天然气水合物海上储运作业系统链示意图（图片来源：中国台湾能源期刊第一卷第一期p.60, 2013） 落实「2025非核家园」政策， *** 已规划2025年再生能源发电量占比达20％，并搭配50％天然气与30％煤的使用，有别于目前石油占国内能源使用的大宗。这意味着不久的将来，天然气将成为国内使用的重点能源，因此天然气的储存成为重要课题。 另外，尽管再生能源的大幅提升使每度电的二氧化碳排放预计下降26％，但由于80％的能源仍然来自化石燃料，预估2025年每度电排放量仍高达0.394公斤。 因此，本文将谈谈天然气的储存与运输和二氧化碳的封存，以及气体水合物在这两个问题上可能的应用。 天然气水合物 天然气水合物是气体水合物的一种，埋藏于深海或极地永冻层中，是由天然气在低温高压环境下受挤压与水形成的固体结晶，外观与冰相似。天然气水合物具有相当大的储气能力，在标准温度压力下，1立方公尺的天然气水合物可储存本身体积150～180倍的天然气。此外，天然气水合物所释放的天然气燃烧后，比起传统化石燃料只产生少量的二氧化碳，也不产生如二氧化硫的有害气体，因此受到瞩目。 全球地层所蕴藏天然气水合物中的碳埋藏量，约为全世界石油、天然气、煤等传统化石燃料埋藏量的两倍以上，具有开发的潜力。因此，各主要国家都已投入天然气水合物的开发研究，期望早日量产以取代传统化石燃料。 以开采试验为例，美国、大陆、日本、加拿大等都已成功自极地冻土层或海洋地层中开采出天然气水合物的现地样本。此外，以水合物方式进行气体储存的技术也普遍受到讨论。 随着全球暖化、温室效应日益严重，为了减少二氧化碳排放，科学家提出许多可能的减量方案，碳捕获与封存技术是其中之一。但如何克服成本、降低对环境影响是目前最大的挑战。天然气水合物赋存矿区的环境条件，也能够形成安定的二氧化碳水合物。因此，把捕获的二氧化碳以水合物的形式封存于海床下，可能是未来二氧化碳长期封存的选项之一。 天然气储存与运输 传统上，天然气自地层开采后以气体存在，经纯化处理后，利用超低温冷冻程序，在大气压力下把温度降至摄氏零下162度，转换成液态天然气储存，可大幅减少体积。液化后的天然气由海上的液化天然气船运输到国内港口，再储存于港口储存槽，并经降压气化后以管路或车辆输送至需求端。这样的程序不仅耗能，成本也高。 相较于天然气的液化输送程序，利用天然气水合物自我保存性，能够把天然气与水混合制成水合物后进行低耗能的长程输送。因为天然气水合物融解是吸热反应，使晶体外围融化出来的液态水有可能因外围瞬间温度降低而再度形成冰膜，反向阻止水合物分解。因此，在零度左右低温下就可长久保存天然气。与传统液化天然气相比，节能效果随输送距离有所不同，超过1,000公里以上，省能可达9.1～27.6％。 目前，日本三井造船所已持续进行实证研究，每天以5吨粒状天然气水合物进行长程输送。此外，应用水合物形态的陆上天然气水合物储存输送供应链，也于日本山口县与广岛县间以每日5吨的产能进行实证试验。 矿化封存示意图（图片来源：李元亨） 二氧化碳封存技术 大气中的二氧化碳由于人为活动而浓度上升，导致全球环境问题。为了减少排放，科学家提出了许多减碳技术，其中以碳捕捉与储存技术成本较低且技术成熟。做法是收集工厂、燃煤发电厂产生的二氧化碳，运用不同方式与场址封存二氧化碳。封存技术包括地质封存、矿化封存及海洋封存。 最广泛使用的地质封存是在高温高压下，以超临界流体的形态注入地下。超临界二氧化碳流体保存于气液共存条件下，兼具气体与液体的特性，可以轻易地在固体缝隙中扩散、移动，所占空间也比气体小很多。在地质储存的过程中，超临界二氧化碳流体于高压下注入深度超过800公尺的地层结构中，可稳定储存于过去地层自然封存如石油、天然气等资源的结构中，相当安全。 矿化封存是把二氧化碳与金属氧化物如氧化镁或氧化钙反应，形成固态碳酸盐类如碳酸镁或氧化钙等储存于地表。海洋封存是把二氧化碳注入至水下50～500公尺处以下深水层，因海洋斜温层温度变化差异，使表面与深水层分离，把二氧化碳长久隔绝。但海洋二氧化碳浓度增高问题也造成海洋封存方式受到质疑。因此，曾有研究针对浅层控制的海底进行二氧化碳释放，以便复制近海床环境的小规模泄漏情况。结果显示，短期小规模泄漏的水质改变是可以检测到的，但可以在几天到几周内恢复，对区域环境影响不大。 地质封存示意图（图片来源：李元亨） 近年来，也有把二氧化碳注入油气层的方法，除了封存二氧化碳外，二氧化碳溶于原油时体积膨胀、黏度下降，流动性变好，也有效提升原油开采效率及延长油田寿命。目前，挪威外海已开始进行油田封存计画，预估总量是2,000万公吨二氧化碳。加拿大、美国及澳洲则选用盐水层进行二氧化碳封存。 2005年起，联合国 *** 间气候变迁小组开始对带水层内海洋封存积极讨论，对二氧化碳海洋隔离的实用化抱持很大的期待。先前，日本从2000～2004年，已在新泻县长冈市进行了实际带水层中压入二氧化碳的实验。另外，在北海道夕张市，从2002年开始，就有以二氧化碳煤层固定与强化煤层内天然气回收置换为目的，实施了二氧化碳压入预备实验。就二氧化碳储存成本来看，假设每年以液化天然气设备储存从燃煤发电厂收集的二氧化碳180万吨，并以100公里的管道运输时，不包括探勘成本，每吨二氧化碳约需新台币2,200～4,500元，成本相当高。 海洋封存示意图（图片来源：IPCC Special Report on Carbon Dioxide and Storage） 水合物形态的储存方法 为强化二氧化碳单位储存量、降低二氧化碳泄漏风险等问题，可以利用水合物形态进行二氧化碳储存。也就是在高压低温海床条件下，于海洋沉积地层内压入二氧化碳，二氧化碳与地层中的孔隙水反应产生水合物，尤其是海底沉积沙质层渗透率高，孔隙水和二氧化碳之间的接触面积大且间隙大，可有效产生大量水合物储存。 此外，应用相同概念，通过高压井注入回收自发电厂的二氧化碳与氮气混合气体于海洋水饱和地层，也可自然产生大量水合物现地储存。由于在回收发电厂废气的二氧化碳中不需分离废气中的氮，可自然获得氮浓度20～50％的混合气体，降低分离处理与液化的成本。 为了进一步实现海洋地质封存，2014年，日本海洋开发机构开发等压缸泵加热器二氧化碳注入探头，在新潟县上越海床完成二氧化碳排放测试和表层天然气水合物的分解行为观察。2016年4月起，日本地球环境产业技术研究机构也在北海道苫小牧市进行为期3年的二氧化碳捕获和储存试验，把回收自发电厂和工厂的二氧化碳注入地层。