2011年10月能源報導-封面故事一
期別
2011年10月
頁次
5
單元
封面故事一
標題
國際溫室氣體減量及二氧化碳捕獲與封存
內容 撰文╱圖片提供:歐陽湘、廖啟雯

自從18世紀中葉工業革命以來,機器開始大量取代人力,人類對能源的需求與耗用即不斷地增加,尤其是對燃燒化石燃料以取得動力及電力的方式依賴愈深,但燃燒的同時也排放鉅量的溫室氣體到大氣中。根據IPCC於2007年發布的研究報告,大氣中二氧化碳的濃度已從工業革命前的280ppm,急遽上升至358ppm,全球地表平均溫度與平均海水面也分別上升了0.6℃及14公分,加上極地冰帽溶解以及冰川規模大幅退縮,這些暖化現象若不予以控制減緩,將會形成全球氣候變遷的重大危機。

聯合國於1992年即成立了「氣候變化綱要公約」,然而大氣中的二氧化碳濃度仍持續上升,該組織乃於1997年12月在日本京都舉行的第3次締約國大會中簽署了「京都議定書」,規範38個國家及歐盟,以個別或共同方式來控制溫室氣體的排放,以降低溫室效應對全球氣候與環境所造成的影響。京都議定書規範的溫室氣體包含:二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)、氫氟氯碳化物類(CFCs、HFCs、HCFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)等6種,其中燃燒能源所排放的二氧化碳占了80%以上,因此全球溫室氣體減量的首要重點便以二氧化碳減量為主。2009年12月的哥本哈根會議,雖未能訂定明確之減量目標,但也再度向全球呼籲正視二氧化碳排放的問題,強調透過大幅度削減全球二氧化碳的排放,以將地表的增溫控制在攝氏2度以內是迫切且必要的工作。

正負2℃,開展二氧化碳減量新技術

為了大幅降低二氧化碳的排放量,國際間已經提出了包括:節約能源、改善能源使用效率、使用再生能源、使用潔淨化石能源等多種解決方案。從經濟觀點而言,成本相對較低的手段,例如節約能源、提升能源使用效率、以及增加低碳能源的使用將優先被考慮,以達成短期內減緩二氧化碳排放量成長的趨勢。即便如此,國際能源總署(IEA)的研究顯示,要達到控制全球增溫在2度以內(或是2050年時將二氧化碳控制在450ppm)的目標,尚需要其他的工具及手段,如維持相當比例的核能發電、擴大太陽能與風能的利用、進行二氧化碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage, CCS)等,做為中長程大規模的二氧化碳減量選項。

在今(2011)年3月發生日本福島核災之後,全球對於核能安全的信心遭到重創,不僅造成國際上一些擴充核能發電的計畫受阻,也引起不少有關既有核能發電廠存廢問題的爭論。而太陽能及風能的推廣利用,也有待在儲能議題的技術突破。相較之下,CCS技術可提供穩定的潔淨化石能源,除了達到二氧化碳減量之外亦可確保能源安全,因此被國際間視為過渡到次世代能源期間的一項關鍵減碳技術。根據IEA的估計,2050年全球至少需要3,400個工業規模的CCS計畫,這些計畫可以提供大約100億噸的二氧化碳減量貢獻。

CCS技術主要是在將化石燃料轉化為能源的過程中,利用相關捕獲技術將CO2分離出來,再經過壓縮、輸送至特定地點進行封存。二氧化碳的封存方式,基本上有:海洋封存、礦化封存及地質封存等3種選擇,其中地質封存是國際間公認技術可行性最高,最接近實用與產業化的二氧化碳排放減量技術,也是目前國際間推行綠色新政的重要指標技術。

挹注資金,全球各國積極推動CCS技術

◎南韓、日本

鄰近各國中,南韓政府已於2010年7月宣布,未來10年內將投入19.2億美元於CCS的技術發展;日本政府則對於CCS技術的推動不遺餘力,在捕獲技術部分,日本產業界已經發展許多捕獲製程,同時已建立數個捕獲前導試驗廠,例如由新能源產業技術總合開發機構(New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO)所主導技術結合燃料電池發電的EAGLE(Coal Energy Application for Gas, Liquid, and Electricity)計畫,Toshiba也建有自己的燃燒後捕獲示範廠。在地質封存技術部分,經濟產業省以及財團法人地球環境產業技術發展機構則已完成小規模地質封存前導計畫(Nagaoka Project),近期則鼓勵相關產業共同成立「Japan CCS Company」來進行大規模的CCS整合計畫,其中針對Tomakomai計畫即有超過2億美元的挹注,預計將鋼鐵廠所捕獲下來的二氧化碳注儲到海床下,另外日本政府針對監測及數值模擬技術亦投入了約1.5億美元。

◎中國大陸

中國大陸的「863計畫」在2008至2010年對於CCS技術的投入約為3億人民幣,除了扶植本土CCS產業之外,也積極與美、歐、日、澳等國家合作發展CCS技術。中國的電力事業中,以華能集團最為積極,不僅分別在北京及上海建立燃燒後捕獲示範廠,興建中的GreenGen電廠亦備受全球相關產業界的矚目。初始規模為250MW的GreenGen計畫是中國大陸第1個商業化的IGCC+CCS計畫,預計將於2016年提升至400MW。另一方面,中國最大的煤礦生產商神華集團則在內蒙古建立1座煤炭液化工廠,正式運轉後每年預計可將1百萬噸的二氧化碳注儲至深層地下鹽水層中。

◎美國

先進國家中,美國能源部計劃在7個區域夥伴聯盟投入4.5億美元進行CCS示範試驗,目前邁入第3階段的區域夥伴聯盟計畫已有數個大規模的地質封存注儲試驗正在進行。另外,在2009年有12個計畫成功獲得美國重建基金中工業CCS計畫的補助,而在2010年美國能源部宣布重啟FutureGen 2.0計畫來加速CCS技術發展,能源部將投入10億美元用於新一代的FutureGen計畫,預期將可加速富氧燃燒技術的商業化。

◎歐洲、澳洲

在歐洲地區,挪威是最早投入大規模地質封存計畫的國家,在天然氣生產過程中將二氧化碳分離出來並且注儲在地底深處的Sleipner與Snovhit計畫每年合計封存1.7百萬噸的二氧化碳。歐盟本身也非常注重CCS的技術發展與應用,預計將投入約10億歐元在歐洲各國建立13個大型CCS示範計畫,希望在2050年提供20%的減量能力。英國政府更宣布新建燃煤電廠必須為CCS-Ready電廠。另外,為了加速CCS計畫的推動,歐盟也透過將3億單位的碳交易額度轉換成歐元來支持NER300計畫(New Entrants Reserve 300,係指新入碳交易儲備額度300百萬單位,當時約相當45億歐元的金額),預期將會投入至少8個大型CCS示範計畫,例如羅馬尼亞的Getica計畫已規劃每年捕獲並封存1.5百萬噸的二氧化碳,並宣布將要申請NER300的經費補助。歐盟也制定了CCS指令,針對地質封存的場址調查、風險評估、監測驗證等重要議題進行規範,確保CCS技術的安全應用。

位於南半球的澳洲亦將投入20億澳幣於CCS旗艦計畫,預計興建2至4個整合型CCS示範廠。澳洲聯邦政府也特別成立了The Cooperative Research Centre for Greenhouse Gas Technologies單位(簡稱CO2CRC),結合產學研的力量,一起來推動CCS的技術發展與應用。根據澳洲Global CCS Institute的統計,截至目前為止,全球共有233個與二氧化碳捕獲、運輸以及封存相關的計畫,其中以北美洲、歐洲及澳洲地區為最多。由整個國際情勢看來,我國推動CCS技術發展與示範計畫不僅具有指標性的宣示意義,也是政府節能減碳的重要研發標竿計畫,更有助於提高我國溫室氣體減量之國際形象及能見度。

結語

綜觀世界發展趨勢,先進國家紛紛規劃在2014至2020年間啟動CCS技術的商業運轉,但其技術實用化與產業化的步調仍需視各國政府所採行的政策法規與市場機制架構而定。2010年底的聯合國氣候變化綱要公約國COP16墨西哥坎昆會議中,已考慮將CCS列入清潔發展機制(CDM)的減量選項之一,雖然在登錄、減量認證、交易存證、以及責任歸屬等議題仍待進一步釐清,但此舉不啻是在迷霧中照亮CCS技術發展的前景。但換個角度來看,一旦國際間二氧化碳的減量框架成形,手上沒有有效的碳排放減量技術的國家,就極可能會被迫付出高昂的碳稅,成為加諸於經濟與貿易上的無形枷鎖,國人實應好好思考並規劃CCS技術在未來二氧化碳減量中所扮演的角色。(作者任職於工研院綠能所)

二氧化碳封存方式

◎海洋封存

所謂的海洋封存,是透過管線或船運將二氧化碳注入並溶解於海洋水體中,或是形成二氧化碳人工湖。目前所提出的二氧化碳海洋封存概念,傾向把二氧化碳灌注於海洋的斜溫層(Thermoclice)以下,獲得較佳的封存效果。斜溫層一般位於100∼1,000公尺的水深之間,是一具備穩定水質條件的水平水層,具有阻隔上下水體垂直混合的效應。因此,被灌注於深海的二氧化碳,將因斜溫層的存在而降低其返回大氣層的速率。

◎礦化封存

二氧化碳礦化封存是使二氧化碳與金屬氧化物進行化學反應,形成固體型態的碳酸鹽及其他副產品,目前以含鈣及鎂的矽酸鹽礦物為較具潛力的反應物。目前礦化封存技術可分為「乾式礦化封存」及「濕式礦化封存」兩種形式。乾式礦化封存是在特定的溫度與壓力下,讓氣態二氧化碳與含金屬氧化物的固態物質接觸,直接進行反應;而濕式礦化封存,則是先將礦物及二氧化碳溶解於溶液中,利用鈣鎂離子與碳酸離子的反應,形成碳酸鹽及其他次生礦物的沉澱物,再透過相關的分離程序,進行沉澱物的分離與反應物或添加物的回收。

◎地質封存

二氧化碳經由輸送管線或車船運輸至適當地點後,注入具特定地質條件及特定深度的地層中,進行所謂的二氧化碳地質封存。目前提出較適合進行二氧化碳地質封存的地質環境包含:枯竭油氣田、難開採煤層以及深地下鹽水層。由於受到地層滲透度及孔隙率等條件的限制,通常會將二氧化碳以超臨界狀態注入地層中,以提高單位時間的注儲量。一般而言,在考量壓力及地溫梯度效應之下,若注儲的深度超過800公尺,二氧化碳即可達到高密度的超臨界狀態。

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