基于物理的集总参数模型用于归因生产性地热系统的自然和人为CO2排放

《Water Resources Research》：A Physics-Based, Lumped-Parameter Model for Attributing Natural and Anthropogenic CO2 Emissions From Producing Geothermal Systems

　　

地热能虽然是一种低碳资源，但一些电厂可能伴生并释放CO₂，这需要接受排放监测并有时面临经济处罚。由于储层开发改变了水文流动，进而改变地表CO₂通量，因此难以准确归因这些排放。因此，通过电厂计量到的排放并不代表真实的人为影响。本研究开发了一个地热储层的集总参数模型，用于追踪压力演化、溶解态CO₂以及通过电厂和地球表面的排放。针对储层脱气、外流逆转、延迟回注返回和矿化反应，研究人员获得了闭式解析解，并利用新西兰Rotokawa和Ngā Tamariki地热田的排放数据进行了校准。压力平衡、CO₂损失、储层停留、突破延迟和矿化的特征时间尺度之间的相互作用，控制着油田的排放是在数十年内下降、稳定还是反弹。校准模型表明，Rotokawa电厂计量排放将真实人为影响高估了17–45 kt yr^?1，因为生产抑制了未计入运营商的地表排放。地热储层中的CO₂封存与传统的碳捕集与封存（CCS）有根本不同，因为它是一个流动系统，溶解的CO₂只是暂时驻留。长期封存需要矿化或将回注到足够远的距离以延迟返回。需要针对具体油田的模型和重复通量测量来约束这些效应，并支持基于真实人为影响的排放核算。

论文解读：

地热能被视为低碳能源，但部分地热电厂在生产过程中会伴生并释放非凝缩气体（NCG），其中CO₂是主要成分。这些排放受到国家温室气体清单的监测，并在新西兰等司法管辖区面临经济处罚。然而，准确归因这些排放存在本质困难：地热储层的开发改变了地下压力和水文流动，从而扰动了天然的地表CO₂通量。电厂表计量的排放量既包含了人为扰动引起的增量，也可能因生产抑制了自然排放而高估了真实的人为影响。目前全球排放清单通常只统计电厂排放，忽略了生产引起的地表通量变化，导致归因偏差。因此，开发一种能够耦合储层压力、CO₂浓度以及电厂和地表排放的物理模型，对于正确核算地热能源的碳足迹尤为重要。

本研究在Fradkin等（1981）和Hosgor等（2016）的0维集总参数（储罐）模型基础上，建立了一个新的物理模型。该模型将地热储层概念化为多孔介质圆柱体，考虑深部上涌流、侧向流出、通过盖层的垂向流出，以及生产和回注过程。控制方程包括质量守恒、CO₂溶解度（基于Duan和Sun（2003）纯水模型）、达西流、脱气（因降压导致溶解度下降）、沸腾、矿化反应和表面通量损失。研究获得了闭式解析解，涵盖了储层脱气、流出逆转、延迟回注返回以及矿化反应等关键过程，这些解通过贝叶斯推断（emcee马尔可夫链蒙特卡洛采样器）校准到新西兰陶波火山带（TVZ）的Rotokawa和Ngā Tamariki两个地热田的实际排放时间序列数据。模型能够解析地预测储层压力指数衰减、溶解CO₂浓度变化以及电厂和地表排放的长期轨迹。

研究识别出六个特征时间尺度：压力平衡时间、CO₂损失时间、恢复时间、储层停留时间、冲洗时间、突破延迟以及矿化时间。这些时间尺度的相对大小决定了排放轨迹的形态。例如，若压力平衡远快于CO₂损失，则早期脱气脉冲短暂，后续浓度呈单指数衰减；若突破延迟远大于损失时间，则浓度先呈现假性平衡，之后因回注CO₂到达而二次上升。矿化时间与驻留时间的比较决定了CO₂能否被永久封存。

校准结果揭示了以下主要发现。对于Ngā Tamariki，初始溶解浓度为0.46 wt%，自然上涌流约为38.5 kg s^?1，储层液体质量为1.5×10¹¹ kg，CO₂损失时间尺度约为9.6年。该油田的净提取分数极低（中位数约0.06），因此浓度下降缓慢，稳态电厂排放约为6 kt yr^?1，而开发前地表排放估计为5.5 kt yr^?1。对于Rotokawa，初始浓度为0.78 wt%，储层质量约1.2×10¹¹ kg，CO₂损失时间尺度约6.3年，自然上涌流约250 kg s^?1。由于开采强度高且无CO₂捕集，稳态电厂排放约49 kt yr^?1，而开发前地表排放估计为44 kt yr^?1，但实测地表通量（126–161 kt yr^?1）远高于模型估计，表明储罐模型仅描述了生产区域的一部分系统。

研究进一步定义了“高估量”（overcount）为电厂排放与真实人为排放之差。在Rotokawa，稳态高估量为17–45 kt yr^?1，这意味着按电厂计量收费，运营商被多收取了费用。累积高估量从2011年至2023年约为0.37 Mt，占同期ETS收费的约三分之一。Ngā Tamariki的高估量小一个数量级，因为其开发前地表排放较低。若实施100% CO₂回注，电厂排放降为零，但地表排放仍受到抑制，高估量在初期会迅速下降，但若所有回注CO₂最终都返回储层，高估量最终会变为负值，表明运营商可能被低估排放。

关于长期封存，地热储层本质上是流动系统，溶解态CO₂仅暂时驻留。储层内溶解态CO₂的实际储存量受压力变化和开采影响，而唯一永久性封存形式是矿化。在低反应活性的硅质储层中（如新西兰多数系统），矿化时间尺度为数十年至数百年，竞争不过较快的地下水流，因此将CO₂回注到远离生产区的位置以延长突破延迟，或依赖快速矿化（如玄武岩中的Carbfix案例），是实现长期封存的关键。

本研究的意义在于，它提供了一种基于物理的排放归因方法，表明单纯依赖电厂计量会系统性地高估地热生产的人为CO₂影响，从而不公平地惩罚低碳能源。但要支持监管改革，还需要对单个地热田进行详细数值模拟、重复地表通量测量（如土壤通量调查或涡度协方差塔），以及考虑气体盖层和空间异质性。本框架可推广至其他地热系统，只需重新校准集总参数即可。总之，该模型量化了电厂计量与真实人为通量变化之间的差距，为运营商和监管者制定公平的碳定价提供了工具。