環境與生態

埋葬CO2 換甲烷

把二氧化碳封存在地底是非常花錢的做法,但如果可以同時開採地底的能源就能符合經濟效益!

撰文/布萊恩特(Steven L. Bryant)
翻譯/張雨青

環境與生態

埋葬CO2 換甲烷

把二氧化碳封存在地底是非常花錢的做法,但如果可以同時開採地底的能源就能符合經濟效益!

撰文/布萊恩特(Steven L. Bryant)
翻譯/張雨青

重點提要
■多數國家並沒有把排放的二氧化碳捕集起來,並且儲存於地底,因為這項工程所費不貲。
■有一種封閉迴路的構想,把地底深處的熱鹵水抽上地表,釋出所含的甲烷與地熱,再把二氧化碳溶入鹵水中並注回地底永久儲存,使二氧化碳的儲存更符合經濟效益。
■根據計算,美國墨西哥灣沿岸擁有充份的深層鹵水,可用來儲存美國二氧化碳年排放量的1/6,並滿足天然氣年需求量的1/6。

據稱美國文豪馬克吐溫曾說,人人都抱怨天氣,卻沒人為它做些什麼。馬克吐溫要是活在今天,他可能要說,大家都在談全球暖化,卻沒人認真採取行動。人們為何光說不練?其中一大原因在於經濟考量。二氧化碳累積在大氣中,導致全球暖化,人類要對此負最大的責任。而要減少大氣中累積的二氧化碳,我們必須改用其他高價能源取代煤與石油做為主要能源,否則就需要昂貴的技術,把工業排放的二氧化碳捕集起來,再找個地方存放這些氣體,讓它們不再出來搗蛋。

可曾想過有一種一石二鳥的技術:既可生產豐沛的能源,又可大幅降低溫室氣體排放量?這種經濟的技術該不會還可與現有工業設施無縫接軌吧?這在美國墨西哥灣沿岸有可能成真,由於當地的特殊地質條件,地底數公里深處有一種又熱又鹹的流體,稱為鹵水,可以存放大量的二氧化碳,儲存過程又可開採大量甲烷可用做燃料,釋放的熱亦可供利用。不論是儲存二氧化碳,或是生產甲烷或地熱,這些過程本身並不經濟,但新的計算結果顯示,若把它們整合成封閉迴路系統,世界各地將受益匪淺。

善用重力法則

等一等,甲烷?這可是氣候變遷元凶之一呀。這種氣體會從油管外洩,也會從液壓破裂法開採頁岩氣的氣井中冒出,而且甲烷分子的溫室效應威力還是二氧化碳分子的20倍呢。沒錯,正是甲烷。

要了解箇中道理,首先來看碳的捕集與埋藏,即人稱的「封存」,是怎麼一回事。想到難關重重,我跟同事於是規劃出一套看似離經叛道的系統。

捕碳與儲碳的目標,是從源頭(從火力發電廠煙囪排出的廢氣)就把二氧化碳分子抓住並關起來,以免進入大氣。「儲存」一詞乍聽簡單,然而要容納大量的二氧化碳,只有地底下才有夠大的容量。科學家已證實,地殼頂層數公里厚的沉積岩,其中的孔隙理論上能容納幾個世紀的二氧化碳排放量。

若以美國排放量的15%為目標,每年應該封存高達10億公噸的二氧化碳。全球能源產業每年從沉積岩中開採約40億公噸原油及20億公噸天然氣,從這種規模看來,要把10億公噸的二氧化碳壓縮進地殼裡,應屬可行,只是要花費很大的力氣。當然啦,若其他方案能達到同等規模,例如改善能源效率與改用非化石燃料,也能從源頭減少二氧化碳生成。

下一步似乎不用多說:即刻著手改良既有油氣生產技術來實行這種地質儲碳法吧。可惜,這個對策有根本上的缺陷。時間一久,二氧化碳會逐漸透過裂縫與孔隙而冒回地表,最後逃離地表、進入大氣,除非岩層的孔隙夠小,氣體無法穿透,才有「密封」的效果。

石化產業仰賴的正是這種自然向上流動的特性。地底下的儲油層與天然氣層是從更深處的岩層順著眾多通道而來,有的流體在這段長而慢的層層上升途中停滯,但大多數會持續移動到地表。早年的石油業界,多數業者只要探測到地表冒氣,便就地往下鑽。

眾多科學家針對地底二氧化碳氣體進行廣泛研究後,都發現類似的狀況:許多地質構造都會阻擋二氧化碳上升,但一有通道還是會散逸。不過二氧化碳有一個古怪的特性可讓工程師利用:多數液體在有氣體溶入其中時,密度會降低,但二氧化碳溶入水中時,液體密度反而增加。地底深處的含水液體多半是鹵水,當二氧化碳溶進鹵水後的密度也會變大,就不會往上浮了。以這種型式儲存的二氧化碳會下沉得離地表更遠,儲存安全性因而提升。

生產能源以彌補成本

麻煩的是,在深層鹵水所在之處的溫度與壓力下,二氧化碳要很久才會溶入鹵水。因此,當時我的研究生波頓(Mac Burton)與我便有個激進的主意:鑽一口井到達鹵水層,把它們抽到地表上加壓,注入二氧化碳使其在混合槽中迅速溶解,再把鹵水送回地底。

這個構想一來顯然非常耗能,二來鹵水溶不了太多二氧化碳,因此需要大量抽取。這兩道難題都可能誤事。

第二道難題似乎不難克服。例如,石油業者通常會在儲油層上方以等距方式鑽井,把水或鹵水注入其中一些井,壓出儲油層的石油使其從其他井冒出。目前業界一年注入儲油層的鹵水約100億公噸,這些鹵水多半也是取自儲油層。因此,調整鹵水的流動率以符合有效儲存二氧化碳所需,是可行之道,有一些儲碳地點的鑽井是用來從儲油層中抽取鹵水,另一些則同時注入溶有二氧化碳的鹵水。

第一道難題則涉及鑽井的成本以及實際作業所需的能源,較難論斷。業界尚不急於捕集與封存二氧化碳,是因為把二氧化碳排入大氣的業者並未因此受罰或付出代價。況且業界也沒有經濟上的誘因要把排氣封存。而針對保護地球或補貼使用化石燃料時包括環境改變在內的「完全成本」,相關政策辯論亦未說服任何人買單。乍看之下,把二氧化碳注入鹵水的經費尚無著落。

然而,不久之前,我樓下的辦公室有人提出一個點子,有望突破困境。美國德州大學奧斯丁分校的石油工程學教授波普(Gary Pope)大半生致力於開發更精良的技術,把石油從儲油層中擠出來,他知道有個隱藏資源可供利用。

墨西哥灣與世上其他每一處產油區一樣,有富含溶解態甲烷的深層含鹽水層。甲烷是天然氣的主成份,可供當地的發電廠做為燃料,也能透過四通八達的天然氣輸送管分送至全美各地。當鹵水抽上地表,我們便抽出甲烷,以二氧化碳取代。即使天然氣價格普遍偏低,甲烷和地熱貢獻的獲利仍可超過封存二氧化碳的成本。這筆資金成本能否像電費那樣轉嫁給納稅人呢?端視各地法規而定。

下一個明顯的問題是:這種處理方式真的能自給自足嗎?波普跟我馬上指派研究生甘加納許(Reza Ganjdanesh)尋找答案。