據稱，馬克·吐溫曾說過，每個人都在抱怨天氣，但沒有人為此做任何事情。一位現代的吐溫可能會評論說，每個人都在談論氣候變化，但沒有人採取認真的行動。一個很大的原因是經濟因素。減少大氣中二氧化碳的積聚——氣候變化的主要人為驅動因素——需要從煤炭和石油作為主要能源的昂貴轉變。或者需要昂貴的技術來捕獲工業排放的二氧化碳，然後將氣體儲存在可以儲存數百年的地方。
然而，如果一項技術能夠經濟地兼顧兩者：生產大量能源並顯著減少溫室氣體排放，那會怎麼樣？如果這項技術能夠無縫融入美國現有的工業基礎設施，又會怎麼樣？這種情況可能在美國墨西哥灣沿岸成為現實。由於那裡特殊的地理情況，大量的二氧化碳可以儲存在地下數公里深處的熱鹽水中，而儲存過程本身將產生大量的甲烷作為燃料，以及可用的熱量。單獨來看，無論是儲存、甲烷生產還是地熱能生產都不經濟。然而，新的計算表明，當這些過程在一個閉環系統中結合起來時，它們可能會在美國和其他地方獲得豐厚的回報。
重力法則
等等，甲烷？氣候變化的最新罪魁禍首？這種氣體可能會從管道和水力壓裂頁岩氣井中洩漏出來，而且從分子角度來看，其全球變暖能力是二氧化碳的 20 倍？是的。
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要理解其中的邏輯，首先看看碳捕獲和埋藏，即碳封存。思考這些挑戰促使我和我的同事提出了一個看似異端的系統。
碳捕獲和儲存的目標是在源頭——化石燃料發電廠排放的煙氣——捕獲二氧化碳分子，並將它們鎖起來，使其不會進入大氣。“儲存”聽起來很簡單，但唯一足夠大的儲存庫來容納驚人數量的二氧化碳是在地下。科學家們已經確定，地殼頂部幾公里處的沉積岩孔隙理論上可以容納數百年排放量的二氧化碳。
為了實現儲存目標，例如美國 15% 的排放量，每年必須封存高達 1 吉噸的二氧化碳。全球能源行業每年從沉積岩中生產約 4 吉噸原油和 2 吉噸天然氣。這項活動的規模表明，將 1 吉噸壓縮二氧化碳轉移到地殼中應該是可以實現的，儘管這項工作將是巨大的。當然，其他可比規模的變化，例如提高能源效率和轉向非化石燃料，將首先減少二氧化碳的產生。
下一步似乎很明顯：開始調整已驗證的石油和天然氣生產技術，以實施這種地質碳儲存形式——並立即開始。不幸的是，這種策略面臨著一個根本性的缺點。隨著時間的推移，二氧化碳會傾向於透過裂縫和孔隙上升回地表，最終從地下逸出到大氣中，除非它遇到“密封層”——一層孔隙非常小的岩石，氣體無法穿透。
我們的石油工業依賴於這種自然的向上流動。地下儲層中的石油和天然氣透過各種管道從更深層的岩石中到達那裡。在這個漫長而緩慢的向上級聯過程中，一些流體被困住，但大部分流體不斷遷移，直到到達地表。在早期石油工業時期，大多數勘探者都在發現地表滲漏的地方鑽井。
各種科學家對地下二氧化碳羽流的廣泛研究表明，情況類似：許多地質構造會阻止二氧化碳上升，但管道也會允許向上運動。然而，工程師們可以利用二氧化碳的一個有趣的特性。大多數液體在氣體溶解到其中時密度會降低。但是當二氧化碳溶解到水中時，液體會變得更密集。大多數深埋地下的含水液體是鹽水，當二氧化碳溶解到鹽水中時，鹽水也會變得更密集。浮力問題消失了；以這種形式儲存的二氧化碳會傾向於下沉，遠離地表，從而提高儲存安全性。
能源覆蓋成本
問題在於，二氧化碳需要很長時間才能自行溶解到深層鹽水中，在通常的溫度和壓力下，二氧化碳才能存在。因此，當時我的研究生麥克·伯頓和我考慮了一個激進的想法：向下鑽一口井進入鹽水中，將其提升到地表，加壓，注入二氧化碳（二氧化碳在混合罐中迅速溶解），然後將鹽水送回地下。
顯然，這個計劃需要大量的能量。而且鹽水按重量計只能容納相對較少的二氧化碳，因此必須移動大量的鹽水。任何一個挑戰都可能成為交易的障礙。
第二個挑戰的解決方案似乎並不特別艱鉅。例如，石油公司通常在整個儲層中以均勻間隔的模式鑽井。水或鹽水被注入到一部分井中，以推動地下石油透過儲層並向上透過模式中的其他井。目前，該行業每年向儲層注入約 10 吉噸鹽水——其中大部分來自儲層本身。因此，實現有意義的二氧化碳儲存所需的鹽水流量是可行的。儲存地點的井的一個子集將從儲層中提取鹽水；另一個子集將同時注入含有溶解二氧化碳的鹽水。
另一個挑戰——鑽所有這些井所需的資金以及執行這些井所需的能量——要合理得多。行業一直沒有爭先恐後地捕獲和儲存二氧化碳，因為排放者無需為向大氣中排放二氧化碳支付任何罰款或價格。行業沒有經濟理由來封存排放物。保護地球或支付化石燃料使用的“全部成本”（包括改變環境）的政策論據並沒有說服任何人定價。乍一看，我們看不到任何支付向鹽水中注入二氧化碳費用的方法。
然而，不久前，在德克薩斯大學奧斯汀分校我的辦公室隔壁的辦公室裡，出現了一個想法，有望解決這一難題。加里·波普——一位石油工程教授，他一生致力於開發更好的方法來將石油從儲層中壓出——意識到可以利用一種隱藏的資源。
墨西哥灣與世界其他石油產區一樣，擁有富含溶解甲烷的深層鹽水含水層。甲烷是天然氣的主要成分，因此可以在當地發電廠燃燒，也可以透過美國廣泛的天然氣管道網路輕鬆地在全國範圍內分銷。當鹽水到達地表時，我們可以抽出甲烷並用二氧化碳代替。即使在目前天然氣價格較低的情況下，甲烷和地熱的熱量收入也可能超過封存二氧化碳的成本。資本成本是否會像發電廠那樣經常轉嫁給費率支付者，將取決於當地法規。
顯而易見的下一個問題是，這個過程是否真的可以自負盈虧。波普和我很快聘請了一名研究生雷扎·甘傑達內什來尋找答案。
自然力對我們有利。透過常規鑽井，在生產井中上升的鹽水壓力逐漸降低，並釋放出一些甲烷。將二氧化碳溶解到鹽水中會迫使釋放出更多的甲烷。此外，德克薩斯州和路易斯安那州沿岸大部分地區深於 3 公里的許多含水層都處於高壓狀態，因此幾乎不需要任何能量即可將鹽水提升到地表。
相同的含水層也足夠熱，鹽水可以成為良好的地熱能源。甘傑達內什計算出，甲烷和熱水產生的能量與二氧化碳注入同一流體時的能量相結合，產生的能量大大超過了執行所需的能量。這種能源正向的地質碳儲存形式即使在沒有碳排放價格的世界中也可能具有經濟吸引力。
向下鑽金字塔
這種方法作為提供未開發燃料的方式也很有意義。“容易開採的石油已經枯竭”是化石燃料行業中熟悉的口頭禪。容易開採的天然氣也枯竭了。幾十年來，該行業向下鑽探到最容易獲得、最集中的、最容易開採的石油和天然氣礦藏，這些礦藏很容易透過生產管道上升到地表。隨著公司耗盡這些礦藏，他們向下移動“資源金字塔”，轉向不易獲得的化石燃料形式。在過去三到五年中，美國石油和天然氣產量的增長主要來自深層頁岩的水力壓裂。從這種岩石中回收任何東西都很緩慢且艱鉅，而且石油和天然氣的濃度要低得多，但壓裂頁岩氣是金字塔的下一個邏輯步驟。我們正在迫不得已地轉向那裡，因為需求不斷增長，而舊的、容易獲得的供應正在消失。
然而，資源金字塔具有誘人的品質。資源的總體質量通常會隨著回收變得更加困難而增長。例如，頁岩儲層中鎖定的天然氣總量使其成為一個有吸引力的目標，即使頁岩氣井的能源生產效率遠低於常規氣井。
溶解在鹽水中的甲烷是頁岩氣之後金字塔的下一個層次。天然氣的濃度約為頁岩的五分之一，但甲烷的量卻驚人。僅墨西哥灣沿岸的估計就從數千到數萬萬億立方英尺 (Tcf) 的甲烷不等。從角度來看，在過去十年中，美國每年消耗 20 至 25 萬億立方英尺的天然氣。
這種資源的規模促使美國能源部早在 20 世紀 70 年代和 80 年代就贊助了對深層鹽水儲層的測試井。這些井將鹽水帶到地表，但從鹽水中生產甲烷無法在價格上競爭。
雖然今天從鹽水中提取甲烷仍然無法競爭，但另一個主要好處——地熱能的生產——可能會改變財務等式。從人類時間尺度來看，來自地球的熱量將無限期地持續下去。與其他地下資源一樣，開發地熱資源需要注入井和開採井——所有這些都是現成的技術。鹽水地熱能未能取得更大進展，主要是因為熱水的能量密度比燃燒相同體積的煤、石油或天然氣獲得的能量小約兩個數量級。
這種悲觀的評估與使用地熱能發電有關。然而，根據最近能源部贊助的對地熱能的重新評估，美國能源消耗的約 10% 用於建築物中空氣的供暖和製冷以及家庭中水的加熱。像家用燃氣熱水器中的 2200 度火焰一樣，這是過度的。如果低強度地熱能用於低強度應用，如暖空氣和熱水，則可以獲得回報；地熱熱泵在歐洲家庭中已經成功地做到了這一點多年。
三個過程合而為一
單獨來看，無論是將二氧化碳儲存在地下、開採鹽水作為甲烷燃料，還是抽取深層鹽水用於地熱供熱，在經濟上都是不可行的。但是，將所有三個過程組合成一個系統開始看起來像一個三條腿的凳子：它們變得自給自足。然而，最終的問題是，該系統是否可以封存足夠的二氧化碳，從而在國家和國際範圍內顯著減少排放。
我們最近對墨西哥灣沿岸進行了一些計算。該地區有大量化石燃料發電廠和其他產生大量二氧化碳的工業。為了更大程度地減少美國排放量，二氧化碳可以從遙遠的源頭運輸而來。建造管道的資金可能相當可觀，但運營成本適中，而且規模再次是可行的。例如，在 20 世紀 80 年代，工業界在西德克薩斯州二疊紀盆地附近的四個州建造了超過 3400 公里的管道，將二氧化碳從天然地下儲層輸送到油田，在那裡二氧化碳被用於提高石油採收率。海岸擁有巨大的深層鹽水儲層。它擁有廣泛的天然氣管道基礎設施，為該國其他地區供氣。而且它擁有大量可以利用地熱能的人口。
每年儲存 1 吉噸二氧化碳，相當於美國當前排放率的六分之一，將需要每天注入和開採約 4 億桶鹽水。這個速率很大，但可以透過約 100,000 個注入井和開採井來實現（作為參考，德克薩斯州已為石油和天然氣鑽探了超過 100 萬口井）。完成如此多的井將需要數十年時間。然而，對於任何避免每年 1 吉噸二氧化碳排放的技術來說，這段時間跨度都是正確的。例如，如果現在由燃煤電廠產生的 200 吉瓦電力改為由核電廠產生，美國的排放量可能會下降這麼多。大約需要建造 200 座大型反應堆，這肯定需要數十年時間。
能源生產率也足夠大，可以支付系統的費用。儲存 1 吉噸二氧化碳每年將產生約 4 萬億立方英尺的天然氣，約為美國當前消費量的六分之一。美國在 2012 年從頁岩中生產了約 9 萬億立方英尺的天然氣，價值 250 億美元。
地熱能的生產率也將是巨大的。如果熱量用於提供熱空氣和熱水——並且如果它也用於將暖空氣轉化為冷空氣進行空調的換熱器中——那麼捕獲的能量將與甲烷提供的能量大致相同：接近 200 吉瓦。目前尚不清楚墨西哥灣沿岸是否會有如此大的需求，儘管那裡的許多石化工廠以及將要建造的許多碳捕獲裝置可能會使用其中的很大一部分。或者，如果熱能以 10% 的效率轉化為電能（這在其他地方很常見），那麼將產生 20 吉瓦的電力，這仍然是巨大的：美國擁有約 50 吉瓦的風電容量。
看來我們的系統具有足夠大的生產率來支援大規模減少二氧化碳排放。體積計算似乎也很有利。每年儲存 1 吉噸二氧化碳，持續一個世紀，將封存 100 吉噸二氧化碳。它還將產生 380 萬億立方英尺的甲烷——不到估計存在於墨西哥灣沿岸深層含水層中的甲烷的十分之一。因此，有充足的空間儲存二氧化碳，也有充足的天然氣供應。
如果甲烷被髮電廠燃燒，即使不捕獲燃燒產生的二氧化碳，一個世紀的執行中二氧化碳排放量的淨下降量也將為 80 吉噸。這是一個大幅下降。例如，憂思科學家聯盟已經確定，為了將全球大氣二氧化碳濃度限制在百萬分之 450（通常認為這是將全球氣溫上升幅度控制在 2 攝氏度以內的水平），美國和其他工業化國家必須到 2050 年將排放量減少到 2000 年水平的約 25%。美國需要在現在到 2050 年之間避免約 150 吉噸的二氧化碳排放。即使鹽水過程需要 20 年才能達到每年 1 吉噸的封存水平，它也可能佔美國所需減排量的 15%。
當然，井和鹽水注入廠必須以極大的謹慎建造和執行，以防止甲烷洩漏到大氣中，即所謂的逸散性排放。這些井將類似於傳統的陸上石油和天然氣井——成熟的技術。美國環境保護署有一個健全的計劃，用於檢測排放及其來源。而且行業也不希望損失可以出售的有價值的產品。鹽水、甲烷和二氧化碳的處理在複雜性上類似於石化工廠的運營——另一個成熟的行業。最後，由於只有液體會在地下儲層中移動，因此鑽井和運營井將非常類似於已經實踐了幾十年的傳統石油作業。與壓裂頁岩相關的問題——將化學物質和大量淡水輸送到地下以及安全處置含化學物質的壓裂液——對於此過程不會出現。
誘發地震活動的可能性也極低。最近的研究表明，向某些地質構造中新增大量流體——有時是為了處置廢水——可能會增加地震風險。然而，鹽水過程是一個閉環；所有注入的鹽水首先從同一地層中提取出來。透過這種方式，地層中的原始平均壓力得以保持。
當然，建造這樣一個系統可能很昂貴，並可能增加消費者的電力成本。但是，任何足以在二氧化碳排放量方面產生有意義的差異的重大努力也會如此——無論是建造數千個太陽能和風力發電場，還是再建造 200 座核反應堆來取代燃煤電廠。[有關成本的更多資訊，請參見下面的“更多探索”。]
開始行動
鑑於我們的大量計算，鹽水封存系統在紙面上似乎可行。然而，試驗工廠對於確定我們的系統在現場是否實用至關重要。桑迪亞國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和蘇格蘭愛丁堡大學的研究人員正在設計將二氧化碳有效注入鹽水並提取能量的方法。兩家希望保持匿名的公司正在考慮是否在墨西哥灣沿岸建造試驗工廠。
現在獲得經驗將是明智之舉，因為如果世界對限制全球變暖引起的氣溫上升抱有任何希望，就必須立即減少二氧化碳排放。
美國墨西哥灣沿岸是建造鹽水封存系統的理想地點。然而，排放問題是全球性的。我們不知道該過程還可以在哪裡應用，但基本要素是含有溶解甲烷的鹽水，這在發現碳氫化合物的任何地方都可以預期。