二氧化碳,怎么存?
全面控制二氧化碳等温室气体排放早成为国际共识,各国相继给出
碳中和时间表。在2020年的联合国大会上,中国提出力争于2030年前达到二氧化
碳排放峰值、2060年前实现碳中和。
【注:碳中和,即企业、团体或个人测算其在一定时间内的温室气体排放总量,再通过植树造林、
节能减排等形式抵消这些排放量,以保证净碳排放量接近于零。】
要实现碳中和,主要有两大端口——排放和吸收。
在排放端,降低二氧化碳等温室气体的排放量,如提高工业、
电力的能源效率,开发利用可再生能源,减少对传统化石燃料的依赖;在吸收端,针对受经济、技术等因素限制而难以完全避免的部分碳排放,通过碳捕集和封存(CCS)、植树造林等方式,增加生物库和水圈库的碳吸收能力。
其中,吸收端的碳捕集和封存就是我们所说的碳储存。
随着CCS的发展,人们对二氧化碳再利用(utility)环节的认识有所提高,并逐渐向碳捕获、利用与封存(CCUS)方向发展,碳储存技术的内涵更为丰富。
那么,本要排放到大气中的二氧化碳,是怎么被存起来的?
这与二氧化碳的化学性质紧密相关。当温度超过31.1℃、压力超过7.38 MPa时,二氧化碳将以超临界状态存在(即超临界流体,介于气体和液体之间),密度大、粘度低,流动性好、扩散性强。这种特性使得捕集和储存二氧化碳成为可能。
目前的碳储存技术,主要包括四个环节:
*捕集
捕捉环节多集中在
化工、
钢铁、电力、矿物制造、煤炭行业,这一环节成本较高,一般有燃烧前、燃烧后和富氧燃烧捕捉三种方式。
燃烧前捕集,是等煤炭在汽化炉中汽化后,利用固体吸附剂或化学溶剂将二氧化碳与其他气体分离,再将其冷却加压为超流体,整个过程理论上是零碳排放的;燃烧后捕集同样采用先分离、后提取的程序,但针对的是化石燃料燃烧产生的工业废气中的二氧化碳;富氧燃烧捕集是在富含氧气的条件下燃烧化石燃料,烟气主要由水蒸气和高浓度二氧化碳构成,更易于分离。
捕集二氧化碳后,需要用管道、船舶或罐车运输到选定的埋存地点。在整个碳储存技术成本中,运输环节所占比例相对较低。
*封存
封存环节直接关系二氧化碳能否长期、安全保存,因此选址
问题至关重要。完整的地质结构、适宜的储存容量、良好的封存层、储存点物质是否与二氧化碳发生化学反应等等,都是碳储存选址要重点考虑的因素。
目前,较理想的封存场所主要有深部含盐水层、废弃油气田及煤层和海洋。
其中,海洋储存是将二氧化碳以固体二氧化碳水合物形态注入超深层海域,当海水深度超过3000米时,二氧化碳密度将大于海水密度,最终沉积海底;废弃油气、煤层和地下盐水层都属于地质封存。据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)估计,2000-2050年,废弃油气层能够容纳全球二氧化碳排放总量的45%,废弃煤层容纳量约占排放总量的2%,地下盐水层可容纳排放总量的20%-500%,埋藏潜力最大。
在不同场所,二氧化碳的储存机制也有所不同。比如,要想在深部含盐水层储存二氧化碳,含水层上部需盖有隔水层或弱透水层,顶部至少在800m以下,才能保证不影响地下水资源。
封存过程还能带来新“收获”。
将二氧化碳注入废弃油气层后,原油体积膨胀、粘度降低、易于流动,有利于残留油气推出。这一过程就是二氧化碳驱油(CO₂-EOR),既能有效储存二氧化碳,还能提高油田采收率,仅在我国就可增加7亿-14亿吨采储量。
相似的功效还体现在煤层储碳上。煤层表面对二氧化碳的吸附能力约是对甲烷吸附能力的2倍,这种特性使得二氧化碳注入煤层后能让甲烷转变游离状态,从而增加甲烷气体的产出率。
【注:另有比较常见的封存方式,如:矿物碳化封存,即用二氧化碳与碱性矿物反应,生成碳酸盐矿物来进行封存。但其封存效率极低,又需要大量矿石,发展前景相对有限。】
*利用
除了注入封存场所,捕集来的二氧化碳还可以循环再利用,如人工降雨、制造化肥、果蔬冷藏保鲜等。
碳储存技术环节。中国21世纪议程管理中心(2021)