碳的地質封存技術是直接將CO2注入地下的地質構造當中,如油田、天然氣儲層、含鹽地層和不可采煤層等都適合CO2的儲存。

地質封存取決這些構造的物理和地球化學的俘獲機理。CO2注入后,儲層構造上方的大頁巖和粘質巖起到了阻擋CO2向上流動的物理俘獲作用。這個不透水層稱為“蓋層”(caprock)。毛管力提供的其他物理俘獲作用可將CO2留在儲層構造的孔隙中。然而,在許多情況下,儲層構造的一側或多側保持開口,以便于CO2在蓋層下側向流動。隨著CO2與現場流體和寄巖發生化學反應,地質化學俘獲機理開始發揮作用。如果CO2在現場水中溶解(一般是在幾百a乃至幾千a內),充滿CO2的水的密度越來越高,因此會沉伏于儲層構造中而不是浮向地表。此外,溶解的CO2與巖石中的礦物質發生化學反應形成離子類物質并轉化為碳酸鹽礦物質。與地質封存關聯的另一種處理方式是CO2的再利用。即將CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。這種方案比較具有吸引力,因其能夠從額外開采的石油中部分補償CO的儲存成本,但缺點是這類油田的地理分布不均,且開采潛力有限。

不可采煤層也可用以儲存CO2,因其可吸附于煤層表面,但是否可行則取決于煤床的滲透性。儲存過程中會產生甲烷氣體,并可加以開采利用,即煤層氣回收增強技術(ECBM)。

含鹽地層中主要是高度礦化的鹽水,并無利用價值,有時用于存放化學廢棄物。鹽堿含水層的主要優點是其巨大的儲存容量,且地理分布較廣,對CO2的運輸而言較為方便。但不象油田或煤層,在含鹽地層中儲存CO2并不能產生任何有經濟價值的副產品,無形中提高了儲存成本。而且人們一直對這種構造中儲存的CO2是否會泄漏存有疑問,不過最近的研究表明有幾種吸附機理可使CO2固定在鹽層下。到2005年共有3個工業級的CO2地質儲存項目在運行之中。

其中挪威Statoil公司開發的Sleipner天然氣田CO2封存項目運行時間最長。該氣田于1996年投產,位于北海,建有世界上第1個工業級CO2捕獲設施,處理方法是用醇胺溶劑從天然氣中吸收二氧化碳并通過回注鉆孔儲存于深達1000m海床下的含鹽地層中,處理能力約為每天2,800t。加拿大的Weyburn項目開始于2000年,是將美國北達科他州Beulah的大型煤氣化裝置中捕獲的CO2輸送到加拿大Saskatchewan省東南部的Weyburn油田,用于增強采油,目前每年注入的CO2約為150萬t。第3個是位于阿爾及利亞的In Salah項目,與Sleipner類似,也是將從天然氣中分離的CO2注入地下,年處理量約為120萬t。

地質封存是最有發展潛力的一種方案,據估算全球貯量至少可以達到2000Gt。