焦點報導

首頁> 焦點報導清單> 2020年碳捕獲、再利用及封存技術展望

2020年碳捕獲、再利用及封存技術展望

謝汎琪、古慧雯/ 發布日期:2021/06/18/ 瀏覽次數:181

一、前言

國際能源署(International Energy Agency, IEA)在「2020年能源技術展望(Energy Technology Perspectives 2020)」中將可再生能源發電、生質能、氫能和碳捕獲、再利用及封存(Carbon Capture Utilisation and Storage, CCUS)列為實現全球淨零排放(Net Zero Emissions)的關鍵技術。而其中CCUS是唯一可減少關鍵部門的直接排放,並消除無法避免之碳排,以達淨零碳目標之技術。

 

CCUS技術目前在潔淨能源轉型的應用主要為:

(1)利用CCUS技術,針對現有發電廠和工廠等進行改造,以減少能源基礎設施的碳排;

(2)重工業二氧化碳排放量約占全球20%,CCUS技術可以最具經濟效益的方法大幅減少水泥、鋼鐵和化學製品生產製程中的碳排放,而捕獲的CO2亦可與氫氣結合,形成低碳之合成燃料應用於長途運輸(特別是航運業);

(3)以CCUS加速擴大低碳氫氣的生產規模,以滿足交通、工業和建築等領域氫能應用的需求;

(4)對於無法避免或無法直接減少的碳排,可利用CCUS直接從大氣中捕獲CO2。

另一方面,IEA根據永續發展情境(SDS)分析,預測在2070年時全球氫能需求將增加7倍(達520公噸),而其中約有40%的氫氣產量來自CCUS與化石燃料(圖一)。因此,文章摘述CCUS價值鏈中不同過程的技術應用現況及全球發展概況,並彙整CCUS技術未來10年的重要發展趨勢與IEA建議政府推動的優先事項。

 

二、碳捕獲、再利用及封存的技術發展

CCUS技術的價值鏈如圖二,包括CO2的捕獲、運輸、再利用,以及儲存等過程,以下將分述不同過程的技術應用現況:

(一) 捕獲CO2

目前最廣泛採用的捕獲技術是化學吸附(Chemical Absorption)和物理分離(Physical Separation),其他技術包括薄膜分離(Membrane Separation)、化學迴路(Chemical Looping)和鈣迴路(Calcium Looping)。不同應用領域有其最佳之CO2捕獲技術,而捕獲的成本則主要取決於捕獲的CO2濃度、工廠的位置、能源的供應以及設施的整合程度。目前基於最低成本考量的CO2捕獲率介於85-90%之間,但若要實現淨零排放的能源目標,未來則必須朝著提高CO2捕獲率(近100%)的方向發展。

(二) 運輸CO2

利用現有的石油和天然氣管道來運輸捕獲的CO2能大幅降低發展CCUS技術的基礎設施成本,據估計,使用現有管道所需的投資金額為建造新管道成本的1-10%。在化石燃料生產地區有相當廣泛的管道網路,例如,美國有近300萬公里的石油和天然氣管道;加拿大擁有近100萬公里的石油和天然氣既有管道;北海地區則有45000公里的管道。英國也正在推行Acorn CCS項目,計劃重新調整陸上管道的用途,轉為在北海地區封存CO2。

此外,透過船運將CO2運輸到近海儲存設施的運輸方式具有高度靈活性,而高運輸靈活性可促進CO2捕獲中心的開發。近年來,歐洲、日本和韓國等有意願發展海上CO2封存技術的國家也致力於發展船運CO2。石油和天然氣管道運輸CO2所需的資本成本較船運高,因此船運方式特別適用於少量(≦2 Mt /年) CO2的長途運輸。

(三) CO2再利用或碳循環(Carbon Recycling)

全球CO2的使命量約為每年230 Mt,其中最大的消費者是化學肥料行業,每年約使用125 Mt的CO2作為生產尿素的原料。其次是石油和天然氣行業,每年約消耗量70-80Mt的CO2用於提高原油採收率(Enhanced oil recovery, EOR)。CO2其他商業用途還包括生產食品和飲料、冷卻、刺激植物生長等。

此外,透過化學和生物科技技術,使用CO2生產的產品主要可分為三類:

(1)燃料:CO2中的碳可將氫氣轉化為合成烴化物燃料(Synthetic Hydrocarbon Fuel ),此燃料可利用低成本的再生能源和CO2進行生產,具有高度的經濟可行性。全球目前最大的商業應用是位於冰島的George Olah工廠,每年可將約5600t的CO2轉化為甲醇。

(2)化學製品:在需要碳提供結構的化學製品生產過程中,CO2中的碳可作為化石燃料的替代品,包括聚合物和乙烯、甲醇等初級化學製品,是生產最終化學製品的基礎。其中德國的化學工業公司Covestro每年可利用CO2生產約5000t的聚合物,可替代生產製程中20%的化石原料使用量。

(3)建築材料:CO2在建築材料的生產過程中,可作為水泥和建築骨料(Construction  Aggregate)的原料。商業應用的實例為英國公司Carbon8,目前已有2座工廠使用CO2將廢料轉化為建築骨料,並預計到2021年有5-6家工廠可投入生產營運。

依目前的市場發展狀況,短期內使用CO2生產產品的市場仍然很小,但具有長期發展潛力,預計化學製品建築材料的CO2需求量可高達5 Gt /年。

(四)封存CO2

CO2的封存涉及將捕獲的CO2注入由不透水岩層覆蓋的地下地質儲存層中,進而封閉儲存層防止CO2逸出到大氣。在適用封存CO2的儲存層類型中,深層的鹽水層和枯竭的油氣儲存層擁有最大的儲存容量,估計全球陸上總儲存容量介於6,000-42,000 Gt之間。深層鹽水層是充滿鹽水的多孔可滲透岩層,廣泛分佈於陸上和近海的沉積盆地中;枯竭的油氣儲存層則是多孔岩層,可以注入捕獲的CO2達到封存的效果。深層的鹽水層和枯竭的油氣儲存層相比,使用枯竭的油氣儲存層是目前成本較低的封存選擇。

 

三、各國發展

CCUS技術的發展與應用在不同國家和地區存有相當大的差異(表一),其中,美國是CCUS技術的全球領導者,CO2捕獲能力占全球的60%以上,潛在的總存儲量估計為800 Gt,約為美國當前能源行業160年的排放量。北海地區則是歐洲CCUS技術的部署中心,目前已有2座可儲存1.7 Mt CO2 /年的設施,還有其他11個總容量近30 Mt /年的項目正在開發中。預計總儲存容量高達300 Gt,約為80年的當前碳排放量;中國發展的重點則為直接改造現有的火力發電廠以及水泥、鋼鐵、化工廠擴大CCUS技術應用,進而降低碳排放。在中國西部和北部省份以及近海都有封存大量CO2的潛力,其潛在的總儲存容量為425 Gt,相當於中國40年的當前排放量。從2030年起,CCUS技術也將在亞洲其他地區(尤其是印度和中東)進行大規模部署。

 

 四、小結:CCUS未來10年發展 

為了實現淨零排放的全球能源目標,在未來十年內加速CCUS部署是重要的挑戰。而CO2的捕獲量預估2030年將從現今的40t成長20倍(800t)。同時,有3個值得注意的發展趨勢:(1)對現有的電力和工業工廠進行改造,從而大幅減少碳排放量。尤其在亞洲地區,每年平均有20個燃煤發電廠進行CO2捕獲設備的改造;(2)利用CCUS技術擴大生產氫氣的規模,預計到2030年配備CCUS技術的製氫設施將達到18t的氫氣產能;(3)擴大CCUS技術應用,尤其是改造重工業工廠配備CCUS設施,並發展直接空氣捕獲(Direct Air Capture, DAC)技術的商業應用,進而提升合成烴化物燃料的產能。

此外,擴展CCUS技術也需各國政府的支持,報告中IEA列出政府推動CCUS技術應用的4個優先事項:(1)創造有利的市場條件刺激私人投資;(2)以共享CCUS基礎設施方式,發展工業中心;(3)評估並鼓勵發展CO2封存技術;(4)促進技術創新以降低成本,例如,改善CO2捕獲技術,利用自動化的操作系統優化捕獲過程。

延伸閱讀
資料來源