碳封存

碳封存

所謂碳封存(Carbon Sequestration)是指將捕獲、壓縮後的CO2運輸到指定地點進行長期封存的過程,即以捕獲碳並安全存儲的方式來取代直接向大氣中排放CO2。根據碳封存地點和方式的不同,可將碳封存方式分為地質封存、海洋封存、碳酸鹽礦石固存以及工業利用固存等。目前,法國、德國與英國等歐盟大國正就這一技術開展小型試驗,但碳封存技術還有待進一步完善。

概念

所謂碳封存(Carbon Sequestration),指將捕獲、壓縮後的CO2運輸到指定地點進行長期封存的過程。這項以捕獲碳並安全存儲的方式來取代直接向大氣中排放CO2的技術研究開始於1977年。

背景

低碳經濟的持續發展,讓一個全新的課題浮出水面:碳捕捉與封存。期望在氣候變化問題上引領世界的歐盟,投入大量財力物力,用於開發這項技術。歐盟已為此注入10多億歐元啟動資金,還將通過碳交易體系再籌措45億歐元後續資金。歐盟還要求,2020年之後以煤為燃料的新建電廠都應具備碳捕捉技術。歐盟一位負責能源事務的高官甚至聲稱,要想減少溫室氣體排放,碳封存是一種最好的選擇。

構想內容

這一構想包括:

(1)將人類活動產生的碳排放物捕獲、收集並存儲到安全的碳庫中;

(2)直接從大氣中分離出CO2並安全存儲。

由此,人們將不再是通過CO2減排,而是通過碳封存的方法,同時結合提高能源生產和使用的效率以及增加低碳或非碳燃料的生產和利用等手段來達到減緩大氣CO2濃度增長的目標。

封存方式

碳封存碳封存

根據碳封存地點和方式的不同,可將碳封存方式分為地質封存、海洋封存、碳酸鹽礦石固存以及工業利用固存等。其中,每種封存方式又包括不同的具體技術,它們的發展見右圖。
從普通電廠排放、未經處理的煙道氣僅含有大約3%~16%的CO2,可壓縮性比純的CO2小得多,而從燃煤電廠出來經過壓縮的煙道氣中CO2含量也僅為15%,在這樣的條件下儲存1t CO2大約需要68m3 儲存空間。因此,只有把CO2從煙氣里分離出來,才能充分有效地對它進行地下處理。
在將CO2封存到地下之後,為了防止CO2泄漏和或遷移,需要密封整個存儲空間。因此,選擇一個合適的具有良好封閉性能的封存蓋層也十分重要,它可以起到一個“蓋子”的作用,以確保能把CO2長期地封存在地下。
比較有效的辦法是利用常規的地質圈閉構造,它包括氣田、油田和含水層,對於前兩種,由於它們是人類能源系統基礎的一部分,人們已熟悉他們的構造和地質條件,所以利用它們來儲存CO2就比較便利和合算;
而含水層由於其非常普遍,因此在儲存CO2方面具有非常大的潛力。

各種封存方法探究

地質封存

陸地生態系統對CO2的吸收是一種自然碳封存過程。陸地植物在其生長過程中,需要利用CO2合成有機物,它們能夠在一定的濃度範圍內吸收CO2,從而節省了將其分離、提純等技術的花費。因此以森林再造、限制森林砍伐等方式來實現的碳封存被認為是最具經濟效益的方式。而保護和最佳化陸地生態系統則有利於碳封存的維持和擴增。

海洋封存

碳封存碳封存
針對定點源的人類排放,如油井、化學工廠、火力發電廠等,碳封存技術的開發著重點是捕獲和分離CO2,然後將其注入到海洋或是深地質結構層中。由於某種需要,工業生產中也伴隨有一些碳封存過程。例如在石油開採時,CO2常會跟天然氣一起由地底下噴射出來,通常CO2在從油井衝出來後便釋放到空氣中。但是,在同時開採石油及天然氣的過程中,CO2常會被重新注入到油井內,以便能保持所需壓力而抽取更多的石油,而這項所用的花費可以由所增加的石油產量來補償。在美國,每年能因此封存3200萬噸CO2。而位於距挪威海岸240 km的北海中部的Sleipner海上鑽井平台從1996年起就將油井生產中的CO2收集並注入到1000m以下的富含鹽水的砂岩層。該海上鑽井平台之所以這樣做,是因為從1996年以來挪威對工業排放CO2徵收50美元/ 噸的排放稅,而將CO2注回到岩石層中與之相比則要便宜得多。在存儲方面,則採用了以下一些方法,如向尚未開採的煤層中注入CO2,從而回收甲烷;將CO2製成乾冰,投擲到海洋中;利用固定的管道或是輪船拖曳管道將CO2泵入深海等。

通過對海洋的增肥也是利用生態系統來達到碳封存目標的方法。改方法思路是,向海洋投放微量營養素(如鐵)和常量營養素(如氮和磷),由此加速海"生物泵"過程,增加海洋對大氣CO2的吸收和存儲。這主要是通過增長浮游植物的光合作用增加其產量,然後藉助生物鏈擴增CO2向有機碳的轉化,再通過有機碳的重力沉降、礦化等機理來實現碳封存。大範圍的海洋增肥能夠增加漁業產量,從而帶來商機,這也引起了一些商業團體的關注。

碳酸鹽礦石固存

另外,還可利用化學和生物技術對CO2進行回收和再利用。例如,利用CO2來生產碳酸鎂或是CO2包合物(CO2 clathrate)的前景很被看好。若是將1990年全球排放的CO2製作成碳酸鎂,它可包含於空間尺度為10km×10km×150m的固態物中,這樣是有利於儲存或是再利用的。同樣的情形也適用於CO2包合物。而在生物技術上,主要是利用非光合作用微生物過程將CO2轉化成有用的原料,如甲烷和醋酸鹽。這一技術像陸地生態系統的情況一樣,不需要提純CO2,從而可節省分離、捕獲、壓縮CO2氣體的成本。

意義

碳封存技術看起來有著光明的前景,它不僅對發起者美國有利,而且也對各主要化石燃料消費國,特別是對煤炭消費國有利。同時它還具有平息有關減排分攤爭吵的潛在能力。美國能源部的相關計畫的目標是將碳封存的所需費用從100~300美元/噸減少到2015年的10美元/噸以下。據稱,這種碳封存方法將成為解決氣候變化問題的最佳選擇之一。
但是要實現與現階段的CO2排放量相當的碳封存,勢必將改變全球碳循環的格局,這不僅僅是需要低廉的技術手段,而且還需要進行正確、嚴謹的科學研究和評估。往深地質結構層中注入CO2並封存,能否確保它們能夠在長時期內穩定存儲,且不會因為地殼活動而噴發以至導致災難?2012年6月,美國國家研究委員會的一項獨立研究發出警告,碳封存技術風險太大,有可能誘發更大的地震 。而對海洋的增肥以及向深海注入CO2,更需要有模式模擬和研究以提供相關的技術參數作為科學支持;同時,向深層海洋注入CO2或是通過海洋增肥的方式引發更多的碳沉降也就會增加海洋中碳由上至下的傳輸,這勢必引起海洋碳循環的變動。利用海洋環流模式、碳循環模式等並結合生物化學過程可模擬碳沉降、液態CO2濃度在洋底的分布、隨洋流的擴散等特徵,進而分析海洋生態的反饋,分析整個氣候系統的反饋等。另外,氣候評估模式也能夠評價海洋增肥的生態效應。必要的科學實驗結合相應的模式模擬和評估,也有利於碳阱(Carbon Trap)的選擇以及確保正面的環境影響。

發展概況

法國、德國與英國等歐盟大國正就這一技術開展小型試驗。但荷蘭政府動作更快,已決定在距鹿特丹不遠的一個小鎮巴倫德雷特的地底下直接封存二氧化碳。由皇家荷蘭殼牌公司實施的這一項目,從2011年開始,將1000萬噸二氧化碳泵入位於該鎮地下兩公里處的兩個廢棄天然氣田。然而,這項計畫遭到了當地居民的強烈反對。巴倫德雷特鎮的居民擔心,儲存在其房子底下的二氧化碳有朝一日會出現泄漏,造成嚴重後果。1986年,喀麥隆一個火山湖產生的高密度二氧化碳雲,就奪走了1700條生命。

碳封存碳封存

對此,世界野生動物基金會和綠色和平組織等也表示反對。其理由是,封存的二氧化碳與地下水中的礦物質混合後產生的碳酸,會腐蝕岩層和水管。另外,碳捕捉與封存技術從研發到現在,只有13年時間,人們對它的認識還遠遠不夠。即便技術成熟了,讓公眾能夠接受還需要一段時間。因此,政府不該將錢投在如此高風險的技術開發方面,而應在可持續能源,如風能與太陽能技術方面增加投入。再說,這項技術的高昂成本也是一個負面因素。除了進行碳捕捉與封存的昂貴設備之外,電廠還需為實現這一目標至少多發電30%,這勢必導致電價飆升。
但是,持贊成意見的專家認為,將二氧化碳直接封入廢氣田,要比儲存在北海海底或撒哈拉沙漠底下的岩層更加安全。因為二氧化碳被注入時壓力並不會大於原來的天然氣,而且負責封存的能源公司往往對地質狀況很熟悉,可以隨時監測是否出現泄漏。殼牌公司表示,天然氣能在巴倫德雷特鎮地下沉睡百萬年,二氧化碳也同樣能夠做到。如果在該鎮的試驗獲得成功,荷蘭別處的廢棄氣田也可用作二氧化碳封存。該公司預測,從2025年開始,荷蘭每年可能需要儲存3000萬噸二氧化碳,而全國的封存容量可達10億噸。
儘管碳封存技術還有待完善,卻無法動搖荷蘭政府的決心。有分析認為,荷蘭政府可能不顧當地居民的反對,堅持實施這一計畫。荷蘭經濟部門已明確表示,政府將繼續支持在2015年前後進行大規模試驗,然後獲取相關數據與經驗,為2020年全面推廣打下基礎。
而在大西洋彼岸,美國的一些能源企業也正在就這一技術加強研發與投入。據國際能源署預測,到2020年,全球將花費560億美元,用於建設100個類似的碳封存項目;2021至2030年,相關資金投入將達到6460億美元。
借低碳經濟契機占領技術和所謂的道義制高點,是歐美已開發國家的一種戰略選擇。目前,在清潔能源技術方面,歐美國家已占優勢。歐洲如在碳捕捉與封存技術方面取得長足進展,那么,碳封存將成為低碳經濟時代的一種新選擇。可以想像,歐美將會要求更多的國家仿效,或直接要求新興國家購買相應技術來減少溫室氣體排放。因此,對於類似碳封存行動的動向不可掉以輕心。

相關資訊

2006年7月4—5日,中國科學技術部和英國環境部北京組織召開“碳捕獲與碳封存實現燃煤發電近零排放國際研討會”。科技部劉燕華副部長出席會議並做重要講話。來自中國有關部委的官員、有關高校、院所和企業的研究人員以及來自歐盟國家、美國、加拿大、澳大利亞等國和有關國際組織的官員和研究人員等共約200人參加了會議。這是第一次由中國政府部門牽頭組織的關於碳捕獲與封存的國際會議,表明了中國政府重視減緩溫室氣體排放和保護全球氣候,並願意為此做出力所能及的努力。
2006年10月31日,美國能源部助理部長傑弗里·D·傑瑞特在“亞太清潔發展和氣候夥伴關係”會議上宣布,美國將提供4.5億美元用於支持美國碳封存技術的研發。並就未來10年裡在美國境內進行7項碳封存測試事宜,同與會者進行了討論。“亞太清潔發展和氣候夥伴關係”會員國包括澳大利亞中國印度日本韓國美國。這六個國家的人口約占全球人口的50%,它們的經濟和能源消耗占全球經濟和能源消耗的50%以上。合作方已經初步確認了在美國實施碳封存的時機,預計有潛力存儲6000億噸二氧化碳,這相當於美國能源部門200多年的二氧化碳排放量。目前正在實施一系列小規模實地測試。布希政府的目標是:到2012年,將美國“溫室氣體”排放量減少18%,並確保碳封存技術在不久的將來得到廣泛套用。

經濟術語分類導航

經濟就是生產或生活上的節約、節儉,前者包括節約資金、物質資料和勞動等,歸根結底是勞動時間的節約,即用儘可能少的勞動消耗生產出儘可能多的社會所需要的成果。後者指個人或家庭在生活消費上精打細算,用消耗較少的消費品來滿足最大的需要。總之,經濟就是用較少的人力、物力、財力、時間、空間獲取較大的成果或收益。
市場行銷人力資源物流風險管理
經濟理論產業經濟管理理論金融

能源分類導航

能源為人類的生產和生活提供各種能力和動力的物質資源,是國民經濟的重要物質基礎,未來國家命運取決於能源的掌控。能源的開發和有效利用程度以及人均消費量是生產技術和生活水平的重要標誌。
石油燃料電池煤礦
生物能水資源新能源電能
核能綠色能源再生能源能源技術

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