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星期五的地質

2016-07-08

二氧化碳封存的終極選擇 – 玄武岩?

文字:林立虹 (台灣大學地質科學系;lhlin@ntu.edu.tw)

文明的進展與石化燃料的利用是息息相關的;雖然我們藉由充足的能源供應,享受了生活種種的便利,卻也因此付出了發展的代價與面臨重要的抉擇。冰岩心的紀錄顯示,自工業革命以降,大氣溫室氣體濃度便快速的上升,這樣的關聯性,指示了我們所面臨的溫室效應與石化燃料的利用息息相關。於許多氣象站的觀測,更顯示了現今大氣二氧化碳與甲烷濃度已經或即將超越 400 ppm 與 2 ppm,而溫室氣體濃度快速增加的趨勢,於未來的數十年只會更形加劇。雖然這樣的溫室效應,相較於地球曾經經歷的溫度變化,是微不足道的 (例如 5,500 萬年前的海洋平均溫度即比今日海洋平均溫度高了 5–9 度),然而現今龐大的人口數量,並未曾發生於過去的地球,如何因應可預見的溫度上升,以維持人類的永續發展,則成為近年來政治、經濟、社會與科學各領域中,無論是於實務應用或是研究的重要議題。

於減緩溫室效應的諸多策略中,不脫兩大類型的思考,其一是減少對石化燃料的依賴,另一則是減少大氣溫室氣體的濃度或排放。除了發展再生或綠色能源,得以主動減少利用石化燃料所造成的溫室氣體排放之外,封存能源生產過程中產生的溫室氣體 (一般而言是指二氧化碳) 於地層或海洋中,也是一個重要的輔助手段,甚至得以藉此調控生產能源付出的額外代價。然而地層或海洋封存令人產生最大的疑慮,即在於封存的二氧化碳是否得以長時間 (千年尺度以上)、穩定的存在於目標地層或深海中;在這樣的考慮下,封閉地層 (例如已經枯竭的油氣儲存層) 通常是被認為較好的選擇。由於灌注的流體為臨界狀態的二氧化碳,因此其因為密度差所造成的浮力遷移 (buoyant transport)、蓋層 (cap formation) 的封閉性、甚至蓋層受到地震所產生的洩漏風險,都需要詳細的評估與測試,方足以達成原先規劃的封存目標。另一種可能有效的封存方式,則是藉由灌注溶解態二氧化碳至地下水層,並與岩石反應產生碳酸鹽沉澱,將二氧化碳固結於礦物中。由於碳酸鹽礦物於絕大部分的近地表環境是穩定的,因此透過此機制可以達到長時間尺度碳封存的目的。然而碳酸鹽的沉澱需要二價金屬離子 (Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+) 的參與,因此絕大部分的沉積地層或油氣儲庫,皆不屬於合適的封存目標地層。佔據陸地表面 10% 的玄武質或超基性岩石,由於其二價金屬離子的含量豐富,可達總重 25% (對應至其氧化物) 以上,則成為此碳封存途徑的高潛力目標。

有鑑於有效碳封存的需求與潛力,冰島於 2007 年啟動了一個名為 CarbFix 的計畫 (https://www.or.is/english/carbfix-project),目標即為透過選擇適當的地層,進行永久碳封存的評估與先導測試。冰島火山廣布,具有豐沛的地熱資源,全國近 27% 的電力需求來自地熱發電 (其餘大都為水力發電),其地質的特性,更足以提供大量的玄武質材料作為碳封存的目標地層。這計畫於 Hellisheidi 地熱電廠周遭,鑽了十餘口從數十至二千公尺深的井,作為二氧化碳的灌注或監測所需。此電廠發電容量為近 300 MW,每年排放近 60,000 噸的二氧化碳。於 2012 年的先導灌注實驗,進行兩階段的灌注,其中於第一階段灌注 175 噸 100% 的 CO2 ,第二階段則灌注 73 噸 CO2/H2S 的混合 (其中含 55 噸二氧化碳);兩種類型灌注物的考量,在於此地熱電廠的發電產物,並不全然為二氧化碳,還包含了大量的 H2S 與微量的 H2 與其他稀有氣體;若於灌注前進行二氧化碳的純化,將造成碳封存的成本大幅增加,因此混合物的灌注將有助於了解電廠排放出的氣體,經由部分的脫硫與捕捉後,永久封存的潛力為何。灌注的目標地層深度介於 400 至 800 公尺深,主要由 40 萬年以內的玄武質熔岩所構成,其形成時的初始孔隙度為 5–40%,而後期的換質作用將其降低至 1–10%。灌注前含水層的地下水為無氧的、溫度介於 20–33 度、pH 介於 8.4–9.4、溶解態二氧化碳濃度約為 1.5 mM。含水層上、下地層皆為低滲透率的 hyaloclastite (“broken glass") 所構成。

灌注的過程是將二氧化碳與由其他井所抽出的地下水相混合,使二氧化碳得以完全的溶解,同時添加 14C-HCO3–、SF6、SF5CF3 做為示蹤劑至混合的流體,再灌注至目標地層。初始灌注流體的溶解態二氧化碳濃度為 0.43–0.82 M,pH 則介於 3.85–4.03。透過位於地下水流徑下游 70 公尺的監測井的樣本收集與示蹤劑測量,可發現灌注流體約於灌注 56–58 天後到達監測井的位置,伴隨示蹤劑的 “異常" 訊號,還可觀察到 pH 的下降與溶解態二氧化碳濃度的上升至約 5 mM。隨著時間的演進,無論是 pH 或溶解態二氧化碳濃度皆回復至較為接近灌注前的初始特徵。透過質量平衡的計算,顯示初始灌注 0.43–0.82 M 的二氧化碳,於不到一年的時間,95% 以上的灌注二氧化碳皆 “消失" 了。

造成這樣大量灌注二氧化碳濃度的降低,最為可能的機制便為灌注流體 (低 pH) 與玄武質岩石反應,溶解出大量的二價離子,這些離子與溶解態二氧化碳的濃度,相對於於碳酸鹽礦物,是過飽和或飽和的狀態,因而沉澱出以方解石為主的碳酸鹽礦物。於灌注實驗結束後,發現監測井中的水下幫浦上,覆蓋了方解石的沉澱,其 14C 的活度亦與灌注流體的特徵相符;這些礦物與化學特徵皆支持了岩石與灌注流體的快速反應,足以達成了有效、長時間的碳封存。

CarbFix 計畫的野外尺度先導研究,顯示了玄武質岩石與溶解態二氧化碳的反應,足以快速的將二氧化碳封存於地層中,減緩大氣溫室二氧化碳的濃度。然而目前先導測試僅灌注了該電廠總排放量約 0.3% 的二氧化碳,同時灌注流體 (含水及二氧化碳) 的速度也僅及 2 L/s ,因此要滿足電廠溫室氣體零排放的目標,仍需進行更大規模或尺度的灌注測試,才足以驗證。另外,岩石與灌注流體反應產生的碳酸鹽沉澱與黏土礦物,是會導致孔隙的堵塞,減少玄武質岩石碳封存的速度與容量;根據這些反應所做的模擬運算,反應後的岩石與礦物體積是大於反應前的體積,是否因此改變岩石的力學性質,而影響蓋層的封阻特性仍待驗證。由此先導測試所獲得的參數進行估算,灌注每噸二氧化碳的成本約為 17 美元,這項估算仍未考慮二氧化碳的捕捉與純化。因此雖然這種機制提供了高穩定度的碳封存,然而碳稅的高低可能是決定這項機制是否能夠更廣泛應用的關鍵。最後,台灣是否具備利用這種機制進行碳封存的潛力?也許設定離島二氧化碳零排放目標,輔以離島的地質特性,是有可能實現先導的測試規劃。冰島經歷了幾近破產的金融風暴,首度打進歐洲盃八強,它迷人、特殊的地質條件,也提供了對抗溫室效應的重要借鏡。

主題資料來源:

Matter et al. (2016) Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions. Science, 352, 1312-1314. http://science.sciencemag.org/content/352/6291/1312
其他參考資料: Alfredsson (2013) The geology and water chemistry of the Hellisheidi, SW-Iceland carbon storage site.International Journal of Greenhouse Gas Control, 12, 399–418. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1750583612002952
Siqurdur et al. (2014) Carbon storage in basalt. Science, 344, 373-374. http://science.sciencemag.org/content/344/6182/373

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