据称，马克·吐温曾说过，每个人都在抱怨天气，但没有人为此做任何事情。一位现代的吐温可能会评论说，每个人都在谈论气候变化，但没有人采取认真的行动。一个很大的原因是经济因素。减少大气中二氧化碳的积聚——气候变化的主要人为驱动因素——需要从煤炭和石油作为主要能源的昂贵转变。或者需要昂贵的技术来捕获工业排放的二氧化碳，然后将气体存储在可以保存数百年的地方。
然而，如果一项技术能够经济地兼顾两者：生产大量能源并显著减少温室气体排放，那会怎么样？如果这项技术能够无缝融入美国现有的工业基础设施，又会怎么样？这种情况可能在美国墨西哥湾沿岸成为现实。由于那里特殊的地理情况，大量的二氧化碳可以存储在地下数公里深处的热盐水中，而存储过程本身将产生大量的甲烷作为燃料，以及可用的热量。单独来看，无论是存储、甲烷生产还是地热能生产都不经济。然而，新的计算表明，当这些过程在一个闭环系统中结合起来时，它们可能会在美国和其他地方获得丰厚的回报。
重力法则
等等，甲烷？气候变化的最新罪魁祸首？这种气体可能会从管道和水力压裂页岩气井中泄漏出来，而且从分子角度来看，其全球变暖能力是二氧化碳的 20 倍？是的。
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要理解其中的逻辑，首先看看碳捕获和埋藏，即碳封存。思考这些挑战促使我和我的同事提出了一个看似异端的系统。
碳捕获和储存的目标是在源头——化石燃料发电厂排放的烟气——捕获二氧化碳分子，并将它们锁起来，使其不会进入大气。“储存”听起来很简单，但唯一足够大的储存库来容纳惊人数量的二氧化碳是在地下。科学家们已经确定，地壳顶部几公里处的沉积岩孔隙理论上可以容纳数百年排放量的二氧化碳。
为了实现储存目标，例如美国 15% 的排放量，每年必须封存高达 1 吉吨的二氧化碳。全球能源行业每年从沉积岩中生产约 4 吉吨原油和 2 吉吨天然气。这项活动的规模表明，将 1 吉吨压缩二氧化碳转移到地壳中应该是可以实现的，尽管这项工作将是巨大的。当然，其他可比规模的变化，例如提高能源效率和转向非化石燃料，将首先减少二氧化碳的产生。
下一步似乎很明显：开始调整已验证的石油和天然气生产技术，以实施这种地质碳储存形式——并立即开始。不幸的是，这种策略面临着一个根本性的缺点。随着时间的推移，二氧化碳会倾向于通过裂缝和孔隙上升回地表，最终从地下逸出到大气中，除非它遇到“密封层”——一层孔隙非常小的岩石，气体无法穿透。
我们的石油工业依赖于这种自然的向上流动。地下储层中的石油和天然气通过各种管道从更深层的岩石中到达那里。在这个漫长而缓慢的向上级联过程中，一些流体被困住，但大部分流体不断迁移，直到到达地表。在早期石油工业时期，大多数勘探者都在发现地表渗漏的地方钻井。
各种科学家对地下二氧化碳羽流的广泛研究表明，情况类似：许多地质构造会阻止二氧化碳上升，但管道也会允许向上运动。然而，工程师们可以利用二氧化碳的一个有趣的特性。大多数液体在气体溶解到其中时密度会降低。但是当二氧化碳溶解到水中时，液体会变得更密集。大多数深埋地下的含水液体是盐水，当二氧化碳溶解到盐水中时，盐水也会变得更密集。浮力问题消失了；以这种形式储存的二氧化碳会倾向于下沉，远离地表，从而提高储存安全性。
能源覆盖成本
问题在于，二氧化碳需要很长时间才能自行溶解到深层盐水中，在通常的温度和压力下，二氧化碳才能存在。因此，当时我的研究生麦克·伯顿和我考虑了一个激进的想法：向下钻一口井进入盐水中，将其提升到地表，加压，注入二氧化碳（二氧化碳在混合罐中迅速溶解），然后将盐水送回地下。
显然，这个计划需要大量的能量。而且盐水按重量计只能容纳相对较少的二氧化碳，因此必须移动大量的盐水。任何一个挑战都可能成为交易的障碍。
第二个挑战的解决方案似乎并不特别艰巨。例如，石油公司通常在整个储层中以均匀间隔的模式钻井。水或盐水被注入到一部分井中，以推动地下石油通过储层并向上通过模式中的其他井。目前，该行业每年向储层注入约 10 吉吨盐水——其中大部分来自储层本身。因此，实现有意义的二氧化碳储存所需的盐水流量是可行的。储存地点的井的一个子集将从储层中提取盐水；另一个子集将同时注入含有溶解二氧化碳的盐水。
另一个挑战——钻所有这些井所需的资金以及运行这些井所需的能量——要合理得多。行业一直没有争先恐后地捕获和储存二氧化碳，因为排放者无需为向大气中排放二氧化碳支付任何罚款或价格。行业没有经济理由来封存排放物。保护地球或支付化石燃料使用的“全部成本”（包括改变环境）的政策论据并没有说服任何人定价。乍一看，我们看不到任何支付向盐水中注入二氧化碳费用的方法。
然而，不久前，在德克萨斯大学奥斯汀分校我的办公室隔壁的办公室里，出现了一个想法，有望解决这一难题。加里·波普——一位石油工程教授，他一生致力于开发更好的方法来将石油从储层中压出——意识到可以利用一种隐藏的资源。
墨西哥湾与世界其他石油产区一样，拥有富含溶解甲烷的深层盐水含水层。甲烷是天然气的主要成分，因此可以在当地发电厂燃烧，也可以通过美国广泛的天然气管道网络轻松地在全国范围内分销。当盐水到达地表时，我们可以抽出甲烷并用二氧化碳代替。即使在目前天然气价格较低的情况下，甲烷和地热的热量收入也可能超过封存二氧化碳的成本。资本成本是否会像发电厂那样经常转嫁给费率支付者，将取决于当地法规。
显而易见的下一个问题是，这个过程是否真的可以自负盈亏。波普和我很快聘请了一名研究生雷扎·甘杰达内什来寻找答案。
自然力对我们有利。通过常规钻井，在生产井中上升的盐水压力逐渐降低，并释放出一些甲烷。将二氧化碳溶解到盐水中会迫使释放出更多的甲烷。此外，德克萨斯州和路易斯安那州沿岸大部分地区深于 3 公里的许多含水层都处于高压状态，因此几乎不需要任何能量即可将盐水提升到地表。
相同的含水层也足够热，盐水可以成为良好的地热能源。甘杰达内什计算出，甲烷和热水产生的能量与二氧化碳注入同一流体时的能量相结合，产生的能量大大超过了运行所需的能量。这种能源正向的地质碳储存形式即使在没有碳排放价格的世界中也可能具有经济吸引力。
向下钻金字塔
这种方法作为提供未开发燃料的方式也很有意义。“容易开采的石油已经枯竭”是化石燃料行业中熟悉的口头禅。容易开采的天然气也枯竭了。几十年来，该行业向下钻探到最容易获得、最集中的、最容易开采的石油和天然气矿藏，这些矿藏很容易通过生产管道上升到地表。随着公司耗尽这些矿藏，他们向下移动“资源金字塔”，转向不易获得的化石燃料形式。在过去三到五年中，美国石油和天然气产量的增长主要来自深层页岩的水力压裂。从这种岩石中回收任何东西都很缓慢且艰巨，而且石油和天然气的浓度要低得多，但压裂页岩气是金字塔的下一个逻辑步骤。我们正在迫不得已地转向那里，因为需求不断增长，而旧的、容易获得的供应正在消失。
然而，资源金字塔具有诱人的品质。资源的总体质量通常会随着回收变得更加困难而增长。例如，页岩储层中锁定的天然气总量使其成为一个有吸引力的目标，即使页岩气井的能源生产效率远低于常规气井。
溶解在盐水中的甲烷是页岩气之后金字塔的下一个层次。天然气的浓度约为页岩的五分之一，但甲烷的量却惊人。仅墨西哥湾沿岸的估计就从数千到数万万亿立方英尺 (Tcf) 的甲烷不等。从角度来看，在过去十年中，美国每年消耗 20 至 25 万亿立方英尺的天然气。
这种资源的规模促使美国能源部早在 20 世纪 70 年代和 80 年代就赞助了对深层盐水储层的测试井。这些井将盐水带到地表，但从盐水中生产甲烷无法在价格上竞争。
虽然今天从盐水中提取甲烷仍然无法竞争，但另一个主要好处——地热能的生产——可能会改变财务等式。从人类时间尺度来看，来自地球的热量将无限期地持续下去。与其他地下资源一样，开发地热资源需要注入井和开采井——所有这些都是现成的技术。盐水地热能未能取得更大进展，主要是因为热水的能量密度比燃烧相同体积的煤、石油或天然气获得的能量小约两个数量级。
这种悲观的评估与使用地热能发电有关。然而，根据最近能源部赞助的对地热能的重新评估，美国能源消耗的约 10% 用于建筑物中空气的供暖和制冷以及家庭中水的加热。像家用燃气热水器中的 2200 度火焰一样，这是过度的。如果低强度地热能用于低强度应用，如暖空气和热水，则可以获得回报；地热热泵在欧洲家庭中已经成功地做到了这一点多年。
三个过程合而为一
单独来看，无论是将二氧化碳储存在地下、开采盐水作为甲烷燃料，还是抽取深层盐水用于地热供热，在经济上都是不可行的。但是，将所有三个过程组合成一个系统开始看起来像一个三条腿的凳子：它们变得自给自足。然而，最终的问题是，该系统是否可以封存足够的二氧化碳，从而在国家和国际范围内显著减少排放。
我们最近对墨西哥湾沿岸进行了一些计算。该地区有大量化石燃料发电厂和其他产生大量二氧化碳的工业。为了更大程度地减少美国排放量，二氧化碳可以从遥远的源头运输而来。建造管道的资金可能相当可观，但运营成本适中，而且规模再次是可行的。例如，在 20 世纪 80 年代，工业界在西德克萨斯州二叠纪盆地附近的四个州建造了超过 3400 公里的管道，将二氧化碳从天然地下储层输送到油田，在那里二氧化碳被用于提高石油采收率。海岸拥有巨大的深层盐水储层。它拥有广泛的天然气管道基础设施，为该国其他地区供气。而且它拥有大量可以利用地热能的人口。
每年储存 1 吉吨二氧化碳，相当于美国当前排放率的六分之一，将需要每天注入和开采约 4 亿桶盐水。这个速率很大，但可以通过约 100,000 个注入井和开采井来实现（作为参考，德克萨斯州已为石油和天然气钻探了超过 100 万口井）。完成如此多的井将需要数十年时间。然而，对于任何避免每年 1 吉吨二氧化碳排放的技术来说，这段时间跨度都是正确的。例如，如果现在由燃煤电厂产生的 200 吉瓦电力改为由核电厂产生，美国的排放量可能会下降这么多。大约需要建造 200 座大型反应堆，这肯定需要数十年时间。
能源生产率也足够大，可以支付系统的费用。储存 1 吉吨二氧化碳每年将产生约 4 万亿立方英尺的天然气，约为美国当前消费量的六分之一。美国在 2012 年从页岩中生产了约 9 万亿立方英尺的天然气，价值 250 亿美元。
地热能的生产率也将是巨大的。如果热量用于提供热空气和热水——并且如果它也用于将暖空气转化为冷空气进行空调的换热器中——那么捕获的能量将与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湾沿岸是否会有如此大的需求，尽管那里的许多石化工厂以及将要建造的许多碳捕获装置可能会使用其中的很大一部分。或者，如果热能以 10% 的效率转化为电能（这在其他地方很常见），那么将产生 20 吉瓦的电力，这仍然是巨大的：美国拥有约 50 吉瓦的风电容量。
看来我们的系统具有足够大的生产率来支持大规模减少二氧化碳排放。体积计算似乎也很有利。每年储存 1 吉吨二氧化碳，持续一个世纪，将封存 100 吉吨二氧化碳。它还将产生 380 万亿立方英尺的甲烷——不到估计存在于墨西哥湾沿岸深层含水层中的甲烷的十分之一。因此，有充足的空间储存二氧化碳，也有充足的天然气供应。
如果甲烷被发电厂燃烧，即使不捕获燃烧产生的二氧化碳，一个世纪的运行中二氧化碳排放量的净下降量也将为 80 吉吨。这是一个大幅下降。例如，忧思科学家联盟已经确定，为了将全球大气二氧化碳浓度限制在百万分之 450（通常认为这是将全球气温上升幅度控制在 2 摄氏度以内的水平），美国和其他工业化国家必须到 2050 年将排放量减少到 2000 年水平的约 25%。美国需要在现在到 2050 年之间避免约 150 吉吨的二氧化碳排放。即使盐水过程需要 20 年才能达到每年 1 吉吨的封存水平，它也可能占美国所需减排量的 15%。
当然，井和盐水注入厂必须以极大的谨慎建造和运行，以防止甲烷泄漏到大气中，即所谓的逸散性排放。这些井将类似于传统的陆上石油和天然气井——成熟的技术。美国环境保护署有一个健全的计划，用于检测排放及其来源。而且行业也不希望损失可以出售的有价值的产品。盐水、甲烷和二氧化碳的处理在复杂性上类似于石化工厂的运营——另一个成熟的行业。最后，由于只有液体会在地下储层中移动，因此钻井和运营井将非常类似于已经实践了几十年的传统石油作业。与压裂页岩相关的问题——将化学物质和大量淡水输送到地下以及安全处置含化学物质的压裂液——对于此过程不会出现。
诱发地震活动的可能性也极低。最近的研究表明，向某些地质构造中添加大量流体——有时是为了处置废水——可能会增加地震风险。然而，盐水过程是一个闭环；所有注入的盐水首先从同一地层中提取出来。通过这种方式，地层中的原始平均压力得以保持。
当然，建造这样一个系统可能很昂贵，并可能增加消费者的电力成本。但是，任何足以在二氧化碳排放量方面产生有意义的差异的重大努力也会如此——无论是建造数千个太阳能和风力发电场，还是再建造 200 座核反应堆来取代燃煤电厂。[有关成本的更多信息，请参见下面的“更多探索”。]
开始行动
鉴于我们的大量计算，盐水封存系统在纸面上似乎可行。然而，试验工厂对于确定我们的系统在现场是否实用至关重要。桑迪亚国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和苏格兰爱丁堡大学的研究人员正在设计将二氧化碳有效注入盐水并提取能量的方法。两家希望保持匿名的公司正在考虑是否在墨西哥湾沿岸建造试验工厂。
现在获得经验将是明智之举，因为如果世界对限制全球变暖引起的气温上升抱有任何希望，就必须立即减少二氧化碳排放。
美国墨西哥湾沿岸是建造盐水封存系统的理想地点。然而，排放问题是全球性的。我们不知道该过程还可以在哪里应用，但基本要素是含有溶解甲烷的盐水，这在发现碳氢化合物的任何地方都可以预期。