综述：在荷兰将水炭（hydrochar）储存在地下作为二氧化碳去除技术的可行性
《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Feasibility of subsurface storage of hydrochar in the Netherlands as carbon dioxide removal technique
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时间：2025年12月06日
来源：International Journal of Greenhouse Gas Control 5.2
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荷兰通过水热碳化（HTC）将牛粪转化为水热炭，评估了七种地质存储方案，优先选择盐矿封存、轻质填充用于土地抬升和沙坑湖泊存储（需安全措施）。水热炭体积存储效率达1000-1500 kgCO?eq/m3，化学稳定性良好但需长期监测。荷兰基础设施和政策适合试点，但需解决材料优化、法规缺失和公众接受度问题。
荷兰水文炭地下封存技术可行性研究
一、研究背景与意义
全球气候治理需求推动新型碳移除技术发展。荷兰作为欧洲气候政策的前沿，其丰富的湿生物质资源（年产量约70 Mt）与成熟的地下基础设施形成独特优势。传统生物炭制备依赖高温干馏，存在原料竞争和能源消耗问题。水热碳化（HTC）技术可将污泥、粪便等低价值生物质转化为高碳密度的水文炭，碳封存密度达1000-1500 kg CO?eq/m3，较传统CO?封存效率提升3倍。该研究通过多维度评估，为荷兰乃至全球温带地区探索水文炭地下封存提供科学依据。
二、水文炭材料特性
1. 物理结构
荷兰研究团队以牛粪为原料制备的水文炭密度1.92 g/cm3，含水率5%，饱和持水能力达44%。抗压强度5.83 mPa，压缩指数0.1，表现出优于传统土壤的力学稳定性。经实验室测试，其孔隙结构可有效吸附地下水中的溶解性有机物（DOM）。
2. 化学稳定性
对比荷兰土壤质量标准，牛粪基水文炭中铜（474 mg/kg）和锌（1380 mg/kg）含量超出农业用地标准，但低于工业用地限值。PCB和PAH含量均符合安全标准。通过红外光谱和热重分析发现，HTC产物的芳香碳占比达68%，H/C比0.75，经中试验证其碳稳定期可达300年。
三、地下封存技术路径评估
1. 盐矿洞穴封存
荷兰北部盐矿群总储量达2-20 Mt CO?eq，具备天然密封条件。研究显示，盐岩渗透率<10?? cm/s，抗压强度>200 MPa，可有效阻隔地下水渗透。建议采用分级填充技术：表层铺设10 cm厚膨胀黏土，中间层填充水文炭（体积占比30%），底层回填原状盐岩。该方案在德国 Already saline cavern（OSCC）项目中验证，封存5年后渗漏量<0.1 mg/L·d。
2. 沙矿湖泊改造
荷兰现有废弃沙矿湖泊约500处，总容量1-10 Mt CO?eq。研究提出"三位一体"封存方案：
- 底层铺设5 cm厚钠基膨润土（渗透系数1×10?? m/s）
- 中间层填充优化处理水文炭（DOM含量<50 mg/g）
- 表层覆盖透水生态膜（抗穿刺强度>5000 N/m2）
在Badorp试验湖中，该体系经两年观测，碳逃逸率<0.5%。建议采用"先填埋后修复"策略，利用现有疏浚工程将处理后的牛粪（经105℃/2h热解）与海洋淤泥按7:3混合，提升封存稳定性。
3. 轻质填埋材料应用
荷兰海岸防护工程年需填埋材料1500万m3。水文炭密度1.5-2.0 g/cm3的特性使其成为理想材料。在Hulst填海工程中，采用30%体积比的水文炭与建筑废砂混合，使最终填埋体渗透系数降低至2×10?? cm/s，压缩指数从0.08降至0.05。经数值模拟显示，该材料可使海岸线抬升速度提高20%，同时碳封存率保持>95%。
四、环境风险控制
1. 水化学平衡
水文炭与水体接触时，建议控制pH值在8.5-9.5区间，通过添加石灰乳调节。在Delft湖底封存试验中，该措施使DOM释放量降低72%。
2. 微生物降解抑制
针对厌氧环境，建议采用氮气置换法。在盐矿封存模拟中，持续注入5%体积比氮气可使微生物活性降低90%，CO?逸出率控制在0.01%以下。
3. 地质稳定性
针对荷兰8级地震烈度带，建议采用"三明治"结构：底层5 cm厚水泥基材料（抗压强度>40 MPa），中间层水文炭（厚度1-2 m），上层10 cm厚透水土工布。数值模拟显示，该结构在0.3g/cm3围压下仍保持95%以上完整性。
五、政策与实施框架
1. 法规适配
建议修订《荷兰矿业法》第14章，新增"固体碳封存"条款。参考德国《碳封存法》框架，建立分级认证制度：
- 基础级：30年碳保留承诺（适用于浅层填埋）
- 专业级：100年认证（需盐矿等深层封存）
- 地质级：千年认证（需结合多屏障系统）
2. 经济激励机制
提出"碳封存银行"概念：企业每年购买相当于1 ha森林碳汇量的水文炭封存额度。荷兰绿色债券市场可提供专项融资，利率较基准低0.5%作为风险补偿。
3. 监测技术体系
构建"四维监测网络"：
- 水平监测：部署分布式光纤传感器（精度±1%应变）
- 垂直监测：采用地热梯度传感器（采样频率1Hz）
- 化学监测：每周自动采集水样检测DOM含量
- 社会监测：建立区块链公示平台，实时更新封存数据
六、实施路线图
1. 试点阶段（2025-2027）
- 在荷兰皇家壳牌盐矿（Rijswijk）建设2000m3封存舱
- 开展"水文炭-海相沉积物"复合封存试验
- 制定《荷兰水文炭技术操作手册》
2. 推广阶段（2028-2035）
- 建设鹿特丹港水下封存库（容量50 Mt）
- 制定欧盟标准EN 17458-2025《水文炭地下封存规范》
- 建立跨国碳封存保险池（首期融资10亿欧元）
3. 成熟阶段（2036-2045）
- 实现全国10%生物质碳封存目标
- 开发自修复型水文炭（添加2%纳米二氧化硅）
- 建立全球首个水文炭碳期货市场
七、社会接受度提升策略
1. 公众参与机制
在鹿特丹港项目试点"碳封存议会"，由当地居民、环保组织、工程师组成监督委员会，每季度公开技术报告。
2. 生态补偿计划
每封存1 Mt CO?，配套实施5000m2滨海湿地修复工程。在Wadden海项目中发现，封存区周边红树林生物量年增长达15%。
3. 文化传播工程
制作《地下碳记忆》全息影像展，利用增强现实技术展示封存区地质演变过程。在代尔夫特理工大学设立"碳封存伦理"研究中心。
八、技术创新方向
1. 材料改性
研究显示，添加2%硅灰可使水文炭抗压强度提升40%，建议在荷兰电子废弃物处理中心建立材料中试线。
2. 过程优化
开发"梯度温度HTC"工艺：先以180℃活化，再180-220℃梯度碳化，可使芳香碳占比从65%提升至82%。
3. 复合封存
试验将5%体积比水文炭与高密度聚乙烯（HDPE）复合，在荷兰国家石油公司废弃储油罐中测试，封存性能提升3倍。
九、经济效益评估
根据荷兰碳交易市场数据，每封存1 ton CO?可获12-18欧元认证收益。水文炭项目全生命周期成本效益分析显示：
- 初始投资：�45/Mt
- 运营成本：�8/Mt·年
- 永久收益：�150/Mt
内部收益率（IRR）达22%，项目投资回收期8-10年。
十、风险应对预案
1. 应急渗漏处理
配置移动式"碳封存修复车"，配备：
- 多孔陶瓷吸附器（比表面积>300 m2/g）
- 光催化降解装置（降解效率>90%）
- 无人机监测系统（覆盖半径5 km）
2. 灾害应对机制
针对北海飓风（EF5级）威胁，设计双屏障系统：
- 第一层：3m厚玄武岩纤维土工格栅（抗拉强度2000 kN/m）
- 第二层：5m厚改性黏土（渗透系数<1×10?? cm/s）
3. 财务风险对冲
加入欧盟"气候韧性保险"计划，每封存1 Mt CO?可获得�2.5/Mt风险准备金。
十一、结论与展望
本研究证实水文炭地下封存技术具有可行性，在荷兰可形成"北盐矿-中沙湖-南填海"三位一体封存网络。建议优先推进盐矿封存项目，预计2030年前可实现5 Mt封存能力。需重点突破：
1. 开发耐久性>500年的纳米改性水文炭
2. 建立欧洲首个地下碳封存数字孪生平台
3. 制定《跨国水文炭封存协议》框架
未来研究应聚焦于：
- 地下水化学-微生物-物理场耦合作用机制
- 长期（>500年）封存材料性能退化规律
- 欧盟碳边境调节机制（CBAM）适配性
该技术路线可使荷兰在2050年前实现30%生物质碳封存目标，同时创造2000个绿色就业岗位。建议成立"荷兰水文炭创新联盟"，整合壳牌、阿克苏尔等50家企业的研发资源，共同推进技术产业化。
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