海洋贮藏CO2的基本知识

洋储层封存碳的速率，从而削减大气储层所承受的负荷。由于上述两种方法仍存Ocean洋储层封存碳的速率，从而削减大气储层所承受的负荷。由于上述两种方法仍存Oceanstorageofco2.IEAGreenhouseGasR&DProgramme,2002,2ndedition(revised)March2002.ISBN1898373302说明白二氧化碳海洋封存的根本原理，简要表达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争论。可通过多种方式利用自然碳储层降低人为二氧化碳排放对大气的影响。在3个主要的自然碳储层中，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，人们已开发了增加陆地碳汇的方法，例如增加造林面积，而且，人们正在验证利用自然〔地下〕储层封存二氧化碳的方法。由于海洋碳封存的过程格外简单，因此，增加海洋碳封存力量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。当不考虑是否实行额外的人为干预活动时，海洋确实是大气层中二氧化碳的主要吸取汇。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〕通过添加养分素使海洋肥化来增加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供给争取时间的途径。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争论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，国际能源署温室气体争论与开发工程组已组建了多个国际是确定需要开展的争论领域，以及确保充分利用有效信息来推想海洋肥化的利益和影响。最终，专家组重点争论41〕2〕3〕国3〕实践与试验方法。本报告供给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，是为宽阔读者供给更有效的信息，旨在促进有关海洋封存二氧化碳的争论。可从国际能源署温室气体争论与开发工程组获得专题争论小组的完整报告。图1 全球碳循环：储层〔碳，吉吨〕与通量〔碳，吉吨/年〕自然碳的海洋封存在前工业时期，在燃烧的化石燃料向大气大量排放二氧化碳之前，全球碳储层根本上保持平衡。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〔Gt〕，6〕。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280ppm370ppm。导致碳储层不平衡的缘由，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大规模使用化石燃料前碳循环状况之间的差异。图1例说明白该两种状况，同时也说明白相当于陆地和大气储层总量之和的大容量海洋碳储层。政府间气候变化特地委员会〔IPCC〕作出推测，在正常状况下，大气中二氧化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1958MaunaLoa地区和波兰南部地区的监测站，准确地测量了大气中二氧化碳浓度的增加，此后，也在很多其他监测站测量了大气中二氧化碳的浓度。这些监测数据说明，每年大气中积聚的二氧12〔3.2〕，而化石燃料燃烧排放的二氧化碳总量几乎为12〕〔尽管这些数字具有肯定的不确定性〕。假设没有海洋和陆地碳吸取汇的补偿，大气中二氧化碳的浓度将比现有浓度增加约100ppm。海洋如何吸取大气中的二氧化碳在海-气界面二氧化碳的迁移速度是快速的，尤其当强风引起混合层中携有碎pH〔约等于8〕将导致以下平衡等式从左边向右边反响：CO+HO HCO〔碳酸〕2 2 2 3HCO2 33

H++HCO-〔重碳酸盐离子〕3H++CO2-(碳酸盐离子)31%90%的二氧化碳碳，吉吨/年陆地净吸取碳，吉吨/年陆地净吸取6.3±0.41.4±0.71.7±0.53.2±0.1全球海洋较温和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力量。例如，虽然二氧化碳在深层海水中的212%。这说明白深层海水真实的碳封存力量。而且，即使深层海水储〔见以上内容〕。圆满的是，从去除大气中二氧化碳的观点来看，在大多数海疆，碳从表层海水在两种机理：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〕向南‘流经’南极洲，最终在印度洋和赤道太平洋上翻，变成表1000其次种，‘生物泵’海洋中的植物〔主要为浮游植物〕吸取表层海水中溶解的二氧化碳，通过光合70%的这种有机物质可10004900～1500100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1000而把二氧化碳直接注入深层海水呢？这种想法并不是颖的，Marchetti1977年就首次提出了这种想法。Marchetti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。结果说明〔3〕，当大气和海洋碳汇再次到达平衡时，尽管最终模拟结果是相1000图5二氧化碳捕集装置10已开头了海洋度量打算，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，来获得有关海洋自然碳循环的更具体资料。德国汉堡的化碳点源在1000100年内返回至海洋外表，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？15〔2GWe〕的火力发电站。二氧化碳的去除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〔72.831℃〕。依据石油工程师和海洋会带来任何的设计问题。可通过海底管道或油轮运输二氧化碳。图6 铺设石油管道〔3000800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。减小压力需求，其设计的工作条件约-55℃6〔bars〕。二氧化碳在中等深度区域的集中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15001500深度，其封存时间可达数百年。这一深度处于目前海底管道技术的力量范围之内。为了查明集中器显露的二氧化碳液滴的上升羽流的分布，开展了多项模拟争论。这100米范围内的海水。此后，这些含有二氧化碳的海水由于水平集中而被水流冲淡。点是，能把对海洋生物的影响降至最低。图7现代液化石油〔LPG〕运输工具；可通过类似于液化石油运输的方式运输二氧化碳把二氧化碳注入海底3000米以下液态二氧化碳的密度大于海底3000最终，限制液态二氧化碳对小面积海床的影响。二氧化碳水合物可形成类冰的二氧由于二氧化碳的注入深度较大，二氧化碳在海水中的滞留时间甚至大于上述实例中的滞留时间。台的垂直运动载荷。据估量，对于直径达1米的注入管，其最大深度有望到达海底5000固态二氧化碳的使用一种简洁有用但规律上更困难、更昂贵的方法是，制造固态二氧化碳。固态二50%43000海洋封存二氧化碳是昂贵的封存方案吗？二氧化碳的捕集本钱有关发电站烟道气体二氧化碳捕集本钱的争论说明，利用目前的捕集技术将把50%。发电本钱增加的主要缘由是，利用化学溶剂〔以及再利用〕30-50〔碳捕集为每化碳捕集技术能降低捕集本钱。图8海洋封存根本原理；该图举例说明白集中二氧化碳和把液态二氧化碳注入预定深度的方法运输本钱可从多个方面评估把液态二氧化碳运送至深海封存点的本钱，包括利用管道和油轮运输。近来在北海和地中海海底铺设的直径约0.5米的管道的本钱约160万美元/千米。假设利用这种管道运输二氧化碳，其运输力量为18000吨/天。利用这种12〔45〕，资本10%140.54同样确定了利用油轮把二氧化碳运输至平台的本钱。在平台利用垂直注入管把2世界上最大的LPG油轮运输二氧化碳的力量为220005000万美元。65022〔碳为每吨7美元〕，该本钱低于管道运输的本钱。但是，把二氧化碳运送至平台后还需花费其他额外费利用油轮运输二氧化碳的总本钱根本上与那些传统的海底管道的运输造本钱类似。关这些注入方案本钱的有效资料很少。图9 表2用于运输液态二氧化碳的油轮的特性油轮容量22000油轮容量22000设计温度-55℃设计压力6卸料站间隔500油轮时速25/小时承载时间10排放时间10油轮来回时间3二氧化碳平均封存速度7300/天害物质，如核废物。但由于海洋本身已储存了大量的二氧化碳，因此，利用海洋封存更多的二氧化碳前景宽阔。实际上，之所以建议把二氧化碳封存于海洋，其目的仅仅是为了加速目前表层海水中的二氧化碳向深层海水迁移的缓慢自然过程。加速自然过程有助于保护我们赖以生存的大气和陆地环境。不过，充分生疏二氧化碳封存对海洋的影响是很重要的。pH众所周知，二氧化碳在海水中溶解可产生重碳酸盐和碳酸盐离子，最终降低海水的pH值。海洋动物通常不能容忍它们赖以生存的海水的pH值发生变化，这也是pH值的影响有多大？对海洋生态环境又有那些影响呢？图10二氧化碳液滴羽流0.1pH〔富集二氧化碳pH值降低0.1个单位，但在其他海疆，表层海水的pH值大多随季节变化。实际上，在透光层〔海洋顶层100-200米，光线足以能维持光合作用〕以下的海水pH值的季节变化〔15ppm/十进制〕假设以现0.015/十进制。这本身就能对海洋富有的表层海水的将来生态环境产生重大影响。二氧化碳注入点四周海水的pH值变化pH〔130/秒二氧化碳的pH最简洁状况是通过单独集中器注入全部液态二氧化碳，最终形成二溶液横向集中进入四周〔成层〕11。模拟争论结果说明，注入点数千米范围内海水的pH值由原来的7.8降低约1pH海相环境的影响是最低的。图11二氧化碳羽流引起海水pH在500~1000米深海中浮游〔如浮游或游动生物〔底栖生物〕。通过在更大深度的海底形成液态二氧化碳或水合物范围内的生物受到的影响是严峻的。二氧化碳注入点的影响范围pHpHpH的生殖和生长速度。人们对这些浮游生物的纵向或者日、季节性迁移尤为关注，由于pH物〔例如乌贼〕对海水pH值变化的承受力量，远低于低活动性物种，例如在海相沉积层中生存的蠕虫动物。需要更多信息为了充分生疏海水pH1500海洋封存二氧化碳能否获得许可把二氧化碳封存于海洋受多项法律和政策限制。很多国家同意签署《1972伦敦1996通过船舶或平台向海洋倾倒除‘许可的’物质之外的全部废物。依据《联合国海洋法公约》的规定，沿海国家有责任掌握和治理他们专属经济海疆内管道的排泄物。完全确定环境影响范围为止。这将在很大程度上限制海洋二氧化碳的封存，尤其是由于海洋生态的简单性〔特别是生物多样性等方面〕和海洋生物的日、季节迁移模充分生疏在不同环境领域下的相对影响并最终找到最正确的缓解方案，将需要更多有关不同缓解方案及其相关领域的优质信息。二氧化碳是自然存在的产物。由于海洋碳储层的规模格外大，因此，二氧化碳人类更加依靠于良好的海洋生态系统。此外，把二氧化碳直接注入深海不会产生的自然进程，仅会加速现有缓慢的自然进程，所以，把二氧化碳注入深海可缓解气候变化涉及的一些风险。要的。优先开展的争论鉴于海洋对全球气候变化具有调整作用，应充分生疏海洋调整全球气候的各种方式。大多数海疆为国际共管海疆，由于开展海洋调查的本钱很高，为此，国际上有很多联合开展海洋争论的实例。在开展海洋争论的过程中应考虑海洋二氧化碳封存的概念，充分利用现有争论打算并力求结合国际框架中全部近来的争论成果格外重要。国际地圈生物圈打算和世界气候争论打算这些专题工程旨在说明海洋在大气二氧化碳浓度调整方面所起的作用。这些争论打算与通过海洋封存额外二氧化碳的想法之间存在实质性关系。此外，应结合全部有关二氧化碳封存对海洋生态影响的争论的成果。目前这种结合是相对少的，需要优先开展这一领域的争论。3全球和区域海洋模型的开发和比照：――确定海洋封存的有效性和利益；――鉴别最正确的封存场地；――确定封存力量。碳封存方案的本钱；目前，在上述全部优选地区正在开展这些争论。海洋模型海洋模拟是在适当时间尺度〔例如数世纪〕上评价增加海洋二氧化碳封存力量但仍需使开展海洋模拟的争论者信任，具体检验增加封存力量的理念是有必要的。为了实现这一目标，国际能源署温室气体争论与开发工程正在为欧盟争论打算GOSAC〔3-D〕全球海洋模型。通过完成这些附加工作，可增加我们模拟推测深海二氧化碳封存效率的置信度，并能获得多个位置的模拟结果。最终，需要开展区域和流域尺度模拟打算，同时，需要连续为能供给有效模拟数据的海洋测量打算供给资金支持。实践试验通过模型模拟评价了当含有二氧化碳羽流的海水集中时海水发生的化学变化。型进展验证。这将需要在试验室和海洋开展主要的试验争论打算。小规模释放。生物数据在制定任何海洋封存打算之前，都需要开展环境影响评价。这就迫使需要开展各种层次的争论工作来改善学问库。争论工作的范围包括，从开展有关海洋动物对海水二氧化碳浓度上升的生理响应的根底试验室工作，到开展有关海洋群落构造受到影响的野外试验。在开展争论时必需考虑浮游物种和底栖物种。在上述领域正在开展一些争论工作，但仍需要开展一些合理和相应的打算。最终，有可能需要在涉及的环境中开展主要野外试验，例如海湾。争论价值专家组确定，在一些关键领域仍缺乏根底数据。开展类似于上述的争论工作将利益和风险，从而把海洋封存与其他防止大气二氧化碳浓度上升的方案相比较。结论与陆地和大气碳储层相比，海洋碳储层在封存大气中二氧化碳方面具有巨大的2/年的速率自然吸取10%。全球海洋模拟争论推测，在选择的注入点把二氧化碳注入海洋中深度大于10001000的大气二氧化碳浓度到达预