煤炭是世界上最脏的化石燃料，全球每年80亿吨消耗所带来的污染让地球不堪重负。而中国拥有极其丰富的煤炭资源――全球最大产煤国和用煤国――煤为中国提供了高达80%的电能，同时还被用来制造许多化工产品。未来，煤炭会不会变得更清洁一些？
图为佐治亚州的罗伯特-斯切勒电厂的烟囱正在排放浓烟。该电厂是美国最大的温室气体排放大户，年消耗燃煤1200万吨
清洁煤或是一种神话
环境保护论者认为，清洁煤只不过是一种神话。看一下美国西弗吉尼亚州的阿巴拉契亚山脉，那里的许多山峰因开采煤被削成了低谷，溪流里流淌着橘黄色的酸水……再看一下中国北京，那里的空气有时比机场吸烟室的空气还要浑浊。在中国，因燃煤引起的空气污染，每年过早死亡的人预计超过100万。除此之外，在中国及世界其他地区，每年还有成千上万的人死于煤矿事故。
这些问题已经不是什么新鲜事了。早在17世纪末，当从威尔士、诺森伯兰郡开采的煤点燃了英国工业革命的第一批火种时，英国作家约翰·伊夫林(John Evelyn)就曾抱怨弥漫在伦敦上空的烟雾“恶臭和阴暗”。3个世纪后的1952年12月，因烟雾的滞留，一场传染性呼吸道疾病在伦敦肆虐，在随后的数月中1.2万多人因此死亡。
美国也不例外。1948年10月的一个周末，在宾夕法尼亚州多诺拉小镇举行的一场美式足球比赛中，观众们只能看到球员的大概轮廓，但看不到足球运行轨迹，整个足球场被附近的一家炼锌厂冒出的浓烟掩没了。数天后，占小镇人口近一半的6 000多人病倒，症状为眼痛、喉咙痛、呕吐、腹泻，20多人因此死亡。
借用经济学家的说辞，煤具有明显的“外部经济效应”。也就是说煤会将高昂成本转嫁于社会，即煤给环境带来严重危害的同时，它也是一种我们所依赖的最廉价的能源。因而，时下的主要问题并不是煤能不能成为“清洁能源”，而是能否让它变得足够清洁。因为这不仅可以避免地区性灾难，而且也有助于防止全球气候的重大变化。
2013年6月，美国总统奥巴马在针对气候变化问题发表的演说中指出，美国的煤炭和电力工业已经引起人们的担心和恐惧。他要求美国环境保护署（EPA）用一年时间制定出限止碳排放的新条例，并将新条例纳入《空气清洁法案》中。《空气清洁法案》的颁布已大大减少了美国电厂的二氧化硫、氮氧化物和烟尘颗粒的排放，但导致全球气候变暖的主因，即二氧化碳的排放量却未得到有效遏制。
在西弗吉尼亚州麦迪逊的霍贝特21号矿区，因采用山顶移除法，每开采1吨煤便要消去15立方山脉，数百平方英里的阿巴拉契亚山脊就是以这种方式消失的
2012年，全球化石燃料排放的二氧化碳创纪录的达到345亿吨，其中煤炭是最大的“贡献者”。近年来，廉价的天然气已经减少了美国对煤的需求，但在世界其他地区，包括中国，煤的需求仍在上升。根据今后20年全球还有几亿人第一次用上电的趋势看，这些电大部分还是靠燃煤发电，即便是发展替代能源，也不能完全取代煤炭。至少现阶段不能。
在充满不确定性的未来，北极融化的速度、海平面上升的高度以及热浪强度等等，都与煤的燃烧有着重大关系。我们是不是要继续烧煤，继续无节制地排放二氧化碳?或者，我们像对待化石燃料中的硫和氮一样，寻找方法将排放出来的二氧化碳捕获，然后存储于地下?
位于西弗吉尼亚州纽黑文市的美国电力公司(AEP)所属的登山者电厂，每小时要吞噬超过450吨产自阿巴拉契亚山的煤。通过驳船或煤矿的传送带，这些开采出来的煤被直接运往电厂。进入电厂后，高尔夫球大小的块煤会被磨成煤粉，然后被吹进世界上最大的锅炉之一的炉膛中燃烧。
电厂内的三台由蒸汽驱动的汽轮发电机昼夜不停地为7个州的130万用户供电（每度电只须支付10美分），一个普通家庭每月平均电费开支仅为113美元。电费如此低廉，难怪电厂负责人查利·鲍威尔（Charlie Powell）说，即便是环保主义者，他们也喜欢整天开着灯。
每年，从登山者电厂排放的二氧化碳达600-700万吨，但无论是电厂还是用户，都无需为此埋单。二氧化碳之所以会被无节制地排放，原因就在这里，而且目前美国也没有任何法律明令禁止这种行为。不过，美国众议院在2009年已经通过了一项法案，未来有可能上升为法律。
值得称道的是，AEP已决定提前采取行动。是年10月，登山者电厂开始了碳俘获的开创性试验。鲍威尔亲自负责这项工作。在他看来，这项实验很简单，但真正操作起来，事情就复杂了。AEP在电厂后侧建了一座化工厂，电厂大约1.5%的排烟经由该厂冷却，导入会吸纳二氧化碳的碳酸铵溶液中。这些碳经压缩后，再注入到俄亥俄河岸下方约1英里处的多孔砂岩层内。
这一系统运作的两年里，AEP捕获和存储了超过3.7万吨的纯二氧化碳。虽然该数字仅相当于该电厂排放物的0.25%，但这是一个良好的开始。继后，AEP计划扩大实验规模，争取捕获150万吨二氧化碳，即该电厂每年四分之一的排放物，并为此投入3.34亿美元，包括美国能源部(DOE)也承诺给予同等额度的补贴。不过，这项协议能否实施下去，则取决于AEP能否收回这笔投资。
令人遗憾的是，AEP在2011年终止了这一项目。虽然这个项目很小，但登山者电厂的这一系统却是世界上首个直接捕获、存储二氧化碳的系统，吸引了包括来自中国和印度在内的世界各地的众多参观者。鲍威尔说：“这套程序确实有效，很多参观者都受到了启发。不过，要想恢复这一计划，我们还需要在其他方面突破。”
每年从弗吉尼亚州的兰伯茨-波恩特运煤中心输出的煤炭约2000万吨。图为满载煤炭的运煤车正在等待装船
或是技术乐观派幻想
对批评者来说，捕获二氧化碳并将其存储在地下多孔岩层中，只不过是一种技术乐观派的幻想而已。但在过去的30年里，DOE在该技术上投入了大约65亿美元。就石油行业而言，在过去的40多年里，压缩后的二氧化碳被注入到枯竭的油田中，藉此把地下的残余石油挤压到地表上。在加拿大平原，这已经发展成为世界上最大规模的地下碳存储项目之一。
自2000年起，北达科他州的一家煤气化工厂已经将捕获到的超过2 000万吨的二氧化碳通过管道输送到200英里之外的加拿大萨斯喀彻温省，并由那里的Cenovus Energy公司将其挤压到韦伯恩和米达尔油田的深处，即一吨二氧化碳可以从含油岩层中溶解出两到三桶原油，而溶解原油的二氧化碳则重新被存储在距地表1英里的地下岩层中。
那么，它们在地下岩层中能存储多长时间？一些自然的二氧化碳已经在地下存储了数百万年。实际上，有些二氧化碳还被开采出来卖给石油公司。但如果二氧化碳大量外泄，将会对人类和动物造成致命伤害，尤其是当二氧化碳被集中封存在密闭空间中时。而突然被释放出来却会对人畜造成很大的危害。尤其是当这些二氧化碳被收集和浓缩在一个局部地方时就更加危险。迄今，既没有关于韦伯恩、米达尔油田重大二氧化碳泄漏的报道，也没有来自世界其他碳存储地重大碳外溢的相关消息。科学家们认为，灾难性外泄的可能性微乎其微。
然而，企业担心的则是长期的少量外泄，因为这将会使整个计划失去意义。斯坦福大学地球物理学家马克·佐贝克(Mark Zoback)和史蒂文·格雷里克(Steven Gorelick)认为，在那些岩层较脆且存在断层的地方，二氧化碳的注入可能会引发小规模地震，即使地震没造成明显的破坏，也可能会造成上方页岩的断裂，致使二氧化碳泄漏。
尽管佐贝克和格雷里克认为碳存储是一个“花费极大且充满风险的战略”，但同时他们也认为碳还是可能在某些地方得到有效存储，比如北海的斯莱普耐尔气田。在过去的17年里，挪威国家石油公司(Statoil)每年把大约100万吨的二氧化碳注入到海底之下约半英里处的富含盐水的砂岩层中。由于这里岩层的空间足够大，即便注入如此多的二氧化碳也没有提高它的内部压力，而且也从未出现过地震或泄漏迹象。
据欧洲研究人员测算，北海海底可以储存欧洲所有电厂100年所排放的二氧化碳。而美国能源部表示，美国地下也有类似的深盐水层，足以存储全美电厂运营超过1 000年所产生的二氧化碳。其他岩石也有存储二氧化碳的潜能，如正在冰岛和华盛顿州哥伦比亚河盆地进行的实验，即少量二氧化碳注入火山玄武岩中，钙、镁和二氧化碳反应后形成的一种碳酸岩可以避免气体的外泄。
Statoil注入斯莱普耐尔气田的二氧化碳并非是燃煤产生的，而是该公司从海底钻取的天然气中的不纯成分。在将天然气输送给消费者之前，公司首先把其中的二氧化碳分离出来。而过去的做法是将它直接排放到大气中。但从1991年起，挪威开始征收碳排放税，目前的税率约为65美元1吨，而将二氧化碳重新注入到海底，公司只需付17美元。可见，在斯莱普耐尔气田，碳储存比碳排放要便宜得多，而这也正是Statoil投资这项技术的原因。至今，该公司的天然气业务仍能保持赢利。
印度贾坎德邦一采煤场，一小男孩头顶一硕大的块煤走在回家路上
而燃煤电厂的情况则就不同了。二氧化碳是从烟囱中排放出的混合气体的一部分，由于在经济上没有任何好处，电厂因此也没有积极性。因为在碳捕获和储存的环节中，前者是最费钱的。在登山者电厂，二氧化碳捕获系统占地14英亩，整个装置相当于一栋十层楼高的大楼，但即便如此，其所捕获的也只是极少量的碳。其中包括吸收剂加热后才能释放出二氧化碳，而二氧化碳必须经过压缩才能存储。如果想捕获电厂排放的全部二氧化碳，就得耗去总能耗产出的30%。
如果要降低这种高昂的成本，方法之一就是在煤炭燃烧之前先将其汽化。煤气化不仅可以提升发电效率，而且还便于分离二氧化碳。在美国密西西比州的肯珀县就有这样一座电厂正在建造――在燃烧之前先行对煤炭汽化处理。
就现在的燃煤电厂而言，其设计通常为燃烧粉煤的，那就得另起炉灶。一种方法是在纯氧环境中燃烧煤炭，这样产生的烟气成分较为单一，便于从中分离二氧化碳。在位于西弗吉尼亚摩根敦的美国能源部国家能源技术实验室，研究人员杰奥·里兹(Geo Rids)正在从事该技术的研发。在一个仓库里，他们在一个5层高的构架上进行“化学循环”试验。“从空气中制造纯氧的成本很高。”里兹说。他采用的方法是，用一种类似铁的金属从空气中摄取氧气，以期降低捕获二氧化碳的成本。
助推碳捕获系统落地
目前的西弗吉尼亚州，随着美国电厂开始改用天然气，许多煤矿纷纷关闭――由于天然气价格创记录地降低，煤炭开始被认为是过时的燃料――而此时再去研究煤炭净化技术似乎有些不合时宜。然而，在中国陕西的榆林市，人们却不是这么认为的。
榆林市位于内蒙古鄂尔多斯盆地的东部，人口300万，距北京约500英里，大街上随处可以看到灰尘，种植的树木周围是一些沙丘。然而，地下却埋藏着丰富的矿产资源，其中就包括中国储量最大的煤矿。在这里，煤被看成是一种推动经济发展的资源。
榆林市四周的沙土高原上矗立着许多烟囱，规模庞大的煤炭加工厂及员工宿舍沿着沙漠绵延数英里。煤为中国提供了大约80%的电能，但它的用途不仅于此，还被用来制造许多化工产品和液体燃料（这在大多数国家是由石油生产的）。在中国，煤在从塑料到人造纤维产品中均发挥着关键的作用。
煤炭也使得中国跻身世界碳排放量最多的国家之一，尽管美国的人均排放量仍居首位。与过去相比，尽管中国并没有放弃对煤的利用，但已经认识到为此将要付出沉重代价。圣地亚哥加利福尼亚大学环境政策研究员德博拉·塞利森（Deborah Seligson）指出：“在过去十年中，中国政府对环境问题越来越重视，环境问题从先前排不上议程开始转变成优先考虑的事项。”公众对空气质量的抱怨，加上政府对气候变化意识的提高和对能源安全与技术优势的渴求，中国已经在可再生能源领域投入了数千亿美元。现在，中国已成为一个首要的风力涡轮发电机和太阳能电池板生产国，在榆林市烟囱之间也安装了许多太阳能发电站，包括中国在建立高效能燃煤电厂的同时，也在尝试推广更简便和经济的碳捕获技术。
中国山西大同的一座煤场，工人们通常不戴口罩从传送带上挑出混杂在其中的煤矸石
这些努力也吸引着国外的投资者和外国专家。比如，美国太阳能工业协会前主席、布什总统任期负责环境保护和能源事物的部长助理米歇尔·戴维斯（J Michael Davis），就担任过全球最大的煤业公司神华集团下属的北京低碳清洁和能源国家研究所所长。戴维斯说，他之所以来到中国，是因为中国政府对改善空气质量和减少二氧化碳排放作出了坚定承诺。
阿米那环保公司（LPAmina）创始人威尔·拉塔（Will Latta）是一位在北京与中国电力公司密切合作的美国人。“在中国，煤不仅便宜，储量也很大，若想用替代能源取代它得花上几十年的时间，”他说，“但中国政府已经意识到，这样做在环境上是不可持续的。因此，他们正在对清洁煤技术进行大量投资。”在天津，中国第一家基于碳捕获原理设计的发电厂计划在2016年运作。这家名叫“绿色煤电”的发电厂，最终目标是捕获其排放的80%的二氧化碳。
2013年，当全球煤炭消耗和碳排放创下历史新高时，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了最新报告。报告首次对地球的碳排放作出了一个预算，即在气温升幅不超过2摄氏度的情况下允许排放的碳总量。因为在许多科学家看来，如果全球平均气温升幅超过2摄氏度，就会引发灾难性后果。IPCC认为，目前的碳排放量已经超过预算的一半，而按目前的排放速度计算，用不了30年我们就会出现透支。
但如果用碳捕获技术来改变这一进程，是需要付出巨大代价的。比如，捕获和存储只占目前全球排放总量十分之一的二氧化碳，我们就需要巨量的管道和注入井。而如果采用零排放的太阳能电池板予以取代，就需要占用整个新西泽州的面积（近8 000平方英里），对此很难作出决策，问题在于这两者都是我们需要的。
“如果只是减少5%或10%的温室气体排放就能解决问题，那我们也就没有必要考虑碳的捕获和存储问题，”卡内基梅隆大学的爱德华·鲁宾（Edward Rubin）教授说，“但如果我们讨论的是如何在未来30或40年里减少全球大约80%的排放量，情况就会不一样。”
美国第一家基于捕获碳的发电厂于2014年底运作。位于密西西比州东部肯珀县的煤气化厂可以捕获其50?以上的二氧化碳排放量，并通过管道输送到附近的油田。然而，这一得到DOE资助的项目，却受到过度支出和环境保护论者的质疑。不过，密西西比电力公司表示会坚持下去。公司负责人称，利用密西西比州丰产的褐煤和现成的二氧化碳市场，将有助于抵消高新技术的高昂成本。
但是，如果政府没有开征碳排放税或限制碳排放量的强制要求，这项技术是难以推广的。如果EPA能履行奥巴马关于对已有和新建电厂碳排放限制的承诺，期盼已久的碳俘获技术将会真正得到推广。
在中国，目前已经开始在一些地区试行市场导向的作业策略。该策略是美国率先推出的，即1990年代在《清洁空气法案》基础上，EPA在限制电力公司二氧化硫排放总量的同时，向排污者征收排放税，并许可后者将污染额度分摊给下游企业。当时，电力公司预感这种做法会给自身带来灾难性的经济后果。然而，这样一个策略出台反而催生了技术创新，提高了空气的质量。鲁宾称，目前的碳捕获系统与1990年代二氧化硫捕获系统所处的阶段相当，一旦限制污染排放，就会为这些捕获系统营造出一个市场，其成本就会大大降低。当然，即便一切进展顺利，煤也不会成为清洁能源，但无可否认，它会变得比现在清洁。
如果这种情况出现，煤炭仍然不会是清洁的能源，但会比今天清洁得多，地球或因此会变得凉快一些。
资料来源National Geographic
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