爱华网煤炭是电力生产的重要能源供应商，全球大约40%的电力依靠燃烧煤炭产生。虽然全球煤炭供给充足，并且基础设施已到位，但燃煤发电厂在电力和热能的生产过程中，同时也会产生大量的空气污染物。如果不经过处理而直接排放会污染空气，造成酸雨，并有可能导致哮喘或心脏病发作。据统计，煤电厂排放的二氧化碳是天然气发电厂的两倍。
今天，煤炭在燃料来源中的地位正在下降，而天然气的地位正在日趋高涨。2012年，全球煤炭消费量增长了2.5%，虽然它仍然是化石能源中消费增长最迅速的，但却远低于过去十年4.4%的平均增长率。可以说，煤炭已经走到了一个岔路口：依靠老旧的、效率较低的燃煤发电厂将是倍受创伤的路径，几乎已经被严苛的法规和新发现页岩气洪流击倒；而如果走向未来，则意味着要投资能够更高效更清洁的燃煤新技术新设施，以实现无污染地利用煤炭能源。
若要让煤无污染，必须在排放前捕集二氧化碳，并将之永久地封存于地下。国际能源机构（IEA）指出，碳捕集和存储可以减少全球二氧化碳排放量的19%；如果没有碳捕集和存储，全球用于应对气候变化的成本将高出70%。尽管经过了多年的研究，在美国，甚至是全世界，仍然没有任何一个燃煤发电厂可以做到这一点。为了生存，业界必须重新塑造其未来。那么，煤炭的未来到底在何方？
本文主要以美国为例，从目前常用的清洁煤炭发电技术的应用和最新技术的发展着眼，试图审视煤炭的未来。
常用的清洁煤炭发电技术及其应用
煤炭气化是一个过程，通过它，煤可以转换成电力、化学制品、氢和运输燃料，并捕集由此产生的碳副产品，将其封存或是用于提高原油开采率，从而达到清洁高效地使用煤炭的目的。气化的若干优势使其成为一个无论是现在还是将来都非常具有吸引力的技术。煤炭气化的主要市场之一是电力，煤炭气化厂这一新型发电厂利用部分燃烧的煤制成合成天然气或合成气，然后燃烧合成气来发电。
虽然煤炭支持者仍在顽强抗争，但公用事业部门正在抛弃那些建立于20世纪50年代的陈旧肮脏的发电厂，改为安装现代化的污染控制，进行先进的燃煤发电试验。事实上，美国能源信息管理局表示，燃煤设施的清洗已耗资约300亿美元，这些设备已经于2007到2011年间被安放在34个州的110家发电厂中。60%的煤炭发电机组现在拥有该设备，它们被用来减少导致酸雨的二氧化硫排放。在1990年到2011年间，二氧化硫排放量已经下降了68%。
与此同时，一些有联邦政府援助的有钱的公用事业部门正在建设煤炭气化装置。这些设施可以在烟雾离开烟囱之前，几乎净化掉所有的煤炭排放。而且由于该技术致力于凝缩二氧化碳，因此排放可以被捕集和掩埋。杜克能源公司和南方公司都有这类项目。
杜克能源于2013年6月完成其在印第安纳州的618兆瓦煤炭气化发电工厂，同时该机组也能使用天然气。这是一个耗资35亿美元的公私合营项目。虽然批评家承认历史上燃料的价格一直很不稳定，但他们仍坚持说建设一个联合循环天然气设施会比建设这个工厂的成本低。但杜克能源印第安纳州发言人Lew Middleton说，“我们之所以选择建立这一综合性的煤炭气化厂，是因为这是个更容易被接受的燃烧煤炭的方式，它让我们能够充分利用印第安纳州相对廉价并储量丰富的资源。”杜克能源的先进燃煤电厂有望成为其最高效的发电厂，或者说，这是一个可以将原料的60%转化为电能的工厂。这等同于甚至优于联合循环天然气厂，而传统的燃煤机组只有35%的发电效率。杜克能源首席执行官Jim Rogers说，这些现代化项目的结果是会让大约7000兆瓦的自备燃煤电厂退出，也就是有将近50个单位要停产，而它们将被更高效的燃煤和燃气发电厂所替代。
南方公司已经停止了约2000兆瓦的燃煤电厂，并在密西西比州投资30亿美元致力于煤气化。而Future Gen是一个美国能源部提供11亿、或者说80%的资金的、位于伊利诺伊州的一个煤炭气化项目。该项目将利用氧气来帮助煤炭燃烧，致力于消除几乎所有的有害气体排放。项目设计预期为200兆瓦，预计在2014年让伊利诺伊州的煤炭设施实现零排放。
同时，在美国，数十家公司都在调整它们的发电组合，以满足21世纪的需求。最近，威斯康星能源公司声称会将其旧单位之一转换为天然气厂，因为这比花费5.4亿美元来配备最新的污染控制工具的成本要低得多。与此同时，美国电力公司已经改进了一些工厂，但它仍会让6000兆瓦的燃煤电厂停厂。
最新的清洁煤炭发电技术及其发展
全球煤炭储备依然丰沛，并且价格相对低廉，出于这些原因，同时也由于煤炭行业的政治影响力，美国能源部已经在碳捕集和储存技术方面投资超过34亿美元，进行了超过十几个试验脱碳技术的研究。而2013年3月，英国政府能源与气候变化部（DECC）宣布了一个10亿英镑的碳捕集和存储商业化项目大赛，旨在开发能去除燃煤和燃气发电站的二氧化碳排放的规模化技术。
当今最先进的碳捕集技术是胺洗涤，它有效而且成熟，但成本太高。该技术足以将消费者的用电价格上涨80%，使得公用事业部门对安装这种洗涤器退避三舍。
作为俄亥俄州立大学的清洁煤研究实验室主任，化学和生物分子工程教授Liang-Shih Fan领导他的团队用煤炭清洁发电方面做出了新的突破，首创了煤直接化学循环技术（CDCL），有可能让“清洁煤”成为现实。虽然世界各地的其他实验室也正在努力开发类似的技术，直接将煤转化为电能，但因为其独特的处理化石燃料的方式，使得Fan的实验室的技术独一无二。
煤直接化学循环技术使用新型的反应器，用像铁氧化物这样的氧化金属所包含的化学反应提供氧气，化学地利用煤炭的能源，而不是依靠燃烧煤炭。该循环的副产品更少，而且释放的二氧化碳是纯净的，因而更容易隔离并远离大气。更重要的是，该反应器可以捕集碳，但却不会提升电力价格，因此在商业上是可行的。同时，该技术的副产品可以重新利用，从而提供额外的成本效益。纯二氧化碳流可以出售给石油生产者，它们可以将其注入已经被开采得差不多的井中，以便提取有价值、但难以收集的最后的油。
除了电力和二氧化碳，该工艺还可以进行调整以生产纯氢，这些纯氢可以清洁地燃烧发电，也可以作为工业化学品的原料出售。由美国能源部（DOE）研究机构ARPA-E资助的这项清洁煤研究项目的负责人Karma Sawyer说，“Fan教授的技术是当今世界上唯一的可以将电力、二氧化碳和氢分开生产的工艺，它是一种全新的以低碳方式用煤炭产生电力的方式。”
Fan教授和团队在俄亥俄州立大学校园里建立了一个实验室规模的试验反应器，并于2013年2月运行了203个小时。或许这一时间看起来不是很长，但却是有史以来这种类型的碳捕集技术运行最长的一次，并且产生的二氧化碳的99%以上都被反应器成功去除。这一研究规模的燃烧系统的成功运行，标志着煤直接化学循环这一新型清洁煤技术达到了一个重要的里程碑。
对Fan教授的煤直接化学循环技术中的反应器的设计进行一些调整，就能成为合成气循环技术，在煤炭气化厂发挥作用。虽然目前在美国只在密西西比州和印第安纳州有两个大型煤炭气化工厂在建，但专家预测，未来许多燃煤发电厂将使用合成气循环技术。
目前Fan教授团队的合成气循环技术正在进行测试。他们与几家燃煤发电厂的原料或部件供应商联手，在美国能源部的位于阿拉巴马州Wilsonville的国家碳捕集中心建立了一个价值1400万美元、六层高的250千瓦的试验工厂。试验反应器使用南方公司的示范规模的煤炭气化厂生产的合成气，并且会在商业化工厂的典型高温高压环境下运行，也就是说要测试典型的商业化的适用条件。该试验厂计划于2013年底开始运行，目标是到2020年建立一个20~50兆瓦的电厂。与之相比，目前美国的煤炭供电生产能力大约为31.6万兆瓦。但是，即使这一试验成功，仍将需要更多的试验性测试，因为实际燃煤电厂比计划在阿拉巴马州的试验厂要大近1000倍。比如反应器需要通过大规模的实际电厂烟气测试，因为其含有的杂质有可能会损坏金属反应器部件，并且反应器需要能承受多年的高温、高压运行。
试验性的工作和示范工厂很难保证一项技术在商业规模可行。撇开这个不谈，这一新颖的工艺过程掩盖了煤炭最大的问题：即使可以捕获二氧化碳，我们仍然需要把它放在某个地方。碳捕获和存储作为一个重大研究领域，已经有一段时日，尤其是美国国家能源技术实验室，它着重研究在地下存储捕获的碳。在理想情况下，碳被用泵输送到很深的地下的稳定容器中，或者是到前石油和天然气井中并封存起来，在那里有希望保持数百年。在2010年，有5000万吨的二氧化碳被注入旧井中用于恢复其他燃料。目前，美国能源部已将全国分为七个区域性的碳封存合作伙伴，当前正在进行小规模碳注入项目，从大约几百到几十万吨。在下一阶段，预计至少要涉及到单独的100万吨碳的大型项目。这听起来好像是很多，但考虑到美国每年大约60亿吨的碳排放，这简直是一条没有尽头的长路。因此要想在商业化的燃煤或燃烧天然气的发电厂使用煤直接化学循环技术发电，仍有很长的路要走。
美国能源部为发展清洁能源设定的目标是使用化石燃料的新技术要保证电力成本不高于35%，同时要捕集超过90%的产生的二氧化碳。基于目前规模工厂的试验，Fan教授和他的团队相信，他们的技术可以达到或超过这一要求。因此，无可否认，煤直接化学循环技术具有潜在的优势：商业化的煤直接化学循环工厂可以真正促进能源独立。在美国，不仅可以使用俄亥俄州煤炭等天然资源，而且可以保持空气清洁，并刺激经济和就业。或许，煤直接化学循环技术能让煤炭经得起产生二氧化碳的攻击，继续作为重要的能源而存在，从而让煤炭在能源供应中走得更远。
煤炭何去何从
不论是发达国家还是新兴经济体，在未来20年都面临着双重的能源挑战。第一是如何确保有安全可靠和具有竞争力的能源，第二是使能源可持续发展。虽然许多国家的政府倾向于清洁能源选项，并且近年来也已经投资于风能、太阳能和海洋能源，但很明显，这些选项只能满足可持续性，却并不完全可靠，也不是低成本的。如果转向现有的选项，比如天然气、石油和核能，每一个都要在它们自身的问题，比如供应保障、费用急剧增加、关于压裂的辩论等方面做出妥协。在核能方面，还要涉及核废物存储的问题。碳捕集和存储（CCS）技术的新发展给煤炭带来新的未来，把煤炭作为一种可靠且具有成本效益的能源将变得越来越有吸引力。煤炭发电厂比核电厂更便宜，且能更快地实施。而长期能源供应的解决方案必须建立在开发所有可能来源的基础上，以确保达到成本、可靠性和可持续发展之间的最佳平衡。
煤炭的未来到底会是什么？它是会维持不变还是变成一个利基市场？目前，环境的监管力度加大，比如环境保护局要求，燃煤电厂的碳排放量要比现在减少43%，否则它们就要安装碳捕集和掩埋设备。同时，这些电厂必须要满足更加严苛的二氧化硫和汞的规定。
毫无疑问，先进的燃煤机组价格昂贵。与今天的天然气价格相比，这可以说是一种强求推销。但白宫表示，依靠财政援助，十年内会有多个项目商业化，而电力价格只会增加20%。尤其是预计煤炭气化发电厂可以持续半个世纪，而在这段时间内，天然气价格会不断变化，清洁煤技术的成本将会下降。因此，即使奥巴马政府明白煤炭的市场份额正在下降，但它仍有可能是这个国家的能源和经济基础的关键。煤炭气化附带风险，因此利用丰富的煤炭存储量并维持一个多样化的国家能源组合是审慎明智的做法，尤其是如果这些工厂可以与天然气设施一样清洁的话。但是，各国各地都有其不同的特点，因此需要进行自身的经济评估。对每个潜在的项目，都有必要考虑现有可用的工艺技术如何能够经济有效地用来满足市场目标，并提供最大的附加值。
值得注意的是，即使未来先进的碳捕集和存储技术能去除所有的来自于燃煤的二氧化碳和空气污染物，燃煤发电仍然不会是最清洁、最便宜或最健康的发电方式，因为毕竟还需要开采煤炭，而这会造成煤矿矿工死于黑肺病和矿井坍塌，整个山脉草木枯萎。即使清洁的煤也会产生灰烬，要放在存储池或堆填区，对地下水和河流有污染的威胁。但是有70亿人热切地渴望有廉价的能源，而燃煤发电厂每天向大气中排放数百万吨的让我们的星球变热的气体。因此寻找新的方法来清洁地燃烧并使用煤炭不能被忽视。正如Karma Sawyer所言，“你必须找到一个可以处理所有挑战的解决方案，这就是为什么这些碳捕集和存储技术项目是如此的令人兴奋的原因。”
