碳地質封存技術介紹(4):洩漏風險

 
2017/09/22 邱一庭 | 國立成功大學資源工程學系     254
 

目前全球最重要的環境議題是全球暖化,造成全球暖化的原因是嚴重的溫室效應,而且已有證據顯示是與溫室氣體有關,於是科學家矛頭都指向大氣中的二氧化碳濃度,因此就有學者提出「二氧化碳捕獲與封存」(Carbon Dioxide Capture and Storage,簡稱CCS);二氧化碳捕獲指的是對人為排放的二氧化碳回收,大致上可分為:燃燒前捕獲、燃燒後捕獲、工業製程技術燃燒、富氧燃燒等;二氧化碳封存,是指將二氧化碳放在特定的人工容器或者自然界中,利用物理化學反應的機制達到封存的目的。其中,封存在地層中的地質封存,是目前最可行的方法之一,但封存機制不能完全固定二氧化碳,需要長時間的地球化學反應,因此可能會有洩漏風險,故需隨時做安全監測及風險評估。

 

      目前,二氧化碳封存的方法主要分成三種:地表礦化封存、海洋封存及地質封存。地表礦化封存,是指將二氧化碳與金屬氧化物進行化學反應,以形成固態的碳酸鹽及其他的副產品,目前以含鎂和鈣的矽酸鹽礦物為較有價值的反應物。海洋封存,利用海洋巨大的水體配合二氧化碳溶解度進行封存,但在海洋中增加二氧化碳濃度,可能會造成全球性海洋生態不利影響,像是降低生物鈣化、繁殖及成長等。地質封存,則是指將二氧化碳灌入地層之中,利用低滲透率的岩層當作蓋岩層,以防止二氧化碳洩漏至地表,搭配地層中其他機制進行封存,如溶解封存、殘餘氣封存及礦化封存。在考量成本及技術方面,地質封存是最可行的,國際上也已經有不少成功利用地質封存的例子,例如:位於澳洲Otway的 《二氧化碳CRC計畫》為澳洲第一個二氧化碳地下封存示範計畫。

 

洩漏風險評估

 

      雖然地質封存在國外已經有不少成功例子,但地質封存具有可能洩漏的風險,其中構造封存機制就是其中一個;當二氧化碳注入到地層中,會有兩種洩漏途徑,分別是人為和自然。人為途徑,如:(a)注入井本身的結構瑕疵(b)井體外圍封填材質的劣化(c)封存區內還有其他正在使用的井體(d)周邊有已棄井但未封填的舊井。自然途徑,如:(a)蓋岩層的封阻漏洞或功能性瑕疵(b)二氧化碳儲集層存在斷層或破碎帶,這些都是二氧化碳有可能會洩漏的途徑。儘管灌注場址在選擇前,會先調查地層的地質狀況,若儲集層不夠深(深度需大於800 m),或有斷層存在,這些場址就不會列入考量,但由於底層可能會受到大自然的影響,例如地震、火山爆發等影響,導致地層出現位移產生新的斷層或裂縫,因此不僅僅是要在封存進行前,調查好儲集層周遭的地質環境,在開始注入後仍需持續關注!由於地層中可能會有通道使二氧化碳洩漏至地表,故需要完善的洩漏監測,才能掌握地層二氧化碳流動情形。

 

監測措施

 

      以工程角度來說,為了避免灌注的二氧化碳外洩,跑到地層中汙染地下水,所以在井體周圍會以水泥進行隔絕。監測二氧化碳是否外洩的方式,有以下幾種:(1)大氣監測用來監測空氣中的二氧化碳濃度(2)土壤監測用來監測土壤二氧化碳的濃度(3)地下水監測用來監測地下水的二氧化碳的濃度(4)地震監測用來監測地層是否擾動,除了以上幾種外,還有許多種監測方式,而這些監測的目的,就是要杜絕二氧化碳洩漏至地表造成危險。

 

說到這裡會發現,二氧化碳地質封存不是這麼容易成功的,安全性是大家都重視的事,國際上已有不少國家訂出相關法規,來規範二氧化碳地質封存,台灣目前對二氧化碳地質封存的法案還沒有定案,不過科技部已執行不少有關二氧化碳地質封存計畫,同時也督促法案的成立。

 

雖然無法完全預測自然災害何時來臨,但至少能做好完善的監測系統,來預防二氧化碳的洩漏。由於灌注到底層的二氧化碳,經過高溫高壓環境影響,會成為超臨界狀態的二氧化碳,而超臨界狀態的二氧化碳其中一個特性就是密度大,假設不幸發生二氧化碳洩漏,通常會聚集在封閉空間或者低窪地區,故需要在地表設置良好的通風警訊或警報系統,才能夠快速得知並採取行動。

 

總結

 

      在執行二氧化碳封存前,場址會先經過嚴格的審核,考慮地層中是否有合適的環境放置二氧化碳,在建造封存場址時,經過嚴格的調查,讓可能洩漏的通道一一排除,搭配多重性封阻機制,經過實驗證實,二氧化碳在地層中流動相當緩慢,故只需要透過運轉期間的監測技術,來確保其安全性。台灣政府和民間團體雖然想執行地質封存,但許多人擔心台灣位於太平洋地震帶,會發生地震誘發二氧化碳洩漏的可能,其實灌注二氧化碳的環境與現有的油氣田很相似,台灣已經存在好幾個油氣田並未因地震發生而損害,因此儘管天然災害有時難避免,但只要做好災害預測分析並善用工程技術做好監測,就可降低很多災害風險!

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播:二氧化碳與能源發展科普推廣計畫」執行團隊撰稿)

審校:沈建豪

 
 
 
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