碳捕集与封存

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圖中顯示出二氧化碳的收集及儲存方法

碳捕集与封存[註 1]Carbon capture and storage,简称CCS),是指收集從點源污染(如火力發電廠)產生的二氧化碳,將它們運輸至儲存地點並長期與空氣隔離的技術過程。此項技術的主要目的是防止在發電過程中或其他行業使用化石燃料而釋放大量二氧化碳至大氣層,同時是一種潛在手段以減輕因為使用化石燃料時所釋出的排放物而造成的全球暖化海洋酸化[1]。雖然將二氧化碳注入地層這項技術已使用了數十年,例如用以提高石油的採收率,但長期存儲二氧化碳是一種較新的概念。首個商業化的例子是在2000年進行的Weyburn-Midale二氧化碳計劃英语Weyburn-Midale Carbon Dioxide Project[2]。其他例子包括加拿大邊界大壩[3]及密西西比電力公司的肯珀項目政府間氣候變化專門委員會(IPCC)形容CCS技術是在眾多應對氣候變化的方法之中最具成本效益及扮演重要角色,並指出如果沒有這項技術,遏制全球變暖的成本將會增加一倍[4][5]

一間集成及試驗規模的CCS電廠於2008年9月開始於德國東部營運,以測試技術可行性和經濟效益。與非CCS電廠相比,應用CCS技術的現代常規電廠能減少大約80-90%的二氧化碳排放量[1]政府間氣候變化專門委員會(IPCC)估計,直到2100年,CCS的經濟潛力可能是總碳減排努力的10至55%[1]

二氧化碳可透過吸附或氣體分離膜等技術來收集。胺是最為領先的碳吸附技術。收集及壓縮二氧化碳可會增加一間燃煤的CCS發電廠大約25至40%的能源需求,再加上其他系統成本,可能會增加發電廠產生每瓦特能量的成本大約21至91% [1]。將這項技術應用至現有的發電廠會更為昂貴,特別是當發電廠遠離封存二氧化碳的地點。

二氧化碳可被藏於地層深處或以礦物碳酸鹽形式儲存。由於海洋酸化的相關效應,因此深海儲存是不可行的[6],而地層則是目前被認為最有前途的封存地點。根據國家能源技術實驗室(NETL)的報導,按照在目前的二氧化碳生產速度,北美地區擁有足夠的存儲容量,甚至可用作存儲超過900年[7]。然而,有關海底或地下存儲的安全性的長期預測是非常困難的和有著不確定性,以及仍然存在著二氧化碳可能洩漏到大氣中的危險[8]

技术背景[编辑]

自工业革命以来,科学技术的迅速发展以及工业化进程的加快使得人类的生活水平得到了很大的提升。但随着社会发展而引发的自然环境的恶化也日益严重,其中包括煤、石油等化石能源的燃烧产生的温室气体所引发的全球气候变暖问题已成为21世纪人类面临的重大挑战,而在排放的各种温室气体中,CO2大约占温室气体总量的65%,是主要的温室气体。大气中CO2的浓度不断增加也导致了地球表面的平均温度逐年升高,与1986-2005年相比,预计2016-2035年全球平均地表温度将升高0.3~0.7℃,2081-2100年将升高0.3~4.8℃。人为温室气体排放越多,增温幅度就越大。全球温度的升高将会导致人类自身赖以生存的生态环境的恶化,给人类和自然生态系统带来灾难性的后果,成为影响世界经济秩序和国际关系的一个重要因素。

将固定点源产生的CO2通过收集、捕获,将其注入地下储存于相对封闭的地质构造中,即CO2地质储存,从而减少CO2向大气中的人为排放,是目前国际社会公认的有效、直接的CO2减排手段之一。

CO2封存原理[编辑]

CO2在深部咸水层中的捕获形式有气体捕获、溶解态捕获和矿物态捕获三种。气体捕获是指超临界CO2被注入地层后,在高温高压条件下,能够以自由态形式存在于地层中的CO2。溶解态捕获是指随着时间推移,CO2与咸水的界面上会达到两相平衡,这个过程中,储集岩孔隙中运移的气态CO2在与深部咸水层接触时溶解在其中,在地层中以溶解态CO2的形式运移和埋存。矿物态捕获是溶解CO2通过与储层中矿物反应,形成碳酸盐类物质,最终以矿物沉淀形式被固定下来的CO2

超临界CO2注入深部咸水层之后,如何以这三种捕获形式封存于地层中以及这三种形式之间如何转化、何时转化主要由四种储存机理决定:

构造地层储存机理/水动力储存机理[编辑]

当注入的CO2在上覆不渗透盖层的阻挡作用下,无法进行横向和侧向迁移而被滞留在盖层下部时,就形成了构造地层圈闭,这种利用上部圈闭构造阻止CO2在浮力作用下向上运移,从而达到储存CO2目的的机理即为构造地层储存机理。如果深部咸水层的储层没有完全封闭,而是以侧向的静水压力为封闭条件,将注入的超临界CO2圈闭在一个相对密闭的空间内,这种机理即为水动力储存机理。

毛细储存机理[编辑]

主要是因为超临界CO2与咸水具有不同的浸润性,在气液相界面的表面张力作用下,少量的超临界CO2流体被长久地滞留在储层介质的孔隙中。在低孔低渗场地中,毛细管力是控制这类咸水层中渗流过程的主要作用力,并且具有可观的储存潜力,近年来倍受人们关注。

溶解储存机理[编辑]

指CO2气体或超临界流体溶解在地下水中,以CO2(aq)的形式被储存起来。很多研究者指出CO2在水中的溶解随环境温度、压力和盐度的不同而变化。

矿物储存机理[编辑]

是溶解于地层水的CO2,会改变地层水的 pH 值,破坏地层原有平衡状态,导致储层中矿物发生溶解反应,并产生新的碳酸盐沉淀矿物被固定下来。矿物储存被认为是长期有效储存CO2最稳定可靠的形式,矿物捕集能力主要取决于储层类型和矿物组成。

CO2捕集[编辑]

收集二氧化碳最為有效的方法是由點源污染中直接收集,例如是一些大型的火力發電廠或生物能源設施、主要排放二氧化碳的行業、天然氣處理或合成燃料廠,以及以化石燃料為基礎、生產氫的工廠。從空氣中收集二氧化碳亦可行但不實際,因為空氣中的二氧化碳是未經壓縮的[9]

在氧氣中,燃燒煤炭時所產生的煙氣含有高濃度的二氧化碳,大約是10至15%,而天然氣發電廠的煙氣只含有5至10%的二氧化碳[10]。因此,在火力發電廠進行碳收集是更有效及符合成本效益。

CO2運輸[编辑]

收集二氧化碳後需要將它運送到合適的儲存地點。最有可能的方法是依靠管道進行輸送,因為這種方法是最為便宜。在2008年,美國大約有5,800公里的二氧化碳管道用作輸送二氧化碳至油田,以注入老油田開採石油。這種將二氧化碳注入油田再開採石油的技術名為強化採油技術。此外,也有數個進行至不同階段的試點項目用以測試二氧化碳長期儲存在非用作石油生產的地層。

根據美國國會研究服務部,有數個關於管道的重要問題懸而未決,包括管道網絡的要求、管道安全、經濟管制、效用及成本回收,以及二氧化碳本身的分類監管。此外,由於用作提高原油採收的二氧化碳管道正在運作,因此在影響二氧化碳管道的政策決定上看不見有急切性及緊迫性。另外,在聯邦分類上,二氧化碳分別被土地管理局及環境保護局視為商品及污染物,因此有可能製造一個直接衝突,故需要確保管道不是為了在未來實施CCS,而是用於保證現時的CO2管道業務及未來CCS的一致性。[11]

在部份不能依賴管道進行輸送的地方,船隻亦會被用作運送二氧化碳。

CO2注入[编辑]

注入系统包括注入场地的地面设施,例如,存储设施、运输管道终端的任何分配管汇、至油井的分配管道、附加压缩设施、测量和控制系统、井口和注入井。

储存场所[编辑]

在地质储存的过程中,二氧化碳在高压的条件下注入很深的地层结构中。这些地层结构有些已经安全地封存了石油、天然气或盐水等地下流体长达数百万年,因此对二氧化碳 来说也适用。全世界的许多地方本身也有天 然的地下二氧化碳气藏。地质专家们通过对 这些成功的圈闭结构进行研究,总结出适合 封存二氧化碳几种地质结构。

地质封存的二氧化碳,是在高温高压的条件下,以超临界流体的形态注入地下的。超临界二氧化碳流体看上去像气体,可以轻易地在固体缝隙中扩散,同时他们也是液体,所占空间比气体小很多。超临界二氧化碳会随着地下深度的增加而进一步压缩,在地下岩石的缝隙中可以装下更多的二氧化碳,只要深度大于 800 米,地下的高压环境就能维持其超临界流体的状态。

适合二氧化碳地质储存的位置包括:衰竭的油气田、深层盐水结构和深度不可开采煤层。其中衰竭油气田和深层盐水结构会用到前面提到的五种圈闭结构。在这些结构中,储存二氧化碳的沉积岩上部都有盖层。不可开采煤层目前还只是潜在的一个备选方案,因为它的储存二氧化碳的圈闭机制稍有不同,有时是填充在煤炭的颗粒当中。未来十年,我们还需要针对世界范围内不同的地质构造进行储存二氧化碳可行性的研究。

衰竭油气田[编辑]

在衰竭油气田中,二氧化碳填充在原先储存油和气的岩石孔中。这也是最早的一种适于储存二氧化碳的地方,由于它会驱走残留在油田中的残余油,人们在 30 年前就开始往地下注入二氧化碳来提高老油田的采收率。提高的那部分产量还可以补偿捕获与储存二氧化碳的成本。另外,人们对老油田的地质构造信息掌握的更加全面,研究的更加透彻,当初对地下流体进行的建模同样可以用于二氧化碳。唯一需要注意的油田里废弃的油井,有些油井由于不正确的封闭,将来可能会成为二氧化碳逸出的路径。

二氧化碳提高石油采收率技术是将二氧化碳注入油藏中,利用其与原油间的物理、化学、水力学作用,实现石油增采和二氧化碳封存的工业过程。该技术已被证明是众多三次采油技术中最为有效的技术之一,未随原油排除的二氧化碳将被永久封存到油藏中。

二氧化碳提高天然气采收率技术指注入高压二氧化碳到即将枯竭的气藏恢复地层压力,由于重力分异作用二氧化碳会向下运移,促使天然气向顶部运移并稳定地产出,从而将自然衰竭无法开采的天然气驱替出来提高天然气的采收率,同时将大量二氧化碳封存于气藏地质结构中来实现二氧化碳减排,并且有效避免了坍塌沉淀和水侵等现象的发生。

深部咸水层[编辑]

深层盐水结构是在很深很深的地下,其岩石孔隙上附着的水由于含盐和矿物质太高而无法使用。这种地质结构全世界到处都有,包括一些没有油气开采潜力的地方。这种结构符合所有能够长期储存二氧化碳的条件。二氧化碳注入到这些已经被圈闭住的流体之中,最终溶解于这些盐水之中,并与周围的岩石进行化学反应而进一步结合。深层盐水结构被认为是世界上能存储二氧化碳容量最大的地质结构,而且遍布世界各地。

二氧化碳强化深部咸水开采技术是指将二氧化碳注入深部咸水层或卤水层,驱替高附加值液体矿产资源(如锂盐、钾盐、溴素等)或深部咸水资源,加以综合开发和利用,同时实现二氧化碳长期储存的过程。该技术是传统的二氧化碳深部咸水层储存与地面咸卤水处理技术的组合。但与传统的储存相比,该技术因抽采深部地下水,一方面可增加二氧化碳储量、降低大规模二氧化碳储存风险,另一方面,抽采的咸卤水经过处理,可用于解决工农业用水困难,甚至可以获得高附加值的钾、锂、溴素等矿产资源。

深部不可开采煤层[编辑]

深度不可开采煤层也是可能的存储结构。二氧化碳会进入煤块上的微小孔隙中,而且会被粘得牢牢的,甚至都不需要盖层来封闭住。煤通常都伴随有甲烷气,二氧化碳进来之后会驱替出这些甲烷,从而可以将它们收集起来作为燃料。这种生产甲烷气的方法被称作“增强型煤层甲烷气生产”,目前仍处在试验阶段,需要对二氧化碳的驱替和甲烷从煤中的释放过程进行大量的研究。

二氧化碳提高煤层气采收率技术是指将二氧化碳注入深部不可开采煤层中封存起来,同时将煤层中的煤层气驱替出来加以利用的过程。该过程不仅储存了二氧化碳,实现了温室气体减排,同时开采了煤层气这种优质能源,具有双赢效果。

註釋[编辑]

  1. ^ 另譯為碳封存碳捕集及儲存碳捕獲及封存等。

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Bert Metz, Ogunlade Davidson, Heleen de Coninck, Manuela Loos, Leo Meyer (编). Carbon Capture and Storage (PDF). 劍橋大學出版社. 2005 [2016-06-11]. 
  2. ^ Burying the problem. Canadian Geographic Magazine. [2016-06-11]. 
  3. ^ 加拿大邊界大壩CCS計畫成績矚目. 台灣行政院環境保護署. 2016-04-26 [2016-06-11]. (原始内容存档于2016-08-08). 
  4. ^ Damian Carrington. CO2 turned into stone in Iceland in climate change breakthrough. 衛報. 2016-06-09 [2016-06-11]. 
  5. ^ 甄梓鈴. 溫室氣體「攝」落地底 二氧化碳變岩石 冰島新法緩全球暖化. 香港01. 2016-06-10 [2016-06-11]. 
  6. ^ CO2 Capture and Storage. GreenFacts. [2016-06-11]. 
  7. ^ NETL 2007 Carbon Sequestration Atlas. 國家能源技術實驗室. [2016-06-11]. 
  8. ^ Jack J.C. Phelpsa, Jerry C. Blackfordb, Jason T. Holta, Jeff A. Poltona. Modelling large-scale CO2 leakages in the North Sea. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2015, 38: 210–220. doi:10.1016/j.ijggc.2014.10.013. 
  9. ^ Klaus S. Lackner, Patrick Grimes, Hans-J. Ziock. Capturing Carbon Dioxide From Air (PDF). First National Conference on Carbon Sequestration. 2001 [2016-06-11]. 
  10. ^ Thomas M. McDonald, Jarad A. Mason, Xueqian Kong, Eric D. Bloch 等. Cooperative insertion of CO2 in diamine-appended metal-organic frameworks. Nature. 2015-03-19, 519: 303–308. doi:10.1038/nature14327. 
  11. ^ Adam Vann, Paul W. Parfomak. CRS Report for Congress: Regulation of Carbon Dioxide (CO2) Sequestration Pipelines: Jurisdictional Issues (PDF). Congressional Research Service. 2008-04-15 [2016-06-11]. 

參見[编辑]

外部連結[编辑]