二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用:技术系统、挑战及展望.pdf
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1、第 43 卷第 11 期2023 年 11 月 181 天然气工业Natural Gas Industry引文:侯正猛,吴林,张烈辉,等.二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用:技术系统、挑战及展望J.天然气工业,2023,43(11):181-190.HOU Zhengmeng,WU Lin,ZHANG Liehui,et al.CO2-based underground biochemical synthesis of natural gas coupled with geothermal energy production:Technology system,challenges,and
2、 prospectsJ.Natural Gas Industry,2023,43(11):181-190.二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用:技术系统、挑战及展望侯正猛1,2,3吴 林1,2,3张烈辉3方琰藜1,2,3黄亮朝2,4曹 成3郭彤楼5谢亚辰2,6罗志锋3孙 伟7,8罗佳顺2,3吴旭宁2,3陈前均2,71.四川大学中德能源研究中心2.德国克劳斯塔尔工业大学地下能源系统研究所3.油气藏地质及开发工程全国重点实验室西南石油大学4.郑州大学中德碳中和与绿色发展研究院5.中国石化西南油气分公司6.中国科学院武汉岩土力学研究所7.云南省中德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室8.昆明理
3、工大学国土资源工程学院摘要:碳捕集、利用与封存技术(CCUS)等人工负碳技术将在中国实现“双碳”目标的过程中发挥关键作用,但现有技术存在实施成本高、效率低等问题。为此,首次提出 CO2地下生化合成天然气耦合地热利用技术系统,其耦合过程为:地热利用降低储层温度,为 CO2生化合成天然气营造适宜的地温条件;CO2生化合成天然气释放反应热,增加储层温度,提升地热利用效率。为区别于传统 CCUS 技术,将其称为碳捕集、循环利用与封存(CCCUS)技术,并对其技术经济可行性及综合潜力进行了初步评估。研究结果表明:全球首创的 CCCUS 技术系统功能包括地下生化合成与储存再生天然气、地热利用、强化天然气开
4、采、CO2地质封存等;与传统人工负碳技术相比,CCCUS 的优势为降低碳捕集难度及成本、提升碳封存效率,同时变废为宝实现碳循环资源化、能源化利用及碳循环经济;若在全国常规气藏开展 CCCUS,单次循环可利用 CO2约 4.35108 t、合成 CH4 约 2 178.8108 m3、储能 8 675.61012 kJ、产生地热(化学反应热)1 614.41012 kJ,多次循环最终可封存 CO2达 22.8108 t。结论认为,CCCUS 技术系统为中国碳循环经济的发展提供了一种全新的思路,可实现碳循环资源化、能源化利用并可弥补传统 CCUS 技术的不足,有望成为中国最具发展潜力的人工负碳技术
5、。关键词:“双碳”;CCUS;CCCUS;碳循环经济;强化天然气开采;地下生物甲烷化;再生天然气;天然气地下储存;地热利用DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2023.11.017CO2-based underground biochemical synthesis of natural gas coupled with geothermal energy production:Technology system,challenges,and prospectsHOU Zhengmeng1,2,3,WU Lin1,2,3,ZHANG Liehui3,FANG Yanli1
6、,2,3,HUANG Liangchao2,4,CAO Cheng3,GUO Tonglou5,XIE Yachen2,6,LUO Zhifeng3,SUN Wei7,8,LUO Jiashun2,3,WU Xuning2,3,CHEN Qianjun2,7(1.Sino-German Energy Research Center,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610065,China;2.Institute of Subsurface Energy Systems,Clausthal University of Technology,Clausthal
7、-Zellerfeld 38678,Germany;3.National Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation/Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;4.Sino-German Research Institute of Carbon Neutralization and Green Development,Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan 450000,China;5.Sinopec So
8、uthwest Oil&Gas Company,Chengdu,Sichuan 610041,China;6.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan,Hubei 430071,China;7.Yunnan Key Lab.of Sino-German Blue Mining and Utilization of Special Underground Space,Kunming,Yunnan 650093,China;8.Faculty of Land and Resources Engine
9、ering,Kunming University of Science and Technology,Kunming,Yunnan 650093,China)Natural Gas Industry,Vol.43,No.11,p.181-190,11/25/2023.(ISSN 1000-0976;In Chinese)Abstract:Artificial carbon-negative technologies such as carbon capture,utilization,and storage(CCUS)play a critical role in achieving Chin
10、as dual carbon goals,but existing technologies face the challenges of high costs and low efficiency.To address these problems,this paper proposes a CO2-based underground biochemical synthesis of natural gas coupled with geothermal energy production technology for the first time.And the coupling proc
11、ess includes:Geothermal energy production results in the decrease of reservoir temperature,which provides suitable temperature conditions for the biochemical synthesis of natural gas from CO2;With the biochemical synthesis of natural gas from CO2,the reaction heat is released to increase the reservo
12、ir temperature,improving the geothermal production efficiency.To distinguish this new technology from the traditional CCUS technology,we call it CCCUS(carbon capture,circular utilization,and sequestration).In addition,its techno-economic feasibility and overall development potential are evaluated pr
13、eliminarily.And the following research results are obtained.First,the global first CCCUS technology system has the functions of underground biochemical synthesis and storage of renewable natural gas,geothermal energy production,enhanced gas recovery,and CO2 geological sequestration.Second,compared w
14、ith the conventional artificial carbon-negative technologies,CCCUS is more advantageous in reducing carbon capture difficulty and cost and improving carbon storage efficiency,while turning wastes into treasure to achieve circular carbon resource and energy utilization and circular carbon economy.Thi
15、rd,if CCCUS technology is applied in conventional gas reservoirs all over the country,in a single cycle,it can utilize 4.35108 tons of CO2,synthesize 2 178.8108 cubic meters of CH4,store 8 675.61012 kJ of energy,and generate 1 614.41012 kJ of geothermal energy(chemical reaction heat).And after multi
16、ple cycles,the ultimate CO2 storage can be up to 22.8108 tons.In conclusion,CCCUS technology system provides a novel idea for the development of circular carbon economy in China,and it can realize circular carbon resource and energy utilization and overcome the shortages of the conventional CCUS tec
17、hnology.It is expected to be Chinas most promising artificial carbon-negative technology.Keywords:Dual carbon;CCUS;CCCUS;Circular carbon economy;Enhanced gas recovery;Underground bio-methanation;Renewable natural gas;Underground natural gas storage;Geothermal energy production基金项目:中国工程科技发展战略河南研究院重大咨
18、询项目“河南省双碳战略与技术路线”(编号:2022HENZDA02)、四川省国际科技创新合作项目“层状盐岩建造盐穴大型储氢库的研究”(编号:2021YFH0010)、四川省科技计划项目“非纯二氧化碳在枯竭气藏中的运移规律及封存机制研究”(编号:2022JDRC0098)。作者简介:侯正猛,1963 年生,德国克劳斯塔尔工业大学终身教授,博士研究生导师;主要从事深部岩石力学、CCUS/CCCUS、大规模地下储能等领域的科研和教学国际合作工作。地址:(38678)Agricolastr.10,Clausthal-Zellerfeld,Germany。ORCID:0000-0002-8544-717
19、2。E-mail:houtu-clausthal.de通信作者:吴林,1995 年生,博士研究生;主要从事 CCUS/CCCUS、地下储能、多物理场耦合数值仿真等领域的科研工作。地址:(38678)Agricolastr.10,Clausthal-Zellerfeld,Germany。ORCID:0000-0002-2755-5730。E-mail:lin.wutu-clausthal.de2023 年第 43 卷 182 天 然 气 工 业0引言为应对全球气候变化,中国在 2020 年 9 月做出庄严承诺,力争 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和(简称“双碳”目标)。国际能源
20、署2022 CO2排放报告显示中国 2022 年与能源相关的 CO2排放量约为 121108 t1,而中国陆地的自然碳汇量仅为 11108 t,虽然未来有望稳定增长至 15108 t 2,但自然碳汇与碳排放量之间仍存在巨大差距。在此背景下,绿色的低碳、零碳能源以及可人工降低大气中CO2水平的负碳技术,迎来了前所未有的发展机遇3。现阶段人工负碳技术主要包括碳捕集与封存技术(CCS)及碳捕集、利用与封存技术(CCUS)4-5。其中CCUS技术可实现碳的利用,降低碳减排的成本,较 CCS 技术更具优势6,但其仍面临着实施成本高、效率低、对 CO2纯度要求高等系列问题7-9,限制了该技术的大规模应用。
21、此外,随着风能、太阳能等可再生能源的大力发展,能源供给的不稳定性加之能源需求的波动性对能源的大规模储存产生了迫切需求10。相比于其他储能方式,地下储能具有容量大、周期长等优势,是储能技术未来主要发展的方向11。因此,具有经济效益的 CCUS 技术及地下储能技术,或二者相结合的技术,将在中国实现“双碳”目标的过程中发挥着决定性的作用。为此,笔者团队曾提出以枯竭气藏为大型生化反应器,利用 CO2和 H2生化合成天然气的技术构想(简称 CO2地下生化合成天然气),以在碳减排的同时实现可再生能源的大规模储存11-12。由于生物催化剂产甲烷菌的温度敏感性,使得该技术在高温储层不具适应性13。为解决上述问
22、题及提升经济效益,笔者首次提出 CO2地下生化合成天然气耦合地热利用技术系统,耦合过程为:地热利用降低储层温度,为 CO2生化合成天然气营造适宜的地温条件;CO2生化合成天然气释放反应热,增加储层温度,提升地热利用效率。鉴于该技术系统是一种可实现碳循环资源化、能源化利用的全新人工负碳技术,且可弥补传统 CCUS 技术的不足,为与传统 CCUS 技术区别,将其称为碳捕集、循环利用与封存技术(Carbon Capture,Circular Utilization,and Sequestration,缩 写为 CCCUS)。本文详细介绍了 CCCUS 技术系统构想、功能及优势,对其技术经济可行性、综
23、合潜力进行了初步评估,并梳理了发展挑战、提出了发展建议,以期该技术系统助力中国早日实现“双碳”目标。1技术系统1.1构想CO2地下生化合成天然气的关键在于产甲烷菌的催化作用。已有文献表明,绝大多数产甲烷菌仅在30 70 的温度范围内表现出较高的活性、极少的产甲烷菌能够在高于 98 的温度条件下存活14。此外,CO2生化转换过程中会释放大量热能,造成储层温度升高13,进一步抑制产甲烷菌的活性或造成死亡,影响转换效果。本文创新性提出的 CO2地下生化合成天然气耦合地热利用技术系统可较好地解决产甲烷菌的温度敏感问题。在该技术系统构想中,对于初始温度较高的枯竭气藏,首先利用低温 CO2作为热交换介质开
24、发地热:向高温枯竭气藏注入低温 CO2,进入储层的CO2与周围温度较高的岩石和地层流体发生热交换,使得储层温度降低、CO2温度升高,同时实现部分碳封存;携带大量热能的 CO2被开采至地面,其热能用于发电、建筑供暖等诸多方面;降温后的 CO2被重新捕集注入储层。然后,在降温的枯竭气藏开展CO2生化合成天然气(图 1):注入 CO2和 H2的混合气体及高活性的产甲烷菌(含繁殖所需营养物质);关井等待产甲烷菌将绝大部分 CO2和 H2催化转换为 CH4,同时释放大量反应热并实现部分碳封存;在适宜时机从枯竭气藏(或天然气储气库)中开采以 CH4为主要组分的再生天然气;天然气利用产生的 CO2捕获用于下
25、一阶段的生化合成天然气。此外,对于初始温度适宜的枯竭气藏,可直接开展 CO2生化合成天然气。无论是初始温度较高或适宜的枯竭气藏,经过多次生化转换,反应放热和地层导热可能使储层温度升高,不再适合生化转换,故后续阶段还需继续考虑耦合地热利用。因此,在具体的实施过程中对地层温度的判断至关重要(图 2)。该技术系统通过耦合CO2地下生化合成天然气及地热利用,不仅有效地解决了产甲烷菌的温度敏感问题,同时可实现热气循环联产与碳捕获、循环利用及地质封存。正因如此,根据该技术系统的核心特点,将其简称为 CCCUS。1.2功能根据上述介绍,CCCUS 技术系统除耦合了 CO2地下生化合成再生天然气和地热利用两大
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