https://www.scientificamerican.com/article/can-natural-gas-be-part-of-a-low-carbon-future/

天然气「零碳」计划

庞大的天然气基础设施可能阻碍能源系统去碳化,但我们也可以想办法让天然气成为成为未来清洁能源的一部分

「天然气是踏入无碳未来的过渡燃料」是 2010 年代中期常听见的说法。在零排碳的未来,能源将完全来自太阳能、风力和其他再生科技,不再排放二氧化碳加剧气候变迁。但如果天然气确实是过渡燃料,代表它不在长期规划中。一旦我们建造了输送这些过渡燃料的基础设施,就可能要长期使用下去。

近 15 年来,美国天然气使用量增加了 1/3。天然气占能源总消耗量的 32%,是现今全美最大的电力来源,大致已取代了燃煤火力电厂。天然气的主要成分是甲烷,燃烧造成的污染比煤炭少得多,而且可为较不稳定的风力和太阳能发电提供即时备援。这样听来似乎相当不错,但燃烧天然气仍然会生成二氧化碳。油井和管线中的甲烷可能泄漏到大气中,加剧全球暖化。而且等到燃煤电厂全部停用后,燃气电厂将成为最不环保的电力来源。

为了减少排放二氧化碳,我们必须尽快让能源系统脱碳。建造更多风力和太阳能发电的成本不高、速度又快,而且可加速燃煤电厂退场。但如果选择强风吹拂的平原和艳阳高照的沙漠这类理想场址,就必须建造范围辽阔的输配电网,把电力输送到大城市和生产基地。这些电缆和电杆可能在气候变迁造成的风暴、洪水和火灾中遭逢危险。此外城镇居民也接连反对扩建计划,只要「别在我家后院」就好。天然气基础设施几乎完全地下化,比较不容易受气候影响。美国的天然气管线总长约 500 万公里,几乎遍布本土 48 州所有大城市地下。这些压缩机、气槽和储存地窖等基础设施总值高达数兆美元,电厂本身也价值数千亿美元;将近 7000 万天然气用户拥有暖炉、热水器和炉具,总值超过 1000 亿美元。这些沉没成本(sunk cost)的五倍大约相当于全世界的总值。天然气与运输、住宅(暖气和烹煮)和工业(供热及生产化学物质的原料)等社会各界的关系,也比其他能源更错综复杂,因此更难取代。

美国天然气用量庞大天然气占美国总能源消耗量的 32%,仅次于石油,而在美国总发电量中占 31%,是所有能源之冠。此外它也和制造业、商业和住宅关系密切,可用于工业热源和化学原料、暖气和热水器、烹煮以及电力等。燃烧天然气会排放二氧化碳,气井和管线也可能泄漏甲烷,使气候暖化。因此要缓解气候变迁,让整个天然气系统脱碳,并阻止泄漏将十分重要。

一旦这些基础设施使用年限届满,就必须更换,也会造成目前使用者的财务损失,因此他们会尽可能拖延。新技术可能造成纳税人、用户和房屋持有者的经济负担,所以他们也会尽可能拖延。增加电力供应无法满足货车、船舶和飞机对液态燃料的需求,也无法满足生产金属、水泥、玻璃、喷射燃料和化学药剂的工厂、酒厂和炼油厂对高热的需求。液态燃料的能量密度明显高于其他能源。如果能减少天然气系统中的碳排放,就可让它脱离过渡角色,一起迈进碳中和的未来。目前已经有技术可除去碳或转化天然气,使碳输出和碳输入的相差极少或完全抵消。

美国能源基础设施全面脱碳计划的第一步,是改善能源效率和减少用量。第二步是让汽车、暖房器具、热水器和炉具尽可能电气化,改用再生能源,同时防止天然气基础设施发生泄漏。尽可能以生物沼气(biogas)、氢气和合成甲烷取代天然气,或在天然气管线终端以高温裂解法除去其中的碳。洁净能源倡导者担忧投资天然气基础设施可能造成锁定效应,这有其道理。每家新电厂、管线或储气槽的预期使用年限大多是 25–80 年,所以每项设备都可能延长使用而产生更多碳排放或成为闲置资产。但我们可用天然气的直接替代方案来解决锁定效应:低碳气体可用于现有的管线、气槽和电厂,充分运用于这些价值数兆美元的资产。

零碳天然气

现成的最直接替代方案是生质甲烷,也就是以生物来源制造的甲烷气体。大型圆桶内的厌氧消化菌可分解农作废弃物、粪肥、污水和厨余,以及掩埋场的其他垃圾,进而产生甲烷。已经成熟的生物分解技术可把掩埋场的污水和邻近密集动物饲养场所的化粪池从环境负担转化成有价值的商品,为地方政府和农民带来收益。美国德州奥斯丁的废弃物管理公司已经开始使用生质甲烷,负责管理该市一座掩埋场,搜集掩埋场中 128 口井的生质甲烷,燃烧生产的电力可供 4000–6000 户家庭。该市一家污水处理厂拥有八座生物分解池,每座容量为 750 万升,微生物把污水分解成生物沼气,供厂中的发电机使用。过程中可产生固体副产物犰狳土(Dillo Dirt),外观和气味类似块状堆肥。

该市承包商在当地商店销售包装好的犰狳土,可用于土壤施肥。目前美国 2000 多处掩埋场中,大约有 1/4 已经开始搜集气体或使用生物分解技术处理废弃物,制造生物沼气。然而全美天然气总用量仅改变不到 1%。生物沼气可以直接取代天然气,但就全球而言,它的量相当少。如果农场、掩埋场或污水处理厂无法直接用这些生物沼气来发电或与电网距离太远,生质甲烷就必须先液化再用货车运送到其他地方,降低了除碳效果。不过生质甲烷也是洁净能源之一,可以除去天然气系统中一部分的碳。

更彻底的氢能

氢可完全取代天然气。电厂可燃烧氢来发电,供应给电网,大货车的内燃机引擎也可以用氢当成燃料。氢燃料电池可制造电力,供汽车、住宅或办公室使用。氢是许多基本化学物质的构成元素,无论燃烧或在燃料电池中进行反应,都不会产生二氧化碳。氢泄漏时确实会造成暖化,但程度比甲烷低得多。地球许多庞大古陆上的盆地底部都会渗出天然氢气,这些古老的大岩石构成各大陆的中央部分,一个多世纪前科学家就发现这些渗漏处,然而石油和天然气公司发现地下矿床同时蕴藏氢时,只认为氢非常棘手,因为氢容易着火,会破坏金属管线。但现在公司和学术研究人员都在钻挖氢气测试井,进行长达数年的计划寻找地下氢气。现在的想法和当初采取页岩液压破裂法时相仿:只要工程师能研究出成本低廉又安全的方法,就能运用这些庞大资源。

我们也可制造氢。目前工业界使用的氢大多以甲烷蒸汽重组法制造,让甲烷接触高热和热水,产生氢和二氧化碳。用电力使水分解成氢和氧的电解法也可产生氢气,然而这两个过程都需要消耗大量能源。

以生质甲烷取代天然气。 要减少燃烧天然气(主要成分为甲烷)排放的二氧化碳,可把管线中的气体更换成生质甲烷。生质甲烷是利用大型圆桶内的微生物分解农作废弃物、粪肥、污水或厨余等有机物质,即可制造甲烷、水汽和二氧化碳。二氧化碳可加以捕集,供工业使用或封存在地下。天然气自然分解时,也会把二氧化碳和甲烷释出到空气中。
以氢气取代天然气。 可用氢取代管线中一部分或全部天然气,氢可供电厂和重型车辆燃烧、也可以制造成燃料电池供汽车、住宅和建筑使用,或当成工业原料,而且燃烧氢不会排放碳。如果要输送含量超过 20% 的氢,管线必须使用特殊合金。以上列出氢的几种来源。

运输并储存氢气也是一大挑战。氢的密度相当低,所以以管线输送的成本会比甲烷等密度较高的气体或石油等液体大得多。输送数百公里后,效率低将使输送氢气的成本高于它的能量价值。此外氢还会使钢铁管线脆化,必须改变使用条件或添加昂贵的合金来解决。

解决方法之一是混合氢和甲烷,以现有的天然气管线输送。用氢取代一部分天然气,从而除去天然气系统中的一部分碳。英国和法国的实验指出,80% 甲烷和 20% 氢混合后可在天然气管线内有效移动。2018 年中到 2020 年 3 月,在法国敦克尔克进行的研究以 80:20 的比例供应燃气给 100 户住宅和医院锅炉,管线上和住宅中完全没有新型设备。如果氢气的比率超过 20%,暖炉和炉具中的炉嘴等装置可能需要调整或更换,因为混合气和纯氢气一样,燃烧温度和速率与天然气不同。另外一项考量是氢的能量密度较低,体积比为 20% 时,单位体积提供的能量比天然气少 14%。

有个因应成本和安全的方法,是利用另一种熟知处理方式的化学物质来输送氢,例如由一个氮原子和三个氢原子组成的氨。含有氢原子的这类分子称为载氢剂(hydrogen carrier)。氢气在开采或生产地点转换进入载氢剂,由现有管线输送,然后直接使用或在目的地转回氢气。氨、蚁酸(formic acid)和甲醇等常见载体都是常见液体,因此比氢气容易输送。氨虽然有腐蚀性,但它是肥料的成分,所以早已遍布全世界,而且燃烧时不会产生二氧化碳。

甲烷中的碳原子和氢原子比例是 1:4,而且适用于现有的管线、压缩机、储存槽、发电机和设备,所以可能是效率最高的选项。示范计划的数量快速增加。芬兰的瓦锡兰(Wärtsilä)工业营造商正在建造新船维京能源号(Viking Energy),预计 2023 年完工。这艘船将以氨和燃料电池做为动力,避免排放温室气体和其他海洋污染。法国航空公司和巴黎戴高乐机场很有兴趣采用氢协助航空界脱碳,然而载氢剂仍在初期研发阶段,是否可能成功还言之过早。

终端除碳

燃氢电厂也还在规划阶段。在美国犹他州,美国规模最大的山间燃煤电厂(Intermountain Power Plant)为数百公里外的洛杉矶提供电力。为了因应洛杉矶对再生和低碳能源的长期需求,电厂业者预计在 2025 年把燃煤锅炉改成燃氢发电机。他们起初将在天然气中添加 30% 的氢,日后进一步改用 100% 氢气。氢气将在当地以电解方式制造,储存在 100 多处体积相当于纽约帝国大厦的地下盐窖,电解需要的电力则来自风力和太阳能。我们不需要先除去天然气中的碳再送入管线,反而可在用户使用天然气的管线终端除碳。举例来说,甲烷可在用户端分解成氢和固态的碳,碳看来就像黑色的细粉。这个过程称为甲烷高温裂解,效率很高又可除去碳。以高温裂解甲烷时,每制造一公斤氢可生成三公斤碳,直接燃烧甲烷则会排放九公斤二氧化碳。

集中在暖炉或炉具收集器的碳粉大约每个月取出一次。美国人现在付费给垃圾清运业者和地方政府污水处理场来处理固态和液态废弃物,所以付费清运使用气体时产生的废弃物,也是理所当然。不过这些碳其实很有价值,可以用来制造石墨、橡胶、涂料、电池和化学物质,以及当成农业用的土壤改良剂。工程师研究甲烷高温裂解虽然已有数十年之久,但仅在小型示范计划中使用。某些管线终端设备必须为了分离碳而修改,但不需要铺设昂贵的氢气专用管线,可以大幅简化工程。传统甲烷高温裂解可让整个系统接近无碳,加上以生物分解技术产生或以再生电力和大气二氧化碳制造的甲烷,甚至可使系统达成负排碳的目标。

以其他化学形式输送氢。 载氢剂是指含有氢分子的气体或液体,例如蚁酸(CH₂O₂)、甲醇(CH₃OH)或甲烷(CH₄)。为了避免开采并燃烧天然气,从而制造二氧化碳,可以使用以再生电力为能源的机器提取空气或烟囱中的二氧化碳,让它与氢结合,形成载氢剂,再以现有管线输送。燃烧载氢剂将再次释出二氧化碳,但这种燃料是以大气中的二氧化碳制造,所以净碳排放相当低。
在用户终端去碳。 可在管线的用户端提取天然气中的碳。高温裂解设备把甲烷分解成氢气,供应暖房器具、炉具或工业机械使用,其余碳粉从设备搜集,交给清运业者。这些碳粉可以当成原料,用于制造电池或肥料。分解甲烷的方法是运用电浆或高热。

想象任何一种无碳未来,或许会让人想到必须汰换大型工业设施或数百万具小型设备,但其他减少碳排放的提案同样必须如此。要让所有暖房器具、炉具和交通工具电气化,必须进行全面科技更新,直接从空气提取二氧化碳则需要数百万部大型机器来捕集并封存二氧化碳,如此大规模的做法同样需要大量土地和电力。

脱碳燃气可让我们充分运用价值数兆美元的现有管线、设备和用具,省下建立无碳能源系统的大量金钱和时间。当然,我们必须修复漏气的基础设施。把气井周边的气动设备换成电子装置、以感测器搭配无人机和机器人来自动检查管线和气槽,以及制定防止泄漏、刻意排放或燃烧多余气体的相关法规,上述方法都能尽量减少泄漏气体。这些工作将可为石油和天然气产业创造工作机会,也可让能源基础设施更环保,进而减少能源设施周边排放的污染。

缓解气候变迁需要许多解决方案,排除天然气公司只会提高阻力。脱碳燃气可填补再生电力的不足,而且对社会上难以电气化的领域,脱碳燃气或许是速度更快、成本更低、效果更好的途径,所以不应该完全抛弃燃气。美国拥有庞大的燃气基础设施,必须想想该如何运用。拆除这些设施不仅缓慢、花费高昂,而且十分困难,但可以善加运用,协助促成低碳未来

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