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噬碳燃料电池开启几乎零排放的化石燃料发电新时代

来源: 作者:admin 2018-08-27 15:02:24

 在阿拉巴马州巴克斯,2.7千兆瓦的詹姆斯•M•巴里发电厂内正在进行一项实验,未来可能会开启一个几乎零排放的化石燃料发电新时代。今年,技术人员和工程师开始着手在主电厂附近安装一对四方形的白色集装箱。这些集装箱中装有一种新型燃料电池,不仅能产生电力,还能捕获和收集主电厂(燃烧煤炭和天然气)90%的二氧化碳排放量。如果可以大规模实施,其碳捕集水平将使巴里工厂的排放状况接近地热发电厂,并且不会出现风能和太阳能的间歇发电。
 
      这项技术来自位于康涅狄格州丹伯里的燃料电池能源公司(FuelCell Energy),该公司与石油天然气巨头埃克森美孚公司和南方公司合作,南方公司的子公司是巴里工厂的所有者和运营方。该项目旨在展示更加新型、有效的碳捕集方法,让世界上大多数严重依赖化石燃料发电的国家实现减少温室气体排放的目标。它也是燃料电池的一个作品展示,经过了180年的研发和无数次的失败,燃料电池已经奋力达到了商业就绪状态。
 
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      1839年,英国律师兼业余科学家威廉•罗伯特•格鲁夫(William Robert Grove)证明,铂箔可以催化氢和氧之间的反应,产生电能和少量水。从那以后,氢燃料电池作为清洁、高效能源的潜力吸引了大批研究人员、实业家和环保人士。
 
      然而要完善这项技术十分困难。昂贵的材料、耐用性以及如何确保氢的稳定供应等问题打乱了许多燃料电池项目,同时实现商业应用的进程也很缓慢。美国汽车工业在21世纪初试图将燃料电池定位为电动汽车的终极动力来源,但事实证明这项技术还远远没有准备好。尽管如此,许多汽车制造商仍在研究燃料电池,这给氢经济的倡导者带来了希望。
 
      在阿拉巴马州南部,燃料电池技术一直引人关注。与用纯氢作为燃料的汽车电池不同,燃料电池能源公司的熔融碳酸盐燃料电池使用的是天然气或沼气中的氢。这类电池的体积更大,需要固定场地,运行温度高达650摄氏度左右。高温使它们不易受到一氧化碳(通过加工含碳燃料产生)等有毒物质的影响。碳燃料燃烧时产生的一氧化碳会破坏低温燃料电池的内部结构。
 
      在熔融碳酸盐燃料电池中,碳是反应式的一部分。在阴极(也称为空气极),二氧化碳和氧气被送入电池内发生反应,形成带电的碳酸离子,悬浮在熔融盐电解质中。这些离子通过电解质迁移到阳极(也称燃料电极),在那里与天然气或沼气等碳氢化合物燃料中的氢发生反应,生成水、二氧化碳和电子。然后,这些电子会在返回阴极前进入外部电路做有用功,而反应中产生的二氧化碳则会循环回到阴极。
 
这种电源技术还有另一个用途。“当熔融碳酸盐燃料电池产生电能时,系统以电化学方式吸取二氧化碳。”燃料电池能源公司高级应用和技术开发部的副总裁托尼•利奥(Tony Leo)解释说,“我们一开始并没有过多考虑这个问题,直到了解到人们对捕获二氧化碳充满兴趣。”在气候变化的大背景下,燃料电池能源公司的工程师们意识到,燃料电池的抽吸功能可以用于捕获和收集阳极的二氧化碳。为了补充燃料电池持续运转所需的二氧化碳,他们可以利用污染气体,也就是工业废气。
 
      在巴里工厂,燃料电池将使用热电厂的废气作为碳源。钢铁厂或水泥厂的废气也可以利用,在世界范围内,这些废气中的二氧化碳排放量分别都达到约5%。集中的二氧化碳可以储存在地下深处,也可以作为工业原料。与需要消耗电力的传统氨基碳捕获法不同,燃料电池将可以自己产生电力来驱动这个过程。
 
      利奥说,多年来,人们一直在研发最新型的熔融碳酸盐燃料电池。20世纪50年代首次研究这项技术的研究人员对其明显的灵活性印象深刻。该系统运行温度高意味着催化剂可以采用廉价的镍而不是昂贵的铂;另外,几乎所有的碳氢化合物都可以作为燃料来源,至少在原则上是这样;更重要的是产生的热量也可以被捕获并利用。在20世纪60年代,美国陆军设想在其所有的军队驻扎区使用熔融碳酸盐燃料电池,方便士兵利用一切可用的燃料。天然气公司希望将这项技术整合到他们的管道网络中,形成可以与电力公司一较高下的分布式发电系统。但是限于碳酸盐的腐蚀性,大多数赞助商在早期就搁置了这项技术。
 
 
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      20世纪70年代爆发的能源危机和环境运动重新引燃了人们对包括碳酸盐燃料电池在内的各种清洁能源的兴趣。正是在这次发酵中,燃料电池能源公司,也就是此后的能源研究集团成立了。利奥说:“我们认为最有意义的是发电系统可以依靠管道的天然气运行,碳酸盐这样的高温燃料电池就能实现这一点。”
 
      先进能源面临的突出问题之一是新产品通常需要几十年才能进入市场。不止一位观察家指出,电池领域不存在摩尔定律,因此政府的持续支持至关重要。在美国能源部的帮助下,燃料电池能源公司得以专注从事一些费力不讨好的任务,比如改进熔融碳酸盐燃料电池的效率、成本和耐用性。经过多年的研究开发,1996到1997年,燃料电池能源公司在加州圣克拉拉市运行了一个2兆瓦的示范电厂;2003年,推出了第一个商用设备。到目前为止,燃料电池能源公司已经在全球50个地区建立了几百兆瓦容量的发电设施,其中最著名的是位于韩国的59兆瓦热电厂。如今燃料电池能源公司已成为熔融碳酸盐技术的主要供应商。
 
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      美国政府不仅在燃料电池能源公司的起步阶段进行了大力培育,在其进入碳捕集领域的过程中也发挥了关键作用。美国能源部长期支持“清洁煤”研究,为此到20世纪90年代末,一直在推动碳捕集和组合循环。利奥说,随着21世纪初的能源政策越来越强调可持续性,燃料电池能源公司开始考虑使用其燃料电池作为碳过滤器。
 
      “我们当时完全是在纸上谈兵,然后我们突然意识到,从概念上讲它是有意义的。”他回忆道。
 
      在美国环境保护署的协助下,燃料电池能源公司模拟了燃料电池如何处置煤炭废气并进行了分析。熔融碳酸盐燃料电池无法耐受煤中的一些污染物,比如硫,于是工程师们寻找从废气中提取有害物质的方法。在这过程中他们偶然发现:反应过程消除了废气中70%的氮氧化物,从而减少了传统的空气污染物。
 
      但燃料电池领域的战斗不都是那么容易取胜的。2015年9月,燃料电池能源公司宣布与美国能源部分摊投资一个2370万美元的项目,证明其技术可以从小股煤炭废气中捕获90%的二氧化碳,并将其浓缩至95%的纯度。在项目的第一阶段,一个经过改进的商用2.8兆瓦SureSource 3000燃料电池系统,每天将捕获巴里电厂排出的54吨二氧化碳。
 
       这只是该电厂二氧化碳排放量的极小一部分。客观来看,一个典型的500兆瓦煤电厂每年约排放330万吨二氧化碳,相当于每天约9000吨二氧化碳,捕集这些排放量的90%需要大约400兆瓦的燃料电池容量。
 
      这需要一大批燃料电池。就资本投资而言,燃料电池的发电成本是传统燃煤发电的3~4倍。借助碳酸盐燃料电池,热电联产可以使主电厂的发电量增加80%。支持者指出,如果将全生命周期成本考虑在内,再加上难以量化的环境效益,平衡开始倾向于这种组合循环。
 
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      不过目前,巴里项目的合作者要建立这样的系统仍有很长的路要走。首先,如果要结合碳捕集燃料电池与燃煤电厂,需要解决燃料电池的燃料问题,普通的煤不合适,必须先进行气化,这样就增加了复杂性和成本。
 
      因此,矛盾的是,燃料电池能源公司的煤炭排放试验需要使用天然气作为燃料,这也是选择巴里电厂为试验主场的原因之一。该电厂是一个煤/天然气混合电厂,本身就是美国能源趋势的风向标。该电厂建于1954年,当时为全煤机组,1971年,在原来2个发电机组的基础上又增加了3个燃煤机组;2000年,美国南方电力公司安装了5个燃气机组,后几年逐步开始淘汰煤炭,2015年关闭了1个燃煤机组,并将另外2个燃煤机组转化为燃气机组。
 
      选择巴里电厂的另一个原因在于,它曾经主办过一次碳捕集与封存演示活动。美国南方电力公司与美国能源部合作,使用三菱重工的有机胺法,以化学方式固定燃煤废气中的碳,然后用管道输送到19公里外的油田存储起来。该项目从2012年8月运行至2014年9月,截存了约10.4万吨二氧化碳。(美国南方电力公司运营的另一家位于密西西比州肯珀尔市的煤电厂,本来要展示一种不同的碳捕集方法,但去年该公司宣布该厂改用天然气,不再捕集任何排放物。)
 
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      在项目的第二阶段,燃料电池能源公司要将其技术应用于天然气废气脱碳。那将需要一个稍微不同的过程,能源巨头埃克森美孚公司会参与进来,帮助解决这个问题。埃克森美孚公司的高级科学顾问蒂姆•巴克霍尔茨(Tim Barckholtz)表示,公司第一次听说燃料电池能源公司在碳捕集方面的开创性工作时就提出了合作,2014年合作正式开始。
 
      巴克霍尔茨称,从理论上讲,从天然气废气中捕集碳要比从燃煤废气中简单得多。“燃气轮机每度电的二氧化碳排放量是燃煤电厂的一半,因此要做的工作也只有一半。”
 
      事实上,不管将燃料电池与什么类型的发电厂结合都会带来惊喜。“独立模式下的碳酸盐燃料电池要在理想条件下运行。”巴克霍尔茨解释说,“但是,当你把它和大型发电厂结合时,就有点四两拨千斤的效果了。”采用此类组合循环工作电厂必须保持“微妙的平衡”,否则电厂就会跳闸。接下来几个月的时间,埃克森美孚公司的科学家和工程师们将努力解决这些问题。
 
      与此同时,燃料电池能源公司的利奥表示,他们公司专注于完成实验中的煤炭废气部分。在2019年初准备就绪后,燃料电池系统将先运行大约6个月,然后改用天然气废气。我们的前车之鉴是,发展是渐进式的,不要指望取得飞跃性的突破。
 
      一直以来,电力行业将商业行为导致的气候变化和温室气体排放视为洪水猛兽,而这个正在进行的项目则证明,这一观念正在发生改变。这种转变推动了产业研究前沿的跨学科合作。
 
      拥有无机化学博士学位的巴克霍尔茨承认:“我参与这个项目的时候,前6个月不得不重新自学大量的电化学知识。”燃料电池能源公司和埃克森美孚公司都是各自领域的翘楚,日常运作规模也迥然不同。“两者结合在一起,确实带来了改进和优化我们系统的有趣想法。”
 
      像燃料电池能源公司这样的企业,历经几十年时光,希望能够挑战“不惜一切代价打造廉价能源”的范式。对于它们来说,这就是进步。
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