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二氧化碳減量:二氧化碳的儲存

把二氧化碳存放在特定的自然或人工容器中,利用物理、化學、生化等機制,達到封存二氧化碳百年以上的目的,將有助於減緩溫室效應的惡化。
 
 
 
「京都議定書」(Kyoto Protocol)已於2005年2月16日開始生效,全球溫室氣體的減量機制正式展開。在各種溫室效應氣體中,以二氧化碳的產量及影響最大,其生成過量的主要原因是化石燃料的燃燒與利用,例如火力發電、煉鋼、水泥製程、油氣開採、交通運輸等相關產業的活動。由於化石燃料的蘊藏量豐富、相對價廉且長期價格穩定,因此在未來數十年中,化石燃料仍會是世界上的主要能源,也會是二氧化碳排放的主要來源。

在無法避免繼續使用化石燃料的情況下,提高化石燃料的使用效率,並搭配二氧化碳的捕獲、封存與再利用技術,將可有效減緩溫室效應的惡化,使人類繼續享用「低價」的能源,逐步順利過渡到未來的新能源紀元。考慮到二氧化碳排放量與經濟發展的能源需求息息相關,特別是在京都議定書生效後,須防範因忽視二氧化碳排放量所可能造成我國未來國際貿易的障礙。

「二氧化碳封存」是指把二氧化碳存放在特定的自然或人工「容器」中,利用物理、化學、生化等機制,達到封存二氧化碳百年以上的目的。森林、海洋、地層、人工貯槽、化學反應器等都可做為封存二氧化碳的「容器」。

國際間所提出「大規模」的二氧化碳封存方式,可分為地質封存、地表封存及海洋封存3大類。目前每公噸二氧化碳的捕獲、運輸及封存的操作成本,分別約為5~115美元、每百公里0.4~3.2美元與0.5~100美元。其中,新型氣化複循環發電廠的每噸二氧化碳捕獲成本約為13~37美元,而每噸二氧化碳的地質封存成本約為0.5~8美元,海洋封存成本約為5~30美元,地表礦化封存成本約為50~100美元。

地質封存

基本原理 基本上,人類目前使用的化石燃料(如石油、煤、天然氣等),在使用前已存在地層中數百萬年以上。科學家相信人類可模仿自然界儲存化石燃料的機制,把二氧化碳封存在地層中。就二氧化碳地質封存機制而言,可細分為結構、水力、溶解及礦化等4種。

結構封存機制主要是利用具阻絕特性的特殊地質構造及其下方的地層空隙,作二氧化碳的地質封存。水力封存機制主要是利用地層緩慢的水力傳導特性,延緩二氧化碳在岩層及地下水中的遷移速度。溶解封存機制是利用二氧化碳在地下水中的溶解特性,提升二氧化碳的封存量及封存穩定性。礦化封存機制則是利用二氧化碳與地層環境中的其他物質產生化學反應,形成固態的次生礦物,提升二氧化碳的封存量及封存穩定性。

封存操作方式 二氧化碳可經由輸送管線或車船運輸至適當地點後,注入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。目前所提出適合作二氧化碳地質封存的地質條件,包含舊油氣田、難開採煤層、深層地下水層等地質環境。

由於地底的孔隙空間有限,在進行二氧化碳地質封存操作前,需要先壓縮二氧化碳使其具有較高的密度,才能使有限的地層孔隙空間封存更多的二氧化碳,並可利用天然的地下水壓力使二氧化碳灌至地層中後仍能保持高密度。在考量典型的地下水壓特性及地溫梯度的效應時,二氧化碳地質封存的深度至少須達800公尺左右,才可確保被封存的二氧化碳具有高密度(超臨界)特性。

根據全球二氧化碳地質封存潛能評估結果,舊油氣田的潛在封存容量約為6,570~9,000億噸,難開採煤層約為150~2,000億噸,深層地下水層則約為10,000~1,000,000億噸。

基本上,2002年全球由燃料燃燒所排放的二氧化碳總量約為240億噸,而在2030年預估會達到390億噸。就二氧化碳地質封存的全球潛能大小而言,雖然舊油氣田及難開採煤層的推估容量與深層地下水層的容量相較小很多,但是一般預期前者還是會被優先執行,因為它們也可以增加化石燃料的產量,彌補二氧化碳捕獲及封存所需的操作成本。

發展現況 二氧化碳地質封存技術已成熟地運用在油田的增量生產(enhanced oil recovery, EOR)方面,其主要目的是把二氧化碳注入即將耗盡的油田中以增加產油量,並非單純為進行二氧化碳減量而實施二氧化碳的地質封存。目前全球EOR的二氧化碳使用量約為每年4,500萬噸,大部分集中於美國。

挪威是最早把二氧化碳封存於深層地下水層中的國家,挪威國家石油公司(Statoil)為規避支付為數相當龐大的碳稅,在1996年首度嘗試把二氧化碳注入深度約1,000公尺左右的地下水層中,年注入量約100萬噸。該地下水層的封存潛能約為歐洲每年火力發電廠二氧化碳排放量的100倍。

雖然二氧化碳地質封存操作所需的工程技術已近成熟,但關於封存地點、安全性、穩定性等議題,尚有待進一步的研究與驗證。二氧化碳地質封存技術發展的主要目標,在於尋找適合的封存地點,並研究與評估二氧化碳封存在地底深處時的特性,如二氧化碳在地層中的遷移特性,以及注入二氧化碳對於周遭地層所造成的物理及化學特性的改變。而另一技術發展的目標,是確認二氧化碳地質封存不會對人類及生態環境造成危害。

地表封存

基本原理 二氧化碳地表封存有地表礦化封存及再利用兩種機制。就二氧化碳地表礦化封存而言,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,例如台灣東部蘊藏量很高的蛇紋石。二氧化碳地表礦化封存所形成的碳酸鹽,也是自然界的穩定固態礦物,可在很長的時間中提供穩定的二氧化碳封存效果。理論上,地球上含鈣及鎂的矽酸鹽礦物,足以把所有化石燃料燃燒所生成的二氧化碳礦化。

除了二氧化碳地質封存、海洋封存、地表礦化封存外,二氧化碳的再利用是另一種發展中的封存機制。透過適當的反應程序,可把二氧化碳轉化為含碳燃料或其他物質,而達到再利用及暫時封存二氧化碳的目的。但其產品的燃燒、使用或裂解仍會排放二氧化碳,因此對二氧化碳的減量助益不大,且取決於其產品的生命周期。

封存操作方式 最簡單的二氧化碳地表礦化封存作業,是在特定的溫度與壓力下,使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,稱為乾式礦化封存作業。除了少數特殊的金屬氧化物外,如氧化鈣或氫氧化鎂,乾式礦化封存作業的反應速率很慢,難以滿足實際的需求。因此,未經過適當前處理的金屬氧化物,很難直接針對工廠排放尾氣中的二氧化碳進行乾式礦化封存。

在濕式礦化封存作業中,首先使礦物及二氧化碳溶解在溶液中,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。然後,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。

至於二氧化碳的再利用方面,在工業用途上,二氧化碳可做為尿素、甲醇、冷凍劑、滅火劑等的原料。就封存時程而言,二氧化碳再利用所生成的產品,時程有限,且隨不同的產品而有不同的封存年限。例如,尿素肥料封存二氧化碳的時程可能僅數個月,而塑膠產品封存二氧化碳的時程可能高達數十年。

另外,雖然在化學製程上,即使以二氧化碳取代碳氫化合物,做為化學製品中碳元素的來源,卻無法取代碳氫化合物在化學製程中的能源供應角色。因此,在二氧化碳再利用的製程中,必須提供額外的能量,若這能量來自於化石燃料的燃燒,則整體而言,二氧化碳工業用途的再利用機制,對降低二氧化碳排放量的貢獻度是零。

透過光合作用把二氧化碳轉化成樹葉、木材等生物質料(biomass),是屬於二氧化碳的再利用機制之一。在光合作用的生化程序中,二氧化碳的捕獲及轉化效率取決於光能轉化成化學能的效率。目前在農業生產生物質料的過程中,太陽能的轉化效率僅約為1%,相當於每平方公尺能吸收與轉化太陽能的速率約為1瓦。在藻類繁殖的過程中,太陽能的轉化效率約為1~2%。

發展現況 二氧化碳地表礦化封存的可行性,取決於封存過程所需提供的能量成本、反應物的取得成本,以及封存的長期穩定性等3個因素。在二氧化碳地表礦化封存機制中,每封存1噸的二氧化碳約需要1.6~3.7噸含鹼土金屬的矽酸鹽岩石,以及產生2.6~4.7噸的廢棄物。不同的二氧化碳地表礦化封存機制所需的能量及操作成本不同,採用濕式礦化封存機制封存1噸二氧化碳的成本約為50~100美元。

一旦二氧化碳經地表礦化封存為碳酸鹽礦物後,其封存穩定性可高達千年以上,相對於地質、海洋等其他封存機制,其封存後的監管成本較低。整體而言,二氧化碳地表礦化封存技術尚未成熟,高操作成本、礦業開採作業對環境的影響等議題,是後續研究的重點。

二氧化碳可用來取代一氧化碳、光氣、甲烷或甲醇,進行化學聚合物的生產,達到二氧化碳再利用的目的。然而,全球每年所需的原料量最多僅為數百萬噸,與人類活動每年所排放的二氧化碳總量(240億噸)相比,實在微不足道。

另外,經由額外能量的提供,也可透過適當的化學反應把二氧化碳轉化為含碳燃料,如甲醇。由於含碳燃料使用後仍會排放二氧化碳,因此,這方法僅可做為能量的轉換儲存機制,對於二氧化碳的減量並無助益,且理論上無法避免能量的淨損耗。目前二氧化碳再利用的研究重點,主要是在再利用反應所需的催化劑,以及降低反應能量需求等方面。

海洋封存

基本原理 目前海水中所含碳的總量約為大氣層的50倍,植物及土壤中總合的20倍。海洋之所以能含有如此大量的二氧化碳,龐大的水體體積及二氧化碳在水體中不低的溶解度,是兩個主要的因素。

基本上,二氧化碳海洋封存的潛在容量遠大於化石燃料的含量,海水能自大氣層吸收二氧化碳的潛在能力,取決於大氣層的二氧化碳分壓(濃度)及海水的化學性質,其吸收速率的高低,則取決於表層及深層海水的混合速率。人類活動所排放的大量二氧化碳,造成大氣層二氧化碳分壓(濃度)的提高,使得海洋每年吸收約70億噸二氧化碳。受限於表層及深層海水間的緩慢對流,目前在深海中可發現因人類活動所排放二氧化碳的證據,平均深度僅約為1,000公尺。

增加海水中二氧化碳的濃度,會對海洋生物造成不利的影響,例如降低生物鈣化、繁殖及成長速率、遷移能力等。二氧化碳海洋封存還須考量許多現存的全球性或區域性的海洋環境相關規範,目前國際間尚無特別針對二氧化碳海洋封存的正式規範。

封存操作方式 二氧化碳可經由輸送管線或船運直接注入並溶於深層海洋水體中,或灌注於海床上形成二氧化碳人工湖。在二氧化碳人工湖的灌注地點,深度至少須達3,000公尺,壓力達300大氣壓,才可確保二氧化碳的密度比海水高。當二氧化碳被灌注於深海後,會馬上影響周遭水體的化學環境,在二氧化碳海洋封存操作概念中,可搭配碳酸鹽礦物的添加,以中和水體的酸鹼度並增加二氧化碳的溶解封存量。

就阻隔二氧化碳返回大氣層的目的而言,把二氧化碳灌注於更深的海洋水體時,會有更佳的隔離效果。目前所提出的二氧化碳海洋封存概念,都打算把二氧化碳灌注於海洋的斜溫層以下,以期獲得更佳的封存效果。斜溫層一般位於100至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。

在二氧化碳海洋封存的操作概念中,被灌入深海中的二氧化碳,可以是氣體、液體、固體或水合物型態的二氧化碳。基本上,不論何種灌注型態的二氧化碳,只要時間足夠,二氧化碳都會溶解在海水中,但其溶解速率取決於二氧化碳的灌注型態(氣體、液體、固體或水合物)、深度、溫度、水質,以及區域性的水流特性。

發展現況 雖然二氧化碳海洋封存概念已歷經約25年的理論發展、試驗室和小規模現場測試,以及模式模擬研究,但截至目前為止,尚缺乏大規模二氧化碳海洋封存的操作實例。針對二氧化碳海洋封存的後續研究發展而言,環境影響性、民眾接受度、法令規範、安全性、操作實務經驗、相關知識的加強等,是後續研究發展的主要議題。

深度閱讀
  1. Metz, B., O. Davidson, H. C. de Coninck, M. Loos, and L. A. Meyer (eds.) (2005) IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. Prepared by Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 442 pp.
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