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煤炭的難題

2014年04月07日
作者:Michelle Nijhuis;攝影:Robb Kendrick;導讀:洪郁婷

《國家地理》雜誌中文版2014年4月號封面。(大石國際文化公司提供)※ 導讀:燃煤發電提供全世界40%電力,隨之而來的二氧化碳及空氣汙染,對地球暖化和人體健康都造成實質損害:地球暖化、冰層融化、海平面上升已不容否認。

然而,全球能源需求有增無減,若燃煤發電尚無可替代,二氧化碳有沒有更好的去處?科學家捕捉空氣中的二氧化碳,打入多孔隙地層、枯竭油田或是海床底下加以封存,是否能從此高枕無憂?

而台灣擁有全球最大,排碳量最高的燃煤發電廠──台中火力發電廠,台灣人均消耗煤炭量也超出全球平均值2倍以上。氣候變遷對島國台灣的衝擊甚鉅,對於減少大氣中的二氧化碳含量,我們責無旁貸。中油也已在執行台灣封存二氧化碳的研究,但台灣位處地震帶,島上斷層甚多,封存二氧化碳能成為台灣的減碳出路嗎?

跟著本期《國家地理》雜誌,邀請您一同討論能否擁有更乾淨的燃煤發電,思索二氧化碳該何去何從。

◆暖身Q&A:封存二氧化碳需要怎樣的地質條件?捕捉火力發電廠排放的碳,電廠產出能源會被打幾折呢


更乾淨的燃煤發電?

美國喬治亞州,茱麗葉社區。蒸汽和煙霧從羅伯特謝勃發電廠的冷卻塔和煙囪裊裊昇起。這是全美溫室氣體排放量最大的發電廠,每年要燒掉1088萬公噸的煤。攝影:Robb Kendrick;圖片提供:《國家地理》雜誌中文版2014年4月號

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2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1/4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),但技術上的突破也有幫助。

捕集、隔離 把二氧化碳關進地底

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40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。

印度,美加拉雅邦。這位煤礦工人爬上搖搖晃晃的梯子,重見天日。19世紀美國和歐洲的礦場可能就和這裡一樣恐怖,現在則已改善許多。但煤的環境成本卻提高了,而且變成了全球的問題。攝影:Robb Kendrick;圖片提供:《國家地理》雜誌中文版2014年4月號

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。

捕集二氧化碳的代價

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,公司必須先分離出裡頭的二氧化碳,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,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%。

美國維吉尼亞洲,諾佛克。在蘭伯茲角的運煤炭的軌道自動車排成一列列,準備把煤裝上港口中等帶的船隻。每年都有大約2000萬噸煤炭(大約是美國總產量的2%)通過這個轉運站,大多來自阿帕拉契山區。攝影:Robb Kendrick;圖片提供:《國家地理》雜誌中文版2014年4月號

※ 2014年3月起,本站與《國家地理》雜誌中文版合作,推出「導讀國家地理」專欄,期待透過《國家地理》觀照全球的視野以及其活潑、生動的科學報導,讓您更瞭解全球環境現況。

作者

洪郁婷

環保不只是一種生活風格,而是一種普世價值,比如說人權、自由和平等。