用二氧化碳换能源

  　作者 史蒂文·L·布莱恩特 (Steven L. Bryant)

　　翻译 / 谢丛姣

　　处理二氧化碳，被很多国家、企业视为负担，因为这样需要投入不菲的成本。科学家发明了一个封闭的循环系统，让二氧化碳的封存变得经济可行，而这个封存过程，能够产生大量的甲烷和可用热能。

　　二氧化碳是导致气候变化的直接因素，而要减少大气层中的二氧化碳含量，则需要人们付出不菲的代价。

　　如果有一种技术，既能产生大量的能量，又可明显减少温室气体的排放，而且还与现有的工业基础设施非常匹配，它会带来怎样的影响?这种假设将在美国的墨西哥海湾成为现实。由于那里有着特殊的地质条件，可以把大量的二氧化碳封存在地面几千米之下的热盐水层中;而这个封存过程，能够产生大量的甲烷和可用热能。

　　形成闭环系统

　　无论是将二氧化碳封存于地下，或是从盐水中提取甲烷，还是从盐水中获取地热能量，从单方面考虑，在经济上都不可行。但是，最新的计算结果表明，如果将这三个方面统筹考虑，形成一个连环系统，那么这种方法在很多地方都能取得成功。就像一只三条腿的凳子：它们互相支持。

　　然而，最终的问题是，这个系统能否隔离足够的二氧化碳，进而能够在很大程度上完成减排任务。

　　最近，我们对墨西哥湾做了一些评估。这片区域有很多化石燃料发电厂和其他产生大量二氧化碳的工厂。为了最大程度地减少碳排放，可以将其他地区的二氧化碳输送过来。虽然建造二氧化碳输送管道的成本很高，但运营成本却很低，还是可以接受的。因为在墨西哥湾沿岸，地下有着巨大的盐水储层，这个地区也有四通八达的天然气管道基础设施，可以通往其他地区。另外，该区人口众多，可以消费大量的地热资源。

　　每年封存10亿吨二氧化碳，这是目前美国排放速度的六分之一，每天需要注入和抽取4亿桶的盐水。这是很惊人的数字，但利用10万口注入井和抽取井，还是能够达成目标的(可供参考的案例是，得克萨斯州曾为开采石油和天然气钻了100万口井)。完成这么多钻井，可能需要花费数十年时间。但对于其他任何技术来说，要想每年减少10亿吨的二氧化碳排放量，同样也需要这样长的时间才可能实现。举个例子，现在美国由燃煤发电厂输出的电量约为20万兆瓦，如果全部改由核电厂发电，那么美国每年的碳排放量即可减少10亿吨。但要实现这个目标，需要建造大约200个大型反应堆，同样耗时数十年。

　　可观的经济效益

　　这个连环式的二氧化碳封存方案附带产生的能源效益，也足以支撑整个系统。每年封存10亿吨二氧化碳，将会产出约4万亿立方英尺的天然气，为美国目前消耗量的六分之一。2012年，美国开采了约9万亿立方英尺的页岩气，价值250亿美元。

　　地热能的产出量同样可观。如果利用地热来供暖和供应热水，那么我们从地热中获得的能量，就相当于甲烷能提供的热量：大约20万兆瓦。目前尚不清楚墨西哥湾沿岸对地热是否有如此大的需求，不过这里有很多石化工厂，也会建造很多碳回收工厂，这些工厂将会消耗掉很大一部分的地热能。另外，如果地热能可以10%的效率转换为电能(当前水平的转换率)，那么将会产生2万兆瓦的电能，这也是相当可观的：目前美国的风能装机容量为5万兆瓦。

　　我们的这套系统的产出似乎颇为可观，足以支撑大规模的二氧化碳封存任务。从体积来算，封存二氧化碳也不是难题。每年封存10亿吨的二氧化碳，一个世纪就可以隔离1000亿吨。同时，还能产出380万亿立方英尺的甲烷——据估计，这还不到墨西哥湾沿岸地下含水层内甲烷总量的十分之一。所以有足够大的空间来封存二氧化碳，也有足够多的储量来提供充足的天然气。

　　假如产出的甲烷用于火电厂发电，甚至无需回收这些甲烷产生的二氧化碳，之后100年内，我们的系统都能使二氧化碳的排放量下降800亿吨。这绝对是一个惊人的数字。

　　忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)已经确定，如果将大气的二氧化碳浓度限制在450ppm(这是大家公认的能使得全球气温上升近两度的二氧化碳浓度)，那么到2050年，美国和其他工业国家应将碳排放水平减少到2000年的25%。要完成这个目标，从现在到2050年，美国需要回收1500亿吨的二氧化碳。如果我们的系统开始正常运作，每年封存10亿吨二氧化碳，即使只运行20年，隔离的二氧化碳也能为美国的减排目标贡献15%的力量。

　　当然，我们需要钻很多井，用于抽取和注回盐水;在运作时还要非常小心，以免甲烷逃逸到空气中。钻这些井的方法与传统的油气井相似，技术已经成熟。美国环保局有一套严格的程序来检查甲烷的排放以及排放源，而且能源企业也不愿意失去甲烷这样的可以售卖的产物。而对盐水、甲烷和二氧化碳的处理，在复杂程度上，可能与石化工厂的操作流程相似——这也是成熟行业。最后，由于地下盐水都是液体，在钻井和管理方面，也与常规的、已经运作了几十年的石油行业相似。而且，这个过程不像水力压裂技术开采页岩气那样，需要将化学药品和大量的地下水注入岩层，存在一定的安全隐患。

　　这项活动诱发地震的可能性也非常低。最近的研究表明，将大量的流体注入到特定的地质结构(有时是处理废水)，可能会提高地震的风险。然而，处理盐水的过程是在“闭环”：注入地下的盐水都是从原地层抽取的。按照这种方式，地下的压力不会有太大变化。

　　当然，建立这样一个系统耗资巨大，同时也可能增加消费者的用电成本。但是，话说回来，要想大幅度降低二氧化碳的排放量，我们做任何事情——无论是建造成千上万座太阳能和风能发电厂，还是用200个反应堆来取代燃煤发电厂，都会付出不小的成本。

    开始行动

　　鉴于我们多次计算结果，盐水封存系统在理论上是可行的。不过，工厂化的实验结果，才是决定我们的系统是否可行的关键所在。目前，美国桑迪亚国家实验室、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和英国爱丁堡大学的研究人员，正在设计一些方案，以便更高效地向地下盐水注入二氧化碳，同时从中提取能源。还有两家企业在考虑，是否在墨西哥湾建立实验工厂。

　　当前，积累经验是明智的做法，因为全球气温升高的几率哪怕只有一点点，二氧化碳减排这个任务就非常紧迫。

　　美国墨西哥湾沿岸是建立盐水封存系统的理想位置。然而，碳排放问题是全球性的。我们不知道世界上哪些地方还能应用此系统，但关键的因素是，一个地方是否存在含有溶解性甲烷的盐水层——只要发现有烃类物质的地区，也许就有这样的盐水层。中国和俄罗斯都有大型的含油气盆地，也许可以一试。

　　(本文及配图均由"科学美国人"中文版《环球科学》授权刊登。作者史蒂文· L· 布莱恩特是得克萨斯大学奥斯汀分校石油工程和地质工程系教授，致力于二氧化碳的地质封存研究。译者谢丛姣是中国地质大学资源学院石油系教授，主要研究方向为油气田开发和油藏管理。刊登时编辑对原稿进行了删改。)