我们能以哪种方式,将过量的二氧化碳储存起来?

能够经过 CCUS 手艺,将适量的二氧化碳存储起来。CCUS 手艺全称「二氧化碳捕集应用与封存」,是指将二氧化碳从工业历程、动力应用或年夜气中结合进去,间接加以应用或注上天层以完成二氧化碳永恒减排的历程。

CCUS 手艺及重要范例示用意。图源:生态情况部情况布局院

2021 年两会时期,当局事情汇报所提到「碳中和」被列为重点工作,并成为年度热词,火遍小巷冷巷。而要完成碳中和宗旨,减碳、固碳必弗成少,将适量的二氧化碳存储起来的相干手艺也是完成碳中和宗旨的重中之重。

CCUS 手艺重要分为四个全体:

一、 二氧化碳捕集(将 CO2 从工业消费、动力应用或年夜气中结合进去的历程,重要分为焚烧前捕集、焚烧后捕集、富氧焚烧和化学链捕集。)
二、 二氧化碳输送(将捕集的 CO2 输送到可应用或封存园地的历程。依据运输形式的分比方,分为罐车运输、船舶运输和管道运输,个中罐车运输囊括汽车运输和铁路运输两种形式。)
三、 二氧化碳应用(经过工程手艺手法将捕集的 CO2 完成资本化应用的历程。依据工程手艺手法的分比方,可分为 CO2 地质应用、CO2 化工应用和 CO2 生物应用等。个中,CO2 地质应用是将 CO2 注入公开,进而完成强化动力消费、推进资本开采的历程,如普及煤油、人造气采收率,开采地热、深部咸(卤)水、铀矿等多种范例资本。)
四、 二氧化碳封存(经过工程手艺手法将捕集的 CO2 注入深部地质储层,完成 CO2 与年夜气临时断绝的历程。遵照封存地位分比方,可分为海洋封存和海洋封存;遵照地质封存体的分比方,可分为淡水层封存、干涸油气藏封存等)

正在传统的 CCUS 手艺以外,BECCS(生物资能碳捕集与封存)和 DACCS(间接氛围碳捕集与封存)手艺也越来越遭到列国注重。前者是指将生物资焚烧或转化历程中发生的二氧化碳停止捕集、应用和封存,然后者更凶猛,是间接从年夜气情况中捕集二氧化碳,并将其应用或封存。

CCUS 手艺路径。图源:生态情况部情况布局院

回到题目自身,「怎样将适量二氧化碳存储起来?」结合 CCUS 手艺,从二氧化碳封存的角度看,明显有两种清楚的路径,即海洋封存和海洋封存。要是从应用的角度看,将二氧化碳停止地质驱油、作为化工质料消费产品、或是将其主动物吸引,其本色都是「存储」的一种形式,只无非这类存储是「变废为宝」的存储,这个中二氧化碳自身的形式也能改变,譬如变为产品或动物原资料,具有应用代价。

这个题目另有一个症结词便是「适量」,这类形式就必须请求对于二氧化碳的存储威力很强。海洋封存和海洋封存这两种地质封存都能够年夜范围且永恒贮存二氧化碳。就现正在而言,地质封存的后劲是微小的,以是我就以 Carbfix 名目来引见一下二氧化碳地质封存的状况。

冰岛二氧化碳贮存的黑科技:Carbfix 名目

正在位于冰岛东北的 Hellisheiði 发电厂东北 3 千米处,一座天下性的二氧化碳流动工场正正在悄悄运转着,源源一直的二氧化碳正正在被打入公开……

正在没有到 2 年的光阴,这些二氧化碳能够转化成公开的石头,搁置千年都能稳固存正在。自 2014 年来,这里共有 7 万公吨的二氧化碳注入公开,以石头的形式被「永恒地」存储正在公开。

冰岛 Carfix 二氧化碳矿化妆置。图源:Carbfix

经过植被的光合感化流动二氧化碳并没有是做作界惟一的「减碳」形式,实正在用岩石也能够流动二氧化碳完成碳汇,Carbfix 手艺团队就减速了这一做作历程,他们将二氧化碳消融到水里,然后将这些富含二氧化碳的水注入到岩层中,二氧化碳能够与玄武岩等活性岩层发生化学反馈,造成稳固的矿物,这些矿物能够被永恒地贮存。

Carbfix 手艺示用意。图源:Carbfix

值患上一提的是正在 Carbfix 名目中,二氧化碳正在玄武岩层中的矿化速度无比惊人,远远高出了钻研职员预期,正在没有到 2 年的光阴内,该名目近 95% 的二氧化碳被矿化。而正在晚期的没有雅点中,应用矿物封存二氧化碳的历程过于急速,每一每一需求成百上千年,这使患上该法子没有受注重,Carbfix 工艺基于踏实的迷信钻研,并已被证明正在工业范围上是胜利的。

Matter 等人正在二氧化碳中退出同位素示踪剂 C-14,证明了年夜于 95% 的二氧化碳转化为碳酸盐矿物。Matter et al., 2016/ 图源:Science

Carbfix 名目所接纳的岩石是玄武岩,这类岩石具有较高的反馈性,而且富含钙、镁、铁等能够永恒流动二氧化碳的元素,蓬松多孔的构造使其能够和碳酸水充足打仗,利于反馈的停止。另外玄武岩是地球外面最罕见的岩石范例之一,可遮盖 5% 的年夜陆和年夜全体的海底,其贮存二氧化碳的容量远宏年夜于当初年夜气减碳所需的宗旨。

CarbFix「固碳」名目注入部位的地点横切面,图源:Science

自 2014 年以来,Carbfix 手艺已被应用于明显缩小 Hellisheiði 电厂的二氧化碳和  排放量,Hellisheiði 的现场 CCS 永恒贮存老本正在 29~66 欧元之间,而欧盟排放买卖系统中一项碳配额的近期均匀价钱正在 44 欧元,应用 Carbfix 手艺来拿获和矿化 ,获患有明显的经济效益。

因为每一吨二氧化碳的矿化历程需求斲丧快要  的水,因而这一手艺并没有是正在地球上一切中央都实用,惟独正在水资本雄厚的地区,这一手艺才对于比轻易完成。另外,正在冰岛上还正在建 CODA 终端,船只能够将其余地区的二氧化碳转运到这里来,将二氧化碳泵入到 Carbfix 的固碳收集中。该设计于 2034 年前完成有六艘船只正在营工作,每一年可输送二氧化碳 300 万吨。

二氧化碳可经过海洋运输至冰岛的 CODA 终端。图源:Carbfix

现正在 Carbfix 团队正正在停止正在注入以前运用淡水消融二氧化碳的根基钻研,指望扩张该手艺正在缺水地区、内地和远海地区的实用性。与此相干的 Carbfix2 是欧盟赞助的 H2020 钻研名目,Carbfix 与 Climeworks 竞争的 DACCS[13]名目 Orca ,该名目将间接氛围碳捕集手艺与 Carbfix 手艺相结合,指望间接拿获氛围中的二氧化碳并注入公开。

Climeworks 的间接氛围碳捕集手艺与 CarbFix 结合。图源:Climeworks

用石头贮存二氧化碳道理是啥?

二氧化碳矿化封存自 1990 年 Seifritz 初次正在《Nature》提出以来,一直被觉患上是具有年夜范围二氧化碳封存后劲及应用远景的减排手艺。该手艺应用做作界宽泛存正在的硅灰石、橄榄石、蛇纹石等富含 Ca、Mg、Fe 离子的质料与二氧化碳反馈,将其转化成热稳固性高的固体碳酸盐。

二氧化碳矿化手艺化学道理。图源:ChemX,引自 Seifritz et al.,1990

从热力学角度来看,反馈产物碳酸盐的规范吉布斯自正在能要比与二氧化碳的规范吉布斯自正在能低 0~180kJ/mol,也便是说,该反馈是一个由高能态到低能态的历程,天生的碳酸盐绝对于稳固。以是实践上,正在做作前提下就可将与二氧化碳转化为碳酸盐,从而完成矿化封存,即使经验冗长的地质年月也没有会剖析。理论上碱性矿物矿化封存与二氧化碳历程中,惟独当反馈温度小于 500K 或正在较高反馈压力下,矿化反馈本领有热力学的可行性。

但是从动力学角度来看,二氧化碳矿化封存正在做作前提下倒是一个极为急速的历程(100~1000 年),而碱土金属离子的析出和二氧化碳的散布速度等都对于矿化反馈的速度有很年夜影响。正常来讲,矿物中碱土金属离子的析出较为急速,为该反馈系统的控速步骤。但要是反馈系统中  的浓渡太低,较低的 ,浓度妨碍了矿化历程中碳酸盐的结晶及其晶体的成长,二氧化碳消融也会成为控速步骤。

综合思考热力学和动力学要素,二氧化碳矿化封存手艺逐渐由气固两相同馈系统改变为气液固三相同馈系统。气固相同馈系统是指二氧化碳间接与矿化质料打仗天生碳酸盐,全部反馈历程前提刻薄,正常需求正在低温低压的前提下停止,且二氧化碳的转化率较低。气液固三相同馈系统是先将二氧化碳溶于水造成碳酸,再将碱土金属矿物或固体废除了物正在碳酸溶液的感化下逐渐消融并天生碳酸盐积淀。

现正在二氧化碳矿化手艺重要可分为两种,原位矿化手艺非原位矿化手艺,和其余矿化封存。

Carbfix 名目实正在便是一种原位矿化手艺,是经过地层岩石原位完成矿物吸引历程,马上二氧化碳间接注入富含钙镁碱土金属的硅酸盐矿物层,经过改变活性岩层外面积、反馈温度、情况 pH 值和二氧化碳分压减速了做作矿化的历程,从而年夜幅延长矿化封存二氧化碳的光阴,正在短光阴内完成二氧化碳的年夜范围封存,正在完成二氧化碳当场应用的同时极年夜升高二氧化碳运输制约与老本。

人造矿物与工业废物正在 CO2 矿化计划中能够的物料流向与流程,Heping et al.,2015/ 图源:Engineering

非原位矿化手艺是指人造钙镁硅酸盐矿物(橄榄石、蛇纹石等)和工业固体废除了物(粉煤灰、钢铁工业的废物、废除了混凝土等)经破裂、挑选等预处理后,正在二氧化碳氛围中停止矿化反馈发生稳固碳酸盐历程。现正在重要有间接矿化和间接矿化 2 种工艺路径。

非原位矿化手艺历程简化图。引自 Wilcox et al.,2012/ 图源:Chinese Journal of Ecology

对于于二氧化碳封存的近况

寰球陆上实践封存容量为 6~42 万亿吨,海底实践封存容量为 2~13 万亿吨。正在一切封存范例中,深部淡水层封存占有主导地位,其封存容量占比约 98%,且散布宽泛,是较为现实的 CO2 封存场所;油气藏因为存正在残缺的构造、细致的地质勘察根基等前提,是适宜 CO2 封存的晚期地质场所。细致数据见下表。

天下重要国度及地区 CCUS 地质封存后劲与二氧化碳排放。

现正在,中国已具有年夜范围捕集应用与封存二氧化碳的工程威力,中国已投运或建立中的 CCUS 树模名目约为 40 个,捕集威力 300 万吨 / 年。多以煤油、煤化工、电力行业小范围的捕集驱油树模为主。

中国 CCUS 名目散布。 图源:生态情况部情况布局院

中国正在 CO2 地质应用及封存手艺中,CO2 地浸采铀手艺已到达贸易应用阶段,EOR 已处于工业树模阶段,EWR 已完成先导性实验钻研,ECBM 已完成中试阶段钻研,矿化应用已处于工业实验阶段,CO2 强化人造气、强化页岩气开采手艺尚处于根基钻研阶段。

中国二氧化碳封存与应用手艺倒退阶段。图源:生态情况部情况布局院

总之,间隔 2030 年碳达峰指日可待,而要完成 2060 年碳中和的宗旨咱们仍需致力!二氧化碳矿化手艺封存后劲微小,跟着二氧化碳矿化手艺的倒退,相干手艺困难的一点点被处理,咱们有来由置信,正在将来二氧化碳矿化能完成年夜范围工业化应用,这项「将二氧化碳变为石头」的黑科技有助于咱们早日完成碳中和。

 

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