碳捕集與封存，又稱為碳封存或碳收集及儲存等（英語：Carbon Capture and Storage，簡稱CCS），有時亦會加入「應用」而被稱作「CCUS」（即Carbon Capture Utilise and Storage），是指收集從點源污染（如火力發電廠）產生的二氧化碳，將它們運輸至儲存地點並長期與空氣隔離的技術過程。此項技術的主要目的是防止在發電過程中或其他行業使用化石燃料而釋放大量二氧化碳至大氣層，同時是一種潛在手段以減輕因為使用化石燃料時所釋出的排放物而造成的全球暖化及海洋酸化[1]。雖然將二氧化碳注入地層這項技術已使用了數十年，例如用以提高石油的採收率，但長期存儲二氧化碳是一種較新的概念。首個商業化的例子是在2000年進行的Weyburn-Midale二氧化碳計劃[2]。其他例子包括加拿大邊界大壩[3]及密西西比電力公司的肯珀項目。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）形容CCS技術是在眾多應對氣候變化的方法之中最具成本效益及扮演重要角色，並指出如果沒有這項技術，遏制全球變暖的成本將會增加一倍[4]。
一間集成及試驗規模的CCS電廠於2008年9月開始於德國東部營運，以測試技術可行性和經濟效益。與非CCS電廠相比，應用CCS技術的現代常規電廠能減少大約80-90%的二氧化碳排放量[1]。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）估計，直到2100年，CCS的經濟潛力可能是總碳減排努力的10至55%[1]。
二氧化碳可透過吸附或氣體分離膜等技術來收集。胺是最為領先的碳吸附技術。收集及壓縮二氧化碳可能會增加一間燃煤的CCS發電廠大約25至40%的能源需求，再加上其他系統成本，可能會增加發電廠產生每瓦特能量的成本大約21至91% [1]。將這項技術應用至現有的發電廠會更為昂貴，特別是當發電廠遠離封存二氧化碳的地點。
二氧化碳可被藏於地層深處或以礦物碳酸鹽形式儲存。由於海洋酸化的相關效應，因此深海儲存是不可行的[5]，而地層則是目前被認為最有前途的封存地點。根據國家能源技術實驗室（NETL）的報導，按照在目前的二氧化碳生產速度，北美地區擁有足夠的存儲容量，甚至可用作存儲超過900年[6]。然而，有關海底或地下存儲的安全性的長期預測是非常困難的和有着不確定性，以及仍然存在着二氧化碳可能泄漏到大氣中的危險[7]。
技術背景
自工業革命以來，科學技術的迅速發展以及工業化進程的加快使得人類的生活水平得到了很大的提升。但隨着社會發展而引發的自然環境的惡化也日益嚴重，其中包括煤、石油等化石能源的燃燒產生的溫室氣體所引發的全球氣候變暖問題已成為21世紀人類面臨的重大挑戰，而在排放的各種溫室氣體中，CO2大約佔溫室氣體總量的26％，是主要的溫室氣體。大氣中CO2的濃度不斷增加也導致了地球表面的平均溫度逐年升高，與1986-2005年相比，預計2016-2035年全球平均地表溫度將升高0.3～0.7℃，2081-2100年將升高0.3～4.8℃。人為溫室氣體排放越多，增溫幅度就越大。全球溫度的升高將會導致人類自身賴以生存的生態環境的惡化，給人類和自然生態系統帶來災難性的後果，成為影響世界經濟秩序和國際關係的一個重要因素。
將固定點源產生的CO2通過收集、捕獲，將其注入地下儲存於相對封閉的地質構造中，即CO2地質儲存，從而減少CO2向大氣中的人為排放，是目前國際社會公認的有效、直接的CO2減排手段之一。
CO2封存原理
CO2在深部鹹水層中的捕獲形式有氣體捕獲、溶解態捕獲和礦物態捕獲三種。氣體捕獲是指超臨界CO2被注入地層後，在高溫高壓條件下，能夠以自由態形式存在於地層中的CO2。溶解態捕獲是指隨着時間推移，CO2與鹹水的界面上會達到兩相平衡，這個過程中，儲集岩孔隙中運移的氣態CO2在與深部鹹水層接觸時溶解在其中，在地層中以溶解態CO2的形式運移和埋存。礦物態捕獲是溶解CO2通過與儲層中礦物反應，形成碳酸鹽類物質，最終以礦物沉澱形式被固定下來的CO2。
超臨界CO2注入深部鹹水層之後，如何以這三種捕獲形式封存於地層中以及這三種形式之間如何轉化、何時轉化主要由四種儲存機理決定：
構造地層儲存機理/水動力儲存機理
當注入的CO2在上覆不滲透蓋層的阻擋作用下，無法進行橫向和側向遷移而被滯留在蓋層下部時，就形成了構造地層圈閉，這種利用上部圈閉構造阻止CO2在浮力作用下向上運移，從而達到儲存CO2目的的機理即為構造地層儲存機理。如果深部鹹水層的儲層沒有完全封閉，而是以側向的靜水壓力為封閉條件，將注入的超臨界CO2圈閉在一個相對密閉的空間內，這種機理即為水動力儲存機理。
毛細儲存機理
主要是因為超臨界CO2與鹹水具有不同的浸潤性，在氣液相界面的表面張力作用下，少量的超臨界CO2流體被長久地滯留在儲層介質的孔隙中。在低孔低滲場地中，毛細管力是控制這類鹹水層中滲流過程的主要作用力，並且具有可觀的儲存潛力，近年來倍受人們關注。
溶解儲存機理
指CO2氣體或超臨界流體溶解在地下水中，以CO2（aq）的形式被儲存起來。很多研究者指出CO2在水中的溶解隨環境溫度、壓力和鹽度的不同而變化。
礦物儲存機理
是溶解於地層水的CO2，會改變地層水的 pH 值，破壞地層原有平衡狀態，導致儲層中礦物發生溶解反應，並產生新的碳酸鹽沉澱礦物被固定下來。礦物儲存被認為是長期有效儲存CO2最穩定可靠的形式，礦物捕集能力主要取決於儲層類型和礦物組成。
CO2捕集
收集二氧化碳最為有效的方法是由點源污染中直接收集，例如一些大型的火力發電廠或生物能源設施、主要排放二氧化碳的行業、天然氣處理或合成燃料廠，以及以化石燃料為基礎、生產氫的工廠。從空氣中收集二氧化碳亦可行但不實際，因為空氣中的二氧化碳是未經壓縮的[8]。
在氧氣中，燃燒煤炭時所產生的煙氣含有高濃度的二氧化碳，大約是10至15%，而天然氣發電廠的煙氣只含有5至10%的二氧化碳[9]。因此，在火力發電廠進行碳收集是更有效及符合成本效益。
捕集方式
- 吸附劑：氧化鈣（石灰）
- Faradaic electro-swing reactive adsorption for CO2 capture[11]
CO2運輸
收集二氧化碳後需要將它運送到合適的儲存地點。最有可能的方法是依靠管道進行輸送，因為這種方法是最為便宜。在2008年，美國大約有5,800公里的二氧化碳管道用作輸送二氧化碳至油田，以注入老油田開採石油。這種將二氧化碳注入油田再開採石油的技術名為強化採油技術。此外，也有數個進行至不同階段的試點項目用以測試二氧化碳長期儲存在非用作石油生產的地層。
根據美國國會研究服務部，有數個關於管道的重要問題懸而未決，包括管道網絡的要求、管道安全、經濟管制、效用及成本回收，以及二氧化碳本身的分類監管。此外，由於用作提高原油採收的二氧化碳管道正在運作，因此在影響二氧化碳管道的政策決定上看不見有急切性及緊迫性。另外，在聯邦分類上，二氧化碳分別被土地管理局及環境保護局視為商品及污染物，因此有可能製造一個直接衝突，故需要確保管道不是為了在未來實施CCS，而是用於保證現時的CO2管道業務及未來CCS的一致性。[12]
在部份不能依賴管道進行輸送的地方，船隻亦會被用作運送二氧化碳。
CO2注入
注入系統包括注入場地的地面設施，例如，存儲設施、運輸管道終端的任何分配管匯、至油井的分配管道、附加壓縮設施、測量和控制系統、井口和注入井。
儲存場所
在地質儲存的過程中，二氧化碳在高壓的條件下注入很深的地層結構中。這些地層結構有些已經安全地封存了石油、天然氣或鹽水等地下流體長達數百萬年，因此對二氧化碳 來說也適用。全世界的許多地方本身也有天 然的地下二氧化碳氣藏。地質專家們通過對 這些成功的圈閉結構進行研究，總結出適合 封存二氧化碳幾種地質結構。
地質封存的二氧化碳，是在高溫高壓的條件下，以超臨界流體的形態注入地下的。超臨界二氧化碳流體看上去像氣體，可以輕易地在固體縫隙中擴散，同時他們也是液體，所佔空間比氣體小很多。超臨界二氧化碳會隨着地下深度的增加而進一步壓縮，在地下岩石的縫隙中可以裝下更多的二氧化碳，只要深度大於 800 米，地下的高壓環境就能維持其超臨界流體的狀態。
適合二氧化碳地質儲存的位置包括：衰竭的油氣田、深層鹽水結構和深度不可開採煤層。其中衰竭油氣田和深層鹽水結構會用到前面提到的五種圈閉結構。在這些結構中，儲存二氧化碳的沉積岩上部都有蓋層。不可開採煤層目前還只是潛在的一個備選方案，因為它的儲存二氧化碳的圈閉機制稍有不同，有時是填充在煤炭的顆粒當中。未來十年，我們還需要針對世界範圍內不同的地質構造進行儲存二氧化碳可行性的研究。
衰竭油氣田
在衰竭油氣田中，二氧化碳填充在原先儲存油和氣的岩石孔中。這也是最早的一種適於儲存二氧化碳的地方，由於它會驅走殘留在油田中的殘餘油，人們在 30 年前就開始往地下注入二氧化碳來提高老油田的採收率。提高的那部分產量還可以補償捕獲與儲存二氧化碳的成本。另外，人們對老油田的地質構造信息掌握的更加全面，研究的更加透徹，當初對地下流體進行的建模同樣可以用於二氧化碳。唯一需要注意的油田裏廢棄的油井，有些油井由於不正確的封閉，將來可能會成為二氧化碳逸出的路徑。
二氧化碳提高石油採收率技術是將二氧化碳注入油藏中，利用其與原油間的物理、化學、水力學作用，實現石油增采和二氧化碳封存的工業過程。該技術已被證明是眾多三次採油技術中最為有效的技術之一，未隨原油排除的二氧化碳將被永久封存到油藏中。
二氧化碳提高天然氣採收率技術指注入高壓二氧化碳到即將枯竭的氣藏恢復地層壓力，由於重力分異作用二氧化碳會向下運移，促使天然氣向頂部運移並穩定地產出，從而將自然衰竭無法開採的天然氣驅替出來提高天然氣的採收率，同時將大量二氧化碳封存於氣藏地質結構中來實現二氧化碳減排，並且有效避免了坍塌沉澱和水侵等現象的發生。
深部鹹水層
深層鹽水結構是在很深很深的地下，其岩石孔隙上附着的水由於含鹽和礦物質太高而無法使用。這種地質結構全世界到處都有，包括一些沒有油氣開採潛力的地方。這種結構符合所有能夠長期儲存二氧化碳的條件。二氧化碳注入到這些已經被圈閉住的流體之中，最終溶解於這些鹽水之中，並與周圍的岩石進行化學反應而進一步結合。深層鹽水結構被認為是世界上能存儲二氧化碳容量最大的地質結構，而且遍佈世界各地。
二氧化碳強化深部鹹水開採技術是指將二氧化碳注入深部鹹水層或滷水層，驅替高附加值液體礦產資源（如鋰鹽、鉀鹽、溴素等）或深部鹹水資源，加以綜合開發和利用，同時實現二氧化碳長期儲存的過程。該技術是傳統的二氧化碳深部鹹水層儲存與地面鹹鹵水處理技術的組合。但與傳統的儲存相比，該技術因抽采深部地下水，一方面可增加二氧化碳儲量、降低大規模二氧化碳儲存風險，另一方面，抽采的鹹鹵水經過處理，可用於解決工農業用水困難，甚至可以獲得高附加值的鉀、鋰、溴素等礦產資源。
深部不可開採煤層
深度不可開採煤層也是可能的存儲結構。二氧化碳會進入煤塊上的微小孔隙中，而且會被粘得牢牢的，甚至都不需要蓋層來封閉住。煤通常都伴隨有甲烷氣，二氧化碳進來之後會驅替出這些甲烷，從而可以將它們收集起來作為燃料。這種生產甲烷氣的方法被稱作「增強型煤層甲烷氣生產」，目前仍處在試驗階段，需要對二氧化碳的驅替和甲烷從煤中的釋放過程進行大量的研究。
二氧化碳提高煤層氣採收率技術是指將二氧化碳注入深部不可開採煤層中封存起來，同時將煤層中的煤層氣驅替出來加以利用的過程。該過程不僅儲存了二氧化碳，實現了溫室氣體減排，同時開採了煤層氣這種優質能源，具有雙贏效果。
中國鄂爾多斯深部鹹水層二氧化碳地質儲存示範工程
中國神華集團在內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗實施了中國首個煤基全流程深部鹹水層二氧化碳地質儲存示範工程。[13]項目工程自2009年2月開始工作，2011年5月開始正式注入。至2015年4月，累積二氧化碳注入量達到30.3萬噸。
註釋
參考資料
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 Bert Metz, Ogunlade Davidson, Heleen de Coninck, Manuela Loos, Leo Meyer (編). Carbon Capture and Storage (PDF). 劍橋大學出版社. 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. 台灣行政院環境保護署. 2016-04-26 [2016-06-11].
- ↑ Damian Carrington. CO2 turned into stone in Iceland in climate change breakthrough. 衛報. 2016-06-09 [2016-06-11].
- ↑ CO2 Capture and Storage. GreenFacts. [2016-06-11].
- ↑ NETL 2007 Carbon Sequestration Atlas. 國家能源技術實驗室. [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.
- ↑ 雷漢欣. 巨无霸空气清净机－鈣回路碳捕获技术. PanSci 泛科學. [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].
參見
外部連結
- （英文）CO2 Capture and Storage - GreenFacts
- （簡體中文）全球碳捕集與封存研究中心
- （繁體中文）二氧化碳捕獲與封存技術網 | Carbon Capture and Storage - 工研院
