3月19日,我國第一口位于海底的二氧化碳封存回注井正式開鉆,這標志著我國初步形成了海上二氧化碳注入、封存和監(jiān)測的全套鉆完井技術和裝備體系,填補了我國海上二氧化碳封存技術的空白。
撰文/記者 趙天宇 圖文編輯/陳永杰
采訪專家:
【資料圖】
陳建文(中國地質調查局青島海洋地質研究所研究員)
程國明(中國地質環(huán)境監(jiān)測院正高級工程師)
據多家媒體報道,3月19日,我國第一口位于海底的二氧化碳封存回注井正式開鉆,這標志著我國初步形成了海上二氧化碳注入、封存和監(jiān)測的全套鉆完井技術和裝備體系,填補了我國海上二氧化碳封存技術的空白。
▲CCUS技術是未來應對全球氣候變暖的重要技術選擇之一。(圖片來源/中國網)
碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage 簡稱CCS)技術是指將二氧化碳從工業(yè)或相關排放源中分離出來,輸送到封存地點,并長期與大氣隔離的過程。這種技術被認為是未來大規(guī)模減少溫室氣體排放、減緩全球變暖最經濟、可行的辦法。而CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage)技術是在CCS技術基礎上將二氧化碳進行捕獲、提純,繼而投入到新的生產過程中進行循環(huán)再利用或封存的一種技術。該技術是未來應對全球氣候變暖的重要技術選擇之一。
目前,我國CCUS技術整體還處于建設示范項目階段,未來將逐步走向商業(yè)化和規(guī)?;?。而對于普通公眾來說,CCUS技術卻相對陌生,對這種革命性的清潔發(fā)展科技更是知之甚少,亟待解讀與科普。
CCUS:
應對氣候變暖重要方案
二氧化碳是溫室效應的最主要氣體,隨著大氣治理科學研究的進展,一種全新的理論被提出——既然人類排放的二氧化碳大部分由地下埋藏的化石能源釋放,是否可以將其埋回地下?
CCUS技術誕生時間不長,但已被視為應對全球變暖的一種重要方案。整個環(huán)節(jié)可以簡單總結為收、運、儲、用。
“收”是指二氧化碳捕集,是將二氧化碳從工業(yè)生產、能源利用或大氣中分離出來,以備后續(xù)處理的過程。主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒、化學鏈捕集和直接從大氣中捕集。
目前碳捕集的商業(yè)化運營已經相對成熟,產業(yè)鏈上的企業(yè)較多,全球每年捕集能力超過4000萬噸。甚至吸引騰訊這樣的互聯網企業(yè)入局,和冰島碳封存公司Carbfix合作,將在中國建設首個二氧化碳礦化封存示范項目。
“運”是指二氧化碳輸送,捕集到的二氧化碳必須運輸到合適的地點進行封存??梢允褂闷?、火車、輪船以及管道來進行運輸。由于二氧化碳在封存過程中存在泄漏風險,所以對二氧化碳運移過程進行實時監(jiān)測,成為國際學界的一個熱門課題。
“儲”是指二氧化碳封存,是將捕集的二氧化碳注入深部地質儲層,使二氧化碳與大氣長期隔絕,從而進入“休眠態(tài)”。一般說來可分為地質封存和海洋封存兩類。
▲中國石油長慶油田黃3區(qū)CCUS國家示范工程 (圖片來源/中國網)
“用”是指二氧化碳利用,是通過工程技術手段,對捕集的二氧化碳實現資源化利用的過程,實現真正意義上的“化碳為寶”。
國際能源署數據顯示,CCUS技術未來每年可減少69億噸二氧化碳排放,到2050年之后,也將有助于抵消“必要排放”的二氧化碳,其抵消作用將占到2070年為止的累積二氧化碳減排量的15%。
儲存環(huán)節(jié)尚有技術壁壘
在CCUS產業(yè)鏈中,二氧化碳封存是最為重要的一環(huán),也是技術難度最高的部分,國際上目前尚未形成規(guī)?;纳虡I(yè)路線,處于持續(xù)探索當中。
像地質封存,一般是將超臨界狀態(tài)(氣態(tài)和液態(tài)的混合體)的二氧化碳注入地質結構層當中,油田、氣田、咸水層、無法開采的煤礦都滿足這樣的條件。其中,深部咸水層碳封存和枯竭油氣藏碳封存技術現在最為成熟。尤其是咸水層,具有分布廣泛、儲存量大等特點,被視為地質封存當中的最佳場地。
目前,陸地封存技術雖然已經相對成熟,但由于儲層應力場改變以及地質構造的不可預估性,二氧化碳在封存過程中存在著一些安全隱患。
最著名的當屬西澳大利亞Gorgon項目2016年3月就開始生產出天然氣的工廠,直到2019年8月才姍姍來遲,開啟CCS設備比計劃晚了三年半。
▲西澳大利亞Gorgon項目(由天然氣生產車間和CCS設備組成)(圖片來源/中國網)
究其原因,是2017年底檢查發(fā)現,工廠液化天然氣廠和注水井之間的管道中存在過量水,造成了閥門和管道發(fā)生泄漏腐蝕,且沙子堵塞了地下的注氣井,嚴重損害了壓力管理系統(tǒng)。
就我國而言,當前二氧化碳年排放量在100億噸左右,這其中沿海11省(市)占比就接近一半。但由于這些地區(qū)陸域沉積盆地面積小、分布零散,適宜碳封存的地質條件相對較差,封存潛力有限,“海洋封存”成為一條全新的路徑。
海洋地質碳封存,指將CO2通過輪船或管道運輸到海洋某個場地并灌注到海底以下地質體中進行封存。中國地質調查局青島海洋地質研究所研究員陳建文解釋說,因海底以下有厚度大且分布廣泛的咸水層使得海洋二氧化碳地質封存潛力大。
具體方法是“捕獲或分離后的二氧化碳將被送至海上鉆井平臺,通過平臺上的壓縮機對二氧化碳進行增壓,使二氧化碳達到超臨界狀態(tài),最終通過注入井封存到海底以下深部咸水層等地質體中。”陳建文表示,國內已有珠江口盆地恩平15-1示范工程,目前正在鉆探灌注井,計劃每年灌注30萬噸,5年封存量達150萬噸。
▲中國的CCUS技術全景圖(圖片來源/2021年中國二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報告)
對于外界“海上封存安全性低”“海上封存影響生態(tài)環(huán)境”的質疑,陳建文表示,目前沒有直接證據證明,海洋封存會對生態(tài)環(huán)境造成污染,像挪威海域的斯萊普萊爾項目從1996年就開始進行海底封存,前5年的工程示范證實是安全的,此后開展商業(yè)運作,一直灌注了27年,目前仍在灌注中,沒有發(fā)現異常。日本2016-2019年在北海道附近海域灌注了30萬噸,到目前為止一直在監(jiān)測,未發(fā)現安全風險。
海洋封存為什么反而更“安全”?陳建文說,由于海水的覆蓋不僅可以避免二氧化碳泄漏時直接排放到大氣中,而且附加的海水壓力降低了對蓋層封閉性的要求,使二氧化碳封存在海底以下具有更高的穩(wěn)定性。因長期的海水交換作用,海底地層中的孔隙流體與正常海水的化學組成更接近,可以降低二氧化碳注入過程中壓力不平衡誘發(fā)的裂隙活動帶來的泄漏危險性。
“化碳為寶”
二氧化碳能怎么“用”?
技術之外,二氧化碳封存成本也是外界關注的問題。IPCC(聯合國政府間氣候變化專門委員會)研究認為,只有當捕集和封存CO2的總成本降到每噸25-30美元(約合人民幣每噸125-200元)時,CCUS才可能大規(guī)模推廣。
但不計算運輸和封存成本,僅捕集環(huán)節(jié),目前國外成本約每噸11-57美元(約合人民幣65-400元),而我國當前成本更是高達每噸300-900元。
▲我國第一口位于海底的二氧化碳封存回注井 (圖片來源:中海油官網)
中國地質環(huán)境監(jiān)測院正高級工程師程國明認為,二氧化碳的技術問題逐漸突破后,今后成本才是行業(yè)關注的重點。目前碳儲存的價格遠遠高于碳匯價格,企業(yè)更愿意參與后者,除非成本得到控制,否則真正意義上的商業(yè)化阻力較大。
“碳封存目前在國內沒有經濟性,但在國外證明經濟性還是有競爭力的,”陳建文表示,成本支出與相關政策密切相關,而政策也會影響碳市場價格,從長遠角度來看,碳達峰以后經濟性會逐步好轉,總體來看趨勢是樂觀的。
另一方面,除了碳封存,全球已經有超過80家公司,開始研究使用二氧化碳的另一種新方法——回收再利用,這不僅是一項氣候雙贏策略,也可能成為CCUS領域的一條新賽道。
比如在石油勘采領域,利用二氧化碳提高原油采收率是目前二氧化碳利用技術最廣泛的應用場景,可增采原油的收益彌補項目成本,經濟可行度高。二氧化碳驅替煤層氣技術,也可以顯著提高煤層氣采收。
化工制品也是二氧化碳再利用的重要場景,在日常生活中十分多樣化,例如啤酒、碳酸飲料的生產;制成干冰用于食品冷藏運輸;合成有機小分子等精細化學品或尿素、鹽酸鹽等常用化學品。
目前國外已興起建設直接空氣碳捕捉(DAC)工廠,即直接從空氣中捕捉二氧化碳的工廠。預計到2030年,可實現每年捕獲85噸二氧化碳 ,2050年能每年捕獲980噸二氧化碳。
也許某一天,我們將用上加注廢舊二氧化碳的天然氣,使用CCUS技術供給的干冰冷藏食品,喝著用工廠排放CO2制作的罐裝啤酒可樂,真正將低碳融入日常生活。到那時,你會發(fā)現CCUS其實離你我并不遠,這將是一個十分美好的場景。
出品:科普中央廚房
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