二氧化碳（CO2）排放量持续上升，达到了需要采取可扩展干预措施来减轻环境影响的水平。[1]，[2] 政府间气候变化专门委员会指出，碳捕获与储存（CCS）技术对于将全球变暖限制在工业化前水平以上1.5°C至关重要。[3]，[4]，[5] 然而，大规模部署CCS仍受到能源输入需求的限制，这些需求构成了经济障碍。现有的CCS方法都需要持续的能源输入，这种需求在储存期间会无限期累积。这适用于低温、超临界和地下二氧化碳储存。
低温二氧化碳储存需要将二氧化碳冷却至低于-56.6°C（大气压）以形成液态。这需要连续的制冷来维持绝缘储罐中的低温，每天消耗5–8千瓦时的能量。在数十年的储存过程中，累积的能源成本可能超过20,000千瓦时/吨。[6]，[7]，[8]，[9] 超临界二氧化碳储存涉及将二氧化碳压缩至10–12 MPa和35–50°C。支持压缩的系统每天需要3–5千瓦时的能量来抵消压力损失并维持超过临界点（7.38 MPa，31.1°C）的条件。十年内，这一成本累积可超过15,000千瓦时/吨。[10]，[11]，[12] 地质注入方法将二氧化碳压缩并注入通常深度超过800米的地下层，不透水的盖层提供密封。这种方法每天在井口操作、注入管理和持续监测系统（用于长期监控羽流迁移和潜在泄漏路径）上消耗2–4千瓦时的能量，这些能源成本在整个储存期间不断累积。[13]，[14]，[15] 这些持续的能源需求代表了阻碍永久封存目标的隐性成本。除了能源影响外，这些持续的运营成本还导致储存寿命期间每吨二氧化碳的成本上升至500–2,700美元，从根本上削弱了在所需规模上实现永久封存的经济可行性。[16]
在实现碳减排目标的部署规模下，能源输入需求可能变得灾难性。使用传统方法储存一吉吨二氧化碳需要高达2–8吉瓦的持续电力。这意味着需要四到十六个500兆瓦的天然气联合循环（NGCC）电厂持续运行，仅为了维持储存的二氧化碳。[17]，[18] 这种能源需求随储存体积线性增长，形成了一个能源稳定性悖论：碳储存系统成为主要的能源消费者，可能会抵消其碳减排效益。当前的能源优化方法往往侧重于最小化初始建设成本，而忽视了生命周期的能源影响。[19]，[20] 这种偏离目标的优化可能会促使人们追求那些根本不适合大规模永久部署的技术。
除了初始能源输入外，永久碳封存的优化还应包括数十年或数百年时间尺度上的生命周期能源输入。这应避免推广那些在部署期间看似节能但实际上会随着时间累积巨大能源债务的技术。有效的碳储存需要一种无需持续能源输入的被动储存方法。基于水合物的二氧化碳储存可能代表了使用永久性被动储存解决长期能源需求所需的范式转变。广泛的实验和现场研究已经验证了二氧化碳水合物在深海封存相关的海洋压力-温度条件下的稳定性。最初的深海研究工作证明了在深度大于3000米处二氧化碳水合物的形成和持久性。[21]，[22]，[23] 实验研究量化了水合物成核动力学和沉积物相互作用，随后的现场数据综合分析确认了其长期相稳定性。这些发现共同证明了水合物储存的可行性。[24]，[25]，[26]
水合物是晶体结构，在特定的压力和温度条件下，水分子形成稳定的框架，将二氧化碳分子包裹其中。[27]，[28]，[29] 虽然水合物形成需要大量的初始能源输入，但它能够在深海条件下实现热力学稳定的储存，而无需持续能源输入。被动储存的潜在影响不可低估。消除持续能源需求将消除实施吉吨级碳封存的主要障碍。它可以使能源需求随时间趋近于零，而不是无限期累积。然而，尚未进行全面的生命周期能源分析，将水合物储存与传统方法在全局碳减排相关的时间尺度上进行比较。先前的研究证明了基于水合物的碳储存的技术可行性，但没有定量评估与大规模部署相关的能源学和优化策略。[30]，[31]，[32]
本研究通过开发一个全面的二氧化碳水合物储存生命周期框架来应对持续的能源输入挑战，揭示了可能改变碳储存经济性的能源优势。分析包括形成要求，量化了系统能源预算，并提供了与传统储存方法的比较。
