淺談二氧化碳地質封存

最近因為水果日報的報導，使得大家對於二氧化碳地質封存(Geological Carbon sequestration )有很許多疑問，但是在網路上對於二氧化碳地質封存技術，卻充滿了很多不盡然正確的說法。甚至在網路上，有學生標誌了自己的研究實驗室取信於大眾，卻提供不專業也不正確的語言，造成更多的誤解。二氧化碳地質封存是一個最近熱門的話題，其實只要閱讀一些英文報導文章，也不用什麼高深的專業論文，即可大致可以獲得全貌及初步概念。但費雪卻很驚訝的發現不知是懶還是甚麼原因，現在的學生卻對於這類淺顯易懂的英文文章，沒有大量收集閱讀並進行整理，結果雖然是在專業實驗室，卻很粗糙的用一知半解的態度提供我們很多不正確的訊息。這真的是我們專業的警訊，長久以往，將摧毀民眾對我們的專業尊敬與相信!!!!因此費雪認為有必要來說一下二氧化碳地質封存這件事。澄清一些不準確的認知。

碳捕獲與儲藏(Carbon Capture and Storage, CCS)是將人類燃燒石化燃料產生的二氧化碳，利用生物固定、化學固定、或是注入地下岩層儲藏的方式，讓過多的二氧化碳無法在一定時間內循環回到大氣中，以減緩溫室效應的一個手段。而利用注入地下岩層的方式，由於牽涉地質的條件，因此又被稱為(二氧化碳)地質封存技術。

二氧化碳地質封存所考量的地質條件，整理美國能源部及學者的看法，一般包括以下幾種地質條件:

1. 深層鹹水含水層(Deep Saline Aquifers/Formations)

2. 使用中或已耗竭的油氣儲存層(Active/Depleted Oil(Gas) Reservoirs)

3. 深層煤層(Deep Coal Beds)

4. 多孔隙玄武岩層(Porous Basalt)

 

圖一、幾個不同的地質封存條件(引用自http://thetyee.cachefly.net/News/2012/06/25/carbon-sequestration.jpg)

費雪分別將其想法原理、優缺點簡單說明如下:

1. 深層鹹水含水層:

想法原理:

將壓縮後成大密度液態的二氧化碳注入地下深層的鹹水含水層中。一般深層的受壓含水層以砂岩為主，因為深度大，因此其中多為鹹水為主。(造成原因有很多，因為鹽水密度大下沉，淡水密度小會上浮，另外就是在地層中的地層水經過長期的與礦物反應，變成礦物質含量很高的鹹水等都是可能原因)。受壓含水層上下若有滲透率低的阻水層，如頁岩或泥岩存在，可以對液態的水及二氧化碳形成阻隔層，因此不會滲漏回到地表。另外，鹹水中的礦物質會與溶解的二氧化碳反應，形成碳酸鈣沉澱進一步固定碳在地層中。

優點:

n  深層鹹水含水層的分布廣，體積大，有較多的儲存空間，容易選擇適當場址。

n  如果有少量洩漏，解壓的過程將造成二氧化碳沉澱成碳酸鈣，堵塞滲漏通道，達成自封的效果。

缺點:

n  大面積的地層同時也代表滲漏的機會大，如果附近有沒有調查出來的斷層或裂隙存在，將造成未預期的滲漏通道。

n  注入二氧化碳過多將造成水質酸化，會造成地層中的礦物質被溶解，反而致使阻隔層滲漏。

n  深層的地下受壓含水層，若存在大量裂隙，會因為注入液態二氧化碳而造成裂隙的剪移，進而產生微震。而在應力累積的區域，大量的微震往往增加誘發大地震的機率。

 2. 使用中或已耗竭的油氣儲存層:

想法原理:

是將二氧化碳流體打入過去的油氣儲存層或目前還在生產的油氣儲存層中，利用原來儲存油氣的空間，儲存二氧化碳。由於油氣儲存層上方，被油氣封閉構造(例如低滲透率的斷層等地質構造或地層)阻隔，因此可以做為二氧化碳的阻隔層。

 

圖二、注入二氧化碳增加油氣的生產效率示意圖(引用自http://www.socalcarb.org/images/storage_3.jpg)

優點:

-立即可用，加上過去探勘與生產過程已經清楚了解區域地質結構與工程特性，不需再另外評估，開發成本低。

-生產中的油氣儲存庫適度注入二氧化碳將可增加油氣的產量與生產效率。

-由於已經存在地質條件參數，方便二氧化碳回注的操作管理，可以減低意外以及誘發微震的機率。

 

缺點:

-油氣儲存層存在的區域不多，僅有限的油氣田可供選址。

-可儲存二氧化碳空間一般體積較小。

-一般油氣井深度較深，以耗竭的油氣儲存層而言，因為抽取油氣後，多出來的空間一則因為岩層壓密沉陷而減小，一則因為周圍的鹽水立刻補充填滿空隙。因此要回注到大深度已被壓密及鹽水填滿的油氣儲存層，需要回注較大壓力的液態二氧化碳，較為不經濟。

 

3. 深層煤層:

想法原理:

將二氧化碳回注到太深無法經濟開採的煤層中。由於一般煤層孔隙率低，且大多吸附甲烷氣於其中。一般二氧化碳置換甲烷的比例約為1:1到1:3間，因此注入與碳親和力較高的二氧化碳，可以吸附在煤層裏，並置換出甲烷氣(也就是天然氣)。

優點:

-可以儲存二氧化碳，同時生產可利用的煤層天然氣。

 

缺點:

-分布地點有限，可供選擇的地點有限。

-效應與作用類似水力壓裂，會產生微震，在大地應力累積的地區易誘發規模較大的地震。

 

4. 多孔隙玄武岩層

注入由外海的玄武岩層，玄武岩為火山岩的一種，是由裂隙噴發的玄武岩質岩漿凝結形成。因為噴發與流動的過程中常常捕獲許多氣泡於岩漿中，因此玄武岩常常含有很多孔隙。由於玄武岩很容易與溶解二氧化碳或碳酸根離子反應，產生碳酸鈣沉澱於孔隙中，可以進一步將碳固定在地層中。(特別一提:澎湖的文石就是沉澱在玄武岩孔隙中的碳酸鈣沉澱所形成，由於多期沉澱造成沉澱物有一層一層紋理，因此稱之為文石)。

 

圖三、海中的玄武岩層(引用自http://insideclimatenews.org/sites/default/files/imagecache/home_page_slideshow/basalt1-nps.jpg)

優點:

-玄武岩為易化學反應之岩石，可以促進固碳的化學反應。

-海中的玄武岩層上方有海水以及厚的黏土質海相沉積物覆蓋，可以作為阻隔層。

 

缺點:

-海中回注與鑽井作業成本高。

-成效尚待驗證。
 

但是不管哪一種地質條件，都有其風險與地域的不可確定性。所以都要經過調查評估與驗證，確定其可行性才行。費雪昨天聽到一個演講，是國外的學者在談回注造成微震的風險評估，其中談到如何評估風險，發現台灣可能較不重視這些地質風險評估的研究與做法。例如誘發微震風險的計算應該是:”地震加速度”@”發生地震規模一定以上的機率”，乘上”附近一定半徑的人口密度”，乘上”災損的金額期望值”(這個計算是大致是如此的意義，但由於費雪並不是風險評估專家，因此細部可能有誤喔!)。那我們很多開發案都是在人口稠密的地區進行，包括被抨擊的二氧化碳回注試驗，那這個風險計算，雖然可能發生一定規模的地震機率小，但會不會在乘上”人口密度”以及”災損金額”後，這個風險變得很大?也因此國外才會在人口稀少與外海施作二氧化碳回注的封存工程。費雪是覺得台電也好，中油也好，都應該在未來的驗證計畫中，好好的考量並計算風險。特別是公關及教育要做，昨天國外專家一致認為持續與居民溝通、公開透明資訊與教育是在探勘評估階段也好、試驗階段也好、或是營運維護階段也好都要持續努力進行的工作。台電和中油最近被當作全民公敵，費雪個人是覺得這兩個單位應該好好重視科普教育與資訊透明公開的工程啦~長久堅持專業的傲慢不肯接觸科普與居民，是會招致民眾的不信任與偏見啦~~~

更多的資訊，可以見:
http://ccs.tw/
 

 

參考資料:

http://insideclimatenews.org/news/20100105/scientists-suggest-storing-co2-offshore-basalt-formations

http://thetyee.cachefly.net/News/2012/06/25/carbon-sequestration.jpg

http://insideclimatenews.org/sites/default/files/imagecache/home_page_slideshow/basalt1-nps.jpg