最早对于二氧化碳(CO2)的认知,应该是在小学的课堂上。记忆中,在了解人类所呼出来的二氧化碳,原来是帮助小树长大的重要元素后,顿然对自己尊敬了起来。后来,又知道喜宴上才喝得到的汽水,打开瓶盖后冒出来的气泡也是二氧化碳的化身,就对它生起了莫名的小情愫。只是,这个在常压下无味、无色的气体,现在竟然成为全球暖化的重要原因,是当时怎样也不会想到的!

地球暖化的无辜祸首?

全球气温一直在暖化当中,虽然原因是否完全归咎人为碳排放,所造成还未定论。但科学家普遍认为,过去五十年间的地球温度上升,和人类活动造成的碳排放的确有重大的关连性。2007年联合国跨政府气候变迁小组(IPCC)在报告中指称,暖化趋势的证据「确凿」(unequivocal),而人类活动「很有可能」(very likely)是过去五十年来气候变迁的驱使力量。在高尔<不愿意面对的真相>中,也显示过去65万年间地球上CO2,含量增加和气候温度上升呈现正相关,举例来说1750年工业革命开始,空气中碳含量每年呈倍数成长,全球气温也自1980年开始逐渐攀升。因为CO2分子具有长达百年的生命期,过去一百年来的CO2,影响着我们今天,我们今天制造的CO2也可能在一百年后,持续影响地球。

为了避免暖化带来灾难性的气候变迁,IPCC于报告中明白指出,全球必须立即采取行动,让气温增温幅度限制在摄氏2度以内,CO2浓度控制在450ppm以下,才能避免暴雨、酷暑,甚至海水上升、国土淹没等大型灾难。目前在减少碳排放上,除发展风力、水力、太阳能等再生能源外,也可利用科技「埋存」二氧化碳的方式,来达到减碳的目的。

CCS  净煤新救星

根据国际能源总署(IEA)最新发布的Energy Technology Perspective 2010,为达成全球温度上升不超过摄氏2度,运用碳的捕捉与封存(Carbon Capture & Storage,简称CCS)技术在减排方式中占了19%;由此可见,CCS在抑制全球暖化效应上的地位与重要性。其中,就碳封存来说,指的是在收集大量的CO2后,存于「容器」里以免其进入大气中的方法;而所谓的「容器」,主要有海洋与地底等。关于方法上的比较,Science于2003年在讨论了将CO2注入海洋、地下等封存技术之优缺点后,指出地质封存最为可行。

事实上,将碳存回地底并不是新科技,在1970年代就已经有石油天然气开采公司使用类似的封存技术,将CO2灌注到地下油田中,借以降低石油的黏滞度来达到增加开采量。 而今,地质封存技术是指于CO2固定排放源(如火力发电厂之管末等),将碳气体捕捉后加压成液态碳,经由输送管线与注入井等灌注于地底下深度达800公尺以上之高孔隙地层中;因为经过研究当控制在800公尺,CO2的密度最大、体积最小,可以更稳定的长时间滞留于孔隙里,甚而溶解于深地层之地下水或与其间之矿物进行矿化反应,以提高减碳的效果。

CO2地质封存  超级计算机选场址

在进行CO2封存之前,筛选一个良好的封存场址是很重要的工作;通常一个良好的场址,在地层构造上,要包含盖层与储气层。其中,盖层的作用类似锅盖,能够让注入的CO2有效地封存于储气层,避免往上移动污染浅层之地下水源。另外,在储气层部份,就要有适当的孔隙率及渗透率,才能提供足够的空间及传输性,让CO2容易注入,减少注入井帮浦、马达之负荷。若全依靠地质探勘、现地调查与试验是相当耗时的,同时也难以获知日后对于环境所产生之区域性冲击。

■ 二氧化碳地质封存示意图

除了上述构造的考量,将CO2注入深地层中,还涉及巨量CO2在地底下长时间且大范围的迁移行为,于时空上的尺度可能超过千年、上达十至百公里。其间,CO2会与地下水及地层产生何种反应与变化,包含水力封存、残余气封存、溶解与矿化封存等机制,是相当复杂的多相流传输问题。因此,若能利用超级计算机之辅助,设计各种可能的情境,以进行模拟分析并预测长时间的封存对于环境所产生之影响,则有助于加速封存点的寻找工作。

在找封存点的计算量需求上,以下以日本东京湾为例来说明。2008年间,日本大成建设公司(Taisei Corporation)出资与日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)、美国劳伦斯柏克莱国家实验室(LBNL)等合作,以东京湾海底地层为假想之封存场址,大约在70*60*2.5立方公里之范围内,设置10口注入井,以每年每口井1百万吨的CO2持续灌注100年,并观察至1000年间的变化。这个计算网格数高达千万的地质封存情境,在Earth Simulator(日本于2002~2004年全球超级计算机排名第一的高效能主机)上,使用1024个处理器进行演算,总计花费1~2天才告完成,计算量每秒近8兆次浮点运算(Tflops)。

揭开台湾HPC前进地质封存的序幕

2007年起国网中心开始投入CO2地质封存高速计算之研究领域,并于2009年与美国劳伦斯柏克莱国家实验室(LBNL)合办TOUGH2-MP封存模拟软件教育课程、与趋势论坛交流,获得国内经济部中央地调所、台电、中油、以及学研界热烈参与。2010年起,更进一步正式与台电综合研究所、中兴顾问社合作,揭开我国运用高速计算(High Performance Computing,简称HPC)进行CO2封存实务的序幕。

在与台电的合作过程中,国网中心主要针对高速计算研究领域提供协助,包含提升碳封存模拟软件TOUGH2-MP的计算效能,及建立国内自有的碳地质封存平行计算平台。TOUGH2-MP为LBNL所发展的模拟软件,在全世界有300多个实验机构使用,进行孔隙介质多相流、CO2地质封存研究工作。然而,此软件并未提供友善的操作界面,且在面对实际封存场址的不规则边界、地质异质性等复杂条件时,软件无法支援计算网格之局部性加密、及与常见的后处理工具(如Tecplot、Sufer)不兼容等问题。

因此国网中心投入网格产生器之研究,发展可就特定位置(如CO2注入井区域)控制疏密之技术,以让网格可以加密,提升模拟的精确度。同时,并开发介接工具,以让TOUGH2-MP之计算结果可依需求于常见的后处理工具上进行浓度场、流速场等之绘制。经由这些努力,现在不论是在模拟尺度(含场址大小、网格数量、模拟时间等)、水文地质条件之复杂度,或是资料分析处理效率上,都提升了不少。

同时在与台电等合作所获取之经验中,国网中心也建立起CO2地质封存平行计算平台之雏型,未来希望以超级计算机为载体,串接平行化之数值模拟器、计算网格产生器等之前后处理软件,发展地质封存之高速计算共享平台,提供产学研界进行相关研究与实务使用。此外,为提升计算模拟效能,我们也在评估应用新兴的软硬件加速法(如CPU与GPU)调校TOUGH2-MP之可行性。 

■ 与台电合作于台西盆地模拟二氧化碳持续注入20年后停止,再观察至1500年之气体饱合度(SG)变化 /国网中心二氧化碳地质封存平行计算

高尔的脚步

减碳已成为全世界的重要议题与责任,但如何有效凝聚各界的力量,加速减缓暖化的进程仍尚有努力的空间。在<不愿面对的真相>中,美国前副总统高尔一次又一次地提出科学论据,竭尽所能地说服政府与财团对地球暖化的重视。在感念他的脚步中,我们将自许尽最大心力让各界能善用超级计算机与高速计算方法,来探究CO2地质封存课题;因为让碳回地底的挑战涉及兆级浮点运算的规模,在争取时效上有其重要与必要性。

希望在不久的将来,结合现地调查与试验数据的台湾CO2地质封存情境,能在国网中心的超级计算机上巨细靡遗地映演,供专家学者、环境公民等群聚讨论,一起为减碳的时代使命开拓新路!