煤炭为工业革命的大部分提供了动力，至今仍在包括中国和印度在内的发展中国家推动经济增长。
然而，煤炭的阴暗面在于，它会排放大量导致气候变化的温室气体，主要是二氧化碳（CO2）。除这种CO2污染外，燃煤产生的其他排放物还导致全球每天数千人 过早死亡 。
人们曾经认为，可以通过将二氧化碳埋入地下，经济地控制燃煤电厂的CO2排放。然而，我们发表在期刊《 Environmental Science & Technology 》上的最新分析表明，碳捕集与封存（CCS）概念的成本将远高于此前预期，因为以往研究误算了所需能量。因此，它不太可能为燃煤发电提供经济可行的CO2污染解决方案。
煤炭与全球碳预算
随着各国在 巴黎联合国气候峰会上探讨减少温室气体排放的途径，制定遏制煤炭排放的战略对于在气候变化问题上采取切实行动至关重要。
据 国际能源署的数据，2014年全球供热和发电用煤产生了超过140亿公制吨（即吉吨）的CO2排放，约占全球温室气体总排放量的三分之一。
目前大气中的CO2浓度约为百万分之400（ppm）。我们的分析表明，如果当前的燃煤电厂持续运行至其预期使用寿命结束，到2050年它们将累计排放260至350吉吨CO2，这将使CO2浓度再增加13至18 ppm。
科学家建议，CO2浓度需保持在 430-480 ppm 以内，以避免对气候造成危险干扰（定义为相对于工业革命前气温上升两摄氏度）。因此，仅现有电厂的用煤就将消耗人类为避免达到该阈值而剩余的“碳预算”的约三分之一至一半。
CCS能否成为救星？
鉴于煤炭对全球经济增长的重要性，同时又需要减少CO2排放，“碳捕集与封存”（CCS）技术受到了极大关注。
诸如 Pacala and Socolow、 Williams et al和 Hertwich et al 等知名研究提出了一系列应对CO2挑战的策略。值得注意的是，这些研究都假设CCS将被广泛部署。例如，Hertwich等人预测，到2050年，CCS将贡献全球CO2减排量的近85%。
CCS的本质是捕集化石燃料产生的CO2，在高压下将其压缩，然后经由管道或船舶运输，封存于深海或地下地质储层中，从而使CO2不进入大气。
目前尚无功率超过500兆瓦的大型CCS电厂投入运行，我们对该技术的认识大多来自20世纪90年代的中试规模电厂以及随后关于捕集过程的科学模型。
从燃煤电厂的废气中捕集CO2需要以蒸汽和电力形式输入能量。由于部分能量被用于CO2捕集，CCS会降低电厂的电功率输出和/或增加其燃料投入。这就为电厂带来了“能量损失”，并提高了运营成本。此外，建设CCS系统还需要大额资本成本。
以往的 研究 通常估计，捕集90%CO2排放的燃煤电厂燃料成本将上升约30%-60%。然而，近期中试或 小规模商业CCS电厂 的数据一直表明，实际上能量损失和燃料成本要高得多。那么，这种差异从何而来？
数字对不上
为了理解为何早期中试研究和模型的估计与近期关于CCS能量损失和成本的观测结果不一致，我们决定重新审视CCS能源分析和经济学文献中的一些假设与计算。
我们的研究由美国国家科学基金会资助，结果表明，增加CO2捕集装置后，燃煤电厂的燃料成本最高可增加136%。也就是说，燃料成本决定了电厂的发电边际成本（进而决定利润），在CCS的未来，燃料成本将增长一倍以上。
在我们的分析中，我们量化了CCS的“反馈回路”，从而对能量损失做出了更准确的估计。反馈回路的产生是因为，为CCS本身发电和产生蒸汽而额外燃烧的燃料会产生必须被捕集并封存的CO2。捕集这些CO2又需要更多燃料，而这又会产生更多CO2。尽管以往研究已定义了能量损失，但它们忽略了这一明显的反馈回路，导致严重低估了CCS成本。
我们将这一混淆的根源追溯到对一项 20世纪90年代中试研究 在CCS能源与经济文献中的解读方式。该中试研究报告称，其513兆瓦电厂的发电功率因新增碳捕集设备而降至336兆瓦。这相当于35%的能量损失，意味着从燃料中去除碳时，产生相同兆瓦数的电力需要多消耗35%的能量。
当后续研究在未充分纳入其基础假设的情况下使用这一35%的能量损失数值时，与实际能量损失之间便出现了偏差，即随着电厂捕集的碳越多，它们就需要燃烧越多燃料来捕集更多碳。
这部分额外能量直接转化为成本。若考虑燃料投入恒定，用于碳捕集所需的蒸汽可能占电厂锅炉总产蒸汽量的约40%-60%。由于这些蒸汽无法用于发电，这意味着电厂运营方将遭受收入损失和利润损失。
可再生能源表现更佳
我们的分析表明，与其他低碳发电形式相比，CCS的成本比此前认为的更高。
不同能源的发电成本，按资本成本、运营与维护成本以及燃料成本分类。改编自Supekar和Skerlos（2015），DOI 10.1021/acs.est.5b03052。
在计入反馈回路的能量损失后，我们发现风能和太阳能光伏等可再生能源已比配备CCS的煤电更具成本竞争力。预测显示，风能和太阳能将 继续变得更便宜。
天然气每单位发电量产生的CO2约为煤炭的一半，无论是否配备CCS，它也可能是比煤炭更便宜的替代方案。
让煤炭留在地下，不仅是减少碳排放最经济的方式，也是通过更清洁的空气每天挽救数千人生命的可靠途径。这是典型的“预防”胜过“治疗”的案例：通过能源系统脱碳实现的预防，比捕集CO2这一“治疗”手段更好也更便宜。
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作者：Steve Skerlos是密歇根大学机械工程教授、土木与环境工程教授。Sarang Supekar是密歇根大学机械工程博士后研究员。
图片：多个风电场的风车景观。REUTERS/Fabian Bimmer。