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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰Innovation

取碳有理,減排有效

文/ 魏茂國 攝影/ 蔡鴻謀

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。



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