點火成功!全球首座零排放發電站於美國誕生

點火成功!全球首座零排放發電站於美國誕生

 

 

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。中國目前天然氣約占總電力供應量的3%,截至2020年預計將占6.7%。現成又便宜的天然氣發出的電占美國總發電量的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」。

2018年《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術榜單。
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等科學媒體報導。

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「節能減碳」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迴圈過程,選用全新的 Allam 迴圈過程。該迴圈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。阿拉姆迴圈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迴圈 - 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,該迴圈不使用蒸汽,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迴圈過程,選用全新的以高壓高溫超臨界二氧化碳為介質的Allam迴圈過程。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,可應用于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,占地面積小。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 Powe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,阿拉姆迴圈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4,000萬噸。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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