海洋贮藏CO2的基本知识

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。

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 2 + H 2O
H 2CO 3（碳酸） H 2CO 3
H ⎽+ + HCO 3-（重碳酸盐离子） HCO 3-H ⎽+ + CO 32- (碳酸盐离子)
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
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～1500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
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31℃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1600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-55℃，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。

模型研究结果表明，通过仔细选择注入位置，把二氧化碳注入1500米的深度，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能力范围之内。

为了查明扩散器显露的二氧化碳液滴的上升羽流的分布，开展了多项模拟研究。

这些模拟结果表明，通过适当地设计扩散器，所有二氧化碳都将溶解于注射器以上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扩散而被水流冲淡。

使含有二氧化碳的海水更快速扩散的方法包括，通过在移动船舶上装配的注入管注入二氧化碳。

利用固定的扩散器可获得类似的二氧化碳封存时间，而其最大优点是，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米以下海水的密度。

为此，可以利用另一种方法分散注入的二氧化碳，从而在海床海沟或凹地中形成液态二氧化碳的海底储层，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化碳与水的混合物，这些混合物能明显降低上覆海水中二氧化碳的溶解速度。

最终，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。

在平台上装配的垂直注入管必须达到二氧化碳的注入深度。

由于仅注入管顶部支撑其全部重量，所以，注入管顶部的轴向强度必须能承受其本身的全部重量和平台的垂直运动载荷。

据估计，对于直径达1米的注入管，其最大深度有望达到海底5000米。

固态二氧化碳的使用
一种简单实用但逻辑上更困难、更昂贵的方法是，制造固态二氧化碳。

固态二氧化碳的密度为1.5吨/立方米，这些固态二氧化碳能快速沉入海底。

如果把固态二氧化碳成块抛入海底，这些固态二氧化碳能够直接进入海底沉积层。

日本通过实际测试完成的热传递计算结果表明，50%的4米见方的固态二氧化碳块体在自由下落至海底3000米深度时，仍能保持结构完整。

海洋封存二氧化碳是昂贵的封存方案吗？
二氧化碳的捕集成本
有关发电站烟道气体二氧化碳捕集成本的研究表明，利用目前的捕集技术将把发电成本增加约50%。

发电成本增加的主要原因是，利用化学溶剂（以及再利用）捕集二氧化碳将消耗大量能量。

通过压缩可避免二氧化碳的排放，例如，防止二氧化碳释放进入大气。

据估计，二氧化碳的捕集成本为每吨30-50美元（碳捕集为每吨110-180美元）,这主要取决于发电厂和燃料的种类。

但利用更先进的发电和二氧化碳捕集技术能降低捕集成本。

图 8 海洋封存基本原理；该图举例说明了扩散二氧化碳和把液态二氧化碳注入预定深度的方法
运输成本
可从多个方面评估把液态二氧化碳运送至深海封存点的成本，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米的管道的成本约160万美元/千米。

如果利用这种管道运输二氧化碳，其运输能力为18000吨/天。

利用这种管道把二氧化碳运输500千米的成本约为每吨12美元（碳为每吨45美元），资本成本为10%。

增大运输管道的直径可获得更大的运输能力。

利用直径1米的管道运输二氧化碳的能力，约为直径0.5米管道运输能力的4倍，但其运输成本比直径0.5米管道的运输成本少4倍。

同样确定了利用油轮把二氧化碳运输至平台的成本。

在平台利用垂直注入管把液态二氧化碳注入深海。

表2提供了利用油轮运输二氧化碳的实例。

到目前为止，世界上最大的LPG油轮运输二氧化碳的能力为22000立方米，其造价为5000万美元。

对于总装机容量650兆瓦的火力发电站而言，其产生的二氧化碳需要用两艘这种油轮运输。

表2列举了这种油轮的主要性能。

因此，利用这种油轮运输二氧化碳的成本约为每吨2美元（碳为每吨7美元），该成本低于管道运输的成本。

但是，把二氧化碳运送至平台后还需花费其他额外费用，包括港口二氧化碳储罐成本、平台建造成本、垂直注入管及其运行成本。

为此，利用油轮运输二氧化碳的总成本基本上与那些传统的海底管道的运输造成本类似。

通过移动油轮上的垂直注入管把二氧化碳注入深海的成本大致与固定垂直注入管的成本相等，但生产固态二氧化碳块体或抛射体的成本也许是极高的。

目前，有关这些注入方案成本的有效资料很少。

图 9 其他运输液态气体的方法——LNG运输设备
表 2 用于运输液态二氧化碳的油轮的特性
海相环境影响
利用海洋储存废弃物的前景一直是人们所关注的。

当前，禁止向海洋倾倒有害物质，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广阔。

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，充分认识二氧化碳封存对海洋的影响是很重要的。

海水pH值变化
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，这也是人们公认的。

然而，把二氧化碳封存于海洋对海水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
随着大气中二氧化碳浓度的不断增加，海洋表层海水中溶解无机碳（DIC）的浓度已高于前工业时期。

据统计，由于大气中二氧化碳的浓度自前工业时期以来不断增加，海洋表层海水的pH值约下降了0.1个pH值单位。

北大西洋的‘春回大地’和北太平洋深层海水（富集二氧化碳）的冬季上涌，也能够把表层海水的pH值降低0.1个单位，但在其他海域，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值的季节变化通常非常小。

统计结果也表明，大气中二氧化碳的浓度（15ppm/十进制）如果以现有速率增长，将引起表层海水的pH值下降0.015个单位/十进制。

这本身就能对海洋富饶的表层海水的未来生态环境产生重大影响。

二氧化碳注入点周围海水的pH值变化
最近开展的近场模拟研究确定了液态二氧化碳注入点附近海水pH值的变化。

该研究预测了在以500兆瓦火力发电厂（二氧化碳的产量为130千克/秒）二氧化碳的生产速率相等的速率持续注入二氧化碳时，注入点周围海水pH值的稳态变化。

该模拟研究假定的最简单情况是通过单独扩散器注入所有液态二氧化碳，最终形成二氧化碳液滴羽流。

如图10所示，当二氧化碳溶解后液滴羽流上升，饱和的二氧化碳溶液横向扩散进入周围（成层）海水。

模拟结果详见图11。

模拟研究结果表明，注入点数千米范围内海水的pH值由原来的7.8降低约1个单位，这对海洋生物造成了一定影响。

然而，研究结果也表明，通过利用一定的方法可大大降低近场环境受到的影响。

例如通过二氧化碳在海水中大范围扩散，最终降低所有海洋注入点的二氧化碳负荷。

对应的工程设计应包括，增加把二氧化碳注入深海的单个排放点的数量。

经检验的其他技术包括，通过固定在移动油轮上的垂直注入管注入液态二氧化碳。

这种技术和通过水柱把固态二氧化碳块体投入海洋的方法，均为扩散二氧化碳和降低海水pH值变化的有效手段。

所以，这两种方法对海相环境的影响是最低的。

图 11 二氧化碳羽流引起海水pH值下降
在500~1000米深海中浮游生物的数量（如浮游或游动生物）最多。

在该深度以下区域，浮游生物的数量随深度按指数规律减少，虽然在海底或附近区域也生存着大量的生物群体（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储层，把对海相生物的影响限制于海底小面积范围内的底栖生物。

然而，该小面积范围内的生物受到的影响是严重的。

二氧化碳注入点的影响范围
尽管我们确信，有可能把二氧化碳注入对海水pH值的影响降至最低。

但是，海水pH值即使发生非常小的变化，也能够对海洋动物产生亚致死效应。

如果海水pH值在一定时期内发生变化，将对整个海洋生态环境产生影响，例如，降低浮游生物的繁殖和生长速度。

人们对这些浮游生物的纵向或者日、季节性迁移尤为关注，因为pH值较低的水域能对这种进程产生生理屏障。

经证实，新陈代
谢速度高的浮游生物（例如乌贼）对海水pH值变化的承受能力，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
为了充分认识海水pH值变化造成的所有可能影响，需要更多的基础数据和观测数据。

利用一种能把海水pH值变化对浮游生物的影响降至最低的预防方法，可限制二氧化碳向深度大于1500米的海域扩散。

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。

许多国家同意签署《1972伦敦公约》，该公约禁止向海洋倾倒工业废物。

《1972伦敦公约〈1996议定书〉》禁止通过船舶或平台向海洋倾倒除‘许可的’物质之外的所有废物。

根据《联合国海洋法公约》的规定，沿海国家有责任控制和管理他们专属经济海域内管道的排泄物。

此外，沿海国家应严格应用‘预先防范原则’，以防止对环境造成潜在危害，直到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，尤其是因为海洋生态的复杂性（特别是生物多样性等方面）和海洋生物的日、季节迁移模式。

然而，‘预先防范原则’同样也适用于预测大气二氧化碳浓度增加的不利影响。

充分认识在不同环境领域下的相对影响并最终找到最佳的缓解方案，将需要更多有关不同缓解方案及其相关领域的优质信息。

二氧化碳是天然存在的产物。

由于海洋碳储层的规模非常大，因此，二氧化碳对海洋环境的整体影响非常小。

此外，认识到目前向大气排放的二氧化碳已通过海-气界面交换间接进入表层海水，尤为重要。

海-气界面交换这种逐渐平衡过程本身就存在风险，因为表层海水比深层海水能够孕育更多的海洋生物。

鉴于此和其他原因，人类更加依赖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新的自然进程，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。

所以，有关把额外的二氧化碳注入深海的争论异常激烈，但为了使采用控制大气二氧化碳浓度上升的有效方法的理念赢得认可，需要获得更详细的信息。

尤其应提出有关海洋封存优势的令人心悦诚服的证据。

这将需要进一步开展研究来获得所需信息，并最终对缓解方法的安全性和可行性进行实践论证。

在表述和评价这种研究计划时考虑广泛感兴趣团体的意见，以及公开讨论该项工作的成果，将是非常重要的。

优先开展的研究。