化碳危機為碳商機 — 二氧化碳的捕獲與再利用

導讀
全球碳排量逐步升高,導致溫室效應等氣候異常問題,2015年巴黎氣候協議中提出將全球均溫升幅控制在2℃之內之目標,各類減碳技術及措施也紛紛展開。台灣過去推動能源國家型科技計畫及旗艦計畫,以成功發展出多項二氧化碳捕捉與再利用(Carbon Dioxide Capture and Utilization)技術,未來可朝將二氧化碳與氫化合成甲烷及生成各種石化基礎料源發展供各類產業應用,降低我國對進口天然氣及石化原物料的依賴,產生新的循環經濟模式,一方面盡到企業社會責任,另一方面也可以固碳再利用原料作為亮點,呼應國際大廠減碳要求,創造產業打入國際供應鏈的機會,將碳危機化為碳轉機進而創造碳商機。
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一、全球減碳趨勢

聯合國環境部門(UNEP)於2018年11月公布《排放差距報告2018》(Emissions Gap Report 2018),報告中指出全球碳排量在經過2014~2016連續3年穩定期之後於2017年反而再次升高,打破二氧化碳排放量已達峰值之說法,若各國不在2030前降低25%的二氧化碳排放量,將無法達成2015年《巴黎氣候協議》中將全球均溫升幅控制在2℃之內以改善溫室效應之目標(UNEP, 2018, p. XV)。

依照巴黎氣候協議所擬定,要將全球均溫升幅控制在2℃之內以改善溫室效應之目標,國際能源署(IEA)提出一個2DS情境,在此情境中全球二氧化碳排放會在2020年之前達到頂峰,在2060年左右降至2014年(343億噸)的四分之一約85億噸左右。而依據IEA在2014年的統計結果顯示,二氧化碳的排放占比以發電占40%最高,其次依序為工業(24%)、交通運輸(22%)、建築(8%);具體改善作法則包括提高能源效率、發展再生能源、碳捕捉與封存等方式降低排放(IEA, 2017, p. 31)。

在提高能源效率方面,各國均積極投入經費於能源政策,目前成效雖未彰顯,但就長期改善趨勢,全球能源密集度正持續下降(羅良慧,2019)。在再生能源發展方面,2017年全球再生能源用量成長超過5%,在減碳方面表現可圈可點(IEA, 2018, p. 3)。近年來國際上也發展多個大型碳捕獲及封存計畫,透過捕捉大型工業產生之二氧化碳,再透過鑽油技術的應用,將其封存至地層中(IEA, 2019;廖英凱,2015),不過因成本過高加上適合地點不足等問題,各國對此技術也並非完全支持(柯妤萱,2016)。

產業界也開始積極在減碳上有所作為,例如由adidas, H&M, Arcteryx, Burberry等43家成衣、運動戶外用品、流行服飾公司於2018年簽署《時尚產業氣候行動憲章》(Fashion Industry Charter for Climate Action) ,訂定產業及其供應鏈要在2030年達成減少排放量30%二氧化碳,2050年達成產業淨零排放之目標(UNFCC, 2018)。

二、台灣產業面臨的碳危機

台大風險社會與政策研究中心分析台灣十大溫室氣體排放企業,其中有半數為石化產業,其餘為鋼鐵業與水泥業,這十家企業排放總量約1.08億公噸,約占當年度全國總溫室氣體排放量的37%。而這些企業中半數訂定的低碳轉型策略目標多侷限於短期目標或未提出(風險社會與政策研究中心,2018) 。

經濟部工業局自2005年起推動「產業溫室氣體自願減量」,統計2005年至2018年間執行結果,我國鋼鐵、石化、水泥、造紙、人纖、棉布印染、絲綢印染、複合材料及其他(含食品、電子及塑膠)等9大產業,投入了約新台幣623.7億元,二氧化碳減量約1,473萬公噸,但年度減碳量已有下滑趨勢,近5年之自願減碳量分別為105.6萬噸、81.7萬噸、91.1萬噸、91.4萬噸、76.5萬噸,並預估在廠商投入減碳投資意願降低情況下,未來減碳量績效再持續降低,需要進行新材料和新技術研發,降低減碳成本,提高廠商配合意願。(經濟部工業局,2019;許嘉琪,2018)。

而我國另一大量碳排來源為火力發電,火力發電是當前我國占比最大之發電方式,2018年火力發電量占比為總發電量的82.2%(台灣電力公司,2018),而其中台中火力發電廠過去曾以將近3,800萬噸的二氧化碳排放量高居全球火力發電廠第一,占台灣當年總排放量2.79億噸的七分之一,並登上Nature期刊引起全球關注(Tollefson, 2007;經濟部能源局,2018,頁2-2),近年來雖多次降載以降低空污,但隨著電力需求不斷攀升,其他發電方式尚未能有效替代之情況下,作為我國發電量最大的發電廠,其排碳量仍無法有效控制。

長期而言,我國在能源、製造兩大部門之排碳量尚無法有效降低,而這也顯示台灣產業對於國際減碳趨勢之敏銳度不足,未來若有國際性碳排之管制協議產生或是國際品牌商對產品供應鏈提出減碳/零碳要求,將可能對國內產業造成巨大衝擊。

三、台灣產業的碳轉機及碳商機

我國極力推動於2025年天然氣進行火力發電達50%以上以降低空污,然而目前天然氣完全仰賴國外進口,是目前全球第5大液化天然氣進口國(IGU, 2018, p.11),但國內儲存空間有限,安全儲存量僅有7天,其安全性遠低於石油與煤炭,因此極需將天然氣列為戰略物資,同時亦需開拓天然氣的自主生產技術。天然氣的主要成分為甲烷(CH4),一般可由生質物(農牧廢棄物)厭氧醱酵得到,但其產量有限,僅具輔助功能。另一方法則可用人工化學合成法大量製得,其原理乃是利用二氧化碳與氫氣反應生成甲烷,而其中二氧化碳可由火力發電廠、鋼鐵廠、石化廠等所排放的煙道氣中捕捉取得,氫氣則可由產業餘氫或水電解取得,其所需電力可由風力或太陽能發電產生的多餘電力或夜間離峰電力而來。甲烷送到天然氣發電廠燃燒後產生二氧化碳及水,均可以透過捕捉技術再回收利用,達到封閉式碳循環。

歐盟各國近年來為避免被單一國家控制天然氣供應量,已在嘗試發展新能源轉換技術「Power to Gas」,積極自主生產天然氣,我國在第二期能源國家型科技計畫中亦發展類似技術(陳志勇,2017),並可進一步達成「Power to Gas & Materials」(架構如下圖),除了將二氧化碳與氫化合成甲烷之外,還能生成各種石化基礎料源,供各類產業應用,降低我國對進口原物料的依賴。

圖1 二氧化碳轉化綠電及石化基礎料源架構
資料來源:本研究整理繪製。

科技部過去推動兩期之能源國家型科技計畫(NEP),積極推動國內減少煤炭使用時所產生的CO2並提高發電效率的減碳淨煤技術,並聚焦於開發國內二氧化碳捕獲再利用及封存(CCUS)技術,至2018年度為止在二氧化碳捕獲方面,已由清大、台大、成大、工研院及核研所發展相關技術,並分別於台塑、長春、中鋼、台泥等大型碳排場域建立示範平台,每日可捕獲約30噸二氧化碳。此成果也已介接至經濟部以二氧化碳為碳源之旗艦計畫。而在二氧化碳再利用部分,已發展之技術包括將二氧化碳用以培養植物,例如微藻固碳後萃取藻油、海洋牧場培育海藻;透過二氧化碳與氫化合,產生甲醇、二甲醚、碳酸二甲脂之能源產品供工業使用(談駿嵩,2018,頁46-49)。

經濟部亦透過鏈結法人(工研院)與學界(清大/成大)研發成果,建立自國內產業界煙道氣中捕獲/純化二氧化碳技術,並以其作為料源,發展再利用技術,加速研發進程及加速落實產業化。目前已推動由煙道氣中捕獲二氧化碳進行再利用技術的開發及其設備的建置,並在台中火力發電廠、長春石化大發廠、台塑仁武廠等大型排碳場域進行驗證,預期未來將捕獲的二氧化碳與氫氣反應轉變成為穩定、易儲存如甲烷、甲醇(國內一年需求160萬噸)等能源物料,藉此建構碳循環體系,從而大幅降低天然氣的進口與碳排放量。

此模式經由場域驗證後將可協助台灣產業建立自主由二氧化碳生產甲烷可燃氣之技術能力,成為能源可自主的國家,且亦可大幅降低煙道氣的排放量,有效解決空污問題,並藉由二氧化碳綠色循環之創新化學固碳技術,將可塑造台灣成為全球減碳亮點基地。

四、結語

在面對全球減碳趨勢,我國不論是政策或是產業均應更積極朝低碳或零碳方向佈局,尤其是能源單位或上游原料廠商,在排碳量未能有效減少前,可朝捕獲二氧化碳並以循環經濟概念朝資源化進行開發應用,一方面盡到企業社會責任,另一方面也可以固碳再利用原料作為亮點,呼應國際大廠減碳要求,創造產業打入國際供應鏈的機會,如此就有機會將碳危機化為碳轉機進而創造碳商機。

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