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摘要：CCS（碳捕集与封存）和CCU（碳捕集与利用）技术通过物理方法或化学方法将CO2注入并稳定封存在地下，以实现减少CO2，达成碳中和的目的。

关键词：CCS&CCU、封存层、屏蔽层、结构性捕获、残留气体捕获、溶解捕获、矿化捕获

为了在2050年实现碳中和目标，前提是要最大限度地节约能源和推进能源脱碳，但在一些不可避免产生CO₂排放的领域，采用CCS（碳捕集与封存）和CCU（碳捕集与利用）技术被认为是必不可少的。

CCS·CO2地下封存

人们生活的地表环境为1个大气压（1.01bar≒0.1MPa），平均温度为15℃，而地下1,000～2,000m，压力为100～200bar，温度为50～100℃。

CO₂的特点是临界温度和压力很低，当温度超过31.1℃、压力超过7.38MPa（73.8bar）时，很容易变成“超临界状态”。

表1.CO₂的密度随温度和压力的变化

超临界状态的CO₂同时具有“像液体一样的高密度”和“像气体一样的低粘度和高扩散性”，因此在表1的例子的情况下，地下可有效地封存的CO₂的量为地上的289倍。

此外，为了将CO₂封存在地下，在CO₂达到超临界状态的深度800～1000m或更深的地下，需要一个位置同时存在“可以封存CO₂的封存层”和“充当防止二氧化碳向上移动的盖子的屏蔽层”。

图1.构成CO₂封存场的地下地质

由于“封存层”要求具有足够的封存容量和较高的渗透性，因此优选大间隙（如砂粒）；而“屏蔽层”为了防止CO₂的移动，优选小间隙（如泥颗粒），选择屏蔽层中的间隙（孔隙）小于10nm且密度约为封存层（小于10μm）的1,000倍的地质。

通过注入井注入封存层的CO₂通过物理方法或化学方法得以捕获（封存）在地下。

第一种物理捕获是“结构性捕获”，通过紧密的屏蔽层形成一个“碗状”盖子来捕获CO₂。第二种物理捕获是“残留气体捕获”，CO₂在移动过程中变成小气泡，并通过界面张力滞留在岩石孔隙内，失去流动性而被稳定地封存。

图2.封存层中CO₂封存机制的形式

第一种化学捕获是“溶解捕获”，注入的CO₂会溶解到地层水中，但由于它比周围的水重并会向下沉降，因此不会向地表上升，从而稳定地被封存。第二种化学捕获是“矿化捕获”，溶解有CO₂的地质水与岩石矿物发生化学反应，最终稳定地固定为岩石矿物。

由于物理捕获进展相对较快，而化学捕获则需要较长时间进展缓慢，因此随着时间的推移，CO₂封存机制的详情将发生变化，如图3所示。综上所述，可以认为，随着注入时间的推移，CO₂的地下封存将趋向于稳定。

图3.CO₂封存机制随时间的变化

CO2地下封存业务的风险管理

在CO₂地下封存领域，存在一个国际标准ISO 27914（二氧化碳捕获、输送和地质封存）。该标准要求从六个“业务应符合的要求”角度考虑潜在威胁，分析和评估已确定的风险，并通过规划和执行相应措施进行“风险管理”。

表2.关于CCS的ISO27914 应符合的要求

此外，美国能源部（DOE）还为封存运营商提出了一个推荐的地下评估工作流程，选择封存地点后，通过不断地遵循步骤2～5来优化业务计划和规范，同时旨在最大限度地降低业务风险。

由于CCS与石油和天然气勘探开发有许多共同点，因此在勘探开发中积累的地下评估技术方法也适用于CCS。

图4.地下评估工作流程 (DOE)

封存地点的筛选和选定

上述地下评估工作流程的起点是封存地点的筛选和选定。首先，在封存地点的筛选阶段，需要对广泛区域进行评估，排除不适合的区域，如存在诱发地震风险或地质风险等。然后，结合封存容量、注入能力、封存能力和完整性等因素，提取并选定合适的区域。

这样，在封存地点的筛选和选定阶段通过排除不适合的区域，可以显著降低风险，因此这是风险管理中最为重要的环节。

在选定地点之后，运营商会根据每个地点的具体情况考虑风险场景，制定风险管理计划和监控计划，并通过实施不断审查这些计划的循环来努力将风险降至最低。

图5.封存地点的筛选和选定

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【解说】有望用作脱碳措施的CO2捕集和封存业务——结构和风险管理