藏碳于海：CCUS新路徑

2023年，全球化石燃料二氧化碳排放量達到368億噸（溫室氣體總量409億噸），二氧化碳濃度已達80年來最高值。其中，我國二氧化碳排放量達到126億噸，高居全球第一。而二氧化碳捕集利用與封存（CCUS），被視為是未來實現(xiàn)碳中和的兜底保障。近日，記者從中國工程院院士、中國海洋石油集團有限公司杰出高級專家周守為處了解到，除了在陸地上驅(qū)油外，二氧化碳的封存在海洋深處也許還能有新的路徑。

“跟海洋打了一輩子的交道，我最深刻的體會就是深邃的海洋不僅給人類提供豐富的物質(zhì)保障，還能給人以思想上的啟迪。”周守為說，“我們要借助自然的力量，將海洋天然氣水合物開發(fā)的難點，轉(zhuǎn)化成為二氧化碳水合物海底工程的優(yōu)勢。”

海洋CCUS應需興起

根據(jù)國際能源署《能源技術展望報告2017》預測，要實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》提出的“將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2攝氏度以內(nèi)”氣候目標，到2060年，累積碳減排量的14%將來自CCUS。但是，截至2023年，全球運營或建設中的CCUS項目有140余個，捕集能力為4900萬噸/年，只占全年全球碳排放量的1.33‰。從數(shù)據(jù)上看，現(xiàn)有的碳中和項目遠達不到兜底的效果。

目前，國內(nèi)煤電、石油石化行業(yè)及相關產(chǎn)業(yè)均開展CCUS技術攻關研究和工程示范。中國石化建成了國內(nèi)首個百萬噸級CCUS全流程項目，但整個規(guī)模仍然較小。2023年我國全年碳捕集規(guī)模達600萬噸/年，這個量卻僅占全年碳排放的4.15‰。CCS項目共有8個處于運行階段，其中只有恩平15-1CCS項目為咸水層封存項目，其余均為強化采油技術（EOR）項目。據(jù)悉，恩平項目是我國第一個海上二氧化碳封存項目，于2023年6月正式投用，每年注入二氧化碳超過30萬噸，累計超過150萬噸；截至目前已經(jīng)注入2000萬立方米二氧化碳。

“無論是1.33‰或4.15‰，都與14%的最終目標相差著數(shù)量級。”周守為表示，從全世界來看CCUS不外乎是兩個大的方向：一個是二氧化碳驅(qū)油，同時提高原油采收率，再把二氧化碳埋在地質(zhì)構(gòu)造里。另一個是把二氧化碳封存在咸水層里。根據(jù)正在建設的項目數(shù)量，后者正逐漸成為主流。

他山之石，可以攻玉

 然而，他山之石，可以攻玉。眾所周知，位于海底的可燃冰（天然氣水合物）的開采難度大，至今全世界都尚未進行商業(yè)開發(fā)。與海洋打交道多年的周守為卻突然想到，二氧化碳水合物形成的條件與天然氣水合物相似，甚至更為簡單易成。何不將可燃冰開采的難處，轉(zhuǎn)化為研究海洋埋藏二氧化碳的優(yōu)勢？

海域水合物儲存區(qū)通常位于水深300米以上，海床下1000米內(nèi)。對比天然氣水合物與二氧化碳水合物生成條件可以發(fā)現(xiàn)，海洋封存二氧化碳具有8方面的優(yōu)勢：一是二氧化碳水合物比天然氣水合物更易形成；二是低溫高壓的海洋環(huán)境使天然氣水合物狀態(tài)穩(wěn)定，不易開發(fā)，卻也構(gòu)成二氧化碳封存的有利條件；三是二氧化碳水合物同可燃冰一樣不需要圈閉構(gòu)造，有望大規(guī)模形成固態(tài)并封存；四是深海環(huán)境下，固化的二氧化碳水合物將保持固態(tài)，不易氣化，更易封存；五是深海淺層多為泥質(zhì)粉砂或不成巖的膠結(jié)疏松泥、沙、水混合層，可以為二氧化碳的注入與水合物形成提供有利條件；六是以固態(tài)水合物形式儲存二氧化碳無需進行密封性評價，沒有氣體泄漏問題；七是二氧化碳水合物封存在條件合適的情況下，原則上封存量無規(guī)模限制，解決當前技術難題；八是海底或深海淺層為二氧化碳封存提供了更加寬泛的地點選擇，突破了現(xiàn)有技術必須選擇密閉地質(zhì)構(gòu)造或咸水層的桎梏。

“換句話說，能形成天然氣水合物的地方，二氧化碳水合物也一定能形成，而且形成得更容易。”周守為表示，“我通過分析提出的二氧化碳封存新路徑，就是借鑒海洋天然氣水合物自然形成的原理，人為加快二氧化碳水合物的生成速率，實現(xiàn)二氧化碳水合物在深海海底或深海淺層的固化封存。”

變廢氣為海底“碳礦”
    “只要溫度和壓力合適，二氧化碳就能形成水合物。像我國的東沙、新西蘭的外海，千百萬年來一直有天然氣水合物埋藏在海底，如果我們把二氧化碳也像這樣埋放在那不就成了嗎？它可以形成非常穩(wěn)定的二氧化碳水合物，被永久封存。”周守為認為，具體到工程技術，一個方法是找到合適的地方直接放入二氧化碳；另一個方法是在天然氣水合物下伏層固化封存二氧化碳。

“我們研究的方向和目標就是要注得進、生得成、封得住、看得見、生態(tài)美。”他解釋道，為此團隊需要建立注入口二氧化碳水合物堵塞解堵技術及多層系聯(lián)儲動態(tài)調(diào)控技術；揭示海洋環(huán)境二氧化碳水合物快速生成機制，形成二氧化碳水合物規(guī)模化生成技術；建立深海二氧化碳多相態(tài)穩(wěn)定封存技術工藝及裝備；形成海洋二氧化碳固化和地質(zhì)封存全時空一體化監(jiān)測技術及體系。最終，實現(xiàn)二氧化碳固化封存后，作為海洋生態(tài)的組成部分長期穩(wěn)定、環(huán)境友好。

“我們用南海的海水、泥沙，模擬海底條件來進行了一系列的實驗，這些實驗最后都支持了我們的想法——海洋環(huán)境條件能夠快速形成二氧化碳水合物，海底壓力對穩(wěn)定性影響不大。并且，在有誘導微粒的條件下，二氧化碳水合物形成更快，適當添加強化劑有助于二氧化碳水合物固化。”周守為總結(jié)道，“經(jīng)過初步驗證，我們可以確定海洋二氧化碳固態(tài)封存的方向是正確的，只是仍有大量難題需要繼續(xù)探索。”

目前，周守為團隊仍在圍繞這項技術展開研究，并嘗試在未來建立3000米深水二氧化碳水合物多相態(tài)、多層系固化封存技術體系。“如果海洋二氧化碳地質(zhì)封存技術能夠?qū)崿F(xiàn)應用，二氧化碳運輸船、海底長輸管線、海上鉆井設備等一系列產(chǎn)業(yè)都將迎來春天，一個新的CCUS產(chǎn)業(yè)鏈也將隨之誕生。”他展望說。