前言

2002年，麻省理工学院的一群教员决定进行一系列跨学科的研究，研究美国和世界如何在不增加二氧化碳（二氧化碳）或其他温室气体排放的情况下满足未来的能源需求。第一项研究“核能的未来”发表于2003年。2004年，麻省理工学院的一个类似团队进行了目前的研究，“煤炭的未来”。这项研究的目的是研究煤炭在一个通过限制碳排放来减轻全球变暖的世界中的作用。该研究的特别重点是比较不同的煤燃烧技术与二氧化碳捕获和封存的集成系统结合时的性能和成本。

我们的听众是政府、工业、学术领袖和决策者，他们对管理一套相互关联的技术、经济、环境和政治问题感兴趣，这些问题必须设法限制和减少温室气体排放，以减轻气候变化的影响。在未来任何一个可能想到的能源方案中，煤炭都很可能仍然是一个重要的能源来源。因此，我们的研究重点是确定减少煤炭使用产生的二氧化碳排放所需的优先行动。我们相信，我们的综合分析将促进美国和全世界的建设性对话。

这项研究证实了我们的信念，即麻省理工学院社区有足够的能力进行这一性质的跨学科研究，以阐明复杂的社会技术问题，这将对我们的经济和社会产生重大影响。

感谢

由于咨询委员会成员的意见和建议，这项研究效果更好，我们特别感谢他们的参与。然而，应该理解的是，这项研究是麻省理工学院参与者的责任；咨询委员会没有被要求批准或支持这项研究，事实上，个别咨询委员会成员可能对所涉及的许多主题有不同的看法。

我们的研究大大受益于一些研究生研究助理的参与，特别是，

马克·博姆，爱德华坎宁安，塞勒姆埃斯伯，詹姆斯麦克法兰，马克德菲格雷多，杰里米约翰逊，阿雅卡纳加琼斯，穆纳拉恩塞卡尔洛里辛普森，曼纽拉上田和奥拉莫斯塔德，博士后研究助理。

此外，在煤炭研究期间，麻省理工学院本科生连续两个参加了化学工程高级设计课程，10.491。每年，大约60名学生被分配到4人组成的小组，分析和设计二氧化碳捕获系统的组成部分的解决方案。来自团队的最终报告和课程助教的教学结果为本研究做出了重要贡献：

斯坦尼斯拉斯·贝利、布伦丹·布莱克威尔、塞勒姆·埃布瑟、李庄涌、安德烈·麦克斯和凯瑟琳娜·威尔金斯。

感谢来自阿尔弗雷德·p·斯隆基金会、皮尤慈善信托基金、能源基金会、更好的世界基金、挪威研究理事会和麻省理工学院教务长办公室的慷慨财政支持。壳牌公司为我们在中国的部分研究提供了额外的支持。

摘要

麻省理工学院的这项研究探讨了煤炭作为一种能源的作用，即通过限制碳排放来缓解全球变暖。我们的第一个前提是，全球变暖的风险是真实存在的，美国和其他政府应该并将采取行动，限制二氧化碳和其他温室气体的排放。我们的第二个同样是同样重要的前提是，煤炭将继续在温室气体限制的世界中发挥巨大和不可或缺的作用。事实上，各国政府和工业界面临的挑战是找到一条减少碳排放的途径，同时继续利用煤炭来满足紧急的能源需求，特别是在发展中经济体。这个企业的规模是巨大的。（见方框1）。

我们的目的是确定应采取的措施，以确保获得已示范的技术，有助于实现碳减排目标，同时继续依靠煤炭来满足世界能源的很大一部分需求。我们的研究没有分析替代的碳排放控制政策，因此，该研究没有就今天应该采取何种碳减排措施提出建议。然而，我们希望这项研究将有助于美国迅速采取一项关于碳排放的全面政策。

我们相信，在任何可预见的情况下，煤炭的使用都会增加，因为它既便宜又丰富。煤炭可以以每百万英热单位1至2美元的成本提供可用能源，而石油和天然气的成本为每百万英热量单位6至12美元。此外，煤炭资源分布在世界上除波斯湾以外的其他地区，波斯湾是一个不稳定的地区，蕴藏着最大的石油和天然气储量。尤其是美国、中国和印度拥有巨大的煤炭储量。对他们以及欧洲和东亚的煤炭进口商来说，经济和供应安全是继续使用煤炭的重要激励因素。无碳技术，主要是核能和可再生能源发电，也将在碳限制的世界中发挥重要作用，但如果没有我们没有预见到的技术突破，大量的煤炭将仍然不可或缺。

方框1    说明了碳捕获的规模所面临的挑战

• 如今，化石能源占能源需求的80%：煤炭（25%）、天然气（21%）、石油（34%）、核能（6.5%）、水力（2.2%）、生物质和废物（11%）。地热、太阳能和风能只满足了全球能源需求的0.4%。1

• 美国50%的电力来自煤炭。2

• 这相当于美国超过500,500兆瓦的燃煤红电厂，平均年龄为35岁。2

• 中国目前每周正在建设相当于2,500兆瓦的燃煤红电厂，每年的容量相当于整个英国电网。3

• 一个500兆瓦的燃煤电厂每年产生大约300万吨的二氧化碳（CO2）

• 美国每年从燃煤发电厂生产约15亿吨的二氧化碳。

• 如果所有这些二氧化碳都被封存，其数量相当于重量的三倍，在典型运行条件下，相当于美国天然气管道系统年输送天然气量的三分之一。

• 如果美国燃煤发电生产的二氧化碳的60%被捕获并压缩为液体用于地质封存，其产量将大约相当于美国每天2000万桶的石油总消费量。

• 目前，最大的封存项目是将斯莱普纳气田每年100万吨二氧化碳（二氧化碳）注入北海下的一个碳碱含水层。3

注：

1. 国际能源署主要世界能源统计数据（2006年）

2. EIA 2005年度统计数据（www.eia.doe.gov）

3. 来自麻省理工学院的煤炭研究

然而，煤炭在其生产和使用过程中也会产生重大的不利环境影响。在过去的二十年里，在减少所谓的“标准”空气污染物的排放方面取得了重大进展：来自燃煤电厂的硫氧化物、氮氧化物和颗粒，最近已经制定了减少汞排放的法规。我们在本研究中的重点是控制二氧化碳排放的方法。由于煤的碳含量高，每Btu产生的热能排放量相对较大。

我们的结论是，二氧化碳捕获和封存（CCS）是一种关键的启用技术，可以显著减少二氧化碳的排放，同时也允许煤炭满足世界紧迫的能源需求。

探索这一前景，我们的研究采用排放预测和政策分析（EPPA）模型，在麻省理工学院开发，准备场景的全球煤炭使用和二氧化碳排放在各种假设的水平和时间1可能强加于二氧化碳排放和删除二氧化碳煤的成本。全球经济对二氧化碳排放定价的反应是多方面的：人们使用的能源减少，转向低碳燃料，新发电厂和现有发电厂的效率得到提高，新的碳控制技术被引入，例如中国化学会。在描述二氧化碳排放价格时，我们采用了一个“高”价格轨迹，从2015年25美元/吨二氧化碳开始，并以每年4%的实际速度增长。每吨25美元的价格是不重要的，因为它接近了使CCS技术经济的水平。

这种碳排放收费可能采取直接税的形式，由限额交易机制施加的价格，或者对二氧化碳排放的其他类型的监管限制。在本报告中，我们将把该费用称为税收、价格、罚款或约束，除非有说明，否则使用一种或另一种形式不应作为对该形式的偏好的指示。

我们还研究了一个“低”价格轨迹，从2010年二氧化碳排放价格为7美元/吨开始，并以5%的速度增长。“低”价格的关键特点是，它在近25年后达到了最初的“高”价格水平。研究的其他假设包括2050年以前的核能发展（有限或扩大）和天然气价格的概况（根据模型计算或在较低的水平）。

我们的结论是，煤炭将继续被大量用于满足世界上的能源需求。与“照常商业”（BAU）相比，高二氧化碳价格情景导致2050年煤炭使用大幅减少，但在大多数情况下，相对于2000年仍有所增加。在这样一个碳限制的世界里，CCS是未来减少二氧化碳排放的关键技术选择，同时将煤炭使用保持在今天的水平以上。表1显示了二氧化碳价格较高的情况，并应用了EPPA模型的天然气价格参考预测。无论二氧化碳价格水平（表中未显示）或对核能增长的假设如何，中国化学会的可用性对本世纪中叶煤炭的利用都有显著影响。2050年煤炭使用量比今天多，而全球所有能源的二氧化碳排放仅略高于今天的水平，不到BAU水平的一半。2050年全球减排的一个主要贡献者是，将煤炭的二氧化碳排放量减少到今天水平的一半或更少，并减少到BAU预测的六分之一或更少。

表1    2000年和2050年有和没有碳捕获和储存的煤炭使用量（EJ）和全球二氧化碳排放量（Gt/年）*

“低”二氧化碳价格情况比中国化学会在高价格情况下晚25年成为经济的水平。因此，相对于高二氧化碳价格情景，2050年的煤炭消费更高，此外，CCS的贡献要低得多，从而导致二氧化碳排放量大幅增加。

今天，独立于任何碳限制，对煤炭的优先目标应该是成功的大规模演示技术、经济和环境性能的技术组成的所有主要组件的大型集成CCS系统捕获、运输和存储。这种示范是在十亿顿规模广泛部署的先决条件，以应对未来实施的碳减排政策，也是缓解限制化石资源使用排放和满足世界未来能源需求之间的权衡的先决条件。

CCS的成功实施将不可避免地增加煤的燃烧和转化的成本。我们估计，对于新工厂的建设，二氧化碳的排放价格约为30美元/吨（约110美元/吨C）将使CCS的成本与没有CCS的煤炭燃烧和转换系统具有竞争力。这将足以抵消二氧化碳捕获和增压（约25美元/吨）和二氧化碳运输和存储（约5美元/吨）的成本。对CCS成本的估计是不确定的；它可能更大，有了新技术，也可能更小。

采用CCS的燃煤电厂的部署速度既取决于二氧化碳排放价格的时间和水平，也取决于CCS技术的技术准备情况和成功的商业示范。二氧化碳排放价格的时间和水平尚不确定。然而，不应拖延开展一个项目，以建立大规模利用CCS的选择，以应对碳排放控制政策，使CCS技术经济。到本世纪中叶，每年1-20亿吨碳（近4-80亿吨二氧化碳）的封存率将显著增加煤炭的使用，并显著减少二氧化碳的排放。

我们需要的是演示一个大规模捕获、运输和存储二氧化碳的集成系统。这是一个实际的目标，但需要采取协调一致的行动来执行。综合示范必须包括一个适当仪器的存储站点，在监管框架下运行，包括选址、注入和监控，在一段时间的良好实践后，最终将责任转移给政府的条件被证明。

一个有公众和政治支持的明确和严格的监管程序是大规模实施碳封存的先决条件。监管程序必须解决与产权识别、责任、场地许可和监控、所有权、补偿安排以及其他机构和法律考虑相关的问题。需要为封存项目确定监管规程，包括选址、注入操作，以及在一段时间的成功运行后最终将保管权移交给公共当局。除了二氧化碳排放的限制外，在温室气体限制的世界中采用CCS技术的节奏问题是解决相关地质学中大规模封存所涉及的科学、工程和监管问题。这些问题的处理应该比今天所证明的更加紧迫。

目前，政府和私营部门计划及时实施所需的大规模综合示范，以确认碳封存的适宜性是完全不够的。如果这种防御没有得到补救，美国和其他政府可能会发现，他们被阻止实施某些碳控制政策，因为要进行负责任地监管碳封存的必要工作尚未完成。因此，我们认为应该高度优先考虑一个在多个地质中展示二氧化碳每年100万吨二氧化碳封存的项目。

我们有信心，大型二氧化碳注入项目可以安全运行，但目前没有正在运行的二氧化碳存储项目（挪威斯莱普纳；加拿大韦本；在阿尔及利亚萨拉赫）具有必要的建模、监控和验证（MMV）能力，以大规模解决悬而未决的技术问题。每个大规模封存水库都具有独特的特点，需要进行现场研究，并应调查一系列地质特征。我们估计，美国需要的大规模CCS项目约为3个，全球约为10个，以覆盖大规模存储的可能可访问的地质范围。来自每个项目的数据都应该被彻底地分析和共享。每个项目的成本（不包括收购二氧化碳）约为每年1500万美元，为期10年。

提高采收率（EOR）的二氧化碳注入项目对于长期、大规模的二氧化碳封存的意义有限，EOR项目的能力不足以进行大规模部署，地质构造被生产破坏，EOR项目通常没有很好的仪器化。对全球温室气体浓度产生重大影响所需的中国化学会规模是巨大的。例如，每年封存10亿吨碳（近40亿吨二氧化碳）需要每天从约600 1000兆瓦的燃煤电厂注入约1百万桶超临界二氧化碳。

虽然严格的二氧化碳隔离示范项目是一个重要的基础扩展CCS部署，我们考虑全面碳排放控制政策的一部分，我们强调没有理由推迟及时采用美国碳排放控制政策，直到封存示范项目完成。

第二个高优先级的要求是演示几种替代煤燃烧和转换技术的二氧化碳捕获。目前，集成Gasifi阳离子联合循环（IGCC）是二氧化碳捕获发电的主要候选产品，因为它的成本估计比捕获的煤粉要低；然而，IGCC和其他煤炭技术都没有通过中国化学会得到证明。至关重要的是，政府研发项目不要落入挑选技术“赢家”的陷阱，特别是在美国和国外的私营部门都在进行大量的煤炭燃烧和转化发展活动的时候。

随着技术的进一步发展，除IGCC以外的捕获方法可能被证明具有吸引力，例如，氧菲红煤粉燃烧，特别是使用质量较低的煤。当然，IGCC也会有改进。需要对子系统进行研发，例如氧气和空气驱动的产品气体以及空气中氧分离的改进二氧化碳分离技术。该技术计划将受益于广泛的建模和模拟工作，以比较替代技术和集成系统，并指导开发。新的分离方案，如化学循环应该在工艺开发单元（PDU）规模上继续追求的。现实情况是，煤类型的多样性，如热、硫、水和灰分含量，意味着任何应用的操作条件不同，可能会部署多种技术。

这些示范项目以及支持性的研发项目都需要政府的支持。需要并应提供政府援助，以证明使用CCS的煤炭技术的技术性能和成本，特别是IGCC。目前没有燃煤电厂碳捕获的操作经验，当然也没有综合封存操作。鉴于技术上的不确定性和目前没有碳收费，私人企业没有经济动机进行这类项目。能源公司已经推进了一些重大项目，所有这些公司都明确表示需要政府援助，以便继续进行未经证实的“无碳”技术。

《美国2005年能源法案》包含授权联邦政府援助IGCC的条款或煤粉厂包含先进技术项目。我们认为，这种援助应该只针对带有CCS的工厂，包括新工厂和现有工厂的翻新应用。许多电力公司和发电厂开发商提出新的煤fi红色发电单元选择超临界煤粉单位，因为在没有收费二氧化碳排放物，发电的母线成本（COE）从煤粉（PC）发电厂低于IGCC，其可用性更高。这些未来的新电厂，以及现有的燃煤电厂库存，提出了在征收碳排放费时存在的燃煤电厂未来改造的问题。这个问题不同于在施加碳充电后将建造的新发电厂所选择的技术不同。在采取限制二氧化碳排放的政策之前，如果联邦援助扩大到煤炭项目，则应限于这些项目。

有人认为，未来碳费用的前景应该创建一个偏好的技术成本最低的改造t二氧化碳捕获和存储，或者发电厂现在应该“捕获准备”，这是经常解释意味着新的燃煤红色电厂应该IGCC。

从电厂开发商的角度来看，今天为新电厂选择燃煤红色技术需要一个微妙的平衡。一方面，诸如SO2、氮氧化物和汞的空气质量标准可能收紧，未来的碳排放，或可能为IGCC引入联邦或州财政援助等因素似乎有利于IGCC的选择。另一方面，等因素短期提高效率的机会，使用低成本煤的能力，循环电厂的能力更容易应对电网条件，和信心达到能力因素/效率性能目标似乎有利于选择超临界的煤粉2（SCPC）。除了建议新的煤机组应该以经济上合理的最高效率建造，我们不认为对任何一种技术的明确偏好都是合理的。

此外，改造现有的燃煤电厂，原本设计为没有碳捕获的操作，将需要重大的技术修改，无论该技术是SCPC还是IGCC。这将远远超过增加一个“在线”工艺单元来捕获二氧化碳；所有工艺条件都将改变，这意味着需要改变涡轮机、热率、气体清理系统和其他工艺单元以有效运行。根据今天的工程估计，IGCC工厂的改造成本似乎比SCPC工厂的改造成本更便宜，最初设计为没有中国化学会的操作，以捕获相当一部分排放的碳。然而，IGCC的这种特征尚未得到证实。”同时，即使改造t成本IGCC工厂便宜，净现值的差异IGCC和SCPC工厂建立现在和改造后在应对未来碳费用很大程度上取决于时间和大小的估计，以及改造t成本的差异。从本质上说，在碳充电之前，更便宜的电力之间有一种权衡

无论技术如何，在新的燃煤电厂中建立“可捕获就绪”功能的机会都是有限的。除了对工厂布局进行简单的修改，为转移反应堆等翻新设备留出空间外，对IGCC或最初没有CCS运行的煤粉燃烧厂的“捕获准备”功能的预投资不太可能具有经济吸引力。在没有捕获的情况下建造一个资本成本较低的工厂，然后要么为碳排放支付价格，或者在碳价格合理的情况下为碳捕获进行增量投资，成本会更低。然而，很少没有工程分析或数据来探索可能考虑的投资前选择的范围。

有可能的动机增加早期投资燃煤发电厂没有捕获，是否SCPC或IGCC，期望这些植物的排放可能是“祖父”的授予免费二氧化碳津贴作为未来碳排放法规的一部分，（在不受监管的市场）他们也将受益于电价的上涨，将伴随碳控制制度。国会应该采取行动，在这个“祖父”漏洞成为问题之前关闭这个漏洞。

美国能源部的清洁煤项目没有走上解决我们优先建议的道路，因为资金水平远远达不到要求，而且项目内容与我们的战略目标不一致。美国能源部未来能源项目符合我们的优先建议，即启动大规模的综合示范项目。然而，我们对这个特定的项目有一些担忧，特别是需要更好地阐明项目目标（研究与示范），包括可能进一步混淆目标的国际合作伙伴，以及政治现实是否会允许FutureGen财团以一种为私营部门投资决策提供信息的方式自由运营该项目。

综合CCS示范项目的责任，包括获得碳封存示范所需的二氧化碳，应分配给一个新的准政府碳封存示范公司。公司应选择示范项目，并提供财政援助，使行业能够尽可能以商业方式管理项目。

成功限制二氧化碳排放最终取决于大型发达国家和发展中经济体遵守二氧化碳缓解政策。我们看到在达成必要的国际安排方面进展。尽管欧盟已经实施了一项涵盖其大约一半二氧化碳排放量的限额交易计划，但美国尚未在联邦一级采取强制性政策来限制二氧化碳排放量。美国在减排方面的领导地位很可能是新兴经济体采取实质性行动的先决条件。

美国的更激进的政策似乎与公众的态度相一致。美国人现在将全球变暖列为美国面临的头号环境问题，70%的美国公众认为美国政府需要采取更多措施来减少温室气体的排放。在过去的三年里，解决这个问题的支付意愿增长了50%。

然而，对中国和印度目前能源发展的审查表明，中国要采用和实施碳约束还需要一段时间。印度很可能也是如此。

从累积二氧化碳排放的角度来看，新兴经济体适度延迟遵守的国际体系是可以管理的。然而，如果其他国家，特别是中国和印度，处理这个问题然后CCS是这些国家的重要技术，和研发和商业演示重点提出了同样重要的准备CCS快速采用，如果他们开始采取更严格的控制措施。

我们研究的中心信息是，在商业规模的煤炭燃烧和转换工厂，碳捕获和封存的技术、经济和制度特征的示范，将(1)给决策者和公众信心一个实际的碳缓解控制方案存在，(2)缩短部署时间，减少碳捕获和封存成本应采用碳排放控制政策，和(3)保持最低成本和最广泛可用的能源形式，以环境可接受的方式满足世界紧迫的能源需求。