意見回饋

封存

封存技術概述

「CO2封存」是指將CO2存放於特定的自然或人工「容器」中,利用物理、化學或生化等機制,達到封存CO2百年以上之目的;森林、海洋、地層、人工貯槽、化學反應器等均可作為封存CO2的「容器」。目前CO2封存方式可分為地質封存、海洋封存、礦化封存及生物封存等四類。

 

地質封存

地質封存是指將CO2注入地質表面下的地下鹽水層、舊油氣田或是深層煤層等地下構造。封存CO2地層的深度需超過800公尺,此時地底的壓力將超過CO2的臨界壓力,CO2將從氣相轉為超臨界狀態,使封存量得以大幅提升。依據地質封存的場所可分成下列三類:油氣層封存、地下煤層封存及地下鹽水層封存。

  1. 油氣層封存:原本孕藏原油與天然氣的地下油層或是氣層,由具有孔隙的儲集層及良好的蓋岩層所組成,在歷經了數十年的開採後可以成為有效的封存環境供CO2的儲存之用。
  2. 地下煤層封存:地下煤層封存是指類似油田封存技術,將液化的CO2灌入地底深部煤層,因煤層對CO2具有良好的吸附能力,藉由煤的吸附/脫附方式來儲存二氧化碳,在725 psi壓力下每噸煤可儲存0.06噸的二氧化碳,約為甲烷氣的兩倍。可將原本存在於煤層縫隙中的甲烷氣體置換出來,除了可以產生大量的甲烷氣,並可達到二氧化碳封存之目的。
  3. 地下鹽水層封存:超過800公尺深的且大範圍的地下鹽水層如果要成為CO2地下封存場所,需要具有下列性質:高孔隙度與滲透性佳的沙岩、石灰岩或其他多孔性岩層、有良好的覆蓋層、完整封閉性。

當二氧化碳注入至封存層後,二氧化碳將填滿岩石的孔隙,在大部分的情況下這些孔隙間原本是充滿了鹽水。而隨著二氧化碳的注入,其後的相關封存機制便開始作用。第一個封存機制是防止二氧化碳逸散至地表的最重要機制,而其他三項機制則隨著時間的增加,能強化封存的效率及安全性。

一、構造封阻作用(Structural Trapping)-將二氧化碳限制在蓋岩層之下

由於二氧化碳的密度小於水,故二氧化碳會上浮,直到遇到不可滲透的蓋岩層時才會停止,通常蓋岩層含有黏土與鹽分,提供攔截二氧化碳向上移棲的作用,並使二氧化碳聚集在此蓋岩層下方。下段影片描繪二氧化碳在孔隙中(藍色部分)向上移棲,直到遇到蓋岩層才停止。

二、殘餘封阻作用(Residual Trapping)-CO2被固定在小孔隙中

當封存層中的孔隙空間夠小,即使二氧化碳比周遭鹽水輕,還是不會繼續往上移棲,此為殘餘封存的機制。殘餘封存發生在二氧化碳移棲的過程中,根據封存層的特性,殘餘封存機制可限制小部分比例的二氧化碳移動。

三、溶解封阻作用(Dissolution Trapping)

小部分被注入的二氧化碳會溶解於原本就存在於孔隙的鹽水中,而此溶解了二氧化碳的鹽水會比未溶解二氧化碳的水重,故會向下沉,進一步將二氧化碳帶往封存層下方移動。溶解速率取決於二氧化碳與鹽水之間接觸的程度,可溶解的二氧化碳量有最大濃度的限制,但因為注入的二氧化碳會上浮,而溶解二氧化碳的水分會下沉,所以二氧化碳與鹽水會不停的接觸,進而增加可溶解的二氧化碳量。但這樣的溶解作用發生在狹小的孔隙中,所以溶解速度是較為緩慢的。Sleipner 計畫粗估約有15% 的二氧化碳會在注入的10 年後溶解於鹽水中。

四、礦化封阻作用(Mineral Trapping)

二氧化碳可與構成封存層的礦物起交互作用,特別是與鹽水混合的二氧化碳產生的交互作用更大。根據pH值及封存層礦物組成的不同,某些特定的礦物會溶解,而某些礦物則會沉澱。根據Sleipner 計畫估計,經過很長的時間後,只有少部份的二氧化碳會經由礦化封存機制封存在地層中。在一萬年之後,有5%的二氧化碳會礦化,其他95% 則會溶解於封存層中,二氧化碳不會再以原來灌入時的高密度狀態存在。

 

另外,在談論到CCS技術中,常常看到EOR一詞出現,EOR意指激勵採油法 (enhanced oil recovery, EOR) ,如上圖封存型式(3),也就是將無法再靠自然方式產油的老舊油田,透過將「熱」、「氣」及「化學物」注入地層內將其石油逼出的方法,其中二氧化碳就是其中一項物質。透過將造成全球暖化的二氧化碳注入老舊油田,逼出已經無法以自然方式產出之石油,可說是一石二鳥的技術。

下方影片動畫,看完後應該可很清楚CO2在EOR中所扮演的角色及宿命。

海洋封存

海洋封存是指將捕集的CO2儲存在海洋內,封存的方式可分成稀釋溶解法及深海隔離法等兩種方式。稀釋溶解法是將CO2經由輸送管線或船運直接注入並溶於深層海洋水體中,其方法灌注於斜溫層(100~1000公尺)效果較佳,因此區域具備穩定水質條件的水平水層,且有阻隔上下水體垂直混合的效應,而降低CO2返回大氣層速率進行隔絕;深海隔離法為灌注於海床上形成CO2人工湖,在CO2人工湖灌注地點深度至少需達3000公尺,壓力達300大氣壓,才可確保CO2的密度比海水高,形成固體水合物而匯集成穩定的CO2深層湖。

 

礦化封存

此種方法係利用金屬氧化物與二氧化碳產生化學反應,形成固態碳酸鹽及其他副產品。在礦物方面,鹼金屬、鹼土金屬氧化物皆適合進行碳酸礦化反應,其中鈣、鎂金屬因大量存於地殼中,是最常被選擇用來做為封存二氧化碳之元素,故以含鈣及鎂之矽酸鹽類礦物為較具潛力之反應物,台灣東部之蛇紋石及石灰石(CaO) 皆屬之。礦化封存方式可分為:
1. 乾式反應:在特定溫度與壓力下,使氣態二氧化碳與含金屬氧化物之固態物質接觸,直接進行反應,形成碳酸鹽礦物。

2. 濕式反應:使礦物及二氧化碳溶解在溶液中,形成碳酸鹽及其他次生礦物沉澱物,再進行沉澱物分離。

整体而言,二氧化碳礦化封存,取決於封存過程中所需提供之能量成本、反應物成本以及封存之長期穩定性。雖然CO2礦化具有穩定儲存的優點,但此技術尚未成熟,操作上需要耗費大量能源,礦石的開採、運輸、加工的成本,高操作成本、如何增快反應速率、礦業開採作業對環境影響以及碳化後的產物該如何處理等問題皆是後續待研究及解決之問題。

 

生物封存

生物封存主要是藉由植物、藻類等生物配合土壤或水體,以及光合作用等方式進行自然吸收二氧化碳,達到減輕二氧化碳排放的方式。一般綠化造林、微藻類處理、農場經營,皆屬於生物封存的作法之一。

近年來國內持續的在培養微藻類固定二氧化碳技術,以及再資源化之應用研究,利用由二氧化碳轉化而來具經濟效益之有機物。