碳礦化技術報告：原理、風險與未來展望

前言

石油與天然氣氣候倡議組織（Oil and Gas Climate Initiative, OGCI）委託CarbStrat SRL 顧問公司編寫碳礦化技術報告。

報告委託方：OGCI（石油與天然氣氣候倡議組織）

OGCI 是一個由執行長（CEO）主導的倡議組織。

• 成員組成： 它由全球 12 家領先的石油和天然氣公司組成，這些公司合計生產了全球約 25% 的石油和天然氣。
• 成員名單： OGCI 的成員公司包括 Aramco、bp、Chevron、CNPC、Eni、Equinor、ExxonMobil、Occidental、Petrobras、Repsol、Shell 和 TotalEnergies。
• 組織宗旨： OGCI 的目標是引領石油和天然氣產業應對氣候變遷，並在《巴黎協定》（Paris Agreement）規定的時間範圍內，加速實現淨零排放（net zero emissions）的行動。

報告編寫者：CarbStrat SRL

• 服務範圍： 該公司總部位於比利時，與全球客戶合作應對碳排放管理挑戰。
• 客戶群體： CarbStrat 的客戶包括工業界、政府和投資者。
• 專業領域： 他們為客戶提供量身定制的支持，協助應對部署碳捕集、利用與儲存（CCUS）相關的技術、商業和政策層面的挑戰。
• 報告編撰： 該報告的研究設計和起草工作由 CarbStrat 的 Rachael Moore 負責。

碳礦化原理

碳礦化（Carbon Mineralization），或稱礦物儲存（Mineral Storage）或碳化作用（Carbonation），是一種將二氧化碳永久固定在地質構造中，將其轉化為穩定碳酸鹽礦物的過程。

作為碳移除技術，碳礦化作用的核心原理是利用 CO₂ 與富含鎂和鐵的反應性岩石（CO₂-reactive rocks）進行化學反應，從而將碳固定在礦物形式中。

以下是碳礦化作用的關鍵原理與步驟：

1. 反應性岩石基質

碳礦化作用的先決條件是使用含有易與 CO₂ 反應的矽酸鹽礦物（silicate minerals）的岩石。

• 岩石類型： 主要針對富含鎂（Magnesium）和鐵（Iron）、二氧化矽（silica）含量低的火成岩（igneous rocks）和變質岩（metamorphic rocks）。
• 常見實例： 這些 CO₂ 反應性岩石包括鎂鐵質岩石（mafic rocks），例如玄武岩（basalts），以及超鎂鐵質岩石（ultramafic rocks），例如橄欖岩（peridotites）。
• 礦物成分： 玄武岩和橄欖岩富含橄欖石（olivine）和輝石（pyroxene）等礦物。這些在高溫下結晶的礦物具有較高的化學反應性，易受化學蝕變和風化影響。

2. 三階段化學反應過程

碳化作用（Carbonation）是一個三步驟的地球化學捕獲機制，將注入的 CO₂ 固定在儲層中。

(1) CO₂ 溶解（CO₂ Dissolution）

首先，注入的 CO₂ 必須溶解到地層水（formation waters）中，或被事先溶解在注入劑（如水）中。

• 形成碳酸： CO₂ 與水混合後，會溶解形成碳酸（H₂CO₃），隨後碳酸會進一步解離，釋放出碳酸氫根離子（bicarbonate ions）、碳酸根離子（carbonate ions）和質子（protons）。
• 流體酸化： 此反應會使流體酸化（pH 值下降），這是啟動下一步礦物溶解所必需的。

(2) 矽酸鹽礦物溶解（Silicate Dissolution）

當岩石暴露於酸性流體時，反應性岩石中的矽酸鹽礦物會溶解，釋放出二價陽離子，主要是鈣 (Ca²⁺)、鎂 (Mg²⁺) 和鐵 (Fe²⁺)。

• 限速步驟： 矽酸鹽礦物溶解的動力學通常慢於碳酸鹽沉澱，因此被廣泛認為是整個碳化過程的限速步驟（rate-limiting step）。
• 影響因素： 溶解速率受 pH 值、系統中的水活度、溫度和可接觸的岩石表面積等因素影響。

(3) 碳酸鹽沉澱（Carbonate Precipitation）

釋放出的二價陽離子會與溶液中存在的碳酸和碳酸根離子反應，導致穩定的碳酸鹽礦物沉澱在儲層中。

• 穩定固化： CO₂ 以礦物形式（例如方解石 CaCO₃、菱鎂礦 MgCO₃、菱鐵礦 FeCO₃ 等）被固定，從而將 CO₂ 捕獲在地質時間尺度上。
• 反應條件： 碳酸鹽沉澱在高 pH 環境下加速。矽酸鹽溶解和碳酸鹽沉澱的過程會對系統的 pH 值起到緩衝作用。

3. 加速礦化的優勢

與傳統的沉積岩儲存（sedimentary CO₂ storage）相比，碳礦化在反應性岩石中發生得更快。

• 快速性： 試點項目表明，在 CO₂ 反應性岩石中注入 CO₂ 可以在數月到數年內導致礦化，而非在大多數沉積岩儲層中所需的數千年。
• 水性注入： 採用水性 CO₂ 注入（aqueous CO₂ injection），即將 CO₂ 溶解在水中後再注入，可以顯著提高礦化效率。例如，冰島的 CarbFix 試點觀察到，在不到兩年的時間內，超過 95% 的 CO₂ 實現了礦化。
• 永久性： 一旦 CO₂ 被固定為礦物形式，它就被永久且安全地儲存起來。

概念比喻

可以將碳礦化視為一種地下濾水系統：地底的反應性岩石就像一塊天然的「化學海綿」（富含鎂、鐵離子）。當我們注入酸性（溶解了 CO₂ 的）水時，酸性水會腐蝕這塊海綿（矽酸鹽溶解），釋放出離子。這些離子隨後與水中的碳酸物質結合，迅速形成堅硬的沉澱物（碳酸鹽礦物），永久地將 CO₂ 鎖住，就像將氣體固化成了石頭。

技術風險

碳礦化CO₂ Mineralization）技術雖然在永久固存 CO₂ 方面具有巨大潛力，但由於該技術相對不成熟，特別是在大規模應用方面，目前面臨著多重技術、操作以及社會經濟風險。

一、 技術成熟度與規模挑戰

碳礦化技術最大的風險在於其規模化尚未得到證實。

• 規模限制： 目前所有已完成或正在運行的 CO₂ 反應性岩石（mafic and ultramafic rocks）儲存場址，其注氣規模皆遠小於專門用於儲存的最小沉積岩場址。除了冰島之外，沒有任何實體公開紀錄過注入超過 1 千噸 CO₂ 到反應性岩石中。
• 技術可行性不確定： 除非能證明在不同岩石成分和年齡下可進行大規模儲存，否則該技術的技術和經濟可行性仍是個懸而未決的問題。
• 數據與類比不足： 缺乏大規模運營經驗，導致難以找到合適的類比項目來評估或基準化儲存性能。

二、 地質與運營風險

1. 儲存性能與注氣效率風險（Site Performance Risks）

• 注氣率可能下降： 儘管礦化作用是目標，但若 CO₂ 在近井眼區域快速礦化，新形成的碳酸鹽礦物（例如鐵硫化物）可能會堵塞孔隙空間或裂縫，從而降低注氣能力（injectivity decline）。冰島 CarbFix1 試點項目就曾因鐵硫化物沉澱和細菌滋生導致井口傳輸率下降。
• 礦化速率不確定性： 雖然小型試點（如冰島 CarbFix）觀察到礦化在數月到數年內發生，但研究指出，大規模注氣（特別是液相 CO₂ 注氣）的礦化效率可能較低，預計可能需要數百年才能完全礦化，而非數年。
• 建模複雜性： CO₂ 反應性岩石儲層往往具有高度非均質性（heterogeneous），流體流動發生在岩石基質和大型裂縫網路中。模擬裂隙流動行為很困難，這使得對儲層模型的符合性（conformance）驗證更具挑戰性。

2. 圈閉與洩漏風險（Containment Risks）

• 缺乏蓋層： CO₂ 反應性岩石很少有傳統的蓋層（caprocks，如頁岩或硬石膏），難以提供被動的垂直封閉屏障。
• 裂隙滲透： 儲層中的斷層和裂隙可能成為注入流體（CO₂ 或含 CO₂ 水）向上遷移的潛在途徑。如果裂隙或斷層未被正確識別，可能導致 CO₂ 洩漏。
• 礦化誘發破裂： 碳酸鹽礦物的體積通常大於原始矽酸鹽礦物，這可能導致反應驅動的破裂（reaction-induced fracturing），潛在地產生新的洩漏途徑。
• 資源侵佔（Resource Trespass）： 由於難以對這些岩石進行成像（imaging），如果 CO₂ 透過未被探測到的裂縫迅速遷移，可能會超出定義的儲存範圍，進入運營商沒有法律權利佔有的區域。

3. 誘發地震活動風險（Induced Seismicity Risks）

• 硬岩壓力積累： 鎂鐵質和超鎂鐵質岩石具有較高的剛性，比沉積岩更容易積累應力。
• 流體注氣： 向結晶岩石或鄰近結晶基底的區域注入流體，是誘發地震活動的已知來源。
• 水性注氣的風險升高： 水性 CO₂ 注氣涉及大量流體 CO₂ 溶解在水中），這增加了流體活化已知或未知斷層的風險。

4. 水資源需求與環境交互風險（Resource Interaction Risks）

• 用水量極高： 水性 CO₂ 注氣通常需要 20 到 30 噸水來溶解 1 噸 CO₂。一個大規模注氣場址可能每年需要數百萬立方公尺的水。
• 加劇水資源壓力： 若項目使用淡水，在高水資源壓力地區，這可能與飲用水或灌溉用水產生競爭，造成水資源壓力。
• 地下水污染： 碳礦化項目可能針對較淺層注入。若發生圈閉失敗，可能導致 CO₂ 或岩石溶解釋放出的金屬（mobilized metals）向上遷移，污染淺層地下水資源。

三、 社會經濟與法規風險

1. 經濟與市場風險（Economic and Market Risks）

• 平準化成本較高： 由於鑽探硬岩的成本更高（通常鑽速 ROP 較慢），且小型場址缺乏規模經濟效益，碳礦化項目的單位儲存平準化成本預期會高於大型沉積岩儲存場址。
• 水性注氣的額外成本： 水性注氣需要大量水泵、水管線和 CO₂ 溶解設施，增加了基礎設施的資本支出和水泵運行的營運支出。

2. 法規與合規性風險（Regulatory Risks）

• 法規滯後： 大多數現有的 CO₂ 儲存法律和監管框架（如美國 EPA Class VI 或《歐盟 CO₂ 捕捉和封存指令》）是針對液相 CO₂ 注氣和沉積岩特性設計的。
• 水性注氣的合規性： 現有法規可能不完全適用於水性注氣。例如，《歐盟 CO₂ 捕捉和封存指令》對 CO₂ 流的定義較為嚴格，似乎不允許添加物質來改善注氣過程（水），儘管最新的指導文件澄清了水性注氣是可行的。
• 責任轉移的挑戰： 由於難以使用傳統地球物理技術（如地震成像）監測溶解的 CO₂ 羽流或直接監測礦化前沿，在某些司法管轄區，項目可能難以證明 CO₂ 已安全固定，從而影響將長期責任轉移給政府的程序。

總結來說，碳礦化技術的風險主要集中在如何實現大規模且可控的注氣，同時解決高用水需求、缺乏傳統圈閉機制以及誘發地震的潛在挑戰。

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