Energy Reviews | 深海二氧化碳利用與儲(chǔ)存技術(shù)展望
文章題目：?Advances in Subsea Carbon Dioxide Utilization and Storages
關(guān)鍵詞：Subsea; CO2 storage and utilization; CO2 hydrate; economic evaluation; technical?challenges
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000032
?近日， 德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)Yachen Xie副研究員和Michael Z. Hou教授團(tuán)隊(duì)在Energy Reviews發(fā)表文章“Advances in Subsea Carbon Dioxide Utilization and Storage”,?該文章詳細(xì)分析了深海碳儲(chǔ)存和利用的前景，指出盡管存在泄漏和污染等風(fēng)險(xiǎn)，但通過監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新和天然氣水合物的自封效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)安全的二氧化碳深海利用和儲(chǔ)存。此外，考慮到可再生能源的發(fā)展和大規(guī)模儲(chǔ)能的需求，將氫氣、氨或其他能源載體和二氧化碳的儲(chǔ)存和利用耦合到產(chǎn)業(yè)鏈中，形成具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的碳地質(zhì)儲(chǔ)存模式。
01內(nèi)容簡(jiǎn)介
??1.?Introduction?（前言）
?? 2.?SCUS mechanism?（深海二氧化碳利用和儲(chǔ)存機(jī)制）
? ? 2.1.?CO2?storage in different form （不同形式的二氧化碳儲(chǔ)存）
? ? ? 2.1.1.?Supercritical CO2?（超臨界二氧化碳）
? ? ? 2.1.2.?Liquid CO2?（液態(tài)二氧化碳）
? ? ? 2.1.3.?CO2?hydrate （二氧化碳水合物）
? ? ? 2.1.4.?Mineral carbonation?（礦物碳化）
? ? 2.2.?CO2?utilization （二氧化碳利用）
? ? ? 2.2.1.?CO2?enhanced oil/gas recovery （二氧化碳提高油氣采收率）
? ? ? 2.2.2.?CO2?displacement of natural gas hydrate （天然氣水合物的二氧化碳置換）
? 3.?Research status and trends of SCUS?（SCUS的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)）
? ? 3.1.?Policy and regulatory frameworks （政策和監(jiān)管）
? ? 3.2.?Security and environmental impact?（安全和環(huán)境）
? ? ? ?3.2.1.?CO2?leakage （二氧化碳泄漏）
? ? ? ?3.2.2.?Monitoring technologies （監(jiān)控技術(shù)）
? ? ? ?3.2.3.?Environmental impact?（環(huán)境影響）
? ? 3.3.?Economic evaluation?（經(jīng)濟(jì)評(píng)估）
? ? ? 3.3.1.?Capture?（捕獲）
? ? ? 3.3.2.?Transport （傳輸）
? ? ? 3.3.3.?Storage?（存儲(chǔ)）
? ? ? 3.3.4.?Cost-saving coupled renewable energy and energy storage?（節(jié)約型可再生能源與儲(chǔ)能相結(jié)合）
? 4.?Global engineering progress of SCUS （SCUS的全球工程進(jìn)展）
? ? 4.1.?Europe?（歐洲）
? ? ? 4.1.1.?Norway （挪威）
? ? ? 4.1.2.?UK （英國）
? ? ? 4.1.3.?Iceland （冰島）
? ? ? 4.1.4.?Netherlands （荷蘭）
? ? 4.2.?Asia-Pacific （亞太地區(qū)）
? ? ? 4.2.1.?China （中國）
? ? ? 4.2.2.?Japan （日本）
? ? ? 4.2.3.?Australia （澳大利亞）
? ? ? 4.2.4.?South Korea （韓國）
? ? 4.3.?America?（美洲）
? ? ? 4.3.1.?USA （美國）
? ? ? 4.3.2.?Others （其他地區(qū)）
? 5.?Potential and perspectives of SCUS in China （SCUS在中國的潛力和前景）
? 6.?Conclusions （結(jié)論）
02內(nèi)容亮點(diǎn)
1、作為減少碳排放的一種有效方法，深海二氧化碳儲(chǔ)存和利用能夠通過管道或船只將捕獲的二氧化碳運(yùn)輸?shù)接谰眯詢?chǔ)存點(diǎn)，例如含鹽含水層或深海沉積物中枯竭的石油和天然氣儲(chǔ)藏，或注入二氧化碳來置換深海資源（石油、天然氣、天然氣水合物等）；2、隨著能源轉(zhuǎn)型的大力實(shí)施和全球可再生能源的快速發(fā)展，深海二氧化碳的利用和儲(chǔ)存取得了重大進(jìn)展。本文概述了二氧化碳在深海的儲(chǔ)存和利用機(jī)制，分析了關(guān)鍵的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題，以及現(xiàn)有的安全風(fēng)險(xiǎn)、監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面的研究；3、結(jié)合中國的實(shí)際情況，本文展望了中國深海碳儲(chǔ)存與利用的潛力和趨勢(shì)。本文表明深海碳儲(chǔ)存和利用的巨大發(fā)展前景，盡管仍然存在一些風(fēng)險(xiǎn)，例如泄漏和污染，但通過監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新以及天然氣水合物的自封效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)安全的二氧化碳深海利用和儲(chǔ)存；4、考慮到可再生能源的發(fā)展和大規(guī)模儲(chǔ)能的需求，可以將氫氣、氨或其他能源載體和二氧化碳的儲(chǔ)存和利用耦合到產(chǎn)業(yè)鏈中，形成具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的碳地質(zhì)儲(chǔ)存模式。
03內(nèi)容導(dǎo)讀
碳捕獲、利用和碳儲(chǔ)存被認(rèn)為是穩(wěn)定甚至降低大氣中人為二氧化碳濃度的一種很有前途的選擇。近海的碳固存使二氧化碳能夠以液體或水合物的形式直接儲(chǔ)存在深海，還可以儲(chǔ)存在深海的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中(含鹽含水層、枯竭的石油和天然氣儲(chǔ)藏等)。盡管陸上盆地是必不可少的，但近海油田提供了相當(dāng)大的產(chǎn)能和作業(yè)效益?？紤]到海上油田的位置遠(yuǎn)離人口中心，海上油田應(yīng)該具有特殊價(jià)值，從而降低社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，減少飲用水資源保護(hù)問題。
構(gòu)造封存、殘余封存、溶解封存和礦物封存是陸相地層中CO2的儲(chǔ)存機(jī)制。構(gòu)造封存是指二氧化碳在深層鹽巖地層和枯竭的油氣藏中聚集，注入的CO2通常向上移動(dòng)，但由于蓋層的存在，可以有效地避免CO2泄漏。殘余封存涉及二氧化碳和水的運(yùn)輸：作為二氧化碳注入的反應(yīng)，孔隙的水飽和度將下降，而二氧化碳飽和度上升，導(dǎo)致二氧化碳被困在巖石顆粒之間的孔隙和孔喉空間。在溶解封存中，注入的二氧化碳的一部分將溶解到鹽水中，從而導(dǎo)致溶解度封存，水的鹽度、儲(chǔ)層溫度和壓力決定了溶解度封存情況。礦物封存是一種地球化學(xué)反應(yīng)過程，在這個(gè)過程中，溶解的二氧化碳啟動(dòng)與地層巖石礦物的反應(yīng)，從而形成碳酸鹽礦物。
天然氣水合物是由水和氣體分子(甲烷、乙烷等)組成的多面體籠狀晶體，天然氣水合物廣泛分布在多年凍土和深水地區(qū)(>500m)。由于儲(chǔ)量豐富、能量密度高，天然氣水合物是一種具有巨大潛力的清潔能源。二氧化碳置換天然氣水合物方法是由Ebinuma在1993年首次提出的，它利用了甲烷水合物和二氧化碳水合物具有不同相平衡條件的事實(shí)。
二氧化碳置換天然氣水合物涉及一個(gè)復(fù)雜的物理相行為過程，注入的氣體分子和水合物分子需要達(dá)到平衡狀態(tài)才能形成多相和多組分的混合物，這是該過程成功所必需的，并允許注入二氧化碳置換甲烷，然后以水合物的形式被困住。與常規(guī)開采方法(注熱、降壓、注入化學(xué)緩蝕劑或聯(lián)合開采)相比，二氧化碳置換法被認(rèn)為更安全、更穩(wěn)定。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是允許在深海沉積物中儲(chǔ)存二氧化碳，同時(shí)與水合物在沉積物孔隙中保持膠結(jié)作用，有助于防止或減少因水合物解離而導(dǎo)致的儲(chǔ)層膠結(jié)作用減弱，保持儲(chǔ)層的相對(duì)穩(wěn)定。此外，這種方法還有利于減少溫室氣體排放并將其永久儲(chǔ)存。在部分大型籠子中，二氧化碳分子可以作為甲烷分子的直接替代品。另一方面，甲烷-二氧化碳混合水合物可能是基于二氧化碳、甲烷分子和水生成的。由于其密度和其他因素，部分二氧化碳上升并形成蓋層，這最終形成了一種封存結(jié)構(gòu)，為開采水合物提供了一種安全的方法，并確保了二氧化碳的穩(wěn)定儲(chǔ)存。
04重要結(jié)論
深海二氧化碳儲(chǔ)存和利用將在全球?qū)嵤┨疾东@、利用和儲(chǔ)存方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，盡管存在一些技術(shù)和操作上的差距，但實(shí)施深海二氧化碳儲(chǔ)存和利用可促進(jìn)許多國家和行業(yè)早日實(shí)現(xiàn)脫碳。此外，可再生能源和能源儲(chǔ)存的靈活組合可以使深海二氧化碳儲(chǔ)存成為沿海碳排放量高并擁有大量海上儲(chǔ)存能力國家的一個(gè)有利可圖的行業(yè)。
? ? ? 1、構(gòu)造封存、溶解封存和礦物封存是導(dǎo)致含鹽含水層、枯竭碳?xì)浠衔飪?chǔ)集層和礦化儲(chǔ)存中CO2儲(chǔ)集高成熟度的原因。同樣，與之相對(duì)應(yīng)的主要利用技術(shù)有CO2-EOR和CO2-EGR，而二氧化碳置換天然氣水合物也被認(rèn)為是一種潛在的碳利用技術(shù)。總體而言，全球深海二氧化碳儲(chǔ)存和利用的潛力是巨大的，特別是對(duì)于碳排放量很大的沿海地區(qū)；
? ? ? ?2、二氧化碳泄漏對(duì)深海的環(huán)境和生態(tài)影響目前仍是一個(gè)主要問題，而依靠二氧化碳水合物的自密封優(yōu)勢(shì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，可以確保二氧化碳儲(chǔ)存的足夠安全；
? ? ? 3、成本問題是限制大規(guī)模實(shí)施深海二氧化碳儲(chǔ)存的主要障礙，而碳價(jià)格的上漲也提升了該項(xiàng)目的可行性和經(jīng)濟(jì)性。發(fā)展可再生能源是解決這一挑戰(zhàn)的辦法，即通過建立以可再生能源和碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)為重點(diǎn)的國際全產(chǎn)業(yè)鏈耦合模式。以氫氣和氨氣為代表，將制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳或從其他國家運(yùn)輸來的二氧化碳儲(chǔ)存在深海，從而有效地降低成本，形成一種新的模式--“深海CCUS+可再生能源”和“深海CCUS+儲(chǔ)能”；
? ? ? 4、中國的海上儲(chǔ)存潛力也是巨大的，粗略估計(jì)有近2,500GT。此外，中國沿海地區(qū)充足的碳源和碳匯能力具有較好的兼容性，含鹽含水層和枯竭油氣藏是短期內(nèi)的主要儲(chǔ)存目標(biāo)。在碳利用方面，考慮到中國巨大的天然氣水合物儲(chǔ)量，除了二氧化碳提高油氣采收率外，利用二氧化碳置換天然氣水合物也是一個(gè)非常有前途的利用。
通訊作者簡(jiǎn)介：
? ? ? ?Michael Z. Hou，德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)教授，下薩克森州能源研究中心巖石力學(xué)教研主任、中德能源研究中心德方首席，德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)中國事務(wù)員。主要從事地下潔凈能源開發(fā)、非常規(guī)天然氣和深部地?zé)岬乃毫鸭夹g(shù)，天然氣、高壓風(fēng)及戰(zhàn)略石油和可再生能源的大規(guī)模地下儲(chǔ)存，地下空間綜合利用，CO2地下封存和利用等方面的研究。主編國際論文集3部，出版專著9本，發(fā)表SCI和EI收錄論文100多篇，是6期SCI雜志和1期EI雜志的特邀主編，1本SCI雜志、3本EI雜志編委和20多個(gè)SCI雜志的特約審稿人。??
引用信息：
Jiashun Luo, Yachen Xie, Michael Z. Hou, Ying Xiong, Xunning Wu, Christian Truitt Lüddeke, Liangchao Huang, "Advances in subsea carbon dioxide utilization and storage",?Energy Reviews, 2,?2023, 100016.?
???《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團(tuán)創(chuàng)辦的一本國際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國工程院Derek Elsworth院士、中國科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)、權(quán)威觀點(diǎn)等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺(tái)，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲(chǔ)能先進(jìn)技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。
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