点火成功！全球首座零排放发电站于美国诞生

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”。

▲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%）。

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。

编辑：顾军

责任编辑：李雪林

来源：DeepTech深科技