首頁 > 氣體水合物的發展近況
:::

氣體水合物的發展近況

以水合物形態進行天然氣儲存的方式, 目前國際上已完成初步的可行性評估並進行實證試驗。
 
 
天然氣水合物海上儲運作業系統鏈示意圖(圖片來源:臺灣能源期刊第一卷第一期p.60, 2013)
▲天然氣水合物海上儲運作業系統鏈示意圖(圖片來源:臺灣能源期刊第一卷第一期p.60, 2013)
 
落實「2025非核家園」政策,政府已規劃2025年再生能源發電量占比達20%,並搭配50%天然氣與30%煤的使用,有別於目前石油占國內能源使用的大宗。這意味著不久的將來,天然氣將成為國內使用的重點能源,因此天然氣的儲存成為重要課題。
 
另外,儘管再生能源的大幅提升使每度電的二氧化碳排放預計下降26%,但由於80%的能源仍然來自化石燃料,預估2025年每度電排放量仍高達0.394公斤。
 
因此,本文將談談天然氣的儲存與運輸和二氧化碳的封存,以及氣體水合物在這兩個問題上可能的應用。
 
天然氣水合物
 
天然氣水合物是氣體水合物的一種,埋藏於深海或極地永凍層中,是由天然氣在低溫高壓環境下受擠壓與水形成的固體結晶,外觀與冰相似。天然氣水合物具有相當大的儲氣能力,在標準溫度壓力下,1立方公尺的天然氣水合物可儲存本身體積150~180倍的天然氣。此外,天然氣水合物所釋放的天然氣燃燒後,比起傳統化石燃料只產生少量的二氧化碳,也不產生如二氧化硫的有害氣體,因此受到矚目。
 
全球地層所蘊藏天然氣水合物中的碳埋藏量,約為全世界石油、天然氣、煤等傳統化石燃料埋藏量的兩倍以上,具有開發的潛力。因此,各主要國家都已投入天然氣水合物的開發研究,期望早日量產以取代傳統化石燃料。
 
以開採試驗為例,美國、大陸、日本、加拿大等都已成功自極地凍土層或海洋地層中開採出天然氣水合物的現地樣本。此外,以水合物方式進行氣體儲存的技術也普遍受到討論。 
 
隨著全球暖化、溫室效應日益嚴重,為了減少二氧化碳排放,科學家提出許多可能的減量方案,碳捕獲與封存技術是其中之一。但如何克服成本、降低對環境影響是目前最大的挑戰。天然氣水合物賦存礦區的環境條件,也能夠形成安定的二氧化碳水合物。因此,把捕獲的二氧化碳以水合物的形式封存於海床下,可能是未來二氧化碳長期封存的選項之一。
 
天然氣儲存與運輸
 
傳統上,天然氣自地層開採後以氣體存在,經純化處理後,利用超低溫冷凍程序,在大氣壓力下把溫度降至攝氏零下162度,轉換成液態天然氣儲存,可大幅減少體積。液化後的天然氣由海上的液化天然氣船運輸到國內港口,再儲存於港口儲存槽,並經降壓氣化後以管路或車輛輸送至需求端。這樣的程序不僅耗能,成本也高。
 
相較於天然氣的液化輸送程序,利用天然氣水合物自我保存性,能夠把天然氣與水混合製成水合物後進行低耗能的長程輸送。因為天然氣水合物融解是吸熱反應,使晶體外圍融化出來的液態水有可能因外圍瞬間溫度降低而再度形成冰膜,反向阻止水合物分解。因此,在零度左右低溫下就可長久保存天然氣。與傳統液化天然氣相比,節能效果隨輸送距離有所不同,超過1,000公里以上,省能可達9.1~27.6%。
 
目前,日本三井造船所已持續進行實證研究,每天以5噸粒狀天然氣水合物進行長程輸送。此外,應用水合物形態的陸上天然氣水合物儲存輸送供應鏈,也於日本山口縣與廣島縣間以每日5噸的產能進行實證試驗。
 
礦化封存示意圖(圖片來源:李元亨)
▲礦化封存示意圖(圖片來源:李元亨)
 
二氧化碳封存技術
 
大氣中的二氧化碳由於人為活動而濃度上升,導致全球環境問題。為了減少排放,科學家提出了許多減碳技術,其中以碳捕捉與儲存技術成本較低且技術成熟。做法是收集工廠、燃煤發電廠產生的二氧化碳,運用不同方式與場址封存二氧化碳。封存技術包括地質封存、礦化封存及海洋封存。
 
最廣泛使用的地質封存是在高溫高壓下,以超臨界流體的形態注入地下。超臨界二氧化碳流體保存於氣液共存條件下,兼具氣體與液體的特性,可以輕易地在固體縫隙中擴散、移動,所占空間也比氣體小很多。在地質儲存的過程中,超臨界二氧化碳流體於高壓下注入深度超過800公尺的地層結構中,可穩定儲存於過去地層自然封存如石油、天然氣等資源的結構中,相當安全。
 
礦化封存是把二氧化碳與金屬氧化物如氧化鎂或氧化鈣反應,形成固態碳酸鹽類如碳酸鎂或氧化鈣等儲存於地表。海洋封存是把二氧化碳注入至水下50~500公尺處以下深水層,因海洋斜溫層溫度變化差異,使表面與深水層分離,把二氧化碳長久隔絕。但海洋二氧化碳濃度增高問題也造成海洋封存方式受到質疑。因此,曾有研究針對淺層控制的海底進行二氧化碳釋放,以便複製近海床環境的小規模洩漏情況。結果顯示,短期小規模洩漏的水質改變是可以檢測到的,但可以在幾天到幾周內恢復,對區域環境影響不大。
 
地質封存示意圖(圖片來源:李元亨)
▲地質封存示意圖(圖片來源:李元亨)
 
近年來,也有把二氧化碳注入油氣層的方法,除了封存二氧化碳外,二氧化碳溶於原油時體積膨脹、黏度下降,流動性變好,也有效提升原油開採效率及延長油田壽命。目前,挪威外海已開始進行油田封存計畫,預估總量是2,000萬公噸二氧化碳。加拿大、美國及澳洲則選用鹽水層進行二氧化碳封存。
 
2005年起,聯合國政府間氣候變遷小組開始對帶水層內海洋封存積極討論,對二氧化碳海洋隔離的實用化抱持很大的期待。先前,日本從2000~2004年,已在新瀉縣長岡市進行了實際帶水層中壓入二氧化碳的實驗。另外,在北海道夕張市,從2002年開始,就有以二氧化碳煤層固定與強化煤層內天然氣回收置換為目的,實施了二氧化碳壓入預備實驗。就二氧化碳儲存成本來看,假設每年以液化天然氣設備儲存從燃煤發電廠收集的二氧化碳180萬噸,並以100公里的管道運輸時,不包括探勘成本,每噸二氧化碳約需新台幣2,200~4,500元,成本相當高。
 
海洋封存示意圖(圖片來源:IPCC Special Report on Carbon Dioxide and Storage)
▲海洋封存示意圖(圖片來源:IPCC Special Report on Carbon Dioxide and Storage)
 
水合物形態的儲存方法
 
為強化二氧化碳單位儲存量、降低二氧化碳洩漏風險等問題,可以利用水合物形態進行二氧化碳儲存。也就是在高壓低溫海床條件下,於海洋沉積地層內壓入二氧化碳,二氧化碳與地層中的孔隙水反應產生水合物,尤其是海底沉積沙質層滲透率高,孔隙水和二氧化碳之間的接觸面積大且間隙大,可有效產生大量水合物儲存。
 
此外,應用相同概念,通過高壓井注入回收自發電廠的二氧化碳與氮氣混合氣體於海洋水飽和地層,也可自然產生大量水合物現地儲存。由於在回收發電廠廢氣的二氧化碳中不需分離廢氣中的氮,可自然獲得氮濃度20~50%的混合氣體,降低分離處理與液化的成本。
 
為了進一步實現海洋地質封存,2014年,日本海洋開發機構開發等壓缸泵加熱器二氧化碳注入探頭,在新潟縣上越海床完成二氧化碳排放測試和表層天然氣水合物的分解行為觀察。2016年4月起,日本地球環境產業技術研究機構也在北海道苫小牧市進行為期3年的二氧化碳捕獲和儲存試驗,把回收自發電廠和工廠的二氧化碳注入地層。

在以水合物狀態進行二氧化碳儲存的系統中,假設輸送距離200 公里,儲層內的海底深度1,000公尺,地層深度是200 公尺,從燃煤發電廠排出的二氧化碳量持續注入20年,估計約可穩定處理8千萬噸二氧化碳。以2015年全國排放28.5千萬噸二氧化碳計算,單一場域每年能夠處理台灣1年1.4%的二氧化碳排放量。(圖片來源:M Inui and T Sato, 2007)
▲在以水合物狀態進行二氧化碳儲存的系統中,假設輸送距離200 公里,儲層內的海底深度1,000公尺,地層深度是200 公尺,從燃煤發電廠排出的二氧化碳量持續注入20年,估計約可穩定處理8千萬噸二氧化碳。以2015年全國排放28.5千萬噸二氧化碳計算,單一場域每年能夠處理台灣1年1.4%的二氧化碳排放量。(圖片來源:M Inui and T Sato, 2007)
 
深受期待
 
全球暖化造成極端氣候,使減碳的議題受到關注,碳捕捉與儲存技術也備受期待。我國訂下2025年非核家園目標,未來隨著大幅使用天然氣資源,儲存與運輸是重要的課題。以水合物形態進行天然氣儲存的方式,目前國際上已完成初步的可行性評估並進行實證試驗,對於天然氣輸送過程的節能有相當大的效益。
 
目前,台灣天然氣儲存量只有13天,到了夏季尖峰用電期間更是連7天的儲存量都不到。如果大幅增加天然氣比重自目前30%到未來50%,儲存的需求必然大幅增加,而儲存的費用與安全是重要的考量,水合物形態的天然氣儲存方法將成為選項之一。
 
另一方面,隨著全球暖化的議題持續發酵,大量化石燃料的使用,國內每年所排放大量的二氧化碳面臨減量處理的挑戰。水合物形態的天然氣儲存方法,除了為國內碳捕捉與儲存技術開創一個嶄新的方向外,也創造循環經濟的新商機。
 
推薦文章