研究探索：生物质与煤炭的组合如何在中国实现负碳发电？

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如果我们要像《巴黎气候协定》（Paris Climate Agreement）所规定的那样，将全球气温升幅限制在比工业化前水平高出2摄氏度之内，那就不仅仅是转向风能和太阳能等碳中性能源那么简单。这将需要负碳技术，包括能实际降低大气中二氧化碳水平的能源。 　　尽管大多数气候研究人员和活动人士都认为，要实现《巴黎协定》的目标，就需要采取碳减排的解决方案，但迄今为止，大多数这些解决方案在短期内都被认为是不切实际的，尤其是对中国这样的煤炭大国而言。 　　现在，来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences）和哈佛-中国能源、经济和环境项目（Harvard-China Project on Energy，Economy and Environment）的研究人员与清华大学（Tsinghua University）以及中国、澳大利亚和美国其他机构的同事合作，分析了中国转向负碳发电的技术和经济可行性。 　　这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。 　　哈佛大学吉尔伯特·巴特勒（Gilbert Butler）环境研究教授、该论文的资深合著者迈克尔·麦克尔罗伊（Michael McElroy）表示，这篇论文提出了一个大胆的建议，即中国不仅可以向负碳能源迈进，而且可以以一种具有经济竞争力的方式做到这一点。 　　清华大学环境学院副教授、该论文第一作者陆西（音译，Xi Lu）表示：“我们所描述的这套系统不仅为长期发电提供了一种负碳的替代方案，而且为减少中国的空气污染带来了显著的短期共同利益。”陆还曾是海洋研究所的研究生和博士后。 　　McElroy，Lu和他们的同事提出的战略包括两种形式的绿色能源的结合：煤-生物能源的气化以及碳捕获和储存。 　　生物能源是负碳工具箱中最重要的工具之一。 　　生物能源来自地球上最好的二氧化碳洗涤器——植物。正如我们大多数人在小学学到的，植物利用光合作用将二氧化碳转化为有机碳和氧气。储存在植物中的碳可以通过燃烧重新转化为能量。发酵，如在生产乙醇时，或者通过一种称为气化的过程，将富含碳的原材料转化为一氧化碳、氢和二氧化碳，用于燃料和工业化学品制造。 　　将生物质转化为能源，然后捕获和储存废弃二氧化碳的过程是负碳发电最常被谈论的策略之一。它被称为BECCS——具有碳捕获和存储功能的生物能源利用。问题是，在大多数应用中，BECCS的效率不是很高，需要大量的土地来种植为地球提供能源所需的植物，这可能会导致全球粮食和水资源的短缺。 　　但是，如果有一种方法可以使这个过程更加实用和有效呢？ 　　Lu、McElroy和他们的国际团队转向了一个不太可能的绿色能源解决方案：煤炭。 　　McElroy说：“如果你试图仅靠生物燃料来实现这一目标，那么效果并不十分明显。煤的添加提供了一种非常重要的能源。如果你将生物燃料与煤混合并使其气化，你就可以在这个过程中开发出一种纯氢源。” 　　通过模拟生物燃料与煤炭的不同比例，研究人员发现，只要混合燃料中至少有35%是生物质，而且废弃二氧化碳被捕获，那么所产生的电力实际上会减少大气中的二氧化碳。按照这个比例，研究人员发现，电力的平均成本将不超过9.2美分每千瓦时。每吨约52美元的碳价，将使该系统在成本上可以与中国目前的燃煤电厂展开竞争。 　　这一战略的一个关键组成部分是利用作物残茬（农田收获后的植物残茬）作为生物燃料。 　　在中国，季节性农业秸秆焚烧是空气污染的主要来源之一。收集这些残茬并将其用作生物燃料，不仅能减少二氧化碳，还能显著改善空气质量。气化还可以更容易地从中去除空气污染物。 　　研究人员承认，开发一个收集生物质并将其输送到发电厂的系统需要时间，但他们辩称，该系统不需要一次全部实施。 　　哈佛-中国项目的执行董事、该研究报告的合著者克里斯·P.尼尔森（Chris P. Nielsen）表示：“由于我们调查了煤炭与生物质的整体比例，我们已经展示了中国如何能够逐步转向一种越来越负碳的能源。首先，少量的生物燃料可以用来减少净正碳排放。然后，这个体系可能会向碳中和过渡，并最终形成一个负碳体系。你不必从一开始就完成所有的事情。” 　　Lu说，这项研究为在中国寻求实现负碳能源机会的决策者提供了重要信息。 　　本研究由Liang Cao, Haikun Wang, Wei Peng, Jia Xing, Shuxiao Wang, Siyi Cai, Bo Shen, and Qing Yang等共同执笔；主要作者Lu和其他三位在中国的合作者都是哈佛-中国项目的校友。它得到了哈佛全球研究所（Harvard Global Institute）的部分资助。