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二氧化碳減量排放:二氧化碳地質封存

二氧化碳的捕獲封存與再利用技術,是目前國際公認可行且有效的減碳手段。未來絕大部分捕獲的二氧化碳將以地質封存方式處理,以期與大氣環境隔離,並在全球溫室氣體減量上扮演重要的角色。
 
 
 
二氧化碳與氣候變遷

自18世紀中葉工業革命以機器大量取代人力後,人類對能源的需求就不斷增加,尤其是對燃燒化石燃料以取得動力及電力的依賴越深,排放出屬於溫室氣體的二氧化碳到大氣中也越多。聯合國跨政府氣候變遷委員會2007年的資料顯示,大氣中二氧化碳的濃度已從工業革命前的280 ppm(part per million,百萬分之一),急遽上升至358 ppm,累積的溫室效應導致全球地表平均溫度上升攝氏0.6度,海水面平均也上升了14公分,極地冰帽融化以及冰川範圍大幅退縮。這些暖化現象若不予以控制、減緩,會形成全球氣候變遷的重大危機。

聯合國在1992年5月就通過氣候變化綱要公約,1997年12月再於日本簽署了「京都議定書」,規範38‭ ‬個會員國及歐盟溫室氣體的排放。行政院在2008年6月也通過永續能源政策綱領,揭示政府將加強推動節約能源、提升能源效率、增加使用再生能源、強化低碳能源用於發電的占比等措施。該綱領也把二氧化碳捕獲與封存(carbon capture and storage‭, ‬CCS)技術列為減少碳排放的重要手段,並訂定了二氧化碳排放減量的目標:2016~2020年間以及2025年分別回到2005年與2000年的排放量。

大氣中的溫室氣體包括水蒸氣、臭氧、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等,但由於前二者的時空分布變化頗大且不易掌控,因此京都議定書只把後六種溫室氣體列入管制。其中燃燒化石燃料所排放的二氧化碳占了80% 以上,因此全球溫室氣體減量的首要目標便以二氧化碳為主。

降低大氣中的二氧化碳含量,最直接有效的方法是減少二氧化碳的產生,以及抑制其排放到大氣層中。節約能源、提升能源效率、增加低碳與再生能源利用等,都可直接減少二氧化碳的排放,但是前二者的功效很有限,而後者也有增加能源成本及要看天吃飯的顧慮,非一蹴可幾。因此,就現行燃燒化石燃料如發電或工業生產產生的煙道氣而言,在尚未排放到大氣中之前,先把其中的二氧化碳捕獲分離,然後經過壓縮運送到適合的地點封存或再利用,這樣的技術是目前國際公認可行且有效的減碳手段。

二氧化碳封存方式

捕獲的二氧化碳可直接供溫室栽培或養藻用,也可加工為化學品或能源產品,但加總起來的量依然有限。未來絕大部分捕獲的二氧化碳還是需要以礦化封存、海洋封存、地質封存等3種方式封存起來,以期能長期與大氣環境隔離開來。

礦化封存指二氧化碳和矽酸鹽類礦物反應,形成碳酸鹽類礦物如碳酸鈣、碳酸鎂等,是最穩定的封存方式,但自然反應速率緩慢,很難彰顯減碳效益。

海洋封存有藉由海洋微生物吸收及直接灌注於深海貯存的兩種方法。但考量微生物大量滋長可能影響海洋生物聚落及生態環境,加上深海灌注也可能因不可預期的洋流擾動而導致垂向洩露,至今仍未能被國際公約所接受。

地質封存則是利用岩石圈的密閉空間或岩層的孔隙儲存二氧化碳,是目前最接近實用與產業化的封存技術,也是各國推行綠色新政的重要技術指標。

地質封存的種類

地質封存可分成枯竭油氣層封存、地下難開採煤層封存、地下深部鹽水層封存3類,基本上都是利用岩石圈的地下密閉空間或岩層中的孔隙儲存二氧化碳。注入的深度通常要800公尺以上,這種深度的地層壓力接近常溫下二氧化碳的臨界壓力,注入的二氧化碳處於兼具氣態與液態特質的超臨界狀態,密度因而增加,封存量也得以大幅提升。

石油產業從1970年代起便採用油氣強化增產技術,原本是使用水或海水注入,後改用二氧化碳注入耗竭且壓力下降的油氣田中,以降低流體的黏滯性及其流動的摩擦力,使油氣田的壽命與產量增加。過程中會有部分二氧化碳滯留在岩層的孔隙中,而最後枯竭的油氣田構造也可用來封存二氧化碳。

地下難開採煤層封存類似油氣強化增產技術,因煤層對二氧化碳有良好的吸附能力,因此把二氧化碳注入地底難開採煤層封存,可把其縫隙中的甲烷置換出來,但其應用仍需視地質條件與成本效益而定。

根據聯合國跨政府氣候變遷委員會2005年的全球地質封存潛能評估資料,舊油氣田的潛在封存容量約為6,750~9,000億公噸,難開採煤層約為150~2,000億公噸,深部鹽水層則約為10,000~100,000億公噸,顯示深部鹽水層有龐大的封存潛能,且較不受地質構造限制,未來做為二氧化碳注儲空間的可能性較大。

目前,國際上有好幾個商業運轉的地質封存實例,如挪威外海的Sleipner與Snohvit天然氣田、阿爾及利亞的In Salah氣田,以及加拿大Weyburn的二氧化碳石油增產計畫。前三處都是把生產天然氣時所伴生的二氧化碳捕獲分離後,重新注入深部鹽水層中儲存。

地質封存機制

當二氧化碳注入地下岩層後,結構與地層封存、殘餘封存、溶解封存、礦化封存等機制便開始作用。前一項是防止二氧化碳逃逸至地表的最重要機制,後三項則隨著時間增加強化地質封存的效率及安全性。

超臨界二氧化碳注入地下儲集岩層的孔隙中時,原本孔隙中的鹽水受到壓縮而向外移動,擠壓出來的空間便可容納二氧化碳,這就是結構與地層封存機制。由於超臨界二氧化碳的密度小於水,因此當遠離注入點後壓力逐漸下降,二氧化碳便會往上移動,直到遇到上方緻密不透水的蓋岩層才停止。蓋岩層扮演制止二氧化碳向上移棲的功能,使其能夠滯留在蓋岩層的下方。通常緻密不透水的岩層如頁岩、泥岩或黏土層都可做為蓋岩層,而具有高孔隙、透水性佳的如砂岩層,則適合做為二氧化碳的儲集層。

當二氧化碳以超臨界或以氣泡形式在封存地層的孔隙中移動時,遇到窄小的通道,即使二氧化碳較周遭的鹽水輕,也會因與岩層顆粒間的摩擦力以及表面張力的影響,使部分二氧化碳滯留在窄小的孔隙中,稱為殘餘封存機制。根據封存層的組成與結構特性,這機制可鎖住不同比率二氧化碳的移動。

注入的超臨界二氧化碳在岩層孔隙中移棲,也會逐漸溶解在孔隙水中,溶有二氧化碳的孔隙水密度變得比原來大,在重力牽引下會往封存層的底部沉降。前面提到,二氧化碳注入地層後一開始會因密度小且壓力下降而上浮,但已溶有二氧化碳的孔隙水則會往下沉,這樣的反應使二氧化碳的溶解作用持續進行。

最後,溶有二氧化碳的孔隙水會與封存層的礦物交互作用,形成碳酸鹽類礦物,達到礦化封存的目的。特別是與鹽水混合的二氧化碳產生的交互作用更大,如碳酸根離子易與陽離子結合成碳酸鈣或碳酸鎂的礦物。

地質封存的4種機制占比會依據不同的場址特性而改變,例如在具有覆碗狀結構的蓋層 ─ 封存層中,即使經過很長時間的存放,注入的二氧化碳大部分仍會以原有的高密度形態存在。而在如挪威Sleipner計畫近水平結構封存層中,電腦模擬計算顯示,大多數注入的二氧化碳可望溶解,並與圍岩產生化學反應形成碳酸鹽類礦物。

場址選擇與洩漏監測

人類藉由鑽井把地下的石油與天然氣開採出來當作燃料,燃燒產生的二氧化碳則經捕獲壓縮再送回地下貯存,但實務上這並不是絕對安全無虞的。選擇具有良好封存條件的場址,加上正確的工程技術與監測系統,發生二氧化碳洩漏的風險就非常低。

適合做為二氧化碳地質封存的岩層結構必須具備很多條件,包括封存層有足夠適當的孔隙率、透水性及厚度;上方應覆蓋結構完整緻密的不透水岩層做為蓋岩層或稱蓋層;良好的封存構造延伸或足夠的移棲縱深以增加封存量;封存層的深度距離地表至少超過800公尺,讓注入的二氧化碳壓力易達到超臨界狀態,增加灌注效率。

注入岩層中的氣體可能洩漏的管道,包括人為途徑與自然途徑兩種。人為途徑可以是透過注入井體的結構瑕疵或井體外圍封填材質的劣化而產生,還有封存場區內仍在使用的其他井體或已廢棄但未適當封填的舊井,都可能成為二氧化碳洩漏的途徑。自然洩漏途徑則包括蓋岩層的封阻漏洞或功能性瑕疵,致使二氧化碳能穿過蓋岩層而往地表逃逸,或沿著已存在的斷層、破碎帶往上竄升。

如果二氧化碳真的洩漏到地表,通常在開放空間或平坦地區會很快就消散在空氣中。但由於二氧化碳比空氣重,若遇到密閉空間或低窪地區則容易聚集,設置良好的通風或警戒系統可以有效防範或降低危害。

我國的二氧化碳封存潛能

國內自2009年開始進行區域性的二氧化碳地質封存潛能評估,初步顯示西部濱海一帶有良好的蓋層 ─ 儲集層的沉積岩層組合,厚度達5,000公尺以上,估計西北部至中部沿海一帶有超過百億公噸的封存潛能。另有研究把評估範圍更往西往南延伸,估算封存潛能可達到459億公噸。此外,陸域的14處油氣構造若改為二氧化碳地質封存之用,估計約有28億公噸的儲存量,若把其上方的鹽水層也納入估算,則封存潛能更大。

為了穩定大氣中溫室氣體的濃度,實現聯合國跨政府氣候變遷委員會的建議,2050年之前使全球暖化控制在攝氏2度以內,二氧化碳捕獲封存與再利用技術可望在全球溫室氣體減量上扮演重要的角色。
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