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二氧化碳捕獲與封存 ( Carbon Capture And Storage, 簡稱CCS ) 技術介紹

|   地質封存   |

人類目前使用的石化燃料(如石油、煤、天然氣等),在使用前已存在地層中數百萬年以上。科學家相信人類可模仿自然界儲存化石燃料的機制,把二氧化碳封存在地層中。

地質封存的機制可分為結構、水力、溶解及礦化等四種,結構封存機制主要利用具組絕特性的特殊地質構造及其下方的地層空隙來儲存二氧化碳。水力封存機制則是利用地層緩慢的水利傳導特性,延緩二氧化碳在岩層及地下水中的遷移速度。溶解封存機制是利用二氧化碳會溶解於地層水的特性,提升二氧化碳的封存量及封存穩定性。而礦化封存機制則是利用二氧化碳與地層環境中礦物的化學反應形成固態的次生礦物,同樣可以提升二氧化碳的封存涼及封存穩定性。

二氧化碳可經由輸送管線或車船運輸至適當地點後,注入特定地質條件及特定深度的地層中,進行所謂的二氧化碳地質封存。目前提出較適合進行二氧化碳地質封存的地質環境包含枯竭油氣田、難開採煤礦以及深地下鹽水層。由於地底的孔隙空間有限,進行註儲前,需要先壓縮二氧化碳使其具有較高的密度,才能使用有限的地層孔隙空間封存更多的二氧化碳,在考量壓力及地溫梯度效應之下,二氧化碳地質封存的深度須達800公尺以上,即可以確保被封存的二氧化碳具有高密度(超臨界)特性。根據全球二氧化碳地質封存潛能評估結果舊油氣田的潛在封存容量約為6,570 ~ 9,000億噸,難開採煤層約為150 ~ 2,000億噸,深地下鹽水層則約為10,000 ~ 1,000,000億噸。

基本上,2002年全球由燃料燃燒所排放的二氧化碳總量約為240億噸,而在2030年則預估會達到390億噸。就二氧化碳地質封存的全球潛能大小而言,雖然舊油氣田及難開採煤層的推估容量與深層地下水層的容量相較小很多,但是ㄧ般預期前者還是會被優先執行,因為他們也可以增加化石燃料的產量,彌補二氧化碳捕獲及封存所需的操作成本。

|   地表礦化封存   |
二氧化碳地表礦化封存是使二氧化碳與金屬氧化物進行化學反應,形成固體型態的碳酸鹽及其他副產品,目前已含鈣及鎂的矽酸鹽礦物為較具潛力的反應物,也是自然界的穩定固態礦物,以提供長時間且穩定的二氧化碳封存效果。理論上,地球上含鈣及鎂的矽酸鹽礦物,足以用把所有的化石燃料燃燒所生成的二氧化碳礦化。
礦化封存技術可分為乾式礦化封存及濕式礦化封存兩種形式。乾式框畫封存是在特定的溫度與壓力下,讓氣態二氧化碳與含金屬氧化物的固態物質接觸,直接進行反應。除了少數特殊的金屬氧化物外,如氧化鈣或氫氧化鎂,乾式礦化封存的反應效率很慢,難以滿足大量封存的需求。未經適當前處理的金屬氧化物,很難直接針對工廠排煙氣中的二氧化碳進行乾式礦化封存。而濕式礦化封存,則是先將礦物及二氧化碳溶解於溶液中,利用鈣鎂離子與碳酸離子的反應,形成碳酸鹽及其他次生礦物的沈澱物。再透過相關的分離程序,進行沈澱物的分離與反應物或添加物的回收。

|   海洋封存   |

基本原理

目前海水中所含碳的總量約為大氣層的50倍,植物及土壤中總和的20倍。海洋之所以能含有如此大量的二氧化碳,龐大的水體體積及二氧化碳在水體中不低的溶解度,是兩個主要的因素。

基本上,二氧化碳海洋封存的潛在容量遠大於石化燃料的含量,海水能自大氣層吸收二氧化碳的潛在能力,取決於大氣層的二氧化碳分壓(濃度)及海水的化學性質,其吸收速率的高低,則取決於表層及深層海水的混合速率。人類活動所排放的大量二氧化碳,造成大氣層二氧化碳分壓(濃度)的提高,使得海洋每年吸收約70億噸二氧化碳。受限於表層及深層海水間的緩慢對流,目前在深海中可發現因人類活動所排放二氧化碳的證據,平均深度僅約為1,000公尺。

增加海水中二氧化碳的濃度,會對海洋生物造成不利的影響,例如降低生物鈣化,養殖及成長速率、遷移能力等。二氧化碳海洋封存還須考量需多現存的全球性或區域性的海洋環境相關規範,目前國際間尚無特別針對二氧化碳海洋封存的正式規範。

封存操作方式

二氧化碳可經由輸送管線貨船運直接注入並溶於水深層海洋水體中,或灌注於海床上形成二氧化碳人工湖。在二氧化碳人工湖的灌注地點,深度至少須達3,000公尺,壓力達300大氣壓,才可確保二氧化碳的密度比海水高。當二氧化碳被灌注於深海後,會馬上影響周遭水體的化學環境,在二氧化碳海洋封存操作概念中,可搭配碳酸鹽礦物的添加,以中和水體的酸鹼度並增加二氧化碳的溶解封存量。

就阻隔二氧化碳返回大氣層的目地而言,把二氧化碳灌注於更深的海洋水體時,會有更佳的隔離效果。目前所提出的二氧化碳海洋封存概念,都打算把二氧化碳灌注於海洋的斜溫層以下,以期獲得更佳的封存效果。斜溫層ㄧ般位於100至1,000公尺的水深之間,是ㄧ具備穩定水質條件的水平水層,具有隔阻上下水體垂直混合的效應。因此,被灌注於深海的二氧化碳,將因斜溫層的存在而降低其返回大氣層的速率。

在二氧化碳海洋封存的操作概念中,被灌入深海中的二氧化碳,可以是氣體、液體、固體或水合物型態的二氧化碳。基本上,不論何種灌注型態的二氧化碳,只要時間足夠,二氧化碳都會溶解在海水中,但其溶解速率取決於二氧化碳的灌注型態(氣體、液體、固體或水合物)、深度、溫度、水質、以及區域性的水流特性。

 

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