地理加油站

煤炭的难题

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撰文：米歇尔・奈赫斯 Michelle Nijhuis

环保人士说，干净的煤根本就是神话。这当然没错。只要看看西弗吉尼亚州就知道了：为了开采底下的煤矿，阿帕拉契山的一座座山峰被铲成了凹谷，溪里流着橘色的酸水。或者看看北京市中心：这年头北京的空气常常比机场的吸烟室还要污浊。中国的空气污染大部分是燃烧煤炭造成的，据称每年造成上百万人过早死亡。除此之外，中国和世界各地每年还有数以千计的矿工死于矿坑意外。

这些问题早就不是新闻了。17世纪末，也就是韦尔斯和诺森柏兰郡出产的煤矿点燃英国工业革命第一把火的时候，英国作家约翰‧伊夫林就曾抱怨弥漫在伦敦的烟雾「又臭又黑」。三个世纪后，一层浓密的煤烟在1952年12月笼罩伦敦，滞留了一整个周末，结果引发一场呼吸道疾病大流行，在接下来的几个月内造成多达1万2000人死亡。美国城市也历经过类似的悲剧。1948年10月的某个周末，在宾州小镇多诺拉，正在观赏一场高中足球赛的群众突然发现他们既看不到球员也看不到球：原来是附近一座燃煤炼锌厂飘来烟雾，遮蔽了球场。接下来几天内，共有20人死亡，全镇近一半的人口、也就是六千多人生病。

若借用经济学家的委婉说法，煤具有很强的「外部性」――也就是转嫁给社会的昂贵成本。它是我们所拥有最脏、最致命的能源。但根据大部分的评估方式，它也是最便宜的，我们都依赖它。因此今日的主要问题不在于煤究竟能不能成为「清洁能源」。它不能。问题在于能否将它的污染性降得够低，以避免地方灾害与全球气候剧变。

去年6月一个闷热潮湿的日子，欧巴马总统在华盛顿特区针对气候变迁发表了演说。自他于2009年首次就职以来，美国的煤矿及电力产业就一直担忧着这件事，环保人士则是殷切盼望。欧巴马宣布，美国环保署将在2014年6月起草新的法规，以「中止我们（美国）的发电厂无限制地排放碳污染物」。这些法规将会纳入多诺拉小镇那次环灾所协助催生的《清洁空气法案》。拜这项法案之赐，美国发电厂排放的二氧化硫、氮氧化物以及煤烟粒子已经大幅减少。但全球暖化的主因：二氧化碳问题，规模却比这大得多。

2012年，全球因燃烧化石燃料所排放的二氧化碳量创下345亿公吨的纪录。其中煤是最大的贡献者。近年来因为有廉价天然气的缘故，美国对煤的需求已经降低，但在世界其他地方（尤其是中国），煤的需求量都节节攀升。往后的20年里，全球将会有数亿人第一次获得电力，而若依照目前的趋势，这些人使用的电将大部分来自燃煤。即便以最积极的方式推动替代能源和节能意识，也无法让煤被取代――至少短时间内不可能。

北极融化的速度、海平面上升的高度、热浪的强度――我们不确定的未来包含了这些因素，而这些因素都取决于全世界使用煤的方式，尤其是美国和中国。我们会继续燃烧煤，并且不经任何处理就将碳排放到空气中吗？还是会找到方法把碳捕集起来，就像处理化石燃料中的硫和氮一样，然后储存于地下？

「我们必须全力推动再生能源与能量效率，并且减低燃煤的碳排放量，」专精于碳储存法的史丹佛大学研究员莎莉‧班森说。「我们必须找到很多方法，并且多管齐下――现在已经不能只从一、两种方法中去选择。」碳的问题就是这么严重。

美国电力公司的「登山家发电厂」位于西弗吉尼亚州新哈芬市的俄亥俄河畔，每小时都吞下超过45万公斤产自阿帕拉契山的煤。这些煤都是刚开采出来就以驳船运来，或是用输送带从马路对面的矿坑直接送过来。一进入发电厂，高尔夫球大小的煤块就被磨成细如蜜粉的煤灰，然后吹进世界最大的锅炉之一的炉膛――这炉膛是个钢箱，大到可以轻松装下自由女神像。发电厂内的三个蒸气涡轮漆着蓝底白星，夜以继日地为美国七个州的130万用户提供电力。这些用户以每度电（即1千瓦时）约0.1美元的价格（差不多每月台币3400元）驱动着一般家庭使用的冰箱、洗衣机、干衣机、平板电视、智能型手机，电灯就更不用说了。诚如登山家发电厂经理查理‧鲍尔常说的：即使是环保人士也喜欢开着灯。

然而，用户跟美国电力公司（AEP）都不必花一毛钱，就可以经由登山家发电厂那座305公尺高的烟囱，每年将600到700万公吨的二氧化碳排放到大气中。这就是问题所在。人们之所以毫无限制地排放碳，是因为这么做在大多数地区都不用钱，而且截至目前为止，美国也还没有任何法律禁止这种行为。其实，在2009年夏天，美国众议院已经通过了一项法案，看起来有机会通过制订这样一条法律。AEP决定赶在法案通过前采取行动，这一点值得肯定。

那年10月，在鲍尔的监督下，登山家发电厂展开了开创性的碳捕集实验。鲍尔说他的工作原本很简单：「我们就是烧煤、制造蒸汽、让涡轮运转。」但进行实验时，事情就比较复杂了。AEP在发电厂后侧加盖了一座化学工厂。登山家发电厂大约1.5%的排烟经由这座工厂冷却，导入会吸收二氧化碳的碳酸铵溶液中。然后这些二氧化碳再经强力压缩，注入俄亥俄河岸下方超过1.5公里深处的多孔砂岩层内。

这个系统是有效的。接下来两年内，AEP捕集并储存了超过3万7000公吨的纯二氧化碳。这些二氧化碳仍然深埋地底，没有逸散到大气中。这个数字仅占登山家发电厂排放废气的0.25%，但这只是个开始。AEP打算扩大计划，捕集登山家发电厂四分之一的废气，也就是一年150万公吨的二氧化碳。该公司已经同意投入3亿3400万美元，而美国能源部也允诺给予同额的补助。但这项协议能否付诸实行，得看AEP的投资是否能够回收。气候变迁立法在参议院遭到否决后，州政府的事业管理单位就告诉AEP，说他们不得为法律尚未要求的技术向用户收费。

AEP于2011年春天终止了这项计划。错综复杂的管线、帮浦和水槽被拆除了。登山家发电厂这套系统规模虽小，却是世界第一套能直接从燃煤发电厂捕集并储存二氧化碳的系统，而且吸引了数以百计来自世界各地的好奇访客，包括中国人和印度人。「这个处理程序确实有效，我们也教育了很多人，」鲍尔说。「但是，唉，还得再有另一次突破，才值得我们这样做。」最重要的是法规上的突破（例如欧巴马去年夏天所承诺的），但技术上的突破也会有所帮助。

对批评者来说，捕集碳并将之储存或「隔离」在地下的多孔岩层里，听起来就像某种高科技的天方夜谭。但美国能源部在过去30年内已经斥资65亿美元研发并测试这种技术。而过去四十多年来，石油工业也不断将压缩过的二氧化碳打入枯竭的油田底下，藉此把困在地底的残余石油逼到地表。在加拿大的大平原区，这种做法已经变成了世界规模最大的地下碳储存行动之一。

自2000年起，北达科塔州一座专门把煤转化为合成天然气的工厂已经捕集了超过2000万公吨的二氧化碳，经由管线送到北方320公里处的萨斯卡其万，然后加拿大石油公司「山诺威斯能源」再将这些二氧化碳注入威伯尔尼和米岱尔油田深处。这里曾经是一片辽阔的产油区，在1960年代达到鼎盛。每1公吨的二氧化碳可以从储油岩内溶出2至3桶原油，之后这些二氧化碳再被重新打入储油岩内储存。它们就这么静静躺在地下将近1.5公里深处，封存在一层层不透水的页岩和盐之下。

能封存多久？某些自然沉积的二氧化碳已经在原地静置了数百万年之久，事实上有些二氧化碳还被开采出来卖给石油公司。但二氧化碳如果突然大量释出，可能对人类和动物造成致命危险，二氧化碳高度集中在某个封闭空间里时更是如此。截至目前为止，受国际能源署监控的威伯尔尼还没有传出大量外泄事件；世界其他几个大型的二氧化碳储存场也一样。科学家认为，灾难性外泄的可能性微乎其微。

他们比较担心的是长期的少量外泄，因为这将会使整个计划失去意义。史丹佛大学的地球物理学家马克‧佐贝克与史蒂芬‧高利克认为，储存场的岩层如果质脆且有断裂（根据他们的看法，多数储存场都如此），那么注入二氧化碳可能会引发小地震，而即使地震没有引发其他灾害，也可能造成上方的页岩断裂，让二氧化碳逸散出去。佐贝克和高利克认为碳储存是一项「极其昂贵且高风险的策略」。但即使是他们也同意，碳可以有效地储存在某些地点，例如北海的史莱普纳天然气田。过去17年来，挪威国家石油公司每年都把大约100万公吨的二氧化碳灌注到海床下近1公里深处、饱含盐水的一片砂岩层内。那片岩层的空间非常大，即使灌了那么多二氧化碳进去也没有提高它的内部压力，而且没有地震或外泄的迹象。

欧洲研究人员估计，北海底下可以储存全欧洲发电厂运作100年所排放的二氧化碳。根据美国能源部的说法，美国地底也有类似的「深部盐水层」，足以储存全美发电厂运作超过1000年产生的二氧化碳。其他种类的岩石也有封存碳的潜力。例如冰岛和华盛顿州哥伦比亚河盆地就正在进行实验，将少量的二氧化碳注入火山玄武岩内。根据预期，二氧化碳会跟玄武岩内的钙与镁起反应，形成碳酸盐岩――这么一来就不会有气体逸散的风险了。

挪威国家石油公司注入史莱普纳天然气田的二氧化碳不是燃烧的产物，而是他们从海床钻取的天然气所含的不纯成分。把天然气送到用户家中前，公司必须先把里头的二氧化碳分离出来，他们过去都直接把它排到大气中。但挪威自1991年开始征收碳税，目前的税率大约是每公吨65美元。挪威国家石油公司只要花每公吨17美元，就能将二氧化碳再次注入海床底下。因此在史莱普纳，碳的储存比排放便宜得多，这就是为什么挪威国家石油公司会投资这项技术。它的天然气事业仍然获利极佳。

燃煤发电厂的状况就不同了。二氧化碳是从烟囱排放的混合废气的一部分，而电力公司并没有捕集它的经济诱因。正如登山家发电厂的工程师所发现的，在任何碳的捕集储存计划中，捕集都是成本最高的一环。登山家发电厂的二氧化碳吸收系统有一栋十层楼公寓那么大，占地5.6公顷――而且捕集的还只是发电厂碳排放量的极小一部分而已。吸收剂必须加热才能释出二氧化碳，二氧化碳还必须经过高度压缩才能储存。这些能源密集的程序制造了工程师口中的「寄生负荷」：如果要把一座燃煤发电厂排放的碳全部捕集起来，可能会消耗掉总能源产量的30%。

降低这个高昂损失的一个办法是在燃烧煤炭之前先将它气化。气化可以提高电力生产效率，并且让二氧化碳能够以更简单、更便宜的方式被析出。美国密西西比州肯珀郡有一座兴建中的发电厂，由于在设计时就考虑到要能够捕集碳，因此这里的煤炭将会先经过气化。已经在运转中的发电厂通常是为燃烧粉煤而设计的，所以必须另觅出路。有一个构想是用纯氧而非一般空气来燃烧煤炭。这样产生的烟道气成分比较单纯，要析出二氧化碳也比较容易。在位于西弗吉尼亚州摩根镇的美国能源部国家能源技术实验室，研究员吉欧‧李察兹正在研发这种技术的进阶版。

「来瞧瞧我们的新玩意儿，」他说，一边缩起肩膀抵挡阿帕拉契山区冬天的寒意，一边轻快地走向一座白色的大仓库。里面的工作人员正在组装一座五层楼高的鹰架，以便进行一项「化学循环」实验。李察兹解释：以空气制造纯氧本身就是一件很昂贵的事，所以他的程序是用铁之类的金属捕捉空气中的氧，再送到燃煤的地方。理论上，化学循环可以大幅削减捕集碳的成本。

李察兹已经花了超过25年研究如何更有效率地捕集碳。对他而言，这个工作本身就是回报。「我就是那种喜欢把基础物理变成科技的怪人，」他说。但几十年来，看着政客和大众连气候变迁究竟是不是个问题都要争辩，他有时的确会怀疑自己研究的解决方案是否真有派上用场的一天。相较于一座真正发电厂的需求，他试验中的碳捕集系统小得不成比例。「做这一行，非得是个乐观主义者才行，」他说。

在今日的西弗吉尼亚州，随着美国发电厂纷纷改用天然气，有上百年历史的煤矿场也一一关闭。在美国，由于天然气价格逼近历史低点，煤炭彷佛已是过时的燃料，因此投资发展先进的煤炭技术就算不显得愚蠢，也显得是力气用错了地方。但在中国的榆林市，人们的看法却不一样。

榆林是陕西省最北的市，坐落在内蒙古的鄂尔多斯盆地东缘，若从北京出发，必须往内陆走过尘土飞扬的800公里路。铁锈色的沙丘包围着一栋栋空无一人的崭新公寓，沙砾溢出了公路旁的挡土墙，飘送到街道上成为一阵阵尘云。榆林和它的300万居民缺乏雨水及绿荫，夏季酷热、冬季严寒。但这个地区坐拥丰富的矿藏，包括中国蕴藏量最大的几个煤矿场。在这里，煤似乎是代表进步的燃料。

榆林市周围的沙质高原上矗立着一根根燃煤发电厂的高耸烟囱，庞大的煤炭处理厂以及驻厂员工的宿舍在沙漠上绵延数公里。穿着工作服的年轻男女在新的燃煤发电厂里忙进忙出。中国有大约80%的电力来自燃煤，但煤的用途并不止于发电。由于当地煤矿藏量如此丰富，它也被用来制造数十种工业用化学品和液态燃料，这个用途在其他大多数国家都靠石油来满足。在中国，煤是从塑料到嫘萦等各式产品中的关键成分。

煤炭也使中国成为全世界二氧化碳总排放量最高的国家，虽然就人均排放量而论，美国还是遥遥领先。中国不打算减少煤的使用量，但比起过去，他们已经警觉到其中的高昂代价。有将近20年中国经验的加州大学圣地亚哥分校环境政策研究员德博拉‧塞利克松说：「过去十年内，中国的环境问题已经从不在讨论范围内跃升为优先讨论事项。」由于空气质量引发民怨、政府对气候变迁风险的意识提高、加上渴望获得能源安全与科技优势，中国已经投入数千亿美元研发再生能源。如今中国已是风力机和太阳能板的头号生产国之一，榆林市周围的烟囱之间散布着巨大的太阳能电厂。但中国也在推动超高效能的燃煤发电，以及更简便、更低价的碳捕集措施。

这些努力不但吸引了外资，也招来了外国移民。中国国营的神华集团是全世界最大的煤矿公司，集团下的北京低碳清洁能源研究所直到不久前还由美国人J‧麦可‧戴维斯主持。戴维斯说他是受到中国政府改善空气质量与减低二氧化碳排放量的「坚定承诺」所吸引才会来到中国。「若想对减低排放量造成最大影响，就到排放量最大的地方去。」

阿米那能源环保技术公司的创始人威尔‧拉塔是移居北京的美国人，与中国的电力公司合作密切。「中国摆明了说：嘿，煤很便宜，我们煤很多，替代能源的生产规模还要几十年才能追得上，」他说。「但同时他们也了解到，这在环境上是无法永续的。因此他们投入大笔资金让燃煤发电变得比较干净。」中国第一座打从一开始就为捕集碳而设计的发电厂预定于2016年在天津启用。这座电厂取名「绿色煤电」，终极目标是要捕集80%的排放量。

去年秋天，正当全球的煤消耗量与碳排放量都即将突破新高之际，政府间气候变迁委员会（IPCC）发布了最新报告，首度估算出地球的「碳排放预算」――也就是如果我们不希望气温升高超过摄氏2度，最多可容许的碳总排放量；摄氏2度是许多科学家认定的门坎，超过它就会发生严重灾害。碳排放量的计算从19世纪工业革命的蔓延开始。IPCC总结指出，我们目前排放的碳已经超过预算的一半。若依现况发展下去，我们不到30年就会达到上限。

想用碳捕集的方式改变现状将是浩大的工程。光是想捕集并储存目前世界十分之一的排放量，就必须把和我们目前抽取的石油差不多体积的二氧化碳注入地下。这需要许多的管线和灌注井。但若想靠以零排放量的太阳能板取代煤炭来达到同样的减碳效果，就得用太阳能板覆盖近2万720平方公里的土地（约为台湾面积的60%）。所有的解决方案都是大工程，因为问题很大――而我们每一种方案都必须动用。

「如果这个问题可以靠减少5%到10%的温室气体排放量来解决，那么我们根本用不着谈碳的捕集和储存，」卡内基美隆大学的爱德华‧鲁宾说。「但我们谈的是在未来三、四十年内将全球的排放量减少80%左右。」碳捕集具有在短时间内大幅减低排放量的潜力：例如，光是捕集一座发电量1000百万瓦的燃煤发电厂的二氧化碳，效果就相当于让280万人从小货车改开丰田Prius（油电混合车）。

美国第一座为捕集碳而设计的发电厂预计在今年年底启用。密西西比州东部的肯珀郡煤气化厂会捕集该厂超过一半的二氧化碳排放量，输送到邻近的油田。这项受美国能源部部分补助的计划一方面饱受预算超支之苦，一方面受到环保人士与反对政府过度支出者的两面夹击。但密西西比电力公司誓言坚持下去。公司领导人说这家发电厂燃烧的是褐煤，而且产生的二氧化碳已有现成市场，有助于抵销率先使用新科技的高昂成本。

然而，政府若没有透过征收碳税或直接限制排放量来强制要求，这种技术就不会普及。「碳捕集必需靠法规推动，」美国能源部太平洋西北国家实验室的研究员詹姆士‧杜利说。如果美国环保署能在今年实践欧巴马总统的承诺，立法管制既有及新建发电厂的碳排放量（而且这些法规还能不被诉讼的挑战击倒），那么碳捕集便能盼来期待已久的强心针。

在此同时，中国已经开始在某些地区试行一种比较有利消费者的策略――这种做法美国已率先尝试过。1990年代，美国环保署根据《清洁空气法案》限制发电厂的二氧化硫总排放量，并发出可转卖的「污染许可」给各个污染制造者。当时，电力业者预言这种做法会引发灾难性的经济后果。反之，这个策略催生了创新而且愈来愈便宜的技术，也让空气质量明显改善。鲁宾说，碳捕集系统现在所处的阶段，就和1980年代的二氧化硫捕集系统差不多。一旦排放限制为这些系统创造出市场，它们的成本也可能跟着大幅降低。

这一切就算成真，煤也依旧不会是清洁能源，但它却会比今日干净许多。而比起继续用肮脏的老方法燃煤，这些努力也会让地球凉快一些。

美国乔治亚州，朱丽叶小区

蒸汽和烟雾从罗伯特谢勒发电厂的冷却塔和烟囱袅袅升起。这是全美温室气体排放量最大的发电厂，每年要烧掉1088万公吨的煤。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK

西弗吉尼亚州，波卡镇

波卡高中的足球队在美国电力公司的一家燃煤发电厂附近练球。这家发电厂为将近200万用户供电。洗涤器会除掉废气中一部分的硫与汞，但不会清除碳。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK

澳洲，昆士兰

一台自动化的斗轮式挖料机把煤装上开往中国和印度的货船。澳洲是世界第二大的煤炭出口国，仅次于印度尼西亚。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK

中国燃烧着全世界将近一半的煤，大部分是用于支撑自1980年以来已经成长了13倍的发电量。需求还在成长，中国民众对于城市里的污浊空气也愈来愈愤怒。中国的空气污染据信每年造成120万人死亡。

中国，朔州

在山西省的这座发电厂附近，一位农民站在去年留下的干枯玉米杆之间，为春天的农事做准备。这座发电厂为320公里外的北京供电，却让当地的农田、作物和居民都蒙上一层煤灰。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK

中国，大同

山西省一处煤炭转运站的工人蹲在输送带旁，把掺杂在低价煤块之间的石头挑拣出来。他们往往没有戴上可以防止吸入煤灰的口罩，工作11个小时的酬劳是3美元。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK

美国每年开采超过10亿吨的煤炭，从前大部分是采自东部的地下矿坑，现在则以西部的露天矿场为主。近年来美国的国内需求已经降低，但对欧洲和亚洲的出口量却增加了。

美国西弗吉尼亚州，麦迪逊

他们说这叫「剃山头」。每从「霍贝21号坑」开采1吨的煤，山上就有15立方公尺的土被炸掉、倾倒在山谷内。阿帕拉契山脉有数百平方公里的山脊都是这么被铲平的。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK，全景图由两张照片合成。

美国弗吉尼亚州，诺佛克

在兰伯兹角的运煤码头，一台台装满煤炭的轨道自动车排成一列列，准备把煤装上港口中等待的船只。每年都有大约2000万吨煤炭（大约是美国总产量的2%）通过这个转运站，大多来自阿帕拉契山区。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK

印度有3亿人无电可用，煤炭藏量则排名世界第五。矿工是产煤压力下的受害者，他们很多都在极度危险的非法矿场中工作。

印度，贾坎德邦

这个少年将一大块煤带到他居住的矿工营地。他的家人会用这块煤来烧制煤焦（一种较干净、发热度也较高的燃料），然后转卖出去或自己留着取暖烧饭用。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK

印度，贾坎德邦

印度东北部开采煤矿的历史非常悠久，将近一个世纪前因矿场意外而引发的火，至今仍在地下深处的矿床中闷烧。在这座矿工营地，空气日日夜夜都弥漫着煤烟。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK

印度，美加拉雅邦

一名矿工（最上）在未经政府核准、也不受法规管制的一座矿场工作，这只是印度东部数百座这样的矿场之一。他仰卧在低矮且没有支撑的通道内，没穿任何保护性衣物，用十字锹和铲子采煤装到他的推车上。每装满2吨的煤，就沿着矿井送上去（上），再用卡车运到集中地（下），按煤块的大小与质量分类。PHOTOGRAPH BY ROBB KENDRICK