海洋贮藏CO2的基本知识

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1、引言海洋封存二氧化碳，是控制化石燃料燃烧导致气候变化的有效手段。本报告 阐明了二氧化碳海洋封存的基本原理，简要叙述了有关二氧化碳海洋封存的科学 领域，以及论述了二氧化碳海洋封存的环境影响。本报告也描述了在利用海洋封 存限制大气二氧化碳浓度上升前需要进一步开展的研究。可通过多种方式利用天然碳储层降低人为二氧化碳排放对大气的影响。在 3 个主要的天然碳储层中，海洋碳储层的储量到目前为止是最大的。海洋碳储层的 储量比陆地碳储层高出数倍，而陆地碳储层的储量大于大气碳储层的储量。然而， 目前仅大气碳储层承受化石燃料燃烧排放的二氧化碳的全部负荷，这就引起人们 关注气候变化。目前，人们已开发了增强陆地碳汇的

2、方法，例如增加造林面积， 而且，人们正在验证利用天然（地下）储层封存二氧化碳的方法。由于海洋碳封 存的过程非常复杂，因此，增强海洋碳封存能力的方法的效率并不显著。然而， 利用海洋碳储层储存（或封存）碳的潜力是巨大的。当不考虑是否采取额外的人 为干涉活动时，海洋确实是大气层中二氧化碳的主要吸收汇。利用海洋碳储层封存二氧化碳的方法至少有两种：1）从大规模工业点源捕集二氧化碳并把二氧化碳直接注入深海； 2）通过添加营养素使海洋肥化来增强大气二氧化碳的提取。_尽管上述两种方法的原理存在较大差异，但是，利用这两种方法均能提高海 洋 OceanstorageofcoQlEAGreenhouseGasR&D

3、Programme,2002,2ndedition（revised）March 2002.ISBN 1 898373 30 2 在不足之处，因此，利用该两种方法仍不能彻底解决减少大气储层负荷的问题。 如果二氧化碳排放量与气候变化之间的关系得到证实，则应在较长时期内减少二 氧化碳的排放量。然而，当减少二氧化碳的排放量时，利用该两种方法的确能够 提供争取时间的途径。上述两种方法在有关海洋肥化方面仍存在极大的不确定性。把二氧化碳注入深海的相关 科学研究虽然仍需进一步完善，但却易于理解。为此，本报告重点在于论述海洋封存二氧化 碳的第一种方法（简要描述海洋肥化，见附录）。自从 1995 年以来，国际能源

4、署温室气体研究与开发项目组已组建了多个国际 专家小组。这些专家组研究了有关深海二氧化碳注入的知识。专家组的主要目标， 是确定需要开展的研究领域，以及确保充分利用有效信息来推测海洋肥化的利益 和影响。最终，专家组重点研究 4 个主题：1） 海洋环流；2）环境影响；3）国 际合作与关注项目；3）实践与试验方法。本报告提供的信息多数来自于这些专家 组及其提交的论文。该简短提要的目的，是为广大读者提供更有效的信息，旨在 促进有关海洋封存二氧化碳的讨论。可从国际能源署温室气体研究与开发项目组 获得专题研究小组的完整报告。图 1 全球碳循环：储层（碳，吉吨）与通量（碳，吉吨 /年）天然碳的海洋封存在前工业

5、时期，在燃烧的化石燃料向大气大量排放二氧化碳之前，全球碳储 层基本上保持平衡。尽管在大气和海洋、大气和陆地之间大量交换了碳通量，但 从一种储层向另一种储层没有任何纯粹的得失。自从工业革命以来，化石燃料已 成为全世界的主要能源。随着化石燃料的大量利用，大气中二氧化碳的排放量持 续增加（目前每年向大气排放的二氧化碳为23吉吨（Gt）,相当于6吉吨碳）。 如今的碳储层不再保持平衡。大气中二氧化碳的浓度，已从前工业时期的 280ppm 增至目前的370ppm。导致碳储层不平衡的原因，是深海区碳同化速率相对缓慢。利用高质量的测量方法并结合数学模型绘制全球碳循环总图。全球碳循环总图 图解了目前碳循环现状与

6、大规模使用化石燃料前碳循环状况之间的差异。图 1 举 例说明了该两种状况，同时也表明了相当于陆地和大气储层总量之和的大容量海 洋碳储层。政府间气候变化专门委员会（IPCC）作出预测，在正常情况下，大气中二氧化 碳的浓度将在今后100年内增至原来的两倍。据估计，再生化石燃料资源含有4000 吉吨碳，相当于大气储层中 750 吉吨碳。所以，大气中二氧化碳的浓度很有可能 增加数倍。经推断，大气中二氧化碳浓度的增加将对全球气候产生重大影响。图 2 海洋温盐环流输送带然而，地球上的海洋正在逐渐缓解这种状况。根据有关化石燃料消耗的数据， 可准确地计算出大气中二氧化碳的排放量。自从 1958 年以来，在夏威

7、夷 Mauna Loa 地区和波兰南部地区的监测站，精确地测量了大气中二氧化碳浓度的增加，此后，也在许 多其他监测站测量了大气中二氧化碳的浓度。这些监测数据表明，每年大气中积聚的二氧 化碳总计为12吉吨（相当于3.2 吉吨碳），而化石燃料燃烧排放的二氧化碳总量几乎为 该数字的两倍。如表1 所示，目前通过海洋封存每年已成功地从大气中去除了约2 吉吨碳 （相当于6 吉吨二氧化碳）（尽管这些数字具有一定的不确定性）。如果没有海洋和陆地 碳吸收汇的补偿，大气中二氧化碳的浓度将比现有浓度增加约 100ppm。 海洋如何吸收大气中的二氧化碳在海-气界面二氧化碳的迁移速度是迅速的，尤其当强风引起混合层中携有

8、碎 浪和空气气泡时。二氧化碳在海水中的溶解度大于淡水，海水较高的 pH 值（约等于 8）将导致以下平衡等式从左边向右边反应：CO + HO HCO （碳酸）2 2 2 3hco h + + hco-（重碳酸盐离子）2 3 3hco- H + + co 2-（碳酸盐离子）33在海水中，仅 1%的二氧化碳以二氧化碳分子的形式残留，超过 90%的二氧化碳 为重碳酸盐离子形式。这些离子和碳酸、碳酸盐离子一起统称为溶解无机碳（DIC）。图 3 常用于研究海洋二氧化碳封存的盒模型；图中 2 个截然不同的盒子分别代表不同的海洋水域 表 1 全球碳储层的年净变化碳，吉吨/年化石燃料和水泥生产排放的二氧化碳6.

9、3 土 0.4陆地净吸收1.4 土 0.7海洋净吸收1.7 土 0.5大气净吸收3.2 土 0.1全球海洋较温暖的表层海水与二氧化碳饱和，而低温深层海水是不饱和的，且 具有巨大的未充分利用的二氧化碳溶解能力。例如，虽然二氧化碳在深层海水中的 溶解度是表层海水的 2 倍，但深层海水中溶解无机碳的浓度仅比表层海水中溶解无 机碳的浓度高 12%。这表明了深层海水真实的碳封存能力。而且，即使深层海水储 存所有已知储量的化石燃料中的碳（4000 吉吨碳），海洋较高的溶解无机碳含量也变化不大。这可与把等量的碳导入大气碳储层时溶解无机碳含量的变化相对照（见 以上内容）。遗憾的是，从去除大气中二氧化碳的观点来

10、看，在大多数海域，碳从表层海水 向深层海水的迁移是一个漫长的过程。把大气中的二氧化碳泵送至深层海水存 在两种机理：第一种，溶解泵二氧化碳更易溶解于高纬度海区的低温、高密度海水，这些高密度海水将下沉 至海底。这就导致海水出现“温盐环流”现象，为此，在北大西洋的低温深层海水 （含有二氧化碳）向南流经南极洲，最终在印度洋和赤道太平洋上翻，变成表 层海水。在那里，二氧化碳再次释放到大气中。同样，南极深层水在上涌至表面之 前在南极洲周围循环。从高纬度海区的高密度海水下沉到重现于热带地区之间的时 间间隔估计为 1000年。第二种，生物泵海洋中的植物（主要为浮游植物）吸收表层海水中溶解的二氧化碳，通过光合

11、作用维持生命。浮游植物的生长和繁殖速度常取决于营养素的利用率。浮游植物的 尺寸仅为 1-5 毫米，海洋浮游动物通常能快速吃掉这些浮游植物，而这些浮游动物 也将依次被较大的海洋动物捕食，如鱼类。表层海水中超过 70%的这种有机物质可 以再循环，但深层海水的平衡主要通过微粒有机物质的沉淀完成。所以，这种生物 泵把二氧化碳从表层海水向深层海水运送，并有效地把二氧化碳封存于局部深层海 水区域。大多数这种有机物质都通过细菌再矿化而释放出二氧化碳，最终，这些二 氧化碳将返回至表层海水。把二氧化碳封存于深层海水到二氧化碳再次出现于表层 海水所需的时间为 1000 年。图4把二氧化碳封存于深度在900米150

12、0米的两个位置达100年后，预测的二氧化碳返回至大气的时间上述两种泵已成功地抑制了大气中二氧化碳浓度的增加。海洋碳循环的数 学模型表明，如果没有上述任何一种泵的作用，大气中二氧化碳的浓度将比现 有浓度增加两倍。促进缓慢的自然过程二氧化碳从深层海水返回至表层海水的过程是漫长的。为此，二氧化碳在海洋 中的滞留时间可达 1000 年。这种漫长的残留时间促进了减缓大气中二氧化碳浓度上 升方法的开发。为什么不避开把大气中二氧化碳转移至深层海水的缓慢的自然过程， 而把二氧化碳直接注入深层海水呢？这种想法并不是新颖的，Marchetti曾在1977 年就首次提出了这种想法。Marchetti建议把二氧化碳直

13、接注入地中海的高密度海 水，当这些高密度海水流经直布罗陀海峡并溢出后，可把二氧化碳转移至大西洋深 层海水。人们最初常利用简化盒模型论证上述方法的基本原理，这些盒模型的模拟 结果表明（见图 3），当大气和海洋碳汇再次达到平衡时，尽管最终模拟结果是相 同的，即二氧化碳在海洋中的滞留时间为 1000年左右，海洋却能够把二氧化碳封存 足够长的时间，这有助于减缓化石燃料使用引起的大气二氧化碳浓度的上升速度。图 5 二氧化碳捕集装置海洋范围内的碳循环是一个复杂过程。尽管在过去 10年间，世界大洋环流实验 （WOCE）已开始了海洋度量计划，我们仍需要通过在全球海洋发生的物理、化学和 生物过程的数学模型，来获

14、得有关海洋自然碳循环的更详细资料。德国汉堡的 Max-Planck 研究所重新配置了这种全球模型，来模拟海洋不同位置的深层海水二氧 化碳点源在 1000 多年内的命运。该模型为三维模型，其模拟结果表明，二氧化碳返 回至表层海水所需的时间完全取决于封存位置；在某些位置，部分二氧化碳将在100 年内返回至海洋表面，而其他二氧化碳将与大气隔离达数百年（见图 4）。 把二氧化碳直接注入海洋是可行的方案吗？可采用成熟技术把二氧化碳直接注入深海，尽管在实践中从未尝试把二氧化碳 注入深海。这种方法可应用于单一的大规模二氧化碳源，例如典型的每年可生产约 15兆吨二氧化碳（2GWe）的火力发电站。二氧化碳的去除

15、目前，去除发电站排放气体中二氧化碳的技术已得到验证，这种技术主要利用 胺溶剂洗涤排放气体。经证实，利用这种二氧化碳隔离装置能去除 98%的二氧 化碳。最终，把压缩的二氧化碳高压气流运输至封存地点。把二氧化碳运输至注入点运送至注入点的二氧化碳的最适当形式为液体或密相气体（在72.8巴和31C 下把二氧化碳气体压缩至大于其临界点，获得浓相气体）。根据石油工程师和海洋 建筑师在 IEA 温室气体研究与开发项目的海洋封存研究组的发言，二氧化碳运输不 会带来任何新的设计问题。可通过海底管道或油轮运输二氧化碳。图 6 铺设石油管道石油和天然气工业已利用非常先进的管道技术建造了深海垂直提升器，并在海 底 1

16、600 的深度铺设管道来运输石油和天然气。而且，开展的有关阿曼至印度的管道 （深度达 3000 米）的计划研究表明，利用管道运输二氧化碳在技术上是可行的。在 美国，利用陆上管道运输二氧化碳已有多年的历史，管道长度达 800多千米；利用 管道运输的二氧化碳常用于提高石油采收率，也可利用非常类似的原理捕集二氧化碳。利用直径 1米的管道每天可运输70000吨二氧化碳，足以运输 3吉瓦的火力发 电厂排放的二氧化碳。二氧化碳的另一种运输方案是，利用油轮把二氧化碳运输至注入平台。二氧化 碳油轮的结构几乎等同于目前常用于运输液化石油（LPG）的船舶。低压冷冻常用于 减小压力需求，其设计的工作条件约-55C，压力为6巴（bars）。二氧化碳在中等深度区域的扩散为了把海洋表层水体的环境影响降至最低，至少应把二氧化碳注入海底 1500 米的深度