CO₂海底地質封存技術基礎理論及現狀分析

李文平

摘 要：全球面臨氣候變暖的嚴峻挑戰，碳減排已成為國際上的共識和行動目標。CO2海底封存是實現CO2減排的重要途徑之一，且潛力巨大。我國對碳封存技術研究起步較晚，加之海底封存研究空白，有必要推進CO2海底封存技術研究，開發海洋存儲能力，加快推進碳減排，盡快實現碳中和。

關鍵詞：CO2;海底封存;地質封存;碳中和

中圖分類號：X511 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-0-03

Abstract： The world is facing the severe challenge of climate warming， and carbon emission reduction has become the international consensus and action goal. CO2 sequestration is one of the important ways to realize carbon dioxide emission reduction， and it has great potential. China’s research on carbon sequestration technology started late， and the research on seabed sequestration is blank. It is necessary to promote CO2 seabed sequestration technology research， develop marine storage capacity， accelerate carbon emission reduction and realize carbon neutralization as soon as possible.

Keywords： carbon dioxide;seabed storage;geological storage;carbon neutrality

政府間氣候變化專門委員會在2007年發布的報告（AR4）中明確了全球氣候系統變暖，溫室效應受到國際社會的高度關注。其中CO2對溫室效應貢獻最大，占產生溫室效應氣體總量的55%[1-4]。《2020年全球氣候狀況》指出，自有數據記錄以來，2020年是最暖的3個年份之一。控制和減緩CO2排放己經成為全球亟待解決的重點問題，且國際上為此做出了一系列努力。我國人口眾多，CO2排放量非常大，作為國際上負責任的大國，我國積極響應《巴黎協定》，主動做出減排承諾并做好一系列工作，以提高國際形象，減小氣候變化對我國乃至全球的危害。所以，深入研究有效對策來減緩CO2排放十分必要。

我國碳減排計劃已經先后列入《國民經濟與社會發展的第十一個五年規劃》和《國民經濟與社會發展的第十二個五年規劃》。工業和信息化部的公開數據指出，2015年單位國內生產總值CO2排放量比“十一五”末降低了18%以上。可見，控制和減緩CO2排放已經取得一定成效。

現階段，主要采用以下措施應對CO2減排問題：①控制溫室氣體排放;②提高能源利用效率;③生態系統吸附CO2;④CO2海洋處置;⑤CO2地質封存。早在20世紀70年代，國外就已經開始對碳捕集進行相關研究，隨之產生了CO2捕集和封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技術。CO2捕集、利用與封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技術在CCS技術基礎上增加了CO2利用一環，目前已經獲得了國際上的普遍認同。我國結合實際情況，自2006年起出臺CCUS技術相關政策。近年來，在生態環境部、科技部及發改委等部門的共同推動下，CCUS政策及技術逐步完善。目前，我國碳減排已呈現出良好的發展勢頭，筆者僅針對CO2海底地質封存進行研究。

1 CO2海底封存技術

CCUS是指將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現CO2永久減排的過程，如圖1所示[1]。CO2封存是指通過工程技術手段將捕集的CO2注入深部地質儲層，實現CO2與大氣長期隔絕[1]，即將CO2壓縮液注入地下巖石構造中。CO2封存主要分為兩大類，即陸地封存和海洋封存。

CO2封存地點通常是含流體或曾經含流體的多孔巖石構造。在沿岸和沿海的沉積盆地中多存在這種合適的封存構造。深部咸水層是含地下水的、可滲透的多孔介質，可存儲量豐富，且廣泛分布于世界各地。因此，相對于煤氣田和油田而言，深部咸水層具有更佳的封存潛力和前景。海底地質結構作為陸地地質結構的延伸，遠離蓄水層，表層有海水壓力和阻隔，又有巖石蓋層。因此，CO2可封存在海底地質結構中。

CO2海底地質封存技術是將CO2封存到海底以下的地層儲存體中。大體過程是將集中捕集的CO2加溫加壓到超臨界狀態，將形成的高密度流體注入海底深層有不透水層阻隔的地質結構中，并使CO2無法進行橫向遷移和側向遷移。CO2海底地質封存的地質體主要是廢棄的油氣田和深部咸水層。CO2的臨界點溫度為31.4 ℃，壓強為7.38 MPa。當溫度和壓強均高于上述數值時，CO2將以超臨界狀態存在，形成一種高密度流體，兼具氣體和液體的雙重性質。這種高密度流體的黏度比液體時小兩個數量級，超易流動，密度遠大于自身氣態的密度，有利于地質封存。

2 CO2海底地質封存的可行性及發展前景

在國際上，中國具有CO2海底封存權。2006—2007年，正式通過的《1972倫敦公約〈1996議定書〉》表明第一個關于CO2海底地質封存的國際法規體系完成。附件I的修正案明確了中國“獲得CO2海底封存權”。

在咸水層進行CO2封存是切實可行的，同時具有廣闊的發展前景。美國、加拿大、挪威等國家開展了較多的CO2海底封存研究與實踐，證明CO2海底封存具有經濟和技術上的可行性。MARCHETTI C首次提出了CO2海底封存的設想[5]。在Perspective欄目中，ORR F M對近海岸地質封存方法進行了詳細介紹[6]，SCHRAG D P對離岸沉積的封存方法進行了詳細描述[7]。通過對北海CCS的分析，HASZELDINE R S認為海底地質封存相比陸地地質封存有可能更加可靠，且更加容易監控[8]。SCHRAG D P認為，未來CO2地質封存的首要選擇可能是海底封存[7]。一方面，海底地質封存的壓力管理過程比陸地地質封存容易。陸地封存技術是在不提取咸水的情況下直接注入大量CO2，極易導致原有地下壓力失衡，不僅會造成后續注入速率減慢，降低總的封存容量，而且會大大增加CO2泄漏的危險性。而海底地層中的孔隙流體與海水的化學組成接近，通過抽取地層水就可以釋放壓力，避免了陸地地質封存壓力失衡導致的一系列問題。排水井也可用于CO2的運移和監控。另一方面，海底地質封存相比陸地地質封存對蓋層封閉性要求更低。海底地質封存有一個天然的海水蓋層，若CO2泄漏，可以避免其直接排放到大氣中。同時，海水壓力能夠使封存的CO2在地下具有更高的穩定性。

我國有關學者開展了一系列研究CO2海底封存的工作，首次提出了“陸上實驗、海底封存”[9]。2006年，巢清塵等系統介紹了CCS概念、流程、對我國能源和經濟的影響等問題[10]。張振冬等總結了國內外主要開展的CO2封存項目，剖析了CO2海底封存技術的優缺點，研究了我國CO2海底封存研究進展[9]。李洛丹系統概括了CO2海洋封存技術的進展，介紹了2種封存方式的研究現狀和技術水平，探討了可能給海洋生態環境造成的影響[11]。秦長文等[12]分析了國內外各種CCS示范工程，提出了我國南方近海海域具有CO2封存的廣闊前景。王小林[13]介紹了CO2海底封存存在的風險及可能會對環境造成的影響，并從國際法的層面討論了CO2海底封存與國際海洋環境保護問題。我國國家海洋局始終密切跟蹤國際前沿海底CO2封存技術和管理方法，于2008年開展了“中國CO2海底封存能力評估與風險控制技術預研究”工作，為CO2海底地質封存提供了戰略決策和管理技術。

近幾年的研究結果表明，CO2海底封存具有一定的技術可靠性和經濟可行性。在CO2海底地質封存方面，我國尚處在可行性研究階段。中國已投運或建設中的CCUS示范項目約為40個，捕集能力300萬t/a，缺乏大規模的多種技術組合的全流程工業化示范項目[1]。碳中和目標下，中國CCUS減排需求為2030年0.20億～4.08億t，2050年6.0億～14.5億t，2060年10.0億～18.2億t[1]。

3 結語

綜上所述，隨著國際碳減排任務的推進，作為國際上負責任的大國，我國主動做出減排承諾。在國家“雙碳”的目標下，CCUS技術是碳中和不可或缺的一環，而CO2海底地質封存在其中占有重要地位。在我國CCS和CCUS技術起步較晚的情況下，需要跟蹤和研究國外先進CO2海底地質封存關鍵技術，加強國際合作與交流，為我國開展CO2地質儲存工程提供技術依據。

參考文獻：

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