碳封存科技 - 中外对话
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碳封存科技

将温室气体贮存于地下是碳捕获与封存过程中风险最大的一个环节,同时也是最容易被人们忽视的一个环节。洛根•韦斯特将向您详述这其中的真实情况。
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编者按

不久之前,碳捕获与封存(CCS) 还只是一个在大学实验室里或者能源巨头科研部门内部引起人们热烈讨论的一个话题。而如今,情况不一样了。CCS是指通过捕获化石燃料燃烧时释放出来的二氧 化碳,并将其储存于地下油田等地质层内的技术。这项技术目前已经在气候变化政策决策以及有关减排的公众讨论中占有相当重要的地位。

支持该 项技术的人认为,CCS技术能够在保障能源供应的同时降低碳排放。因此,对于世界各国的政府而言,这项技术具有非常大的吸引力。过去的两年里,美国、英 国、加拿大及澳大利亚等国均投入大量的公共资金大张旗鼓地开展了不少示范工程。由于中国大约有70%能源需求依赖于燃煤。因此对于中国而言,CCS技术的发展则尤为重要。一项该技术的商业化推广项目就已经在中国北部城市天津得到开展。然而,一些研究人员,如斯坦福大学的何钢认为,这项技术的全面推广还需要做大量的工作。

这项技术所需的高额投入仍然是其发展道路上的拦路虎。据估计,目前英国一座CCS设施的成本约为10亿英镑(107亿元)。然而,一直以来,这项技术却备受某些人的责难。 他们认为CCS技术只不过是缓解各种全球问题的一个治标不治本的“狗皮膏药”而已,它并没有触及到问题的根源。然而,越来越多的决策者、非政府组织、以及 学者却将其视为二氧化碳的减排方案之一,认为它是一项成熟的先进技术。而将二氧化碳注入地下也已经是石油天然气行业的普遍做法。

CCS技 术已经引起了全世界的关注。本周,中外对话将就围绕其发展的几个关键问题展开讨论。首先,洛根·韦斯特将从碳储存的角度为您解释这一过程。李佳和 梁希则从财务角度对这项技术所面临的障碍进行分析,并给出可行的解决方案。本周晚些时候,自然保护委员会将详述中国CCS技术的发展现状,以及其 发展所需的国际合作。我们将一如既往地期待您的观点,敬请留下您的观点,并参与我们的讨论。
 


与垃圾填埋和水调工程一样,碳捕获与封存(CCS)是一种典型的移花接木式的解决方案。目前,该技术正方兴未艾。事实上,据国际能源机构预测,2050年,CCS技术降低的二氧化碳排放将达到100亿吨。而可再生能源的减排量为110亿吨。

为什么我们要对这项技术表示乐观?道理很简单,技术是现成的。事实证明,这个行业有这个能力。CCS技术是对现有体系的改良,而非颠覆。也就是说,CCS技术既存在低能效高成本等缺陷,也有不少反对者。随着人们对这项技术的兴趣日益浓厚,这一过程本身的细节在争论过程中常常被人们所忽略。然而,人们对于二氧化碳储存的了解是争论得以继续的关键。

对 于非地质专业人士而言,他们很难理解储存的概念。二氧化碳到底去哪里了?怎么才能将它封存在那里?如果外泄出来该怎么办?储存的过程是所有CCS项目中风 险最高、不确定因素最多的一个环节。二氧化碳外泄不仅危险,而且还使整个CCS过程功亏一篑。不仅如此,它还浪费了大量的时间和金钱。

那么,碳储存的工作原理是什么呢?关键是,我们要明白,被储存起来的二氧化碳与人们每天呼出的二氧化碳不同。地下数千米深的存储区域的高温高压环境使二氧化碳处于高密度超临界状态,成为“流体”,从而限制了其上升。

这种二氧化碳被注入到地质学家所说的储集层。我们的脚下是岩石层。一般而言,它们层层相叠。储集层又称蓄水层,是指水以及石油或者天然气等液体聚集的地层。储集层的主要特征是岩石中存在大量相互连通的开放孔隙。液体可以从中流过,并储存于空隙中。被注入其中的二氧化碳“气柱”正是以这种形式存在于储集层内。

二氧化碳气柱能够存在于储集层内的主要机理有四。其中最为主要的因素就是覆盖于储集层上面的具有防渗功能的冠岩。冠岩能够像瓶盖那样将汽水中的碳酸汽封存在瓶中。所有特性中最为关键的是,冠岩要覆盖住气柱所在的整个区域,其面积可达100平方公里。并且还不能有导致漏气事故发生的通气口。冠岩与其它独特的地理构造一起构成了封存住二氧化碳的第一道防线

气柱充满整个孔隙后,由于一些通道过于狭窄,二氧化碳很难通过其中。因此,二氧化碳便被困在孔隙中。然后,由于气体与储集层中的水相互作用,一部分气体会溶 解到水中。一旦气体溶于水后,二氧化碳便失去了所有活性,变得无法自由移动。最终,一部分溶解的物质与岩石发生反应,形成矿物质,二氧化碳被固化在地底下 长达数百万年。

有充分的证据证明,不论是在过去、现在、还是将来,这些二氧化碳的封存机理都非常成功。世界各地都有被自然封存在地下长达数百万年的二氧化碳。同时,现有的国际示范工程也成功地运用了CCS技术。正是出于这一原因,政府间气候变化专门委员会(IPCC)表示,如果方法得当的话,99%的二氧化碳有可能被封存于地下达千年之久。人类足够利用这段时间找到零排放能源。

尽管如此,这一技术还存在许多未知因素。从地质层面看,没有两处地点的地质条件是完全相同的。因此,与碳捕获技术不同的是,二氧化碳储存技术不存在“放之四 海而皆准”的规划方案。并且,尽管各种工具能够帮助我们大致了解地表下的情况,但它们所提供的仅仅是地下实际状态的概况。储存地点的前期勘察工作不论多么 详尽,我们对二氧化碳在地表下的运动及反应进行预测时在很大程度上仍然需要凭借猜测。然而,经验和数据能够使不确定因素大大降低,这也就是为什么油田有可 能成为二氧化碳储存的第一批目标地的原因。因为,人们对于油田的地质条件充分了解,并且有时我们还可以利用二氧化碳将原本无法开采原油储量压出

如 果监管方和项目的操作方合作,共同确保在储存的实施过程中采取高度的防范措施并加强对有效性的关注,那么整个过程的不确定性是可控的。储存的顺利实施关键 就在于选择安全的储存地点。对备选存储点进行分析,确定该地点不仅能够封住二氧化碳,而且还要有足够的地方储存二氧化碳,同时气体在到达该处后还要能够被 尽快地注入地下。

为了验证这些研究,我们应该利用收集到的数据针对储存点建立模型,借此对二氧化碳可能的状态进行模拟。然后,再利用各种监控手段对实际情况进行跟踪,并对泄露进行测试。在建模和监控双管齐下的同时,整个过程中还要对可能产生的风险进行评估,并针对泄露制订相应的应对计划。监管方在授予存储地许可证之前,应对所有的准备工作及数据进行仔细的审核,并征询当地团体的意见,从而使数据更具透明性。

即便是采取了一切防范措施,二氧化碳还是会有泄露的风险,其后果可能会很严重。尽管二氧化碳在正常情况下没有毒性。但是,空气中存在高浓度的二氧化碳对人类和植物而 言是致命的。这种严重的后果只有在大量二氧化碳快速释放的情况下才会发生。而这种情况不太可能会发生。然而,更有可能会发生的情况是,气体从储集层缓慢地 泄露,而这种泄露的危害同样很大。二氧化碳泄漏到靠近地表的浅水层后与水发生反应形成弱酸,从而使地下水变得不适合饮用或者不能用于农业或工业。这种酸甚 至会使岩石或土壤中的有毒金属析出,使周围的健康和环境状况进一步恶化。即便二氧化碳泄露到大气中是无害的,它仍然造成了温室气体的排放。

这让人们不禁开始思考以下这个问题:碳储存是否可行?从技术的角度而言,它是可行的。从经济角度讲,同样是可行的;碳储存的成本随储存地的不同而不同。但是通常仅占项目总成本的5%。但是,为什么一些研究估 计中国能够封存高达23000亿吨的二氧化碳呢?以该国目前的速度计算,这相当于100年的排放量。不要因为这些估算而变得盲目乐观。它们只是理论数据。 未知因素还很多,真正的储存能力还很难预测。我们所知的中国的地质数据还很有限。对于最有可能储存二氧化碳的盐碱含水层,我们还知之甚少。

而这些数据是石油公司的专有知识。他们不愿将其与他人无偿分享。同样,如果适合储存二氧化碳的地点同时蕴藏着其它重要资源时,那么它们将有可能引发利益冲 突。此外,中国的储集层的条件相当复杂,存在大量的断层。这些断层有可能对安全防漏造成威胁。即便是在一些适合二氧化碳储存的油藏储层,由于首先需要搞清 老探井的数量,并对这些探井进行封闭以防止二氧化碳的泄露,因此,也存在许多有待解决的问题。

总之,光从地质角度考虑进行选址,并不意味 着该地真正适合进行二氧化碳储存。仅仅因为中国西部的新疆省具有良好的储集层,便将二氧化碳从东部的上海运到西部,这种做法是非常不经济的。同样,将二氧 化碳直接打入北京或者其它污染严重地区的地下也是没有意义的。这一过程中存在的大量不确定因素让我们无法承受气体泄漏以及最起码会使水源受到污染的风险。

当然,中国实际上还是有地方储存几十亿吨的二氧化碳。这足以让其发挥举足轻重的作用。我们应该着眼于此,然后回过头来着重讨论成本、政策等一系列问题。

洛根·韦斯特,北京清华BP清洁能源研究与教育中心研究员。

首页图片来自Statoil,图为位于北海的斯莱普纳CCS设施。由Øyvind Hagen摄。