碳捕捉、封存及再利用之國際產業與政策趨勢

導讀
氣候變遷一直是國際認為需要長期努力的重要挑戰,碳捕捉、封存與再利用技術因為可將工業產品生產或是化石燃料轉換能源過程中排放之二氧化碳加以分離與收集,並加以儲存、透過生物吸收方式消耗,甚至是再轉製為其他化學品,避免二氧化碳排放到大氣中,因此一直被認為是氣候變遷減碳與控制全球升溫的一項潛力途徑。本文就目前碳捕捉封存市場面趨勢、國際政策推動與運作概況進行整理,進而提出我國推動碳捕捉與封存技術相關策略建議。
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一、 前言

氣候變遷一直是國際認為需要長期努力的重要挑戰,美國的19位富豪,包括著名的投資人索羅斯以及臉書共同創辦人休斯,更是呼籲美國總統參選人開徵富人稅,以因應氣候變遷、改善經濟與衛生、同時創造公平的機會(經濟日報,2019)。

碳捕捉、封存與再利用技術(Carbon Capture and Storage, CCS)因為可將工業產品生產或是化石燃料轉換能源過程中排放之二氧化碳加以分離與收集,儲存於地質構造、透過生物吸收(如藻類)方式消耗,甚至再轉製為其他化學品,避免二氧化碳排放到大氣中,因此被認為是因應氣候變遷在減碳與控制全球升溫的一項潛力途徑。而碳捕捉與封存技術的價值鏈,即是從不同的二氧化碳排放源(如鋼鐵業、石化業、發電業等)收集二氧化碳作為起始,並透過各種不同捕捉技術,進行二氧化碳之分離及收集;捕捉後的二氧化碳可以進行再利用或進行封存。以地質封存來說,可以區分為提高油氣田採收率(Enhanced Oil Recovery, EOR)、提高天然氣採收率、注入廢棄油氣田等各種形式(林海珍,2015;行政院國家科學委員會,2013)。而再利用部分,則是可以將捕捉到的二氧化碳,進一步利用化學反應轉化為甲醇、碳酸二甲酯與二甲基醚等化學品(談駿嵩,2008)。

圖1 碳捕捉與封存技術的技術架構與價值鏈
資料來源:林海珍(2015)。

就碳捕捉、封存與再利用之技術重要性而言,雖然全球提倡以再生能源取代燃煤發電,但再生能源因具有供給上的間歇性特質,使其在儲能技術仍未能完全普及前,仍需依賴化石能源此種較為穩定的能源供應方式,因此,碳捕捉、封存與再利用技術便可以應用於控制排碳。此外,在許多重工業產業像是水泥、鋼鐵、化學品與精煉產業,生產過程仍會排放大量二氧化碳,也需要透過碳捕捉、封存與再利用技術才能顯著降低二氧化碳的大規模排放(林海珍,2015)。像是德國的倡議組織「能源轉型委員會」便指出,雖然發電可以逐漸改為再生能源,重工業若要進行減碳,其面臨的挑戰便包括製程改善的成本很高、設備要汰舊更新的期間長,以及為了減碳會增加生產成本甚至會影響終端消費性產品的價格(尹俞歡,2019)。

而我國在化石燃料的使用現況,以2018年我國能源供給數據來看,煤炭佔整體能源供給的29.38%、原油及石油產品佔48.28%,以及天然氣佔15.18%,三者共為整體之92.8%。可見我國目前對於化石燃料之依賴性仍高(經濟部能源局,2019)。因此,為了在短中期達到降低排碳目的,實有需要就碳捕捉、封存與再利用之技術發展及其應用,做為政策規劃上之考量與布局。故本文就目前碳捕捉、封存與再利用的國際政策推動與運作概況進行整理,進而提出我國推動碳捕捉與封存相關技術推動策略建議。

二、 碳捕捉封存市場面總體趨勢

今年6月,世界銀行發佈了2019年碳定價的現況與趨勢報告,可稍檢視目前全球各國或地方政府對於減碳的企圖決心與提供誘因政策狀況。該報告顯示在過去一年,碳定價的相關政策措施往正向發展,全球共實施或計劃了57項的碳定價政策,相較去年同期51項有所增長,並涵蓋全球約20%的溫室氣體排放量(11 Gt CO2e),但大部分的碳定價政策措施主要是發生在美洲地區。不過這些碳定價相關政策措施所涵蓋的排放量與價格水準仍太低,仍難以滿足巴黎氣候協定(Paris Agreement)的目標(World Bank, 2019;台灣大學風險社會與政策研究中心,2019)。

如果進一步就碳捕捉相關系統的投資來看,根據美國彭博資訊公司的研究,碳捕捉系統的累計投資近年呈現停滯,以2015年達到高峰之後,2016年並未有成長(Bloomberg News, 2017)。此外,觀察目前未計入補貼之能源均化成本,即不同發電技術在整個壽命之單位發電成本,傳統化石能源尤其是煤炭(60-143美元/MWh),其成本已經高於再生能源如風能(30-60美元/MWh)(Lazard, 2017)。這樣的趨勢可以想見,再生能源資源充足的國家,在再生能源成本較煤炭為低的趨勢走向下,將會以開發再生能源為主要目標,對於透過化石能源進行減碳的誘因則可能會降低。

而以能源技術之整體生命週期的溫室氣體排放來看,聯合國環境署的研究認為在2050年煤炭(existing coal with CCS)或天然氣加裝CCS裝置(natural gas with CCS)之溫室氣體排放仍較其他再生能源高(UNEP, 2016)。從圖1所示,以技術應用於歐洲而言,推估在2010-2050年,煤炭加裝CCS的溫室氣體排放約落在201-202 gCO2e/kWh,天然氣加裝CCS裝置則是落在227 gCO2e/kWh (2010年)至187 gCO2e/kWh (2050年)的範圍(圖1中段);各種太陽光電技術在2010年溫室氣體排放落在14-56 gCO2e/kWh區間,2050年時則預估在6-30 gCO2e/kWh區間(圖1左側);離岸風能在2010年溫室氣體排放落在8-11 gCO2e/kWh區間,2050年時則預估在6-9 gCO2e/kWh區間(圖1右側)。由此可見,碳捕捉封存相關技術在經濟投資以及環境效益之發展空間恐有其應用上之限制。

圖2 不同能源科技之整體生命週期溫室氣體排放
資料來源:UNEP(2016).

三、 國際碳捕捉封存及再利用相關政策與產業推動概況

(一) 美洲地區

以美國而言,2018年2月川普簽署的預算法案(10月11日生效),要為孤兒能源科技例如CCS技術提供協助。主要是提供碳稅收抵免(carbon tax credit)措施,項目包括燃料電池、能源效率、微型燃氣輪機、熱電聯產、碳捕捉和核電等,但排除能源儲存。先前美國對碳捕捉封存訂立一45Q的碳稅收抵免條款,對二氧化碳用於提高原油採收率或二氧化碳再利用為10美元/噸,地質封存則是20美元/噸;川普的法案則是逐年提高每噸二氧化碳的金額,到2026年分別提高至每噸35美元和50美元。但有人認為這種作法太特定性,認為碳稅較適合不同科技間的競爭。預估此碳稅收抵免可能讓未來6年增加CCS資本投資約10億美元,並新增1000到3000萬公噸二氧化碳捕捉量,使全球碳捕捉量增加三分之二(Greentechmedia, 2018; Office of the Law Revision Counsel, 2018)。

美國全球最大碳捕獲與封存電廠Kemper County計畫,在投入預算超支後,將燃燒煤炭改為燃燒天然氣,主要原因還是捕捉燃煤電廠排放二氧化碳的成本太過昂貴,且不易大規模實施(Enerdata, 2017; The guardian, 2017)。另外,位於德州的NET電廠,工廠於設計上已考量二氧化碳捕捉功能,並使用燃燒所產生之二氧化碳來驅動工廠的渦輪機而非蒸汽,目前仍處於早期測試階段(Inside Sources, 2018)。

美國的Global Thermostat公司在商業模式上,利用低成本餘熱從電廠捕捉二氧化碳,並將其販售給水泥冶煉廠和煉油廠作為能源。其使用與多孔蜂窩陶瓷鍵結的乾式胺系吸附劑,作為吸碳海綿,有效地從大氣中或煙囪直接吸收CO2(燃燒後捕獲)。該公司主要使用低溫蒸汽(85-100°C)進行脫附與收集,理想情況下可採用低溫或免費的殘熱/製程熱,並產出98%純度二氧化碳,在沒有政府補貼或碳稅收抵免下仍可負擔和獲利(Global Thermostat, 2018)。

而加拿大的Boundary Dam計畫(煤炭電廠碳捕捉),從2014年努力4年之後,2018年3月時捕捉的二氧化碳已經達到超過2百萬噸(2017年50.6萬噸),相當於50萬輛汽車的溫室氣體排放量。但CCS改造使煤炭發電站的資本和營運成本增加一倍,對於碳污染的削減還是算非常昂貴。主要該計畫執行的工程挑戰,從原本的化學挑戰(胺吸附劑)變成機械挑戰(停機之後之二氧化碳壓縮機的管線安排)(Global News, 2018; Estevan Mercury, 2018)。

加拿大的CO2 Solutions公司也正開發前瞻性,但希望具操作性及可獲利性的CCS。主要是想利用於生物體本身天然存在,亦即體內管理二氧化碳的酵素-碳酸酐酶(carbonic anhydrase, 簡稱CA)作為吸脫附二氧化碳的材料,取代傳統二氧化碳捕捉使用化學胺溶劑如單乙醇胺和哌嗪,因為傳統溶劑要再生進行循環使用時通常需要一定量且高等級的製程熱能,操作成本高,此成本瓶頸也是目前燃燒後碳捕獲技術無法得到更廣泛佈署的原因。加上傳統的胺溶劑還具有其他操作性和環境問題,包括會降解、產生毒性氣溶膠排放,對於工廠排放廢氣之污染物敏感和具有腐蝕性等 (CO2 Solutions, 2018)。

另一加拿大Carbon Engineering公司則是比爾蓋茲投資,並從學界衍伸的技術,原理為利用DAC process(直接空氣捕捉碳),先是利用再生能源電力(如太陽光電)從水產製氫氣,與直接與從空氣中捕捉到的碳結合,透過合成氣作為中介,再轉換為碳氫化合物類之運輸燃料(汽油、柴油、噴氣燃料)。一般而言,短程運輸適合全電動化下,但長途運輸以及海上和航空旅行需要高能量密度的液體燃料作為儲備,此方法可避免轉換氫燃料電池的基礎設施,還有生質燃料相關的土地與糧食安全問題(Carbon Engineering, 2018)。

(二) 歐洲地區

以歐洲而言,原本挪威規劃完整產業鏈的CCS計畫則是已經到了進階發展(advanced development)階段,希望在2022年時可以捕捉130萬噸二氧化碳。原本挪威政府在2017年編列約4500萬美元補助金要透過國營企業Gassnova用於規劃完整產業鏈CCS計畫,但2018年計畫資金被削減至2000萬挪威克朗(250萬美元),這將使前端工程設計(FEED)工作受阻(Reuters, 2017a ; Lefteris Karagiannopoulos, 2017)。

荷蘭則在2017年10月公布新的氣候與能源計畫,希望在2030年時二氧化碳削減達49%,且每年減少5600萬噸以上的二氧化碳排放量,其中運用CCS減少二氧化碳排放量至少2000萬噸。政府每年新提供40億歐元的基金要在工業、電力部門(bioCCS)和垃圾焚化爐使用CCS技術(Reuters, 2017b; IEAGHG, 2017)。

瑞士蘇黎世(Zurich)附近的Climeworks AG則是全球首座商業運轉的吸碳工廠,2017年6月在瑞士正式啟用,目標是捕捉大氣中的二氧化碳,減緩全球暖化,吸碳工廠位於蘇黎世附近的欣維爾區。原理為利用直接空氣捕碳技術結合焚化爐,主要使用化學鍵結濾膜從空氣捕捉二氧化碳,並利用廢熱或低階熱(溫度100°C)加熱讓二氧化碳從濾膜釋放出來,濃縮後的二氧化碳送到客戶端,抽完二氧化碳的空氣再釋放到空氣中。其客戶包括食品飲料業、溫室(提升20%產量)、能源/燃料/材料等。過濾器可以使用上千次,並且可以移除空氣中所含濕氣,產生乾淨的水。Climeworks預定三到五年內將每噸溫室氣體捕捉成本從600美元降到200美元,最終達到每噸100美元,尤其希望2025年前要興建數十萬組設備,達到吸收全球碳排1%的目標,但認為必須要碳定價制度等政策介入,無法光靠商業手段(Climeworks, 2018)。

德國Linde公司為沙烏地阿拉伯的Jubail United Petrochemical Co. 建造世界最大的二氧化碳純化與液化工廠,二氧化碳來自附近環氧乙烷(ethylene oxide)工廠,捕捉的二氧化碳用於製造甲醇跟尿素,以銷售產品回收資本投資與營運成本,每年約降低50萬噸二氧化碳(IEAGHG, 2017)。

(三) 亞洲地區

中國於2017年12月時,由國家發改委印發《全國碳排放權交易市場建設方案(發電行業)》,選擇以發電行業為突破點啟動全國碳排放交易體系。初期納入門檻為年度排放達到2.6萬公噸二氧化碳當量(綜合能源消費量約1萬噸標準煤)及以上的重點排放單位,首批納入企業1700餘家,排放量超過30億噸(中國人民網,2017)。在技術發展部分,在2017年6月時,延長石油與亞洲開發銀行簽署備忘錄,由亞行碳捕捉與封存基金以贈款方式提供550萬美元,提供延長石油集團100萬噸/年的碳捕捉、再利用與封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)大型項目前端設計與可行性研究支持,並支持西北大學「國家與地方CCUS技術聯合工程研究中心」的能力建構(陝西延長石油集團,2017)。

新加坡則是在2018年3月通過碳定價法案,並從2019年1月1日起至2023年,向所有每年排放2.5萬公噸以上二氧化碳的碳排放大戶(等於1萬2500個四房式組屋單位整年用電 )徵收每公噸溫室氣體5元新幣碳稅(115台幣),並於2030年之前上調到10元至15元新幣,包括發電廠和半導體公司在內的大約40家企業將需繳交碳稅(Mediacorp, 2018)。

日本環境部補助在日本福岡Mikawa電廠建立二氧化碳捕捉示範設施,由東芝能源系統暨解決方案公司為計畫負責人,由東芝提供之捕捉設施並整合至50MW規模的熱電廠上,技術上採用可以燃燒100%生質煤炭之升級循環流化床鍋爐(Global CCS Institute, 2018)。

日本2016年4月在北海道苫小牧市(Tomakomai)沿岸深鹽水層的CCS展示計畫,希望以2年時間達到每年捕碳10萬噸,並送至深鹽水層(DSF)儲存。二氧化碳來自附近的出光興產煉製廠並透過胺溶液捕捉,並利用剩餘氣體發電和回收熱量方式,使耗用能源成本可以削減為1/2到1/3。澳洲CarbonNet公司也在進行研究類似的CCS計畫時,估計將排放的二氧化碳進行壓縮、輸送和儲存的成本為每噸30澳幣(23.41美元)(Reuters, 2018)。

澳洲西北沿岸巴羅島(Barrow Island) 世界最大的碳捕捉Gorgon計畫,主要是從天然氣加工製程取得二氧化碳後,利用胺進行捕捉再注入深鹽水層。在Chevron投資25億澳幣(約合20億美元)後,2017年底因為技術問題受到延遲,這種延遲將使該公司不易達到2009年澳洲環境保護法規定,任何從天然氣處理提取二氧化碳的計畫,至少在五年內要有至少80%被注入地下的政策目標(The West Australian and Seven West Media, 2017)。

四、 我國推動碳捕捉封存科技發展之政策建議

以台灣在碳捕捉、封存與再利用的發展現況而言,2015年7月1日公告「溫室氣體減量及管理法」,其中訂立經公告之排放源,應每年進行排放量盤查及限期登錄其帳戶。同時,依該法第20條授權,經濟部與環保署於2018年12月19日共同公告訂定 「新設或變更溫室氣體排放源排放量規模」,主要訂定新設工廠之納管門檻為2.5萬公噸CO2當量,既存工廠則以製程變更致排放量增量達20%且達2.5萬公噸CO2當量為門檻條件(全國法規資料庫,2015;行政院環保署,2016;行政院公告資訊網,2018)。而在2018年3月核定之溫室氣體減量推動方案,也載明要研訂溫室氣體排放交易制度,包括2020年前完成總量管制法規建置,並預計於2025年前啟動總量管制與排放交易制度(行政院環保署,2018)。由此可見,我們已經向國際的碳排放列管門檻看齊,但仍有待完善溫室氣體排放交易制度的最後一哩路。

在技術發展部分,2017年7月台泥花蓮和平水泥廠區與工研院合作的新世代鈣迴路捕獲二氧化碳技術(能源國家型計畫成果),碳的捕獲率已達90%,成本已由每噸45美元降到30美元,將用於養殖微藻生產蝦紅素,預估一年可為台泥達到約4,800公噸減碳量,並預期在2022年可達到商業化應用,每座廠可捕獲百萬噸二氧化碳(2016年台泥排碳含電力消費為4.24百萬公噸)(中時電子報,2017)。

根據前述的國際觀測及我國的發展現況,本文對碳捕捉、封存與再利用技術投資與發展主要提出以下的觀察心得:

(一) 長期而言

CCS是全球能源部門碳中和的重要科技,但近年國際相關研發經費與企業投資未有大幅成長,未來計畫多在前期規劃設計階段,CCS技術發展仍有隱憂;碳捕捉與儲存尚未達經濟性,煤炭加裝CCS的能源均化成本高於再生能源如風能,且煤炭/天然氣加裝CCS技術在全生命週期之溫室氣體排放仍較再生能源為高,以再生能源資源充足國家,CCS的發展相對不易。

(二) 政策面

全球有關碳定價相關政策措施仍呈現正向成長。美國2018年開始逐步增加CCS技術的碳稅收抵免,中國、新加坡等國也開始推動碳排放交易或是碳稅制度,荷蘭針對工業、電力部門和垃圾焚化爐使用CCS提供基金,可能增加未來CCS投資誘因。但亦有如挪威政策不穩定,補助削減使進度受阻。

(三) 產業面

CCS的改造技術挑戰高,經常導致營運延遲、成本倍增,甚至計畫因此改變計畫方向;新廠若從設計端將CCS模組化納入考量則有助降低成本。

(四) 技術面

國際具操作性及可獲利性的CCS技術也逐步成形中,如從空氣中直接捕碳,作為供能源、燃料或農業用,部分在無政府補貼下仍可負擔和獲利。

在策略建議部分,對於政府總體政策而言,為促進減碳成效並推進碳捕捉技術的發展,建議應加速我國碳排放交易制度之實施。另因應美國積極發展油頁岩氣,並提供碳捕捉技術相關稅收抵免措施,可以與美國(或連結美國設廠台商)進行化石能源減碳技術合作。

至於在科技發展的政策建議上,為滿足政府擴大天然氣使用之政策目標,發展天然氣相關減碳技術仍有其必要性,特別是能源來源不易被再生能源取代的產業(鋼鐵、水泥與化學製造等),因此應針對這些特定產業,設計足夠的政策制度誘因,使其投資減碳技術研發或應用,像可持續透過產業開題,學研界解題方式,強化減碳技術在地化落實與應用;此外,應透過完善資源盤點的方式,鼓勵產業共生模式之二氧化碳捕捉再利用研發計畫,強化二氧化碳捕捉科技與污染控制技術的整合,透過跨領域技術團隊組成,解決碳捕捉與再利用過程可能面臨的不同領域(化學、機械等)問題,並擴展二氧化碳再利用可能的應用範疇(如農業領域)。此外,加強投資可降低捕獲成本、降低CCS能量使用或減少能量損失的技術開發,例如仿生性的碳捕捉與吸脫附技術為新興研究趨勢,建議可以投資先期研發。

本研究屬於科技部補助「建立及運作強化能源國家型科技計畫績效之管理機制」計畫成果。

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