丹尼尔·施拉格（Daniel Schrag）总是迎来访客——有为论文烦恼的研究生，有来聊白垩纪硫循环或同样晦涩话题的同事，还有与他合作发表了数十篇学术论文的访问科学家。他在哈佛大学地球与行星科学系任教，并获得了麦克阿瑟“天才奖”。
然而，三年前的一个下午，拜访他办公室的两位男士对教授的闲聊不感兴趣。弗兰克·史密斯（Frank Smith）和吉姆·克罗尔（Jim Croyle）是务实的商人，他们想听听施拉格关于一项重大投资的建议。史密斯和克罗尔是SCS Energy公司的联合创始人，这是一家位于马萨诸塞州康科德附近的发电厂开发公司，他们计划投资50亿美元建设一种名为PurGen One的革命性新型煤炭发电厂。燃烧煤炭约占全球碳排放的40%，但该厂的排放量将几乎为零。史密斯和克罗尔阅读了施拉格关于碳捕获与封存（CCS）——一种通过将二氧化碳埋入地下来阻止其进入大气层的技术——的论文，并准备将其付诸实践。“我当时有点惊讶，”施拉格承认。“我告诉他们，‘如果你们能封存碳，我会很高兴。但你们如何赚钱呢？’”
煤炭在世界各地储量丰富，尤其是在三个能源消耗最多的经济体：美国、印度和中国。完全放弃煤炭将非常困难。另一方面，从燃煤电厂捕获碳并将其注入地下是昂贵的。“清洁煤炭”技术可能比常规的、污染严重的煤炭发电成本高出50%，这大大削弱了煤炭的经济吸引力。施拉格礼貌地指出了CCS可能永远无法商业化的所有原因，但克罗尔和史密斯却滔滔不绝。他们似乎并不在意初始投资需要多少钱。“他们知道这个项目能否盈利，”施拉格说，“他们认为自己已经想出了办法。”
随着两位投资者解释他们的计划，施拉格越来越兴奋：他们想出了一个可能奏效的清洁煤炭发电的突破性方法。PurGen会将原煤转化为更清洁的氢气，然后用氢气来驱动发电机，同时还会产生有价值的副产品。克罗尔和史密斯已经有了几个潜在的选址（他们后来选择了新泽西州林登一个重工业区），他们相信通过使用现成的技术，到2016年就可以建好并投入使用。该项目可能标志着我们发电方式转型的一个开端。我们可以在不放弃可能持续一个世纪或更长时间的能源来源的情况下，大幅减少人为产生的碳排放。
如果克罗尔和史密斯只能提供将煤炭转化为氢气的想法，施拉格就不会印象深刻。将煤炭转化为其他燃料的基本技术，被称为气化，自20世纪20年代就已存在。例如，在南非种族隔离时期，该国无法进口石油，因此它利用当地丰富的煤炭进行气化以制造汽油。制造氢气只需微调这个过程。PurGen项目经理蒂姆·鲍尔（Tim Bauer）解释说，要做到这一点，煤炭被研磨并置于氧气存在下的压力下加热。适量的热量、压力和化学反应可以防止煤炭燃烧；相反，它会经历一系列反应，产生包括氢气、一氧化碳、氮气和二氧化硫在内的混合气体。最后剩下的固体会被回收回压力容器，从中提取更多气体，直到只剩下“炉渣”——惰性的玻璃状炉渣，可以添加到混凝土中以增强其强度。同时，这些气体与蒸汽结合，将一氧化碳转化为二氧化碳，然后可以将其提取、液化并埋藏。
以这种方式处理煤炭比直接燃烧要复杂得多，这也是施拉格最初认为SCS Energy的计划会亏本的原因。“就连常规的燃煤电厂通常也是糟糕的投资，”鲍尔说。建造它们耗资数十亿美元，但只能在部分时间赚钱。白天，当人们使用电脑、电器、电动机械等时，工厂可以出售它们能生产的所有电力。然而，夜间需求会大幅下降——尤其是在冬天，空调关闭的时候。
这正是激发施拉格兴趣的巧妙之处。PurGen的建造成本预计为52亿美元，是传统燃煤电厂的两倍。但SCS公司认识到，虽然煤炭几乎只能做一件事，但煤炭中蕴含的氢气却有多种用途。特别是，它可以作为生产氨和尿素的原料，而氨和尿素是制造肥料的原料。因此，PurGen工厂将是两个工厂合二为一：一个氢气发电厂，在电力需求高时产生电力；一个化工厂，在电力需求低时生产氢基氨和尿素。从煤炭中提取的二氧化硫也将被转化为硫酸出售。因此，PurGen的收入将大大超过传统的750兆瓦燃煤电厂。“它让资本投资24小时运转，”施拉格说。
生产氨和尿素仅仅是额外的收入来源之一。氢气还有许多其他应用。例如，它可以用于燃料电池发电，这可能在未来几十年成为交通运输和分布式发电的重要能源。“目前，大多数商业生产的氢气都来自天然气，这个过程‘碳足迹非常糟糕’，”鲍尔说。任何严肃的碳排放税或碳排放上限的尝试，都将使PurGen的氢气比传统氢气对化肥行业更具吸引力。
严格来说，PurGen并非完全无排放。当用纯氧燃烧氢气时，唯一的副产品是水；当用空气燃烧氢气（PurGen将如此）时，还会产生氮氧化物。尿素厂也会产生一些颗粒物排放。鲍尔表示，所有这些都将符合州和联邦的污染指南。然而，PurGen最大的优势在于，它避免了燃烧煤炭通常伴随的巨量碳排放。
捕获的二氧化碳将在现场液化，并通过一条直径两英尺的管道泵送，管道将向南蜿蜒穿过阿瑟基尔河水域，然后向东穿过拉里坦湾进入大西洋，在大约140英里后，到达海底8000多英尺以下的中侏罗世砂岩的天然储层。该地层巨大，从长岛一直延伸到佐治亚州。它渗透性极强，便于泵入二氧化碳，并且被厚约一英里的不可渗透页岩层覆盖，使二氧化碳难以逃逸。“一万年内二氧化碳都不可能泄漏，”施拉格说。
SCS承认，即使排放量大大减少，煤炭本质上仍然是肮脏的。无论你怎么燃烧它，你仍然需要开采它——将西弗吉尼亚的山顶倾倒到附近的河流中，在蒙大拿或怀俄明留下巨大的地表伤痕，并使矿工面临受伤或死亡的风险。“我们认真对待这些问题，”鲍尔说，“这就是为什么我们承诺不使用山顶剥离煤炭。”相反，公司将使用高硫煤——主要在宾夕法尼亚州、俄亥俄州和西弗吉尼亚州开采——然后在CCS过程中将其中的硫分提取出来。
环保人士组成了一个名为“阿瑟基尔流域联盟”的临时组织来反对该工厂，他们还有许多其他反对理由。首先，他们问道，如果二氧化碳泄漏了怎么办？“这几乎就像储存核废料，”新泽西州塞拉俱乐部分会主任兼流域联盟主席杰夫·泰特尔（Jeff Tittel）说。“如果发生地震怎么办？你将面临一次巨大的‘嗝’，把所有碳重新释放到环境中。”
施拉格听到这些话时，常常会失去冷静。“新泽西塞拉俱乐部简直疯了，”他说。他指出，尽管美国东北部确实会发生地震，但他认为即使是巨大的地震也不太可能释放出位于一英里半岩层下的二氧化碳：“这无异于虚张声势。和右翼智库使用的不负责任的恐吓策略没什么区别。”
PurGen的另一个反对理由与资源有关。泰特尔说，PurGen的50亿美元成本，“足以让我们在海岸线上建造550多台风力涡轮机，产生1600至1800兆瓦的电力。我们可以在林登所在的联合县的每家屋顶都安装太阳能。”“而且，仅通过提高效率，我们就可以将新泽西州的能源消耗降低15%。”
施拉格对这个论点的回应更为简洁。“胡说，”他说。“我是一名环境科学家，也是应对气候变化的坚定支持者。”但他指出，新泽西州阳光不太充足，风也不特别大。他认为，该州最多只能从可再生能源中获得20%的电力。“至于其余部分，唯一无污染的替代方案就是带CCS的煤电和核电，”他说。“新泽西塞拉俱乐部两者都反对。”（尽管有反对声音，林登镇已于1月份批准了该项目。SCS现在预计将于2012年开始建设，并于2016年完工。）
但对于燃煤电厂的碳捕获——不仅在新泽西州，而且在全国乃至全球——最大的障碍是另一种“绿色”：美元。SCS承认，即使PurGen全天候发电，如果不是2008年TARP银行救援法案中附加的每吨20美元的碳封存税收抵免，该工厂可能仍然没有经济吸引力。（该法律涵盖了所有来源高达7500万吨的封存碳，PurGen每年将产生500万吨。）“从长远来看，”新泽西州环境保护部前专员、现任PurGen项目总法律顾问布拉德利·坎贝尔（Bradley Campbell）说，“我们需要对碳定价，无论是税收还是碳排放交易立法，才能使该工厂充分发挥潜力。”
通过一项为期数十年的集中努力，美国或许能够实现大部分电力来自风能、太阳能和其他可再生能源。但风能和太阳能最丰富、最可靠的供应地在大平原和西南部。不仅需要在那里建造大型新风力发电场和光伏阵列，还必须对整个电网进行升级和重新配置，以便将电力输送到需要的地方。美国人还需要在电力使用方面大大提高效率。
如果这一切真的发生，对碳捕获和封存的需求将消失。然而，施拉格和SCS Energy的人认为，大规模转向可再生能源和极致效率的可能性非常渺茫，因此他们正在朝着他们认为可能是美国能源未来的模式（或者至少是其中的重要一部分）前进。而且，由于这项技术并不算特别奇异，原则上它也可以适用于中国和印度，在这些国家，煤炭在未来几十年里很可能仍然是主要的能源来源。化肥和燃料电池的分布式发电将满足这两个国家的重要需求，因此PurGen的经济模式在那里也可能说得通——同样，前提是当地的税法能够承认埋藏碳而不是将其排放到大气中的好处。
如果世界最终就碳排放上限达成协议，PurGen模式可能会全球化，碳也可能重返地下。这将使SCS Energy的资本家们非常高兴。
百花齐放，千箱争艳
2月份，CBS频道《60分钟》栏目向数百万观众展示了一个赞誉颇多的专题报道（CBS，Discover），介绍了“Bloom Box”，一个冰箱大小的设备，可以为100个美国家庭提供足够的电力。此后，关于这个盒子及其创造者、加州桑尼维尔的Bloom Energy公司的热议从未停止。“从市场角度来看，他们做得非常出色，”加州大学欧文分校国家燃料电池研究中心主任斯科特·萨缪尔森（Scott Samuelsen）说。“20年来，这些燃料电池一直存在，而Bloom Energy在一周内就吸引了媒体和公众的关注。”
燃料电池可以以氢气、天然气或生物燃料为燃料——后两者需要一个重整器来处理燃料以提取氢气。氢气从一侧流入电池，氧气从另一侧进入。反应会产生电子流，从而产生电流。由于没有燃烧，燃料电池运行得非常清洁：它们的排放物只有水和二氧化碳，每千瓦时的二氧化碳排放量不到传统发电厂的一半。如果电池使用氢气——例如，可以从清洁煤电厂获得——唯一的直接副产品就是水。燃料电池也很紧凑且近乎无声，这使得它们成为备用发电机，甚至家用分布式电源的理想选择。
最大的障碍是成本：目前，燃料电池发电的成本是您墙壁插座电力的四倍。许多固体氧化物燃料电池，包括Bloom Box，的工作温度在1250至1800华氏度之间。经济可行的燃料电池需要使用廉价材料，这些材料能够承受多年的高温而保持高效率。这就是Bloom Energy声称自己所做到的。其燃料电池的正负极采用了一种公司尚未透露的专有涂层；中间是一层烘烤过的沙子——硅。萨缪尔森指出，劳斯莱斯和德尔福（Delphi）公司也在研究类似技术，但商业化版本至少还需要三年。
修订的法规可以帮助燃料电池普及。包括加利福尼亚州、纽约州和康涅狄格州在内的几个州正在修改电力公司的规定，以便个人或公司可以将电力（来自燃料电池或其他私人电源）卖回电网。“燃料电池清洁高效，但我们必须为它们创造一个市场，”UTC Power公司的固定式燃料电池业务总监尼尔·蒙蒂（Neal Montany）说，该公司最近在一些全食超市安装了燃料电池。——艾米·巴思（Amy Barth）
