的二氧化碳已有現成市場，有助於抵銷率先使用新科技的高昂成本。

  然而，政府若沒有透過徵收碳稅或直接限制排放量來強制要求，這種技術就不會普及。

「碳捕集必需靠法規推動，」美國能源部太平洋西北國家實驗室的研究員詹姆士‧杜利說。

如果美國環保署能在今年實踐歐巴馬總統的承諾，立法管制既有及新建發電廠的碳排放量（而且這些法規還能不被訴訟的挑戰擊倒），那麼碳捕集便能盼來期待已久的強心針。

  在此同時，中國已經開始在某些地區試行一種比較有利消費者的策略――這種做法美國已率先嘗試過。

1990年代，美國環保署根據《清潔空氣法案》限制發電廠的二氧化硫總排放量，並發出可轉賣的「汙染許可」給各個汙染製造者。

當時，電力業者預言這種做法會引發災難性的經濟後果。

反之，這個策略催生了創新而且愈來愈便宜的技術，也讓空氣品質明顯改善。

魯賓說，碳捕集系統現在所處的階段，就和1980年代的二氧化硫捕集系統差不多。

一旦排放限制為這些系統創造出市場，它們的成本也可能跟著大幅降低。

  這一切就算成真，煤也依舊不會是清潔能源，但它卻會比今日乾淨許多。

而比起繼續用骯髒的老方法燃煤，這些努力也會讓地球涼快一些。

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