得克萨斯州休斯敦附近的电厂原型正在测试一种零排放技术，其设计目的是与传统化石电能竞争。
图片来源：CHICAGO BRIDGE & IRON
在美国得克萨斯州休斯敦能源枢纽和墨西哥湾之间横亘着一个不规则伸展的石油城：其中有大量的精炼厂、储油罐、电线和烟囱，这些设施都致力于将化石能源变成美元。它们正是休斯敦地区比美国任何其他地方排放的CO2都多的原因。
但在这个CO2热区的东部，一家新化石燃料电厂展示了弥补休斯敦超量温室气体足迹的潜在方法。这个设施看起来与之前的设备一样，占地相当于两个美式足球场的面积，充满了蜿蜒的管道和泵。它有一个涡轮机和燃烧室，但它不需要一样东西：烟囱。
零排放化石能源发电厂听起来有些矛盾。但当这个25兆瓦的示范厂在今年年底点火之后，它将在纯氧气中燃烧天然气。其结果是大量几乎纯粹的CO2，可以被抽走储存在地下或是灌入耗尽的油田中以产生更多油，这一过程叫做提高原油采收率(EOR)。这些方法可以让CO2从大气中分离出来。
悸动的心
将CO2从大气中分离出来一直是碳捕集和封存(CSS)策略的期望，气候专家认为，如果全世界要限制气候变化，那么这一策略非常必要。但与传统化石能源发电厂绑定在一起的CCS系统很难启动，因为CO2仅构成其废气的一小部分比例。捕集CO2可消耗一个发电厂多达30%的能源，从而抬高电价。
尽管如此，支持这个新发电厂的创业公司——NET Power表示，它希望能以每千瓦时约0.06美元的价格生产零排放的电。这大约相当于最先进的天然气电厂的电力成本，而且比大多数可再生能源价格更低。其能效的关键是一个新的热力循环系统，用CO2交换传统发电厂中驱动涡轮机的蒸汽。
这个方案由一个看似不可能的三人组—— 一位退休的英国工程师和两名对日常工作感到厌倦的技术极客开创，它即将迎来一次更大的测试。NET Power表示，如果原型能够符合期望，那么它将继续推进一个全面的、300兆瓦的发电厂——足以为超过20万户家庭提供电能，这个发电厂计划斥资3亿美元在2021年启动。该公司和CCS专家均希望这项技术能够扩展，“如果能够100%实现目标，那么它将是游戏规则改变者。”伊利诺伊州卡本代尔环境非营利组织清洁空气任务组织碳捕集专家John Thompson说。
今年62岁的NET Power首席执行官Bill Brown从未想过重塑能源市场。10年前，在纽约市做并购交易律师的Brown为摩根士丹利投资公司制定金融交易策略时，揣着一颗悸动的心，给旧时麻省理工学院的同窗好友、当时在科学应用国际公司(SAIC)工作的化学家Miles Palmer打电话，提议“一起为改变做点事”。2008年，在美国经济不景气的形势下，他们辞职在北卡罗来纳州达勒姆创建了一个名为“8河”的技术孵化器。
他们需要孵化一点东西，并打算在能源领域做点事。一开始，他们通过海藻制造生物能的尝试未取得成果。随后在2009年，奥巴马政府的刺激政策在“清洁煤炭”项目上提供了数十亿美元的拨款，以减少煤炭CO2的排放。Palmer知道，在全球范围内，煤炭并不会立即停止使用，而且它对气候存在威胁。“我想要解决这个问题。”他说。
“敌人”变“盟军”
清洁煤炭并不容易。煤炭释放的碳污染是天然气的两倍，而且CO2还构成了传统煤电厂14%的烟道气。然而，煤炭量大且价廉，在此之前关注其CO2排放的人并不多。整体上，仅有38%的煤炭能源在生成电。“其他能源都被浪费了。”Brown说。
低能效使得公用设施转而使用天然气。尽管如此，Palmer依然聚焦煤炭这个气候变化的大问题。Palmer和Brown希望进一步提高能效。2009年，他们联系了英国工业巨头欧洲航空产品研发部门的化学工程师Rodney Allam，聘请其担任顾问。受到上世纪30年代俄罗斯研究的启发，Allam觉得自己看到了彻底重塑陈旧的蒸汽循环的机会。他想，忘掉锅炉吧，可以用CO2本身来驱动一切，将“敌人”变成“盟军”。“你能够向前推动的唯一方法是开发全新的电力系统。”Allam说。
Allam设想CO2在一个回路中循环流通，即在气体和超临界流体之间循环。在高温高压下，超临界CO2会像气体那样填满一个容器，但却会像液体那样流淌。
在Allam的布雷登循环(或称气涡轮机循环)中，CO2被压缩到300倍大气压(相当于海洋中3000米深度的压力)。然而，燃料被点燃将CO2加热到1150℃，这会使其变为超临界态。在CO2驱动涡轮机之后，气体的压力会下降，它会再次变回正常的气态。CO2然后重新被加压并回到该回路的最前端。仅有极少量多余的CO2(确切地说相当于燃烧燃料生成的量)被分流到一个管道中排走。
Palmer和Brown把Allam的循环作品送往美国工程企业巴威公司，以了解该系统能否在工业层面运行。“他们送来的有好消息也有坏消息。”Brown说。不利的一面是，Allam循环至少在一开始很难脱煤，因为煤炭首先需要被转化成一种合成气体，这会增加成本。而且，合成气体中的硫和汞也需要从废气中被过滤出来。其有利的一面是，工程师发现该技术能对天然气起作用，因为天然气可以直接燃烧而不产生多余的污染。
Brown和Palmer放弃了赢取政府清洁煤炭拨款的机会。相反，他们为了更大的荣誉而寻求私人投资：通过碳捕集改革能源产出。到2014年，8河已经从爱克斯龙电力公司和芝加哥桥梁钢铁公司获得了1.4亿美元的资助，现在这两大行业巨头共同拥有NET Power示范发电厂。2016年3月，该公司位于休斯顿外的小型试验厂起锚了。
“这是碳捕集领域最大的一件事。”麻省理工学院化学工程师、碳捕集专家Howard Herzog说，“它在理论上非常合理。我们很快将能看到它能否在现实中起作用。”
时间所剩不多
该系统的挑战之一是新的涡轮机，它需要在剧烈温度和压力下工作。2012年，NET Power与日本东芝集团签订协议，重组其中一个高温蒸汽涡轮机，使其可以运行超临界CO2，这需要改变涡轮叶片的长度和角度。东芝还设计了一个新燃烧室，从而在大量热临界CO2中混合与燃烧少量氧气和天然气，这个问题就像在用灭火器灭火的同时，设法让火燃烧。
重组后的燃烧室和涡轮机在2013年进行测试，并于2016年11月被运送到示范工厂。现在，它们正在与该设施的其他组件融合，该发电厂在今年秋季将产能提升到满功率运行之前正在进行初步测试。“我100%相信它能够起作用。”Allam说。
Brown说，若真如此，NET Power将具有鼓励市场广泛采用该技术的优势。首先，不像来自天然气井的常规来源的CO2，来自电厂的CO2已经压缩，可以随时被注入地下提高原油采收率。
另一个优势是该电厂的规模。不仅热转换器更小、比大锅炉造价更低，其他很多构件也是如此。例如，25兆瓦的超临界CO2涡轮机相当于等价汽轮机体积的约10%。整体看，NET Power发电厂有望相当于同等先进的碳捕集煤电厂面积的1/4。这意味着更少的钢筋、混凝土以及更低的成本。“对于很多CCS项目来说，前期成本是巨大的。”加州劳伦斯利福摩尔国家实验室碳捕集专家Julio Friedmann说，“避免这些成本非常重要。”此外，不同于没有碳捕集的天然气电厂，NET Power将能够出售CO2用于EOR。
即便NET Power的技术像广告的那样，也并非所有人都会相信它。尽管如此，依然有专家看到了它的另一个优势所在。作为一种零排放的选择，NET Power将会让社区部署更多的可再生能源，而不需要加入脏负荷来源。加州旧金山自然资源保护委员会环境政策分析专家George Perida说：“无碳化石燃料电能甚至会让可再生能源部署更加积极。”
这正是Allam想要提高的一个能源组合。“我没有敲打可再生能源，但单靠其自身不能满足未来的电力需求。”他说。作为政府间气候变化专门委员会的一名长期委员，Allam说，对全世界和他本人来说，解决碳污染的时间所剩不多。“我现在76岁了。”他说，“我需要尽快地做这件事。”
