碳捕集、利用与储存

2021.03.01 中国矿业新闻网

2004年，帕卡拉和索科洛在《科学》杂志发表文章指出，气候问题最纯粹的地质解决办法是碳捕集与储存（CCS）。2014年，政府间气候变化专门委员会指出，碳捕集与储存的实施可以降低实现气候目标的成本；没有碳捕集与储存技术，温控2℃的成本将比配备碳捕集与储存技术高出140%左右。碳捕集、利用与储存（CCUS）是在碳捕集与储存关键技术之上的扩充。国际能源署2020年9月的报告指出，碳捕集、利用与储存是使世界走上碳中和道路的支柱。

一、技术概览

碳捕集、利用与储存代表一套比较成熟的技术，涉及从大型点源（包括使用化石燃料或生物质作为燃料的发电或工业设施）或直接从大气中捕集CO₂的技术；将捕集的CO₂压缩并通过管道、船舶、铁路或卡车运输，以用于各种领域的技术；将捕集的CO₂注入异地深部地层并永久储存起来的技术。

目前，绝大多数碳捕集、利用与储存项目都依赖于向石油公司出售CO₂以提高石油采收率，但CO₂还有许多其他潜在用途，包括用作合成燃料、化学品和建筑材料的原料等。

二、战略价值

作为一种气候缓解方案，碳捕集、利用与储存具有相当大的战略价值。它具有直接或间接促进几乎所有全球能源系统减排的潜力，可以以多种方式甚至跨部门应用，目前主要通过4种方式实现碳中和目标。一是解决现有能源企业的排放问题。碳捕集、利用与储存可以改造现有发电厂和工厂，否则在未来50年内，全球现有发电厂和工厂的CO₂排放量可能达到6000亿吨，按目前的年排放速度，相当于17年的排放量。二是解决一些最具挑战性的排放问题。当前，重工业几乎占全球CO₂排放量的20%。碳捕集、利用与储存实际上是水泥生产中深度减排的唯一技术解决方案。捕集的CO₂是CO₂合成燃料供应链的一个关键部分，这是长距离运输、特别是航空运输的有限低碳选项之一。三是低碳制氢的一条低成本途径。碳捕集、利用与储存可以推动低碳制氢规模快速扩大，以满足当前和未来交通、工业和建筑领域新应用的需求。四是清除大气中的碳。对于无法避免或直接减少的排放，碳捕集、利用与储存是消除碳和实现净零能源系统的重要技术途径。

三、全球碳捕集、利用与储存设施增长势头迅猛

碳捕集、利用与储存不是一项新技术或新概念，但近年来，由于《巴黎协定》承诺、国家气候目标、新的政策激励措施、成本下降、技术进步等重新引起了全球关注，吸引了决策者和投资者的兴趣。国际能源署2020年9月的报告指出，自2017年以来，已经形成了30多个新的一体化碳捕集、利用与储存设施计划，其中绝大多数计划的项目在美国和欧洲，在澳大利亚、中国、韩国、中东和新西兰等也有分布。

尽管新冠肺炎疫情造成了经济不确定性，但自2020年初，全球仍实施了许多新的碳捕集、利用与储存项目。例如，2020年3月，英国政府承诺投资8亿英镑用于碳捕集、利用与储存基础设施；2020年4月至9月，美国政府分3次共拨款2.03亿美元，用于碳捕集、利用与储存的开发和部署。

四、地质工作对CO₂储存场地建设及运行风险评估至关重要

适宜的CO₂地质存储场地对于实现碳捕集、利用与储存的净零排放规划至关重要。研究表明，地壳储存CO₂的能力是巨大的。据估计，盐层等常规地质储存系统存储量为10万亿～20万亿吨——远远超过每年的排放量（约270亿吨/年）。已开采完的油气田是“唾手可得”的CO₂储存场所，理想情况下，可在油气生产终止之前储存，此举不仅可利用现有基础设施，还可以共享相关的岩层物理特性。深部含盐层（含盐量非常高的多孔岩石）的CO₂存储容量潜力巨大，但需要利用地质调查、地球物理、钻孔取样并使用类似物的实验模型等方法对其进行评估。

如何封存CO₂？首先，将CO₂压缩成一种致密流体，然后将其通过井注入到地下多孔地质建造中。起初，其浮力比水大，会上升到地层顶部，然后被封存在一个充当隔水层的密闭盖层之下。随后，除圈闭构造之外的其他捕获机制也开始生效：在注入过程中随着地质建造内CO₂的转移，CO₂将逐渐被圈闭在岩石的微小孔隙空间中。CO₂也开始溶解在水中并比周围的水重，下沉到地质建造底部，被永久地封存。最后，溶解的CO₂与岩石发生化学反应并形成矿物。

由于CO₂散布在地质建造中，因此大规模释放出来的可能性较小。事实上，任何通过地层的泄漏都会非常缓慢，从而有足够的时间进行检测和处理。泄漏可能来自人工井，但石油和天然气行业在保障安全的监测井方面已经有几十年的经验。欧洲的地下储气库（天然气和氢气）有很好的安全记录，所采用的先进监测技术可以很容易适用于碳捕集与储存。在地表，遥感技术、空气和土壤取样可用于检测潜在的CO₂泄漏，同时地下变化可通过地质建造内的地震、电磁、重力或密度变化进行监测。

（作者单位：中国地质调查局地学文献中心）