工業技術研究院

從生活到產業、從產品到服務，節能減碳的概念已逐漸深植各處。但是，如何能夠有效地減少碳排放、降低對環境的影響，卻仍是各國與機構亟力研發的方向；以「二氧化碳捕獲與封存」技術，即是現今最受矚目及著力的減碳發展項目，工研院在創新技術與商業模式的結合下，亦已投入放大試驗，向實質減碳邁進一大步。


氣候的變遷，已讓人感受到地球暖化帶來的深刻衝擊。其中，二氧化碳（CO2）更是造成地球暖化的最大元凶，特別是石油、煤炭等含碳能源的大量消耗，使得二氧化碳的排放量持續增加，不僅對生活及空氣品質形成負面效應，在許多研究報告中也指出，過高的二氧化碳濃度，會影響身心的狀態及健康。再者，減碳不只是改善環境的重要因素，更是產業發展的必要考量，才能藉此擴大減碳的效益。

減排已為國際趨勢

而在目前所有減碳的措施中，「二氧化碳捕獲與封存」（Carbon Dioxide Capture and Sequestration，CCS）技術，已被認為是相當有效且具有發展潛能的解決方法之一；透過二氧化碳的捕捉並進行存放，可直接減少二氧化碳排放至空氣中，進而降低對環境的影響，甚至能夠再加以利用，達到一舉數得的效果。

尤其在台灣，依聯合國政府間氣候變遷小組（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）所制定的「國家溫室氣體清冊指南」之部門方法統計，我國二氧化碳排放量自1990年的1.11公噸，上升至2007年的最高峰2.69億公噸，占全球總排放量1%；2009年則為2.40億公噸，20年來的平均年成長率達4.2%，2010年則又回升至2.55億公噸。

另外，據國際能源總署（International Energy Agency；IEA）於2009年的調查報告，台灣平均每人的碳排放量已達每年10.89公噸，居全球第17名，總排放量更高居全球第23。對於土地面積有限、地狹人稠的台灣，這些數據已突顯出「減碳」對我國實為刻不容緩的重要課題；以行政院於2008年6月通過的「永續能源政策綱領」，就提出我國二氧化碳排放減量目標，於2016年至2020年間，應回到2008年的排放量（2.64億公噸），於2025年則回到2000年的排放量（2.15億公噸）。

IEA也曾針對2050年的能源使用狀況進行預測，包括石油、煤炭、天然氣等化石燃料，仍會是主要的能源供給來源，和目前我國的狀況類似。而若以IEA設想2050年減少碳排放480億公噸為目標，除了改變能源使用種類及效率、開發再生能源等方法外，藉由二氧化碳捕獲與封存，亦可降低其中約19%的碳排放量，是採用核能的三倍。

創新鈣循環捕獲技術

一般CCS技術在捕獲的階段，可分為燃燒前捕獲及燃燒後捕獲。常見的燃燒前捕獲方式可利用「富氧燃燒」，在燃燒化石燃料時僅提供純氧（O2），經燃燒後就只剩下二氧化碳，餘熱還可用來發電；另一種「氣化複循環發電系統」（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC），則是先將煤炭氣化分離出氫（H）氣後，再進行燃燒或其他用途，而炭經過氧化後就變成二氧化碳。

相較於在燃料燃燒前先行處理的燃燒前捕獲，燃燒後捕獲則是以固體吸附／吸收技術為主，在燃燒燃料所產生的氣體排放時，將其中的二氧化碳成份分離後取出。工研院綠能與環境研究所所長童遷祥解釋，通常由電廠排放出來的氣體，二氧化碳的濃度約在15%至16%，必須經過收集壓縮的過程才能進一步處置；至於採用的是燃燒前或燃燒後捕獲，就得看實際的耗能及成本來斟酌。

以目前各國研發的CCS技術，都還處於實驗階段，尚未有真正商業化的技術；童遷祥指出，這些技術雖不乏有上百萬瓦（MW）等級的試驗，但每公噸二氧化碳的成本，都還在45美元以上。尤其為了要捕獲二氧化碳，以電廠來說，就必須額外提高發電量，相對也就增加了成本；以一般CCS技術耗能約占20%至30%來計算，設置一個可對外供應500 MW的電廠，若要進行二氧化碳的捕獲，其總發電規模就得提升至600至650 MW，是個不小的成本負擔。

　因此，提高CCS技術的效率，或是減少耗能，就等於是降低二氧化碳的捕獲成本，也才能提高廠商投入或設置的意願；工研院的研發團隊則就燃燒後捕獲的方式，在原有的鈣循環技術上有了新的突破。以鈣循環的技術原理，是利用氧化鈣（CaO，俗稱石灰）與二氧化碳結合後，所產生的碳酸鈣（CaCO3）再經過控制條件下的高溫處理，只將二氧化碳釋放出來，而剩餘的物質又還原為氧化鈣，於是可以在吸放之間重複循環，並達到捕獲二氧化碳的目的。

工研院則是在鈣循環技術中，另加入了氫氧化鈣（Ca(OH)2），形成氧化鈣－氫氧化鈣－（吸附二氧化碳）－碳酸鈣的過程；其中，氫氧化鈣吸附二氧化碳的能力，較氧化鈣要來得好，因此捕獲設備的反應器體積就可縮小，能耗及成本也能降低，捕獲效率可達98%以上。另一方面，經過多次鈣循環後的原料，活性與吸附能力都會逐漸降低；但透過工研院這項創新技術，等於在每一次的循環中都能再次活化，因而較能維持活性，提高原料的使用次數，也就減低了成本。

建置捕獲先導試驗

包括京都議定書等協議，都對減碳量設立了明確目標，國際上對於減碳的要求也與日俱增，對企業來說勢必是要面對的挑戰。由於CCS仍屬新興技術，經過實驗室的測試後，還需要進一步導入產業化的過程，除了將實作規模放大外，更可以藉由業者的共同參與，找出問題並加以解決，同時尋求合適的價值創造模式。

　工研院以研發的CCS技術，日前即與台灣水泥公司簽訂「推動二氧化碳捕獲與封存技術商業化運轉」合作意向書，加速CCS技術商業化的腳步，並規劃在台泥花蓮和平水泥廠設置1.9 MW鈣循環捕獲二氧化碳先導試驗，預計於2012年底前就可運轉，甚至未來還將合作建置30 MW級以上的準商業化示範廠。

童遷祥表示，目前以鈣循環捕獲技術與水泥業生產流程結合，是最能創造二氧化碳捕獲效益的商業模式。因為鈣循環所使用的氧化鈣來源，是富含碳酸鈣的石灰石，即為水泥的主要原料，通常水泥廠會先將石灰石燃燒加熱，以取出碳酸鈣，所剩餘的就是氧化鈣，可提供二氧化碳捕獲使用。

換句話說，水泥廠原本就具有和鈣循環技術相同的高溫製程，只要結合CCS技術設備，就可從水泥廠生產時所排放的氣體中，將二氧化碳捕獲下來。同時，如果以單獨的鈣循環設備，因應原料經使用後的活性降低狀況，便會不斷地產生購置、更換、處理等原料成本；但是與水泥廠整合後，不僅原料可直接來自於水泥廠，更換之後的原料仍可再投入製成水泥，因此在捕獲過程中幾乎沒有廢棄物及原料成本。

水泥業其實是個耗能相當高的產業，亦是二氧化碳排放的大戶，現在將二氧化碳捕獲技術與水泥製程結合，是國際上首創的做法，一方面可以降低能源消耗至12%，並能透過循環方式捕獲二氧化碳，提高清潔節能生產的程度。更重要的是，這樣的商業營運模式經分析，可以將二氧化碳的捕獲成本降至每公噸26美元以下，不但是領先世界，更提高了未來系統整合與商業應用的可能，甚至將產業鏈串接起來。

CCS發電可為交易憑藉

過去提到二氧化碳排放減量或是捕獲技術，大多會聯想到電廠；事實上，在尋求與廠商合作試驗捕獲技術的過程中，工研院研發團隊也找過台電、中油等業者。但童遷祥指出，以台電為例，其發電設備都是外購，若要進行二氧化碳的捕獲，就是購入具有整合CCS技術的發電設備；也就是說，對於設備製造商而言，更可能對CCS技術感興趣。

難得的是，台泥除了擁有設備工程團隊外，並對於減碳這件事特別在意，更希望能協助推動CCS技術的產業化，因此相當積極地投入技術合作。童遷祥更表示，研發CCS技術一定要能夠有效降低成本，否則就不會受到企業的青睞；甚至在與台泥協商的過程中，強調的是產業製程與CCS技術結合後所發的電，是屬於清潔電力的一大關鍵優勢。

於2010年底舉行的墨西哥坎昆氣候會議（COP16）中，即通過決議認定經CCS技術所產生的電力為清潔電力；另一方面，就國際上的清潔發展機制（Clean Development Mechanism，CDM），只要能符合其規範條件，即可獲得減量信用（credit），並可以進行交易，和碳稅的性質相同。以中國大陸的煤炭發電，每一度電為30分人民幣，但具有CDM清潔發展機制的電力，價格卻可達60分人民幣。

因此，即使是對傳統的發電方式，如能加入CCS技術，不僅能降低成本，更還可能藉此獲利，在減少二氧化碳排放的同時，也有助於提高企業形象。尤其未來CCS技術愈為成熟時，更可以與水泥業以外的其他產業結合，包括發電、鋼鐵、石化等，並按照不同的需求來設計，擴大減少二氧化碳排放的規模與效益。

地質封存有利台灣發展

經過捕獲下來的二氧化碳，還必須再加以處置，也就是CCS技術中的「封存」部份。目前所開發的二氧化碳封存方法，包括有地質封存、礦化封存及海洋封存等；礦化封存是將二氧化碳經固化反應形成碳酸鹽類後安置，此種方法穩定度雖高，但封存成本也最高，仍屬於研發中的技術。海洋封存主要是將二氧化碳經加壓成為液態後，以管線注入深海處，靠其高於海水的密度進行儲存，或是直接溶解稀釋於海水中，但因對環境生態及海水品質的疑慮，至今國際上並未開放實施。

地質封存則是目前成本最低、可行性最高的二氧化碳封存技術；簡單來說，就是利用深地層的環境來存放二氧化碳，像是枯竭的油氣田、較難開採的煤層、或是深層的地下鹽水層等。童遷祥解釋，這些地層構造經過數百萬年來的變動，仍可有效保存石油、天然氣或鹽水等物質，顯見是相當穩定的儲存裝置；否則地層構造若不夠完密，石油或天然氣就容易流散掉。

有意思的是，早在50年前起，美國石油產業就陸續運用水、蒸氣或二氧化碳注入地層中，將分散於岩層細縫的石油或天然氣逼出，以提高開採量；這種通稱為「激勵採油法」（Enhanced Oil Recovery，EOR）的技術，和現今的二氧化碳地質封存可說是如出一轍，因此也增進CCS技術在地質封存方面的實際應用。特別是過去為了要採油，得另行購買二氧化碳，現在則可結合CCS技術，互取有無、降低成本。

舊油氣田的潛在封存量，經IPCC於2005年的整理評估，約有6,750億至9,000億噸的容量，更高的則是深層鹽水層的10,000億至100,000億噸。以挪威國家石油公司（Statoil）於1996年就開始嘗試將二氧化碳注入北海的地下鹽水層中，每年約注入100萬公噸的二氧化碳。而在台灣西部海域沉積岩下方，也擁有豐富的鹽水層構造可利用；以工研院的分析，光是由桃園至彰化濱海一帶，就有90億至680億噸的封存潛能。

和開採過的油氣田不同，深層鹽水層的結構雖與儲存石油氣的岩層相似，但仍因未曾使用過，其地層構造中是否存有裂縫，或者是否會受到地震等影響，以及存放狀況的監測，甚至是安全措施等，都還必須建立更完善的技術與能力。工研院即與中油和中央大學、中正大學等合作，針對二氧化碳封存技術進行更深入的研究；未來經台泥水泥廠試驗捕獲的二氧化碳，預計也將透過中油合作封存。

持續尋求技術突破

事實上，將二氧化碳封存，只是處置二氧化碳的方法之一；如果可以進行再利用，也是創造效益的另一種途徑。像是最容易且可以大量耗用二氧化碳的，就是製成尿素，以供製成肥料使用；童遷祥指出，以每公斤尿素所需的二氧化碳就要近半公斤來計算，若全球每年數百億公噸尿素的需求都以二氧化碳為原料，便能消耗極大的二氧化碳排放量。這和做為取油用途也很類似，在創造收益之餘，更能對二氧化碳減量有相當大的幫助。

另外，二氧化碳原為植物進行光合作用所需，因此也有技術是透過人工的光合作用，將二氧化碳轉化為化石燃料，並再燃燒運用；或是以捕獲的二氧化碳來供應藻類的飼養成長，而且還可進一步產生轉換為生質能；國內亦有清華、成功、台大等學校，以二氧化碳結合可見光光觸媒、熱觸媒等，以生產甲醇等化學品，進而開發薄膜反應器與還原電極等。

童遷祥表示，除了與各學校及廠商合作外，工研院也希望能在吸附二氧化碳的技術上持續提升，找尋更有效的捕獲方法。例如近年來發展較多的高容量金屬有機框架（Metal Organic Framework，MOF），即是一種含有金屬的有機多分子材料，並具有開放性質的多孔性結構，可將接觸氣體的表面積增大，提高二氧化碳吸附效率、降低吸附能耗；包括其製程設備與調控技術、測試平台等，工研院也正與美國勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）合作研究，期盼開發出更創新前瞻的技術。

同時為推動CCS技術的發展，經濟部於2010年初亦結合台電、中油、中鋼等國內主要業者，以及經濟部能源局、中央地質調查所、工研院等單位，共同組成「CCS研發聯盟」，期藉由技術能量與資源的整合，加速建立國內二氧化碳捕獲與封存技術，包括於2012至2014年間，將完成建置二氧化碳捕獲先導型示範試驗場，以及二氧化碳地質封存示範場址等，讓CCS技術在累積技術與操作經驗下，能建立更有效運作的基礎。

以CCS技術開創價值

歷經金融海嘯之後，大部份人關注的是景氣復甦的程度和力道；但較少人知道的是，這種短期內的經濟成長，也會立即反應在二氧化碳的排放量上，更不用說長期以來二氧化碳排放的累積與成長，已必須投以更積極的應對作為，也應該快速推動CCS技術的發展，以及相關法規面的配合。

童遷祥表示，二氧化碳的捕獲與封存，是個具有價值的技術，因為不論國家或企業，未來都得面臨徵收碳稅的議題，如果CCS技術能夠證明其效果，就可以此形成商業模式並獲利。尤其當導入CCS技術減碳，所負擔的成本較碳稅為低時，就更能吸引廠商投入執行，讓二氧化碳減量目標及早達成。