什麼是碳捕存(CCS)?原理及重要性

 
2017/06/23 李元亨 | 國立成功大學資源工程學系     496
 

從18世紀工業革命開始,人們依賴化石燃料的使用,造成大量溫室氣體排放到大氣中。根據IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 聯合國政府間氣候變化專門委員會)於2014年提出的氣候變化評估綜合報告中,1750年到2011年間,人為排放至大氣中的二氧化碳累積已超過2.04兆噸,使大氣中的二氧化碳濃度由280 ppm上升到430 ppm,造成全球暖化增溫與海平面上升等多項災害。因此,減少二氧化碳的排放量、降低全球暖化和氣候變遷已是當務之急,因此如何將二氧化碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage, 簡稱CCS) 便是重要的一大課題。

 

二氧化碳捕獲與封存的重要性

 

依據IPCC(2014)的預估,若不減緩二氧化碳的排放,在2100年大氣中的二氧化碳濃度會大於1000 ppm,造成全球平均氣溫上升4℃、海平面上升1公尺。若要將全球平均氣溫控制在巴黎協定所規定的2℃之內,就需要使二氧化碳排放量降到接近零排放甚至更低,並將二氧化碳濃度控制在450 ppm內(2011年濃度為430 ppm)。

 

根據IEA(International Energy Agency, 國際能源總署)於2016年提出的《能源技術展望報告》指出,減碳方案有六項,可以分為:核能、再生能源、碳捕存、發電效率提升與能源轉換、終端能源轉換、終端利用效率提升。其中,碳捕存為成本最低且技術較成熟的減碳方案。

 

透過提高能源效率、改變能源系統,以及將使用化石燃料轉化為使用核能以及再生能源,可大幅度減少二氧化碳的排放。然而,透過上述的方法,只能做到大量降低及避免二氧化碳的產生,但仍有許多的二氧化碳在工業活動中產生,無法真正避免二氧化碳排放到大氣中,對全球氣候的影響仍持續著。

 

因此,二氧化碳捕獲及封存技術極為重要。透過碳捕獲的方式,捕獲人為產生的二氧化碳,並利用碳封存方法,讓二氧化碳與大氣處於長期隔絕的狀態中(若是使用地質封存的方式,可以做到封存數千年,甚至是永久性封存二氧化碳),讓大氣層內的溫室氣體濃度維持穩定,降低全球暖化。

 

二氧化碳捕獲與封存的原理

 

CCS技術主要是將化石燃料轉化為能源的過程中,利用捕獲技術將火力發電廠、工廠等排放源所排放的二氧化碳分離,並將其壓縮後,輸送至合適的封存地點進行封存,使二氧化碳與大氣隔絕,減少排放至大氣中的二氧化碳排放量。

 

二氧化碳捕獲技術可分為三種:燃燒後捕獲、燃燒前捕獲、富氧燃燒。燃燒後捕獲,指的是在燃料燃燒後,利用液態溶劑從煙氣中捕獲二氧化碳;燃燒前捕獲,則是先將燃料轉化為二氧化碳及氫氣的混合氣體,再將其分成二氧化碳流與氫流,氫流作為能源使用,二氧化碳流則進行捕獲;富氧燃燒,則是以氧氣取代空氣進行燃燒,產生以水氣和二氧化碳為主的煙氣,並透過冷卻及壓縮清除水氣,捕獲煙氣中的二氧化碳。其中,燃燒後捕獲技術發展較為成熟,且較易結合現有發電的燃燒製程。

 

捕獲的二氧化碳,透過高壓進行壓縮,轉換為液態,透過管線、船舶等方式運輸至封存場址進行封存。封存方式可分為:地質封存、海洋封存、礦化封存三種。地質封存,意思是將二氧化碳注入到深部地層內的岩石孔隙內,如耗竭油氣層、深部鹽水層、煤層等;海洋封存,是指將二氧化碳注入海洋,使其溶解入海水中或是形成固態二氧化碳水合物、液態二氧化碳湖等;礦化封存,則是使二氧化碳與金屬氧化物(如氧化鎂、氧化鈣)進行反應,形成碳酸鹽類礦物(如碳酸鎂、碳酸鈣)。在三種方法中,礦化封存的安全性最高,但反應所需時間長,且需要大量原料,不適合大量封存二氧化碳之用。而海洋封存由於有導致海洋酸化的可能性,或因洋流擾動而使二氧化碳失去隔離狀態,對海洋生態系統造成危害,此項技術可以說風險極高。因此,地質封存為目前最接近實用且可行性高的封存方式。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

 

審校:沈建豪