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碳封存科技

将温室气体贮存于地下是碳捕获与封存过程中风险最大的一个环节,同时也是最容易被人们忽视的一个环节。洛根•韦斯特将向您详述这其中的真实情况。

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编者按

不久之前,
碳捕获与封存(CCS) 还只是一个在大学实验室里或者能源巨头科研部门内部引起人们热烈讨论的一个话题。而如今,情况不一样了。CCS是指通过捕获化石燃料燃烧时释放出来的二氧 化碳,并将其储存于地下油田等地质层内的技术。这项技术目前已经在气候变化政策决策以及有关减排的公众讨论中占有相当重要的地位。

支持该 项技术的人认为,CCS技术能够在保障能源供应的同时降低碳排放。因此,对于世界各国的政府而言,这项技术具有非常大的吸引力。过去的两年里,美国、英 国、加拿大及澳大利亚等国均投入大量的公共资金大张旗鼓地开展了不少示范工程。由于中国大约有70%能源需求依赖于燃煤。因此对于中国而言,CCS技术的发展则尤为重要。一项该技术的商业化推广项目就已经在中国北部城市天津得到开展。然而,一些研究人员,如斯坦福大学的何钢认为,这项技术的全面推广还需要做大量的工作。

这项技术所需的高额投入仍然是其发展道路上的拦路虎。据估计,目前英国一座CCS设施的成本约为10亿英镑(107亿元)。然而,一直以来,这项技术却备受某些人的
责难。 他们认为CCS技术只不过是缓解各种全球问题的一个治标不治本的“狗皮膏药”而已,它并没有触及到问题的根源。然而,越来越多的决策者、非政府组织、以及 学者却将其视为二氧化碳的减排方案之一,认为它是一项成熟的先进技术。而将二氧化碳注入地下也已经是石油天然气行业的普遍做法。

CCS技 术已经引起了全世界的关注。本周,中外对话将就围绕其发展的几个关键问题展开讨论。首先,洛根·韦斯特将从碳储存的角度为您解释这一过程。李佳和 梁希则从财务角度对这项技术所面临的障碍进行分析,并给出可行的解决方案。本周晚些时候,自然保护委员会将详述中国CCS技术的发展现状,以及其 发展所需的国际合作。我们将一如既往地期待您的观点,敬请留下您的观点,并参与我们的讨论。

 



与垃圾填埋和水调工程一样,碳捕获与封存(CCS)是一种典型的移花接木式的解决方案。目前,该技术正方兴未艾。事实上,据国际能源机构预测,2050年,CCS技术降低的二氧化碳排放将达到100亿吨。而可再生能源的减排量为110亿吨。

为什么我们要对这项技术表示乐观?道理很简单,技术是现成的。事实证明,这个行业有这个能力。CCS技术是对现有体系的改良,而非颠覆。也就是说,CCS技术既存在低能效高成本等缺陷,也有不少反对者。随着人们对这项技术的兴趣日益浓厚,这一过程本身的细节在争论过程中常常被人们所忽略。然而,人们对于二氧化碳储存的了解是争论得以继续的关键。

对 于非地质专业人士而言,他们很难理解储存的概念。二氧化碳到底去哪里了?怎么才能将它封存在那里?如果外泄出来该怎么办?储存的过程是所有CCS项目中风 险最高、不确定因素最多的一个环节。二氧化碳外泄不仅危险,而且还使整个CCS过程功亏一篑。不仅如此,它还浪费了大量的时间和金钱。

那么,碳储存的工作原理是什么呢?关键是,我们要明白,被储存起来的二氧化碳与人们每天呼出的二氧化碳不同。地下数千米深的存储区域的高温高压环境使二氧化碳处于高密度超临界状态,成为“流体”,从而限制了其上升。

这种二氧化碳被注入到地质学家所说的储集层。我们的脚下是岩石层。一般而言,它们层层相叠。储集层又称蓄水层,是指水以及石油或者天然气等液体聚集的地层。储集层的主要特征是岩石中存在大量相互连通的开放孔隙。液体可以从中流过,并储存于空隙中。被注入其中的二氧化碳“气柱”正是以这种形式存在于储集层内。

二氧化碳气柱能够存在于储集层内的主要机理有四。其中最为主要的因素就是覆盖于储集层上面的具有防渗功能的冠岩。冠岩能够像瓶盖那样将汽水中的碳酸汽封存在瓶中。所有特性中最为关键的是,冠岩要覆盖住气柱所在的整个区域,其面积可达100平方公里。并且还不能有导致漏气事故发生的通气口。冠岩与其它独特的地理构造一起构成了封存住二氧化碳的第一道防线

气柱充满整个孔隙后,由于一些通道过于狭窄,二氧化碳很难通过其中。因此,二氧化碳便被困在孔隙中。然后,由于气体与储集层中的水相互作用,一部分气体会溶 解到水中。一旦气体溶于水后,二氧化碳便失去了所有活性,变得无法自由移动。最终,一部分溶解的物质与岩石发生反应,形成矿物质,二氧化碳被固化在地底下 长达数百万年。

有充分的证据证明,不论是在过去、现在、还是将来,这些二氧化碳的封存机理都非常成功。世界各地都有被自然封存在地下长达数百万年的二氧化碳。同时,现有的国际示范工程也成功地运用了CCS技术。正是出于这一原因,政府间气候变化专门委员会(IPCC)表示,如果方法得当的话,99%的二氧化碳有可能被封存于地下达千年之久。人类足够利用这段时间找到零排放能源。

尽管如此,这一技术还存在许多未知因素。从地质层面看,没有两处地点的地质条件是完全相同的。因此,与碳捕获技术不同的是,二氧化碳储存技术不存在“放之四 海而皆准”的规划方案。并且,尽管各种工具能够帮助我们大致了解地表下的情况,但它们所提供的仅仅是地下实际状态的概况。储存地点的前期勘察工作不论多么 详尽,我们对二氧化碳在地表下的运动及反应进行预测时在很大程度上仍然需要凭借猜测。然而,经验和数据能够使不确定因素大大降低,这也就是为什么油田有可 能成为二氧化碳储存的第一批目标地的原因。因为,人们对于油田的地质条件充分了解,并且有时我们还可以利用二氧化碳将原本无法开采原油储量压出

如 果监管方和项目的操作方合作,共同确保在储存的实施过程中采取高度的防范措施并加强对有效性的关注,那么整个过程的不确定性是可控的。储存的顺利实施关键 就在于选择安全的储存地点。对备选存储点进行分析,确定该地点不仅能够封住二氧化碳,而且还要有足够的地方储存二氧化碳,同时气体在到达该处后还要能够被 尽快地注入地下。

为了验证这些研究,我们应该利用收集到的数据针对储存点建立模型,借此对二氧化碳可能的状态进行模拟。然后,再利用各种监控手段对实际情况进行跟踪,并对泄露进行测试。在建模和监控双管齐下的同时,整个过程中还要对可能产生的风险进行评估,并针对泄露制订相应的应对计划。监管方在授予存储地许可证之前,应对所有的准备工作及数据进行仔细的审核,并征询当地团体的意见,从而使数据更具透明性。

即便是采取了一切防范措施,二氧化碳还是会有泄露的风险,其后果可能会很严重。尽管二氧化碳在正常情况下没有毒性。但是,空气中存在高浓度的二氧化碳对人类和植物而 言是致命的。这种严重的后果只有在大量二氧化碳快速释放的情况下才会发生。而这种情况不太可能会发生。然而,更有可能会发生的情况是,气体从储集层缓慢地 泄露,而这种泄露的危害同样很大。二氧化碳泄漏到靠近地表的浅水层后与水发生反应形成弱酸,从而使地下水变得不适合饮用或者不能用于农业或工业。这种酸甚 至会使岩石或土壤中的有毒金属析出,使周围的健康和环境状况进一步恶化。即便二氧化碳泄露到大气中是无害的,它仍然造成了温室气体的排放。

这让人们不禁开始思考以下这个问题:碳储存是否可行?从技术的角度而言,它是可行的。从经济角度讲,同样是可行的;碳储存的成本随储存地的不同而不同。但是通常仅占项目总成本的5%。但是,为什么一些研究估 计中国能够封存高达23000亿吨的二氧化碳呢?以该国目前的速度计算,这相当于100年的排放量。不要因为这些估算而变得盲目乐观。它们只是理论数据。 未知因素还很多,真正的储存能力还很难预测。我们所知的中国的地质数据还很有限。对于最有可能储存二氧化碳的盐碱含水层,我们还知之甚少。

而这些数据是石油公司的专有知识。他们不愿将其与他人无偿分享。同样,如果适合储存二氧化碳的地点同时蕴藏着其它重要资源时,那么它们将有可能引发利益冲 突。此外,中国的储集层的条件相当复杂,存在大量的断层。这些断层有可能对安全防漏造成威胁。即便是在一些适合二氧化碳储存的油藏储层,由于首先需要搞清 老探井的数量,并对这些探井进行封闭以防止二氧化碳的泄露,因此,也存在许多有待解决的问题。

总之,光从地质角度考虑进行选址,并不意味 着该地真正适合进行二氧化碳储存。仅仅因为中国西部的新疆省具有良好的储集层,便将二氧化碳从东部的上海运到西部,这种做法是非常不经济的。同样,将二氧 化碳直接打入北京或者其它污染严重地区的地下也是没有意义的。这一过程中存在的大量不确定因素让我们无法承受气体泄漏以及最起码会使水源受到污染的风险。

当然,中国实际上还是有地方储存几十亿吨的二氧化碳。这足以让其发挥举足轻重的作用。我们应该着眼于此,然后回过头来着重讨论成本、政策等一系列问题。


洛根·韦斯特,北京清华BP清洁能源研究与教育中心研究员。

首页图片来自Statoil,图为位于北海的斯莱普纳CCS设施。由Øyvind Hagen摄。

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匿名 | Anonymous

WB 奇泽姆

这篇文章提出了许多好观点,然而由于商业机密、信息无法共享的关系,碳封存技术的快速发展受到了阻碍。另外,我们需要更多的研究和补贴,并要求各方拒绝接受碳抵消的额外测试,这些环节的缺失也是阻碍碳封存技术发展的原因。非政府组织和特殊利益方的恐慌同样延缓了该技术的大规模应用。因此,碳捕获与封存将成为缔约国会议的核心问题。双方都必须作出让步。

在石油和天然气领域上的碳捕获与封存已经被证实是可行的。但是能源公司务必要在透明化及公开技术做好万全准备,而也必然会在油气消耗殆尽的前提下才考虑实施。只有在这样,碳抵消才可能脱离补贴。

运用CCS的电力公司必须承担煤炭行业的碳捕获与封存的运输费。只有采纳“谁污染谁受罚”的原则,碳捕获与封存方能在这个行业进步。

同样地在石油与天然气行业,公开基准排放量的报告是非常必要的。而目前没有几个国家要求公开石油和天然气运作中的详细而准确的数据。

WB Chisholm

Many good points made in this article, however the refusal of corporate interests to share the information has hindered the rapid deployment. The drive for more studies, subsidies, and the refusal of parties to accept the addtionality tests for generating offsets has hurt the progress. The scare mongering of the NGO's and special interests has also impeded wide scale usage therefore CCS and sequestration in general will continue to be a major issue at the COP. Concessions must be made by both sides.

CCS in oil and gas fields is well proven however energy companies must be prepared to be transparent and open with the technologies they use and must consider accreditation only after the last oil and gas has been recovered, it is at this stage carbon offsets may be generated without subsidy.

The power companies who use CCS must carry the costs of transportation for CCS in the coal sector and this sector could be driven forward to use CCS if the polluter must pay principal is utilised.

Likewise in the oil and gas sector open transparent reporting on baseline emissions is required, as currently few nations are requiring oil and gas operations to report accurately all leakage.

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匿名 | Anonymous

碳捕获与封存(CCS)是否实用有待观望

谁能担保二氧化碳会保持安全地储存?保险公司不会,不断更朝换代的国家政府也不会。
考虑到一些国家是如此的腐败, 如此的缺乏透明度,谁又能担保当碳捕获与封存系统安装之后会一定被启用?
如果不是绝对安全的话,封存二氧化碳及放射性物质就好像放置一个定时炸弹。但是, 考虑到他们的军事重要性,放射性物质的安全性有可能被优先考虑, 而二氧化碳则不然。
这篇文章强调能源耗损是CCS技术存在的一个缺陷,相信很多人会对此表示讶异。确实,文章作者戳穿了那些CCS宣扬者的谎言,提到说把二氧化碳从上海排送到新疆的费用将非常高昂。 换言之,CCS非解决中国问题之良策。
电用户应该以通过关税的方式负担这些系统的费用,而政府则不能资助这种消费。
目前CCS只是被推荐给发电站, 因为他们是主要人为温室气体排放的来源。谈到导致气候辩护的其他主要因素,比如禁止伐林造地等相关措施也非常必要 。

Practicalities make CCS a non-starter

Who would guarantee that the CO2 would remain stored until safe - insurance companies wouldn't and governments come and go.

Who would guarantee that the CCS system would be used even when installed given the level of corruption and lack of transparency in some countries?

The storage of CO2 and radioactive materials are like a time bomb unless absolutley safe. However, given their military significance, security concerning radioactive materials is likely to be given much greater priority than CO2.

The article asserts that energy inefficiency is not a flaw of CCS - this will surprise many. Indeed, the authors expose the mischief of those promoting CCS by saying that the cost of pumping the CO2 from Shanghai to Xinjiang would be too high. In other words, CCS is not a solution for China.

Electricity users should pay the financial cost of such systems through increased tariffs - government must not subsidise consumption.

CCS is only being proposed for power stations - which are a major cause of anthropogenic greenhouse gas emissions. Other measures, notably a prohibition on forest conversion are essential if other major causes of climate change are to be addressed.

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匿名 | Anonymous

这篇文章跟科学有差距(1)

这篇文章的题目有误导性,因为它与科学基本无关,只是作者自己未被证实的观点而已。虽然作者指出一些有争议的研究议题需要对CCS开展进一步的研究,但是他并没有对这个概念进行完整描述。我会建议作者对CCS做更深入的研究,特别是在批判之前查阅一些科学文献。碳捕获与封存的争议远比在这篇文章所描述的要复杂。以下都是比较好的文献,例如:
-政府间气候变化委员会关于CCS的特别报告:
http://www1.ipcc.ch/ipccreports/special-reports.htm
-2009年9月25日《科学》杂志第325期,R.Stuart Haszeldine发表了一篇很好的评论论文。

The article is not related to SCIENCE (1)

The title is misleading since it is little about “SCIENCE” but only author's own un-approved opinions. Although author pointed out some issues and research topics that require further R&D of CCS, he did not give the whole picture of CCS. I would suggest author to study more on CCS especially from the scientific publications before criticizing. The issues are much complicated than what are presented in the article. Following literature shall be good, for example,
- IPCC CCS Special Report:
http://www1.ipcc.ch/ipccreports/special-reports.htm
- A good review paper published in SCIENCE VOL 325 25 SEPTEMBER 2009 by R. Stuart Haszeldine

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匿名 | Anonymous

在文章的错误(1)

我想指出在文章和编者按的一些错误:
(1)”由于中国大约有70%能源需求依赖于燃煤。因此对于中国而言,CCS技术的发展则尤为重要。一项该技术的商业化推广项目就已经在中国北部城市天津得到开展。然而,一些研究人员,如斯坦福大学的何钢认为,这项技术的全面推广还需要做大量的工作。“
评论:
我相信你指的是在天津的华能煤气化联合循环发电项目。请注意这个是煤气化联合循环发电项目,并不是碳捕获与封存计划。目前中国并没有商业化推广碳捕获封存项目,只有一些由亚洲发展银行支持的可行性研究。请查阅:
http://www.ccchina.gov.cn/cn/NewsInfo.asp?NewsId=20612
还有,天津离北京只有大约只有100公里,并不是在中国的东北部。

Mistakes in the article (1)

I would like to point out some errors in the article (and editorial):
1) “CCS is considered to be particularly important development for China, where around 70% of energy needs are still met by coal. A commercial-scale project is already under way in the city of Tianjin, in north-east China, but researchers, such as Stanford University’s He Gang, argue more is needed to promote widespread adoption.”
Comments:
I believe you mean the Huaneng IGCC project in Tianjin. Please note this is an IGCC project not a CCS project. There is no commercial scale CCS project in China at the moment. Only feasibility study is on-going include the ADB supported project, see
http://www.ccchina.gov.cn/cn/NewsInfo.asp?NewsId=20612
Besides, Tianjin is only ca 100 km away from Beijing. It is not in north-east China.

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匿名 | Anonymous

文章的错误(2)

(2)”地下数千米深的存储区域的高温高压环境使二氧化碳处于高密度的超临界状态,成为“流体”,从而限制了其上升。“
评论:是高压没错,但并不一定非要”高温“。
(3)”尽管如此,这一技术还存在许多未知因素。从地质层面看,没有两处地点的地质条件是完全相同的。因此,与碳捕获技术不同的是,二氧化碳储存技术不存在“放之四海而皆准”的规划方案。“
评论:这个声明完全是不科学的。我不认为二氧化碳储存技术要寻找一个“放之四海而皆准”的规划方案。事实上,就像其他技术一样,二氧化碳的处理也需要“因地制宜”。运用“没有两处地点的地质条件是完全相同”的逻辑来分析,太阳辐射和风速也时刻变化,因此就不可能找到“放之四海而皆准”的方案,那么我们是否就应该停止太阳能和风能的开发呢?
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Mistakes in the article (2)

2) “The hot, high-pressure conditions of the kilometre-deep storage zones force carbon dioxide into a supercritical state with a liquid-like density, leading it to “flow”, which restricts its buoyancy.”

Comments:
It is in high-pressure condition but not necessary to be “hot”.

3) “Still, there are a great number of unknowns. In geology, no two locations will ever be exactly the same. Thus, unlike capture technology, there is no “one size fits all” blueprint for carbon dioxide storage.”

Comments: The statement is really non-scientifically based! I wonder if the CO2 storage is trying to find such “one size fits all” solution. Indeed, they have to be solved by case by case which are similar to the implementation of other technologies. There is no such solution even for others. Using the same logic, for example, “there are no two locations will ever be exactly the same” such as solar radiation, wind speed, thus we are not possible to find “one size fits all” … If we shall stop the development of solar and wind energy…?
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匿名 | Anonymous

煤气化联合循环发电等同于碳捕获与封存吗?

我同意以上的评论。 煤气化联合循环发电并不等同于碳捕获与封存。 绿色煤电项目采用的是二次燃烧技术来实现捕获的。

IGCC = CCS ?

I agree the comments above. IGCC is not equal to CCS. GreenGen project uses post-combustion technology to demonstrate capture.

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匿名 | Anonymous

数据来源对CCS实施的限制

我同意文章的观点。石油公司掌握着矿石数据。在中国,矿石的形成很复杂。地理勘探者在中国也握有矿石数据。总的来说,外国公司在中国很难实施CCS。

Data source

I agree with you oil companies hold the data. The formation is quite complex in China in general. Geological survey in China also has data. Anyway, it will be difficult for foreign companies to operate CO2 storage in China.