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你不知道的新能源--你该知道的物理(三) 精选

已有 4707 次阅读 2010-8-12 20:38 |个人分类:你不知道的|系统分类:科普集锦

 

煤炭每吨500元人民币,而在澳洲的开采价大概是20块钱一吨,对于同样的发热量,需要800升汽油,按每升汽油5块钱算,就是4000块钱。所以,煤炭要比石油便宜的多。煤炭不仅便宜而且储量丰富,对于一些亟需能源的国家,比如中国,印度,美国和俄罗斯,煤炭的储量都极多,足够几个世纪的使用。这对经济发展来说是个好消息,对世界和平来说也有好处,如果我们能用煤炭代替石油,大国的经济对石油的依赖就能减少,彼此之间为了争夺石油的摩擦也会减少。进一步,如果我们能把煤炭液化,使之能作为汽车的动力,比如用所谓Fisher-Tropsch过程,那将大大提高煤炭的适用范围。
问题是产生相同的热量,煤炭比天然气或者石油要放出更多的二氧化碳。因为煤炭的主要成分是碳,所有这些碳在燃烧以后都变成二氧化碳。而天然气和石油是含有大量的氢,燃烧后氢元素变成水,而水是对地球温室效应的贡献是有限的。那么有没有干净的炭能源呢?我们通常说的干净碳就是说不把二氧化碳排到空气中。当煤炭在电厂被燃烧以后,放出的二氧化碳被吸收并且存储到地下,这个过程叫做CCS(carbon capture and storage碳捕获和存储)。碳存储是一个巨大的,费时费力的工程,但也许有它自身的价值。碳存储不是一个新的主意,在大西洋北海每年有100万吨二氧化碳被压缩到地下,加拿大的石油公司把二氧化碳压缩到地下来从贫油矿区挤出石油,挪威的油气田和阿尔及利亚等国家也使用类似的技术来获得更多的产出。
 
 
国际环境变化组织IPCC对二氧化碳的变化作了详细的监测,同时对碳存储也作了仔细的研究。理想的炭存储地点是石油和天然气矿藏,煤床和地下咸水脉,这些咸水层在地球上非常普遍,至今还没有看到什么经济价值。如果二氧化碳可以溶解在这些水层里,IPCC估计存储上百万年问题应该不大。另外一个可能是深海,但对大多数发电厂来说,这不太现实。二氧化碳被压缩到海平面以下3000米的地方,IPCC估计这样的存储点,99%的碳可以保存一千年以上,但同样会有人担心二氧化碳会改变周围的海水酸度,从而影响生物环境。压缩存储碳的成本是差不多500块钱一吨二氧化碳,跟煤价差不多。使用碳存储技术,当然会影响到煤炭的价格,但比起石油来说,还是便宜的。
美国计划兴建的27.5万千瓦的名叫FutureGen的电站,是世界上第一座完全碳存储(CCS)的电站。人们希望它能够证实清洁碳的实用性。这座电站使用了所谓IGCC技术(Integrated Gasification Combined Cycle气化组合循环系统)。小型的IGCC试用版在美国和欧洲已经各有两座,大一点的在挪威,西班牙,和意大利都在筹划中。FutureGen工程于2008年下马,因为人们考虑高速兴建的过程中很多方案其实增加了它的成本,这个想法其实值得中国政府借鉴,有时候我们是为了一个理念而做出了很多不计成本的开销。
在IGCC电站里,空气首先被分离为氮气和氧气,这需要能量,但它使电站能使用纯氧,增加了电站的温度而使效率更高。煤炭和水在一起反应,产生氢气和一氧化碳,所以这个过程叫做Gasification,就是气化。气化的好处是它可以进一步的除掉煤炭中的污染物质,比如水银和硫。IGCC中混合气体燃烧,变成二氧化碳和水,放出能量用来推动发电机组,从发电机组出来的气体还有余温,用来推动第二组发电机组,所以叫做组合循环系统。最终发出来的电一部分要用于产生分离空气的能量,而整个机组具有45%到50%的发电效率,比一般发电站的35%要高。
建造IGCC这样的发电站并不难,问题是我们怎样减低成本从而使它跟普通的电站比较起来有竞争力。碳存储面临着同样的问题,国际气候变化组织估计使用碳存储要增加30%到60%的能源成本,对一些发达国家可能能承受,但对发展中国家,比如中国和印度呢?国际社会希望通过国与国的碳交易来弥补发展中国家这些额外的开销。
太阳能电站建起来更费钱,但它没有温室效应问题。经济学家考虑说煤炭的实际价格应该包括它对环境的污染,这样算下来,它不一定比太阳能便宜。所以就有了排碳缴税这个概念,但更多人以为形成碳交易市场可能会更好。比方说建立一套污染指标系统,如果你要污染,你就要买指标,这就是所谓碳指标。碳排放指标可以从轻易能减少碳排放的地区卖给相对减少碳排放成本高的地区。这样的碳交易可以总体上减少碳的排放量,一旦真正运行起来,你就能从煤炭的价格上看到它对环境污染的消耗。
当然,这个是经济问题而非物理问题,这里就不多讨论了。碳交易系统已经在承认京都议定书的国家中建立,每排放一吨二氧化碳价格是200元人民币,美国虽然没有在京都议定书上签字,但它也开始使用碳交易系统。在美国的机场你就可以看到有出售碳指标的营业台,根据你飞行的里程来收取相应的碳排放费用。不过,购买碳指标现在还纯属自愿行为。
碳交易并不意味着要减少碳的排放,中国兴建电厂,可以建更清洁的电厂来获得碳指标。从而中国可以出售这些碳指标给发达国家,而且,发达国家也有义务在碳排放的角度上承担一部分清洁能源的成本,这样我们才有可能总体上控制地球的碳排放无限制的增长。
 


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3 刘俊明 陈国文 yinglu

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