碳捕集与封存，又称为碳封存或碳收集及储存等（英语：Carbon Capture and Storage，简称CCS），有时亦会加入“应用”而被称作“CCUS”（即Carbon Capture Utilise and Storage），是指收集从点源污染（如火力发电厂）产生的二氧化碳，将它们运输至储存地点并长期与空气隔离的技术过程。此项技术的主要目的是防止在发电过程中或其他行业使用化石燃料而释放大量二氧化碳至大气层，同时是一种潜在手段以减轻因为使用化石燃料时所释出的排放物而造成的全球暖化及海洋酸化[1]。虽然将二氧化碳注入地层这项技术已使用了数十年，例如用以提高石油的采收率，但长期存储二氧化碳是一种较新的概念。首个商业化的例子是在2000年进行的Weyburn-Midale二氧化碳计划[2]。其他例子包括加拿大边界大坝[3]及密西西比电力公司的肯珀项目。政府间气候变化专门委员会（IPCC）形容CCS技术是在众多应对气候变化的方法之中最具成本效益及扮演重要角色，并指出如果没有这项技术，遏制全球变暖的成本将会增加一倍[4]。
一间集成及试验规模的CCS电厂于2008年9月开始于德国东部营运，以测试技术可行性和经济效益。与非CCS电厂相比，应用CCS技术的现代常规电厂能减少大约80-90%的二氧化碳排放量[1]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）估计，直到2100年，CCS的经济潜力可能是总碳减排努力的10至55%[1]。
二氧化碳可透过吸附或气体分离膜等技术来收集。胺是最为领先的碳吸附技术。收集及压缩二氧化碳可能会增加一间燃煤的CCS发电厂大约25至40%的能源需求，再加上其他系统成本，可能会增加发电厂产生每瓦特能量的成本大约21至91% [1]。将这项技术应用至现有的发电厂会更为昂贵，特别是当发电厂远离封存二氧化碳的地点。
二氧化碳可被藏于地层深处或以矿物碳酸盐形式储存。由于海洋酸化的相关效应，因此深海储存是不可行的[5]，而地层则是目前被认为最有前途的封存地点。根据国家能源技术实验室（NETL）的报导，按照在目前的二氧化碳生产速度，北美地区拥有足够的存储容量，甚至可用作存储超过900年[6]。然而，有关海底或地下存储的安全性的长期预测是非常困难的和有着不确定性，以及仍然存在着二氧化碳可能泄漏到大气中的危险[7]。
技术背景
自工业革命以来，科学技术的迅速发展以及工业化进程的加快使得人类的生活水平得到了很大的提升。但随着社会发展而引发的自然环境的恶化也日益严重，其中包括煤、石油等化石能源的燃烧产生的温室气体所引发的全球气候变暖问题已成为21世纪人类面临的重大挑战，而在排放的各种温室气体中，CO2大约占温室气体总量的26％，是主要的温室气体。大气中CO2的浓度不断增加也导致了地球表面的平均温度逐年升高，与1986-2005年相比，预计2016-2035年全球平均地表温度将升高0.3～0.7℃，2081-2100年将升高0.3～4.8℃。人为温室气体排放越多，增温幅度就越大。全球温度的升高将会导致人类自身赖以生存的生态环境的恶化，给人类和自然生态系统带来灾难性的后果，成为影响世界经济秩序和国际关系的一个重要因素。
将固定点源产生的CO2通过收集、捕获，将其注入地下储存于相对封闭的地质构造中，即CO2地质储存，从而减少CO2向大气中的人为排放，是目前国际社会公认的有效、直接的CO2减排手段之一。
CO2封存原理
CO2在深部咸水层中的捕获形式有气体捕获、溶解态捕获和矿物态捕获三种。气体捕获是指超临界CO2被注入地层后，在高温高压条件下，能够以自由态形式存在于地层中的CO2。溶解态捕获是指随着时间推移，CO2与咸水的界面上会达到两相平衡，这个过程中，储集岩孔隙中运移的气态CO2在与深部咸水层接触时溶解在其中，在地层中以溶解态CO2的形式运移和埋存。矿物态捕获是溶解CO2通过与储层中矿物反应，形成碳酸盐类物质，最终以矿物沉淀形式被固定下来的CO2。
超临界CO2注入深部咸水层之后，如何以这三种捕获形式封存于地层中以及这三种形式之间如何转化、何时转化主要由四种储存机理决定：
构造地层储存机理/水动力储存机理
当注入的CO2在上覆不渗透盖层的阻挡作用下，无法进行横向和侧向迁移而被滞留在盖层下部时，就形成了构造地层圈闭，这种利用上部圈闭构造阻止CO2在浮力作用下向上运移，从而达到储存CO2目的的机理即为构造地层储存机理。如果深部咸水层的储层没有完全封闭，而是以侧向的静水压力为封闭条件，将注入的超临界CO2圈闭在一个相对密闭的空间内，这种机理即为水动力储存机理。
毛细储存机理
主要是因为超临界CO2与咸水具有不同的浸润性，在气液相界面的表面张力作用下，少量的超临界CO2流体被长久地滞留在储层介质的孔隙中。在低孔低渗场地中，毛细管力是控制这类咸水层中渗流过程的主要作用力，并且具有可观的储存潜力，近年来倍受人们关注。
溶解储存机理
指CO2气体或超临界流体溶解在地下水中，以CO2（aq）的形式被储存起来。很多研究者指出CO2在水中的溶解随环境温度、压力和盐度的不同而变化。
矿物储存机理
是溶解于地层水的CO2，会改变地层水的 pH 值，破坏地层原有平衡状态，导致储层中矿物发生溶解反应，并产生新的碳酸盐沉淀矿物被固定下来。矿物储存被认为是长期有效储存CO2最稳定可靠的形式，矿物捕集能力主要取决于储层类型和矿物组成。
CO2捕集
收集二氧化碳最为有效的方法是由点源污染中直接收集，例如一些大型的火力发电厂或生物能源设施、主要排放二氧化碳的行业、天然气处理或合成燃料厂，以及以化石燃料为基础、生产氢的工厂。从空气中收集二氧化碳亦可行但不实际，因为空气中的二氧化碳是未经压缩的[8]。
在氧气中，燃烧煤炭时所产生的烟气含有高浓度的二氧化碳，大约是10至15%，而天然气发电厂的烟气只含有5至10%的二氧化碳[9]。因此，在火力发电厂进行碳收集是更有效及符合成本效益。
捕集方式
- 吸附剂：氧化钙（石灰）
- Faradaic electro-swing reactive adsorption for CO2 capture[11]
CO2运输
收集二氧化碳后需要将它运送到合适的储存地点。最有可能的方法是依靠管道进行输送，因为这种方法是最为便宜。在2008年，美国大约有5,800公里的二氧化碳管道用作输送二氧化碳至油田，以注入老油田开采石油。这种将二氧化碳注入油田再开采石油的技术名为强化采油技术。此外，也有数个进行至不同阶段的试点项目用以测试二氧化碳长期储存在非用作石油生产的地层。
根据美国国会研究服务部，有数个关于管道的重要问题悬而未决，包括管道网络的要求、管道安全、经济管制、效用及成本回收，以及二氧化碳本身的分类监管。此外，由于用作提高原油采收的二氧化碳管道正在运作，因此在影响二氧化碳管道的政策决定上看不见有急切性及紧迫性。另外，在联邦分类上，二氧化碳分别被土地管理局及环境保护局视为商品及污染物，因此有可能制造一个直接冲突，故需要确保管道不是为了在未来实施CCS，而是用于保证现时的CO2管道业务及未来CCS的一致性。[12]
在部分不能依赖管道进行输送的地方，船只亦会被用作运送二氧化碳。
CO2注入
注入系统包括注入场地的地面设施，例如，存储设施、运输管道终端的任何分配管汇、至油井的分配管道、附加压缩设施、测量和控制系统、井口和注入井。
储存场所
在地质储存的过程中，二氧化碳在高压的条件下注入很深的地层结构中。这些地层结构有些已经安全地封存了石油、天然气或盐水等地下流体长达数百万年，因此对二氧化碳 来说也适用。全世界的许多地方本身也有天 然的地下二氧化碳气藏。地质专家们通过对 这些成功的圈闭结构进行研究，总结出适合 封存二氧化碳几种地质结构。
地质封存的二氧化碳，是在高温高压的条件下，以超临界流体的形态注入地下的。超临界二氧化碳流体看上去像气体，可以轻易地在固体缝隙中扩散，同时他们也是液体，所占空间比气体小很多。超临界二氧化碳会随着地下深度的增加而进一步压缩，在地下岩石的缝隙中可以装下更多的二氧化碳，只要深度大于 800 米，地下的高压环境就能维持其超临界流体的状态。
适合二氧化碳地质储存的位置包括：衰竭的油气田、深层盐水结构和深度不可开采煤层。其中衰竭油气田和深层盐水结构会用到前面提到的五种圈闭结构。在这些结构中，储存二氧化碳的沉积岩上部都有盖层。不可开采煤层目前还只是潜在的一个备选方案，因为它的储存二氧化碳的圈闭机制稍有不同，有时是填充在煤炭的颗粒当中。未来十年，我们还需要针对世界范围内不同的地质构造进行储存二氧化碳可行性的研究。
衰竭油气田
在衰竭油气田中，二氧化碳填充在原先储存油和气的岩石孔中。这也是最早的一种适于储存二氧化碳的地方，由于它会驱走残留在油田中的残余油，人们在 30 年前就开始往地下注入二氧化碳来提高老油田的采收率。提高的那部分产量还可以补偿捕获与储存二氧化碳的成本。另外，人们对老油田的地质构造信息掌握的更加全面，研究的更加透彻，当初对地下流体进行的建模同样可以用于二氧化碳。唯一需要注意的油田里废弃的油井，有些油井由于不正确的封闭，将来可能会成为二氧化碳逸出的路径。
二氧化碳提高石油采收率技术是将二氧化碳注入油藏中，利用其与原油间的物理、化学、水力学作用，实现石油增采和二氧化碳封存的工业过程。该技术已被证明是众多三次采油技术中最为有效的技术之一，未随原油排除的二氧化碳将被永久封存到油藏中。
二氧化碳提高天然气采收率技术指注入高压二氧化碳到即将枯竭的气藏恢复地层压力，由于重力分异作用二氧化碳会向下运移，促使天然气向顶部运移并稳定地产出，从而将自然衰竭无法开采的天然气驱替出来提高天然气的采收率，同时将大量二氧化碳封存于气藏地质结构中来实现二氧化碳减排，并且有效避免了坍塌沉淀和水侵等现象的发生。
深部咸水层
深层盐水结构是在很深很深的地下，其岩石孔隙上附着的水由于含盐和矿物质太高而无法使用。这种地质结构全世界到处都有，包括一些没有油气开采潜力的地方。这种结构符合所有能够长期储存二氧化碳的条件。二氧化碳注入到这些已经被圈闭住的流体之中，最终溶解于这些盐水之中，并与周围的岩石进行化学反应而进一步结合。深层盐水结构被认为是世界上能存储二氧化碳容量最大的地质结构，而且遍布世界各地。
二氧化碳强化深部咸水开采技术是指将二氧化碳注入深部咸水层或卤水层，驱替高附加值液体矿产资源（如锂盐、钾盐、溴素等）或深部咸水资源，加以综合开发和利用，同时实现二氧化碳长期储存的过程。该技术是传统的二氧化碳深部咸水层储存与地面咸卤水处理技术的组合。但与传统的储存相比，该技术因抽采深部地下水，一方面可增加二氧化碳储量、降低大规模二氧化碳储存风险，另一方面，抽采的咸卤水经过处理，可用于解决工农业用水困难，甚至可以获得高附加值的钾、锂、溴素等矿产资源。
深部不可开采煤层
深度不可开采煤层也是可能的存储结构。二氧化碳会进入煤块上的微小孔隙中，而且会被粘得牢牢的，甚至都不需要盖层来封闭住。煤通常都伴随有甲烷气，二氧化碳进来之后会驱替出这些甲烷，从而可以将它们收集起来作为燃料。这种生产甲烷气的方法被称作“增强型煤层甲烷气生产”，目前仍处在试验阶段，需要对二氧化碳的驱替和甲烷从煤中的释放过程进行大量的研究。
二氧化碳提高煤层气采收率技术是指将二氧化碳注入深部不可开采煤层中封存起来，同时将煤层中的煤层气驱替出来加以利用的过程。该过程不仅储存了二氧化碳，实现了温室气体减排，同时开采了煤层气这种优质能源，具有双赢效果。
中国鄂尔多斯深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程
中国神华集团在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗实施了中国首个煤基全流程深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程。[13]项目工程自2009年2月开始工作，2011年5月开始正式注入。至2015年4月，累积二氧化碳注入量达到30.3万吨。
注释
参考资料
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 Bert Metz, Ogunlade Davidson, Heleen de Coninck, Manuela Loos, Leo Meyer (编). Carbon Capture and Storage (PDF). 剑桥大学出版社. 2005 [2016-06-11].
- ↑ Burying the problem. Canadian Geographic Magazine. [2016-06-11].
- ↑ 加拿大边界大壩CCS计划成绩矚目. 台湾行政院环境保护署. 2016-04-26 [2016-06-11].
- ↑ Damian Carrington. CO2 turned into stone in Iceland in climate change breakthrough. 卫报. 2016-06-09 [2016-06-11].
- ↑ CO2 Capture and Storage. GreenFacts. [2016-06-11].
- ↑ NETL 2007 Carbon Sequestration Atlas. 国家能源技术实验室. [2016-06-11].
- ↑ Jack J.C. Phelpsa, Jerry C. Blackfordb, Jason T. Holta, Jeff A. Poltona. Modelling large-scale CO2 leakages in the North Sea. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2015, 38: 210–220. doi:10.1016/j.ijggc.2014.10.013.
- ↑ Klaus S. Lackner, Patrick Grimes, Hans-J. Ziock. Capturing Carbon Dioxide From Air (PDF). First National Conference on Carbon Sequestration. 2001 [2016-06-11].
- ↑ Thomas M. McDonald, Jarad A. Mason, Xueqian Kong, Eric D. Bloch et al. Cooperative insertion of CO2 in diamine-appended metal-organic frameworks. Nature. 2015-03-19, 519: 303–308. doi:10.1038/nature14327.
- ↑ 雷汉欣. 巨无霸空气清净机－鈣回路碳捕获技术. PanSci 泛科学. [2020-05-25].
- ↑ Sahag Voskian and T. Alan Hatton. Faradaic electro-swing reactive adsorption for CO2 capture. Energy & Environmental Science (2019-12) (Royal Society of Chemistry). [2020-05-25].
- ↑ Adam Vann, Paul W. Parfomak. CRS Report for Congress: Regulation of Carbon Dioxide (CO2) Sequestration Pipelines: Jurisdictional Issues (PDF). Congressional Research Service. 2008-04-15 [2016-06-11].
- ↑ 中国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程. www.zgdzdcbjb.com. [2018-10-27].
参见
外部链接
- （英文）CO2 Capture and Storage - GreenFacts
- （简体中文）全球碳捕集与封存研究中心
- （繁体中文）二氧化碳捕获与封存技术网 | Carbon Capture and Storage - 工研院
