国外水文地质环境地质简报

国外水文地质环境地质简报第2期科技发展中心编2010年4月30日联邦德国二氧化碳储存我们整个社会依赖于化石燃料。未来几年内，可再生能源也不能满足机动车，电力和热能的需求。另一方面，工业排放二氧化碳对全球气候变化负有很大的责任。在签订的京都议定书中，欧洲国家已承诺从1990年-到2012年减少8％的温室气体排放量。德国政府希望到2020时减少德国二氧化碳排放量高达40％。一个供选择的减少二氧化碳排放量的措施是，捕获大型发电厂与工业联合体二氧化碳并将其储存于地层深处。这种所谓的CCS技术（二氧化碳捕获和储存）目前正在付诸于工业规模的测试。自2000年以来，联邦德国地学及原料研究院（BGR）一直与本国和外国的研究机构，地质调查机构及工业参与单位合作在德国境内和境外不同地区研究地下储存二氧化碳各种技术。联邦德国地学及原料研究院（BGR）主要任务之一是向德国政府和社会就CCS这类专门技术的发展和应用提供咨询。要点：·选择二氧化碳储存地点·地球化学相互作用·安全与监测·立法·项目·常见问题选择二氧化碳储存地点在德国认为枯竭的天然气田和深层含盐水含水层是最重要的储存二氧化碳的场所。枯竭的天然气田具有良好的储存条件，因为天然气田储气时间经过了数百万年，这就是最好的证明。此外，已经进行的勘探工作使得可以更好地了解地下情况，现有的基础设施也可用于CCS。枯竭的天然气田有着类似的优势，但德国天然气田规模太小，不能大规模的储存二氧化碳。虽然深层盐水含水层区域分布面积很大，可以大量储存二氧化碳，但是基本上尚未勘探清楚。地球化学相互作用当二氧化碳接触到地下水时，就会溶解，形成碳酸。碳酸与周围的岩石反应，溶解矿物成分。这就是形成起泡沫的天然矿泉水的过程。反应也可能导致产生新的矿物。因为发生变化的岩石相对于原岩有不同的物理性质，这一点对预测二氧化碳对储层和盖岩的影响非常重要。例如，由于储集岩中的化学反应，孔隙度增加会使储存容量增加，而盖岩孔隙增加将导致储存的二氧化碳发生逃逸风险。为预测地下二氧化碳有关土工反应，采取了下述措施：1．监测天然二氧化碳喷口附近的岩石2．通过热力学计算机模拟计算反应3．进行控制的条件下实验室实验为了预测工业规模的储存项目的条件，有必要使所有三种方法，每个方法阐明不同方面和进程层面。CCS的基本思想是使因矿物燃料燃烧产生的二氧化碳回归原始状态：即深层地质地下空间，而非大气层。为防止对气候影响，防止过剩的二氧化碳与生物圈之间的相互作用，二氧化碳至少需要在地下储存1万年。为了解自然土壤气体平衡和排放的二氧化碳对当地生物圈的影响，BGR调查了在意大利拉谢尔湖（LaacherSee）低平火山口，安德纳赫冷水泉及各火山区排放的天然二氧化碳。BGR还积极参与了众多二氧化碳储存地点的监测。联邦德国地学及原料研究院（BGR）当前的CO2研究项目：阿尔特马克二氧化碳气回收二氧化碳捕获和储存（COORAL）二氧化碳ReMoVe二氧化碳的监测和核查研究区域压力盐水含水层储存二氧化碳的区域压力的影响联邦德国地学及原料研究院（BGR）已完成的CO2研究项目：欧洲二氧化碳捕集和地质储存CASTOR项目构造非均质性对含水层储存二氧化碳的能力的影响二氧化碳地质储存欧洲CO2GEONET卓越网络德国东北部的盐水含水层CO2STORE项目CSEGR碳封存与增强型气回收对二氧化碳管理制氢潜能二氧化碳来源和储存可能性信息系统GESTCO-矿物燃料燃烧产生的二氧化碳地质储存NASCENTE对地质环境中二氧化碳研究天然模拟德国巴登符腾堡州二氧化碳储存可能性研究北莱茵威斯特法伦州二氧化碳储存可能性研究UFOPLAN-2003年二氧化碳捕获和填埋方法评估台湾地区地下水砷污染调查台湾地区地下水污染发现于60年代初。在台湾地区西南部，井中的砷浓度范围从240到960微克/升。Chen等，（1962年）报告说，34眼自流井中的砷浓度范围为350-1,100微克/升。叶（1963年）报告说，根据11口井的分析，砷浓度范围为340-900微克/升。罗（1975年）报告指出，根据314个区和乡镇的83656眼水井饮用水中的的砷调查结果，水井的18.7％砷超过50微克/升。台湾地区四个乡镇18个村庄3901管井分析结果显示，水中砷浓度范围为0.15-3,590微克/升。蔡等人（1998年）报告，根据台湾砷引起的流行病地区研究，患色素沉着疾病的人数7418，角化病2868人和乌脚病360人。白雄飞供稿CCU与CCS有望成为碳储存和碳利用的关键碳捕集和封存技术的成熟度不仅仅看这项技术是否能够使用，还要看是否适合于商用。制约CCS技术发展的一个重要因素，就是它的成本非常高。世界欧美发达国家和其它各国科学界和企业界对CCU和CCS技术研究非常重视。目前，全球有100余个CCS项目正在运行或即将运行。从首个海上CCS技术算起，到现在有13个年头了，但是直到近几年，随着国际社会对气候变暖和二氧化碳排放对全球气候的影响日益严重，CCS和CCU技术才逐渐走上前台。碳捕获是CCS技术的起始环节，主要目标是针对化石燃料电厂、钢铁厂、水泥厂、炼油厂、合成氨厂等二氧化碳的集中排放的二氧化碳。现在的技术已经可以捕获到排放出的二氧化碳的85％～95％。国际能源署《能源技术展望》预测，到2050年CCS技术减排将占全球减排总量的20％～28％。单从技术角度来看CCS技术，已经没有什么大的障碍和瓶颈，但是从商业化和产业化来看，成本效益是一个很大的问题。目前，技术成本很高。配套碳捕获装置的电厂成本要比没有进行碳捕获配套装置的电厂高出30～40％。成本高是制约技术大规模商用的主要障碍。现在有很多国家在做CCS项目，但都还处于实验、摸索的阶段。制约CCS技术发展的一个重要因素，就是它的成本很高，捕获每吨二氧化碳大约需要20～40美元。根据发展中国家的国情，二氧化碳捕集利用（CCU）技术则是更加实际的，且更加经济的技术。CCU成本也相当昂贵，如果按年回收二氧化碳为3000吨的装置计算，总投资2400万元。每制成1吨食品级干冰的成本是600元，其售价可达1200元。目前，全球回收的二氧化碳约有40％用于生产化学品，35％用于油田3次采油，10％用于制冷，5％用于碳酸饮料，其它方面的应用占10％。近年来，食品级二氧化碳发展十分迅速，特别是在饮料和啤酒、烟草、蔬菜等的防腐保鲜领域表现更为活跃。饮料和啤酒行业是食品级二氧化碳的最大消费市场。目前世界上油田的二次或三次开采，都是向油田注水或水蒸气。如果能够与石油企业合作利用二氧化碳，就会给双方带来极大的经济利益和环境利益。国外经验表明，由于二氧化碳比空气重，驱油效果远比空气好，把二氧化碳注入油层中以提高采油率，与其它驱油技术相比，二氧化碳驱油具有适用范围大、驱油成本低、采油率提高显著等优点。从长远看，一些专家提倡首先要做CCU，把利用放在前面考虑。起步的时候，要先立足可用。倪维斗指出，中国需要分阶段地从易到难开展工作。“第一步，现成的天然气井排放的二氧化碳是最容易拿到手的，但是没有人用，都白白扔掉了。第二步最容易做到的是煤化工。第三步是煤气化联产，在高压、高浓度条件下分离比现在直接燃烧分离二氧化碳容易得多。第四步才是燃煤电厂。”中国目前二氧化碳的年消费能力是200万～250万吨，而一个几十万千瓦的燃煤电厂1年所能捕集出来的二氧化碳的量差不多也是100万～200万吨。换句话说，利用为先，但也不能忽视储存。在碳捕集领域，应将CCS作为前沿战略技术加以储备，开展相关研发。实际上，国际上也有学术组织已将CCS和CCU合二为一，称之为“CCUS”。其实说到底，无论是CCS还是CCU，都只是一种过渡性的解决方案，从某种程度上讲，是没有办法的办法。要彻底解决人类所面临的气候变化问题，还得摆脱对化石能源的依赖，将希望寄予新能源与可再生能源。唐宏才供稿英国把碳捕获和储存列为政府一项重要任务目前英国已经把碳捕获和储存列为政府一项重要任务，2009年财政将拨出专项资金用于研发新的碳捕获和储存技术。并将带头在火力发电厂碳捕获和储存的开发和利用上作出示范。英国能源部门规定任何申请新的火力发电厂的企业必须承诺一旦出现新的技术，就要对整个电厂进行改造。2009年政府计划拨款9千万英镑开展4项有关碳捕获和储存的示范研究项目。预计到2030年碳消除技术可以提供50000个工作岗位。森林储存多余的碳调查研究二氧化碳是主要的温室气体。大气中增加的二氧化碳主要是由化石燃料的燃烧（大约为80-85%）和砍伐森林造成的。估计大气中的二氧化碳每年增加26亿吨。树木在光和作用中可以固定碳并储存多余的碳。森林长期储存二氧化碳的量随树木的生长、死亡和腐烂而变化。树木的增加潜在地减缓了大气中碳的积累。根据美国10个城市的野外资料和全国城市树木覆盖资料，估计美国城市树木目前储存7亿吨碳，总的碳吸收率为2280万吨/年。城市森林可在帮助降低大气二氧化碳发挥重要作用。城市内的树木碳储存量在纽约为120万吨，在新泽西为19300吨。美国中北部、东北部、中南部和东南部的城市森林储存着大部分碳，平均碳储存量最大的地区在东南部、中北部和东北部。全国城市森林平均碳储存密度为每公顷25.1吨，而森林地区平均碳储存密度为每公顷53.5吨。倪增石供稿美国公众对于碳捕集和储存的认识在2003年9月底到10月初的时候，研究人员对美国民众关于能源使用和环境问题的认识及了解进行了问卷调查，超过1200名调查对象参与其中。问卷调查涉及环境、全球变暖和气候变化减缓技术等相关领域的17个问题。其调查目的包括判定公众对全球变暖和气候变化减缓技术的态度、对于全球变暖和碳循环的认识水平以及对于碳捕集和储存的认识。结果显示，仅有一小部分人听说过CCS（碳捕集和储存），而能明确的知道CCS能解决什么样的环境问题的人更是屈指可数。当被问到是否会考虑使用这项技术来解决全球变暖问题时，有将近38%的调查对象的答案为不确定。由于听说过CCS的人很少，只有不到4%的调查对象对于CCS(二氧化碳捕集和储存)有所认识，所以很难确定人们对于该技术的看法到底如何。调查结果同时表明，环境问题及全球变暖并不是美国公众最关心的，且人们并不十分清楚碳循环和全球变暖的原因。民众的这种意识缺乏和不确定性表明他们在未来的数十年中对于CCS的看法只可能会缓慢的发展。在一些国家已经开展了商业性CCS项目，而且在美国已经有一些实验和示范性工程。在过去十年中，大量的公众调查表明人们对于全球气候变化的认识程度以及对于解决该问题的支持态度。公众对CCS政策的看法会影响其初期的发展，CCS技术发展初期的成功或失败对于公众的观点转变会有重要的现实意义。高昀供稿