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碳捕捉與封存技術可抑減碳排放
2022/05/18 08:02
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碳捕捉與封存技術可抑減碳排放 


一、碳捕捉與封存(CCS)的原理及重要性

    從18世紀工業革命開始,人類依賴化石燃料的使用提升文明水平,但造成大量溫室氣體排放到大氣中影響氣候變遷及地球生存環境。根據跨政府間氣候變化專門委員會(IPCC)於2014年提出的氣候變遷報告,到2011年人類已排放2.04兆噸的二氧化碳,使大氣中二氧化碳濃度由280 ppm上升到430 ppm,造成全球暖化增溫與海平面上升等多項災害。依據IPCC預估,若不減緩二氧化碳的排放,到2100年前,大氣中二氧化碳濃度會大於1000 ppm,造成全球平均氣溫上升4℃、海平面上升1公尺。若要將全球平均氣溫控制在巴黎協定所規定的2℃之內,就需要使二氧化碳排放量降到接近零排放甚至更低,並將二氧化碳濃度控制在450 ppm內。國際能源總署(IEA)指出,減碳的可能方法有六項:核能、可再生能源、碳捕存、發電效率提升與能源轉換、終端能源轉換、終端利用效率提升。其中,碳捕捉與封存是成本最低且技術較成熟的減碳方案之一。透過提高能源效率、改變能源系統,以及將使用化石燃料轉化為使用核能以及再生能源,可大幅度減少二氧化碳的排放。然而,仍有許多二氧化碳在工業活動中產生,因此二氧化碳捕獲及封存極為重要。

   CCS技術主要是利用碳捕獲技術將電廠及工廠排放的二氧化碳分離,並將其壓縮後,輸送至合適的封存地點進行封存,使二氧化碳與大氣隔絕。二氧化碳捕獲技術可分為三種:燃燒後捕獲、燃燒前捕獲、富氧燃燒。燃燒後捕獲,指的是在燃料燃燒後,利用液態溶劑從煙氣中捕獲二氧化碳;燃燒前捕獲,則是先將燃料轉化為二氧化碳及氫氣的混合氣體,再將其分成二氧化碳流與氫流,氫流作為能源使用,二氧化碳流則進行捕獲;富氧燃燒,則是以氧氣取代空氣進行燃燒,產生以水氣和二氧化碳為主的煙氣,並透過冷卻及壓縮清除水氣,捕獲煙氣中的二氧化碳。其中,燃燒後捕獲技術發展較為成熟,且較易結合現有發電的燃燒製程。捕獲的二氧化碳,透過高壓進行壓縮,轉換為液態,透過管線、船舶等方式運輸至封存場址進行封存。封存方式可分為:地質封存、海洋封存、礦化封存三種。地質封存,意思是將二氧化碳注入到深部地層內的岩石孔隙內,如耗竭油氣層、深部鹽水層、煤層等;海洋封存,是指將二氧化碳注入海洋,使其溶解入海水中或是形成固態二氧化碳水合物、液態二氧化碳湖等;礦化封存,則是使二氧化碳與金屬氧化物(如氧化鎂、氧化鈣)進行反應,形成碳酸鹽類礦物(如碳酸鎂、碳酸鈣)。在三種方法中,礦化封存的安全性最高,但反應所需時間長,且需要大量原料,不適合大量封存二氧化碳之用。而海洋封存由於有導致海洋酸化的可能性,或因洋流擾動而使二氧化碳失去隔離狀態,對海洋生態系統造成危害,此項技術可以說風險極高。因此,地質封存為目前最接近實用且可行性高的封存方式。

二、碳捕捉案例

   冰島有世界最大碳捕集與封存工廠,每年可封存 4,000 噸二氧化碳,這座工廠由瑞士Climeworks AG 與冰島 Carbfix 公司合建,前者負責捕捉空氣中的二氧化碳,後者則是將二氧化碳封存地底,根據國際能源署資料。這座工廠名為 Orca,乍看之下只是 8 個船用大貨櫃,但其實為了捕捉二氧化碳,有滿滿的風扇和高科技濾器。工廠首先用風扇將空氣吸入收集箱,空氣中的二氧化碳會吸附在其中的選擇性過濾材料表面上,接下來濾材集滿之後,就會關閉收集箱並將溫度提高到 80~100 °C,便可收集被釋放出的高濃度二氧化碳,最後再把二氧化碳與水混合在一起,將調配而成的「蘇打水」注入地底玄武岩層,將二氧化碳凝固成碳酸鹽礦物。工廠所有電力則來自隔壁的地熱發電廠,科學家認為,碳捕集與封存是緩解氣候變遷重要技術,只是目前直接從空氣捕捉碳的 CCS 技術成本較高不經濟。

   英國蘇格蘭東北部的聖弗格斯天然氣接收站正在開發名為Acorn的大規模碳捕捉與封存計畫,目標要在2030年之前,每年封存500至1000萬噸的二氧化碳。舉辦聯合國第26屆氣候大會的蘇格蘭,近年積極減碳,將淨零排放目標訂在極具企圖心的2045年,當地不僅綠能發電接近百分百,更積極開發碳捕捉與封存技術。第一階段會捕捉天然氣站排放的二氧化碳,將其封存於北海海床底下;第二階段是嘗試將天然氣轉化為氫氣,透過既有管線運至英國國內運用。Carbon Clean公司正研發碳捕捉新技術,讓重工業更容易將碳捕捉設施。Acorn計畫特殊處在於利用現有油氣管道與基礎設施,將二氧化碳輸送至北海儲存,因此不需要再興建大量基礎設施,預計今年底前完成工程設計。Carbon Clean公司在英美、荷蘭與業者合作打造碳捕捉設施,總共已捕捉與封存100萬噸二氧化碳,希望幫助重工業減少碳排放,包括鋼鐵、水泥及石化等產業。沒有碳捕捉不可能達成淨零排放,重工業領域目前沒有其他大規模去碳的解決方案;Carbon Clean正研發一種小型的碳捕捉新技術,將使每公噸碳捕捉的成本,降低到30美元。

三、中國對碳捕捉的努力與成果

(一)完成首個百萬噸級CCUS(二氧化碳捕集、利用與封存)項目

   齊魯石化-勝利油田CCUS項目是中國石化建設的國內第一個百萬噸級CCUS項目,涵蓋碳捕集、利用和封存3個環節。這個項目是以齊魯石化第二化肥廠煤製氣裝置排放的二氧化碳尾氣為原料,生產液態二氧化碳產品送往勝利油田驅油與封存,每年可減排二氧化碳100萬噸,相當於植樹近900萬棵,近60萬輛經濟型轎車停開一年,將有力推進化石能源潔淨化、潔淨能源規模化、生產過程低碳化。

(二)以二氧化碳合成澱粉

    近期,中國科學家首次做出用二氧化碳人工合成澱粉,自然界澱粉是綠色植物通過光合作用固定二氧化碳合成的,太陽能效率不超過2%,且農作物生長周期長,需大量土地、淡水、肥料等資源。因此,新澱粉製備方法實現了對二氧化碳的高效轉化利用一舉兩得。但就經濟性而言,只有將二氧化碳到澱粉合成的電能利用效率再提高數倍,澱粉合成的碳素轉化速率再提高數十倍,才能與農業種植競爭。因此,實現工業化生產,還需解決諸多的科技難題。碳捕獲技術需具備財務可行性, 捕獲和儲存二氧化碳需大型地質結構。

(三)訂立國際標準

    5月10日,中國大陸的國際標準ISO 27927《燃燒後CO2捕集吸收溶液的關鍵性能指標及測試方法》正式立項,實現了中國碳捕集領域在國際標準工作上“零”的突破,將為全球燃燒後碳捕集工藝提供技術規範和評價依據。吸收溶液的開發是燃燒後二氧化碳捕集技術研發的核心工作之一,自2007年以來,中國華能陸續開發了具有完全自主知識產權的商品化“HNC1~HNC5”系列和“相變型”等多個二氧化碳吸收溶劑,並將我國碳捕集技術首次整體出口至澳大利亞等多個國家。中國華能將繼續發揮在國際碳捕集領域的技術優勢,聯合國內外相關企業、機構及專家,引領推動碳捕集吸收材料表徵方法和關鍵性能指標評價體系在科研和生產活動中的規範化使用,為加速CCUS的產業化進程,為中國實現“碳達峰碳中和”和國際實現淨零排放目標作出貢獻。

四、各國吸引企業投資捕碳技術但成效不佳

    CCS是到2050達成碳中和的一項關鍵技術,尤其對重工業而言,是最難脫碳的產業。然而根據金融服務公司ING最近分析,碳捕集的成效似乎有限。近年來CCS不斷增加,但是大部分並不處理工業污染,最大的成長反而是化石燃料發電廠的碳捕集。IEA 預測,到2030年,全球每年需要2050億美元投資於CCS開發,以保持到2050年實現淨零排放,但據彭博新能源財經報導,全球對 CCS 的投資到2021年才23億美元。各國碳捕捉情形如下: 

(一)美國

   拜登政府計劃投資 120億美元用於CCS示範網絡,美國最大的 CCS 網絡是埃克森美孚在墨西哥灣擬建的休斯頓航道 CCS 創新區,目標是捕獲100百萬噸/年的二氧化碳。與此同時,由於生物乙醇生產成本降低,生物能源與碳捕獲和儲存網絡正在中西部興起,美國有望進一步受益於 CCS 網絡的集群效應。根據美國政府問責署報告,自2009年以來,能源部已經投資了數億美元給數家煤廠的碳捕集工程,但因成本過高和投資者冷淡無結果。

(二)歐洲

    歐洲的碳稅價格在 2021 年翻了三倍, 達到每噸 90 歐元。歐洲尤其是荷蘭、英國、德國和北歐積極投入CCS,制定雄心勃勃的減排目標。挪威的 Sleipner 設施是世界上第一個商業二氧化碳儲存項目,於 1996 年投入運營,能夠捕獲 1百萬噸/年的二氧化碳。今天,荷蘭、英國、德國和北歐國家都在競相擴大 CCS。

(三)中國

中國政府將CCS納入「十四五」規劃中,宣布2030年達到碳達峰,2060年實現碳中和。目前中國仍大量仰賴高碳的化石能源,且國內經濟成長仍以工業領域為主,若能大量利用CCS技術及管道部署,勢必對其環境保護發展有益。2020年,國華錦界電廠裝置了一個一年能達15萬噸的CCS設備, 中國海洋石油也啟動了中國首個離岸CCS工程,預計能補集1.46萬噸/年的二氧化碳。此外中國政府也將在新疆建立CCS計畫。

(四)日本

    日本致力在國際合作推動CCS,日本經濟產業省(METI)發布碳回收計畫,提出二氧化碳利用技術商業化的潛力。日本內閣於2020年發布的環境創新策略強調開發低成本的二氧化碳以及利用CCS生產藍氫,METI也在計畫對那些將CCS納入生產過程的上游開發商提供財政支持。

(五)台灣

    媒體報導,瑜珈服龍頭Lululemon發表全球第一件從煉鋼廠捕捉二氧化碳,所織成的回收衣。台泥DAKA園區賣的蝦紅素霜淇淋,部分原料也來自二氧化碳回收再利用。共通點是透過碳捕捉技術直接消除空氣中的二氧化碳,成大安南校區有座全台首創的「負碳示範工廠」,透過獨家技術捕捉二氧化碳,並轉化成乙烯、丙烯,不但可取代傳統石化原料、創造負碳,更能往下加工,生成綠色鞋材、封裝膜等高值化產品。

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