文章题目：Advances in Subsea Carbon Dioxide Utilization and Storages

关键词：Subsea; CO2 storage and utilization; CO2 hydrate; economic evaluation; technical challenges

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000032

(资料图片)

近日， 德国克劳斯塔尔工业大学Yachen Xie副研究员和Michael Z. Hou教授团队在Energy Reviews发表文章“Advances in Subsea Carbon Dioxide Utilization and Storage”, 该文章详细分析了深海碳储存和利用的前景，指出尽管存在泄漏和污染等风险，但通过监测技术的创新和天然气水合物的自封效应，可以实现安全的二氧化碳深海利用和储存。此外，考虑到可再生能源的发展和大规模储能的需求，将氢气、氨或其他能源载体和二氧化碳的储存和利用耦合到产业链中，形成具有经济竞争力的碳地质储存模式。

01内容简介

1. Introduction （前言）

2. SCUS mechanism （深海二氧化碳利用和储存机制）

2.1. CO2 storage in different form （不同形式的二氧化碳储存）

2.1.1. Supercritical CO2 （超临界二氧化碳）

2.1.2. Liquid CO2 （液态二氧化碳）

2.1.3. CO2 hydrate （二氧化碳水合物）

2.1.4. Mineral carbonation （矿物碳化）

2.2. CO2 utilization （二氧化碳利用）

2.2.1. CO2 enhanced oil/gas recovery （二氧化碳提高油气采收率）

2.2.2. CO2 displacement of natural gas hydrate （天然气水合物的二氧化碳置换）

3. Research status and trends of SCUS （SCUS的研究现状和发展趋势）

3.1. Policy and regulatory frameworks （政策和监管）

3.2. Security and environmental impact （安全和环境）

3.2.1. CO2 leakage （二氧化碳泄漏）

3.2.2. Monitoring technologies （监控技术）

3.2.3. Environmental impact （环境影响）

3.3. Economic evaluation （经济评估）

3.3.1. Capture （捕获）

3.3.2. Transport （传输）

3.3.3. Storage （存储）

3.3.4. Cost-saving coupled renewable energy and energy storage （节约型可再生能源与储能相结合）

4. Global engineering progress of SCUS （SCUS的全球工程进展）

4.1. Europe （欧洲）

4.1.1. Norway （挪威）

4.1.2. UK （英国）

4.1.3. Iceland （冰岛）

4.1.4. Netherlands （荷兰）

4.2. Asia-Pacific （亚太地区）

4.2.1. China （中国）

4.2.2. Japan （日本）

4.2.3. Australia （澳大利亚）

4.2.4. South Korea （韩国）

4.3. America （美洲）

4.3.1. USA （美国）

4.3.2. Others （其他地区）

5. Potential and perspectives of SCUS in China （SCUS在中国的潜力和前景）

6. Conclusions （结论）

02内容亮点1、作为减少碳排放的一种有效方法，深海二氧化碳储存和利用能够通过管道或船只将捕获的二氧化碳运输到永久性储存点，例如含盐含水层或深海沉积物中枯竭的石油和天然气储藏，或注入二氧化碳来置换深海资源（石油、天然气、天然气水合物等）；2、随着能源转型的大力实施和全球可再生能源的快速发展，深海二氧化碳的利用和储存取得了重大进展。本文概述了二氧化碳在深海的储存和利用机制，分析了关键的技术和经济问题，以及现有的安全风险、监测技术等方面的研究；3、结合中国的实际情况，本文展望了中国深海碳储存与利用的潜力和趋势。本文表明深海碳储存和利用的巨大发展前景，尽管仍然存在一些风险，例如泄漏和污染，但通过监测技术的创新以及天然气水合物的自封效应，可以实现安全的二氧化碳深海利用和储存；4、考虑到可再生能源的发展和大规模储能的需求，可以将氢气、氨或其他能源载体和二氧化碳的储存和利用耦合到产业链中，形成具有经济竞争力的碳地质储存模式。03内容导读

碳捕获、利用和碳储存被认为是稳定甚至降低大气中人为二氧化碳浓度的一种很有前途的选择。近海的碳固存使二氧化碳能够以液体或水合物的形式直接储存在深海，还可以储存在深海的地质结构中(含盐含水层、枯竭的石油和天然气储藏等)。尽管陆上盆地是必不可少的，但近海油田提供了相当大的产能和作业效益。考虑到海上油田的位置远离人口中心，海上油田应该具有特殊价值，从而降低社会风险，减少饮用水资源保护问题。

构造封存、残余封存、溶解封存和矿物封存是陆相地层中CO2的储存机制。构造封存是指二氧化碳在深层盐岩地层和枯竭的油气藏中聚集，注入的CO2通常向上移动，但由于盖层的存在，可以有效地避免CO2泄漏。残余封存涉及二氧化碳和水的运输：作为二氧化碳注入的反应，孔隙的水饱和度将下降，而二氧化碳饱和度上升，导致二氧化碳被困在岩石颗粒之间的孔隙和孔喉空间。在溶解封存中，注入的二氧化碳的一部分将溶解到盐水中，从而导致溶解度封存，水的盐度、储层温度和压力决定了溶解度封存情况。矿物封存是一种地球化学反应过程，在这个过程中，溶解的二氧化碳启动与地层岩石矿物的反应，从而形成碳酸盐矿物。

天然气水合物是由水和气体分子(甲烷、乙烷等)组成的多面体笼状晶体，天然气水合物广泛分布在多年冻土和深水地区(>500m)。由于储量丰富、能量密度高，天然气水合物是一种具有巨大潜力的清洁能源。二氧化碳置换天然气水合物方法是由Ebinuma在1993年首次提出的，它利用了甲烷水合物和二氧化碳水合物具有不同相平衡条件的事实。

二氧化碳置换天然气水合物涉及一个复杂的物理相行为过程，注入的气体分子和水合物分子需要达到平衡状态才能形成多相和多组分的混合物，这是该过程成功所必需的，并允许注入二氧化碳置换甲烷，然后以水合物的形式被困住。与常规开采方法(注热、降压、注入化学缓蚀剂或联合开采)相比，二氧化碳置换法被认为更安全、更稳定。这种方法的主要优点是允许在深海沉积物中储存二氧化碳，同时与水合物在沉积物孔隙中保持胶结作用，有助于防止或减少因水合物解离而导致的储层胶结作用减弱，保持储层的相对稳定。此外，这种方法还有利于减少温室气体排放并将其永久储存。在部分大型笼子中，二氧化碳分子可以作为甲烷分子的直接替代品。另一方面，甲烷-二氧化碳混合水合物可能是基于二氧化碳、甲烷分子和水生成的。由于其密度和其他因素，部分二氧化碳上升并形成盖层，这最终形成了一种封存结构，为开采水合物提供了一种安全的方法，并确保了二氧化碳的稳定储存。

04重要结论

深海二氧化碳储存和利用将在全球实施碳捕获、利用和储存方面发挥关键作用，尽管存在一些技术和操作上的差距，但实施深海二氧化碳储存和利用可促进许多国家和行业早日实现脱碳。此外，可再生能源和能源储存的灵活组合可以使深海二氧化碳储存成为沿海碳排放量高并拥有大量海上储存能力国家的一个有利可图的行业。      1、构造封存、溶解封存和矿物封存是导致含盐含水层、枯竭碳氢化合物储集层和矿化储存中CO2储集高成熟度的原因。同样，与之相对应的主要利用技术有CO2-EOR和CO2-EGR，而二氧化碳置换天然气水合物也被认为是一种潜在的碳利用技术。总体而言，全球深海二氧化碳储存和利用的潜力是巨大的，特别是对于碳排放量很大的沿海地区；       2、二氧化碳泄漏对深海的环境和生态影响目前仍是一个主要问题，而依靠二氧化碳水合物的自密封优势和远程监控技术，可以确保二氧化碳储存的足够安全；      3、成本问题是限制大规模实施深海二氧化碳储存的主要障碍，而碳价格的上涨也提升了该项目的可行性和经济性。发展可再生能源是解决这一挑战的办法，即通过建立以可再生能源和碳循环经济为重点的国际全产业链耦合模式。以氢气和氨气为代表，将制氢过程中产生的二氧化碳或从其他国家运输来的二氧化碳储存在深海，从而有效地降低成本，形成一种新的模式--“深海CCUS+可再生能源”和“深海CCUS+储能”；      4、中国的海上储存潜力也是巨大的，粗略估计有近2,500GT。此外，中国沿海地区充足的碳源和碳汇能力具有较好的兼容性，含盐含水层和枯竭油气藏是短期内的主要储存目标。在碳利用方面，考虑到中国巨大的天然气水合物储量，除了二氧化碳提高油气采收率外，利用二氧化碳置换天然气水合物也是一个非常有前途的利用。

通讯作者简介：

Michael Z. Hou，德国克劳斯塔尔工业大学教授，下萨克森州能源研究中心岩石力学教研主任、中德能源研究中心德方首席，德国克劳斯塔尔工业大学中国事务员。主要从事地下洁净能源开发、非常规天然气和深部地热的水力压裂技术，天然气、高压风及战略石油和可再生能源的大规模地下储存，地下空间综合利用，CO2地下封存和利用等方面的研究。主编国际论文集3部，出版专著9本，发表SCI和EI收录论文100多篇，是6期SCI杂志和1期EI杂志的特邀主编，1本SCI杂志、3本EI杂志编委和20多个SCI杂志的特约审稿人。  

引用信息：

Jiashun Luo, Yachen Xie, Michael Z. Hou, Ying Xiong, Xunning Wu, Christian Truitt Lüddeke, Liangchao Huang, "Advances in subsea carbon dioxide utilization and storage", Energy Reviews, 2, 2023, 100016. 

《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术;化石能源低碳利用与CCUS;氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用;  能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。

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