碳封存科技 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

碳封存科技

2010年04月22日
作者:洛根•韋斯特(北京清華BP清潔能源研究與教育中心研究員)

位於北海的斯萊普納CCS設施;圖片來自源tatoil,Øyvind Hagen攝原網站編按:
不久前,碳捕獲與封存(CCS)還只是一個在大學實驗室裏或者能源巨頭科研部門內部引起人們熱烈討論的一個話題。而如今,情況不一樣了。CCS是指通過捕獲化石燃料燃燒時釋放出來的二氧化碳,並將其儲存於地下油田等地質層內的技術。這項技術目前已經在氣候變化政策決策以及有關減排的公眾討論中佔有相當重要的地位。

支持該項技術的人認為,CCS技術能夠在保障能源供應的同時降低碳排放。因此,對於世界各國的政府而言,這項技術具有非常大的吸引力。過去的兩年裡,美國、英國、加拿大及澳大利亞等國均投入大量的公共資金大張旗鼓地開展了不少示範工程。由於中國大約有70%能源需求依賴於燃煤。因此,對於中國而言,CCS技術的發展尤為重要。一項該技術的商業化推廣項目就已經在中國北部城市天津得到開展。然而,一些研究人員,如史丹佛大學的何鋼認為,這項技術的全面推廣還需要做大量的工作。

這項技術所需的高額投入,仍然是其發展道路上的攔路虎。據估計,目前英國一座CCS設施的成本約為10億英鎊(107億元)。然而,一直以來,這項技術卻備受某些人的責難。他們認為CCS技術只不過是緩解各種全球問題的一個治標不治本的狗皮膏藥而已,它並沒有觸及到問題的根源。然而,越來越多的決策者、非政府組織、以及學者卻將其視為二氧化碳的減排方案之一,認為它是一項成熟的先進技術。而將二氧化碳注入地下也已經是石油天然氣行業的普遍做法。

CCS技術已經引起了全世界的關注。我們將就圍繞其發展的幾個關鍵問題展開討論。首先,洛根韋斯特將從碳儲存的角度為您解釋這一過程。李佳和梁希則從財務角度對這項技術所面臨的障礙進行分析,並給出可行的解決方案。之後,自然保護委員會將詳述中國CCS技術的發展現狀,以及其發展所需的國際合作。我們將一如既往地期待您的觀點,敬請留下您的觀點,並參與我們的討論。

 


 

將溫室氣體貯存於地下是碳捕獲與封存過程中風險最大的一個環節,同時也是最容易被人們忽視的一個環節。洛根•韋斯特將向您詳述這其中的真實情況。

「從地質層面看,沒有兩處地點的地質條件是完全相同的。因此,與碳捕獲技術不同的是,二氧化碳儲存技術不存在『放諸四海皆準』的規劃方案。」

與垃圾填埋和水調工程一樣,碳捕獲與封存(CCS)是一種典型的移花接木式的解決方案。目前,該技術正方興未艾。事實上,據國際能源機構預測,2050年,CCS技術降低的二氧化碳排放將達到100億噸。而可再生能源的減排量為110億噸。

為什麼我們要對這項技術表示樂觀?道理很簡單,技術是現成的。事實證明,這個行業有這個能力。CCS技術是對現有體系的改良,而非顛覆。也就是說,CCS 技術既存在低效能、高成本等缺陷,也有不少反對者。隨著人們對這項技術的興趣日益濃厚,這一過程本身的細節在爭論過程中常常被人們所忽略。然而,人們對於二氧化碳儲存的瞭解是爭論得以繼續的關鍵。

對於非地質專業人士而言,他們很難理解儲存的概念。二氧化碳到底去哪了?怎麼才能將它封存在那裡?如果外洩出來該怎麼辦?儲存的過程是所有CCS項目中風險最高、不確定因素最多的一個環節。二氧化碳外泄不僅危險,而且還使整個CCS過程功虧一簣。不僅如此,它還浪費了大量的時間和金錢。

那麼,碳儲存的工作原理是什麼呢?關鍵是,我們要明白,被儲存起來的二氧化碳與人們每天呼出的二氧化碳不同。地下數千米深的存儲區域的高溫高壓環境使二氧化碳處於高密度的超臨界狀態,成為『流體』,從而限制了其上升。

這種二氧化碳被注入到地質學家所說的儲集層。我們的腳下是岩石層。一般而言,它們層層相疊。儲集層又稱蓄水層,是指水以、石油或天然氣等液體聚集的地層。儲集層的主要特徵是岩石中存在大量相互連通的開放孔隙。液體可以從中流過,並儲存於空隙中。被注入其中的二氧化碳『氣柱』正是以這種形式存在於儲集層內。

二氧化碳氣柱能夠存在於儲集層內的主要機理有四。其中最為主要的因素就是覆蓋於儲集層上面的具有防滲功能的冠岩。冠岩能夠像瓶蓋那樣將汽水中的碳酸汽封存在瓶中。所有特性中最為關鍵的是,冠岩要覆蓋住氣柱所在的整個區域,其面積可達100平方公里。並且還不能有導致漏氣事故發生的通氣口。冠岩與其他獨特的地理構造一起構成了封存住二氧化碳的第一道防線。

氣柱充滿整個孔隙後,由於一些通道過於狹窄,二氧化碳很難通過其中。因此,二氧化碳便被困在孔隙中。然後,由於氣體與儲集層中的水相互作用,一部分氣體會溶解到水中。一旦氣體溶於水後,二氧化碳便失去了所有活性,變得無法自由移動。最終,一部分溶解的物質與岩石發生反應,形成礦物質,二氧化碳被固化在地底下長達數百萬年。

有充分的證據證明,不論是在過去、現在、還是將來,這些二氧化碳的封存機理都非常成功。世界各地都有被自然封存在地下長達數百萬年的二氧化碳。同時,現有的國際示範工程也成功地運用了CCS技術。正是出於這一原因,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)表示,如果方法得當的話,99%的二氧化碳有可能被封存於地下達千年之久。人類足夠利用這段時間找到零排放能源。

儘管如此,這一技術還存在許多未知因素。從地質層面看,沒有兩處地點的地質條件是完全相同的。因此,與碳捕獲技術不同的是,二氧化碳儲存技術不存在『放諸四海皆準』的規劃方案。並且,儘管各種工具能夠幫助我們大致瞭解地表下的情況,但它們所提供的僅僅是地下實際狀態的概況。儲存地點的前期勘察工作不論多麼詳盡,我們對二氧化碳在地表下的運動及反應進行預測時在很大程度上仍然需要憑藉猜測。然而,經驗和資料能夠使不確定因素大大降低,這也就是為什麼油田有可能成為二氧化碳儲存的第一批目標地的原因。因為,人們對於油田的地質條件充分瞭解,並且有時我們還可以利用二氧化碳將原本無法開採原油儲量壓出。

如果監管方和專案的操作方合作,共同確保在儲存的實施過程中採取高度的防範措施並加強對有效性的關注,那麼整個過程的不確定性是可控的。儲存的順利實施關鍵 就在於選擇安全的儲存地點。對備選存儲點進行分析,確定該地點不僅能夠封住二氧化碳,而且還要有足夠的地方儲存二氧化碳,同時氣體在到達該處後還要能夠被儘快地注入地下。

為了驗證這些研究,我們應該利用收集到的資料針對儲存點建立模型,借此對二氧化碳可能的狀態進行類比。然後,再利用各種監控手段對實際情況進行跟蹤,並對洩露進行測試。在建模和監控雙管齊下的同時,整個過程中還要對可能產生的風險進行評估,並針對洩露制訂相應的應對計畫。監管方在授予存儲地許可證之前,應對所有的準備工作及資料進行仔細的審核,並徵詢當地團體的意見,從而使資料更具透明性。

即便是採取了一切防範措施,二氧化碳還是會有洩露的風險,其後果可能會很嚴重。儘管二氧化碳在正常情況下沒有毒性。但是,空氣中存在高濃度的二氧化碳對人類和植物而言是致命的。這種嚴重的後果只有在大量二氧化碳快速釋放的情況下才會發生。而這種情況不太可能會發生。然而,更有可能會發生的情況是,氣體從儲集層緩慢得洩露,而這種洩露的危害同樣很大。二氧化碳洩漏到靠近地表的淺水層後與水發生反應形成弱酸,從而使地下水變得不適合飲用或者不能用於農業或工業。這種酸甚至會使岩石或土壤中的有毒金屬析出,使周圍的健康和環境狀況進一步惡化。即便二氧化碳洩露到大氣中是無害的,它仍然造成了溫室氣體的排放。

這讓人們不禁開始思考以下這個問題:碳儲存是否可行?從技術的角度而言,它是可行的。從經濟角度講,同樣是可行的;碳儲存的成本隨儲存地的不同而不同。但是通常僅占項目總成本的5%。但是,為什麼一些研究估計中國能夠封存高達23000億噸的二氧化碳呢?以該國目前的速度計算,這相當於100年的排放量。不要因為這些估算而變得盲目樂觀。它們只是理論資料。未知因素還很多,真正的儲存能力還很難預測。我們所知的中國的地質資料還很有限。對於最有可能儲存二氧化碳的鹽鹼含水層,我們還知之甚少。

而這些資料是石油公司的專有知識。他們不願將其與他人無償分享。同樣,如果適合儲存二氧化碳的地點同時蘊藏著其他重要資源時,那麼它們將有可能引發利益衝突。此外,中國的儲集層的條件相當複雜,存在大量的斷層。這些斷層有可能對安全防漏造成威脅。即便是在一些適合二氧化碳儲存的油藏儲層,由於首先需要搞清老探井的數量,並對這些探井進行封閉以防止二氧化碳的洩露,因此,也存在許多有待解決的問題。

總之,光從地質角度考慮進行選址,並不意味著該地真正適合進行二氧化碳儲存。僅僅因為中國西部的新疆省具有良好的儲集層,便將二氧化碳從東部的上海運到西部,這種做法是非常不經濟的。同樣,將二氧化碳直接打入北京或者其他污染嚴重地區的地下也是沒有意義的。這一過程中存在的大量不確定因素讓我們無法承受氣體洩漏以及最起碼會使水源受到污染的風險。

當然,中國實際上還是有地方儲存幾十億噸的二氧化碳。這足以讓其發揮舉足輕重的作用。我們應該著眼於此,然後回過頭來著重討論成本、政策等一系列問題。

【相關文章】
碳捕獲與碳儲存發展的障礙與展望 (一)
碳捕獲與碳儲存發展的障礙與展望 (二)
大力推動碳捕獲

※ 本文轉載自中外對話,原發表日期2010年3月1日。看中英文對照,並和中外讀者一起討論,請點此連結