综述｜海洋碳封存技术：现状、问题与未来

摘要 : 过度使用化石能源致使过量排放以CO2为主的温室气体 , 并增强全球气候变暖的趋势 。碳封存是有效缓解大气中CO2浓度激增的重要手段 。海洋碳封存是一种新兴的碳减排理念 , 其封存主体是海洋水柱和海底沉积物 , 它们不但封存潜力巨大 , 而且与陆地碳封存相比安全性更高 。阐述了海洋碳封存的技术原理与封存机制、海洋碳封存的潜力与封存时间、影响海洋碳封存的主要因素、海上CO2注入技术 、CO2泄漏对海洋生物的影响以及CO2泄漏的监测技术等，并对未来海洋碳封存的发展前景进行了展望，指出了未来海洋碳封存技术的主要研究热点 。

关键词 : 碳封存；海洋水柱；海底沉积物；CO2泄漏的监测技术

1. 引言

工业革命以来因大量使用化石能源致使大气中CO2浓度激增。据IPCC第五次评估报告，大气中CO2浓度从1750年到2011年由278滋g/g增至390.5滋g/g，相当于大气中增加了(240依10)PgC。Arce等对大气中CO2的估值则更高,认为到2100年大气中CO2浓度会增至工业革命前的4倍。作为主要温室气体的CO2过量排放已使全球气温激增，并引起冰雪融化、海平面上升和物种灭绝等严重后果。显然，控制大气中CO2浓度已成为全人类共同面对的棘手问题。解决该问题的途径一是减少碳排放，二是增加碳汇。碳减排包括提高能源利用效率和向低碳能源结构转变等。然而,至少至21世纪中叶，一次能源供给仍将以化石能源为主。故从能源结构看，碳捕获和碳封存(Carbon Capture and Storage，CCS)技术可能是增加碳汇，控制大气中CO2浓度最重要、最有效的方法之一。

CCS技术复杂多样,主要包括生物固碳、海洋碳封存、陆地碳封存、碳矿化和工业利用CO2等技术。生物固碳是通过强化具有光合能力的生物吸收CO2并将其转变成初级生产力的能力来实现。如海洋施肥原理就是通过向营养素贫化的海域添加受限的营养素来提高初级生产力,达到增加海洋生物固碳能力的目的。类似地,向海洋投放诸如橄榄岩粉可提高海洋吸收CO2的能力。陆地碳封存是将CO2注入到具有封存能力的地层,并通过致密盖层的封堵来抑制CO2逃逸,或结合物理—化学原理将CO2捕获并封存于储层。陆地碳封存主要储层为深部咸水层,枯竭油气田、深部不可采煤层和盐洞等。其中利用CO2提高油气采收率已发展成一项应用广泛的成熟开采技术,但因其主要目的是提高油气采收率,故CO2封存量少、封存时间短,且可能会从钻井中泄漏出来。深部咸水层在陆上和海上均有分布,很少受地域限制,碳封存潜力巨大;此类碳封存项目也较多,是我国碳封存的重点。

然而,陆地碳封存具有较高的泄漏风险,并极易进入地下水和土壤,破坏生态平衡。虽然海洋碳封存与陆地碳封存相比其技术还不成熟,但其碳封存潜力巨大,且可消除其他碳封存方法易引起的多种担忧,具有明显的优势。表1列出了多个国家在不同类型储层已实施或正在实施的10个国际碳封存项目。本文将重点阐述海洋碳封存技术的研究现状和存在问题,并对该领域的发展前景进行展望。

表1 主要国际碳封存项目