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如何把二氧化碳「抓」起來?對抗氣候變遷的祕密武器

2023-12-29

CCS 很有用,但發展速度遠遠不夠快

自工業革命開始,人類大規模使用化石燃料,排放大量二氧化碳到大氣中,造成日益嚴重的氣候危機,因此,減少碳排放已經成為當務之急,而承諾達到「淨零碳排」的國家迄今也累積超過一百五十個。然而,僅透過再生能源和提升能源效率仍難以處理工業製造的碳排,還需要透過「碳捕獲及封存」(Carbon Capture and Storage,簡稱 CCS;如果加上「再利用」則是 Carbon Capture, Utilisation and Storage,簡稱 CCUS)技術的輔助,才能夠達成淨零碳排的目標。
 

顧名思義, CCS 就是將人類活動排出的二氧化碳捕捉後封存,避免其逸散到大氣中。舉例來說,可以從工廠排放的氣體中,先透過碳捕捉技術分離出其中的二氧化碳,並加以捕獲,接著將捕獲的二氧化碳由氣態轉換成液態,再藉由管線、陸運或海運等方式運送至碳儲存的場址封存。在各種儲存方式中,目前以將二氧化碳注入到地層內的地質儲存技術較為成熟。
 

生物薄膜封存二氧化碳的影像,利用 X 光顯微斷層攝影術(source: U.S. Department of Energy/公共領域)

除了捕捉人類活動排放出的二氧化碳外,近期國際上亦積極投入各種「碳移除」(Carbon Dioxide Removal,CDR)技術,比如直接空氣捕集與封存(Direct Air Carbon Capture and Storage,DACCS),以及「生質能源結合碳捕集封存」(Bio-Energy with Carbon Capture and Storage,BECCS) 。碳移除是指在自然碳循環以外,額外藉由人類活動移除大氣中的溫室氣體,比如 DACCS 是藉由某些化學程序直接從大氣中提取二氧化碳,並予以長期封存。而所謂的 BECCS 技術,則是先利用植物吸收大氣中的二氧化碳,再燃燒這些植物以提供能源,並且捕集燃燒過程釋放的二氧化碳,最後予以長期封存;如此一來,不但燃料使用過程不會排放二氧化碳,而前一階段植物生長的過程還會吸收二氧化碳,藉此達成減碳的效果。
 

英國德拉克斯發電站(Drax power station) CCS 流程示意圖(source: The joy of all things/ CC BY-SA 4.0)

根據政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)2022年的第六次評估報告,要達到 2050 年淨零碳排的目標,電力系統中 CCS 占比預估不須超過一成,之所以如此,是因為再生能源所需的成本仍比 CCS 低許多;然而,在工業領域中,由於多數產品的製造過程都會排放二氧化碳,因此 CCS 在工業淨零中就扮演十分重要的角色。根據國際能源總署(International Energy Agency,IEA)估計,若要在 2050 年達到淨零排放,鋼鐵業設有 CCS 的比例需達 53% ,石化業則需 67%,水泥業更需要高達 85%。在此同時,人類還需要透過「碳移除」直接從大氣中吸附過往已排放的二氧化碳;根據美國國家研究院估計,若要確保增溫不超過1.5 度,2050 年時全球碳移除量需達到每年 100 億噸,2100 年時更要達到 200 億噸。
 

實際上,CCS 並非近期的科學創新,早在 1977 年就已經應用在美國的石油業,但當時的目標是增加油田開採率,而非對抗氣候變遷。時至今日,全球仍僅有 40 個運轉中的 CCS 場址,每年捕捉量也只有 4,500 萬噸,不及全球年排放量的千分之一。若要符合淨零路徑需求,2030 年時年捕捉量需成長到 12 億噸,目前全球 CCS 的發展距離達成這個目標仍然相當遙遠。

儲存量不是問題,但要存放在哪裡?

儲存量不會對 CCS 的未來發展構成任何限制,依據估計,全球地質二氧化碳儲存技術能力約為一兆噸,已經超過 2100 年前將全球升溫限制在 1.5°C 內的二氧化碳儲存需求。而且,按照推估,只要選址和管理得當,現有技術已能將二氧化碳從大氣中永久移除,不會洩漏逸散至大氣層中。
 

然而,「選址」正是 CCS 未來發展最大的挑戰。 IPCC 在 2005 年指出, CCS 選址的風險可以分成四個面向討論:
 

  1. CCS 管線在運輸過程中的風險,不亞於石化業目前使用的碳氫化合物輸送管道。
  2. 選址工作中應妥善評估現有的地質條件,並建立完善的監測計劃、法規體系和二氧化碳洩漏時的緊急應變計畫;若能如此,則 CCS 對場址當地造成的健康、安全與環境風險將相當於天然氣封存或 EOR 以及酸性氣體地下處置等現有活動。
  3. 如果將二氧化碳大規模注入海水,或在海底轉換成液態,將會改變當地海水的化學環境,而研究也已經證明,環境中如果有高濃度的二氧化碳,並持續一段時間,便會導致海洋生物死亡,進而將衝擊生態系。至於在大面積海域和長時間尺度上,二氧化碳直接注入海洋對海洋生態系統將會造成哪些慢性影響,則尚未有研究。
  4. 大規模礦石吸附技術的環境影響,則與一般礦產開採和廢棄物處理類似。

利用海洋封存二氧化碳的數個可能選項(source: Miranda Boettcher, Kerryn Brent, Holly Jean Buck, Sean Low, Duncan McLaren and Nadine Mengis/CC BY-SA 4.0)

除了以上四點之外,2022 年 IPCC 第六次評估報告中還提及: CCS 由於有冷卻需求,因此與原先的電廠相較,耗水量將增加 25% - 200%;因此,這項技術在水資源稀缺區域的發展前景相當有限。而美國環保署跟歐洲環境署的相關研究也指出,火力發電廠裝設 CCS 後,雖然可以減少溫室氣體排放量高達七成,但由於會導致能量轉換損耗,空氣污染物的排放量反而會增加。
 

SDG項目

正面影響

負面影響

SDG1 終結貧窮

 

生質能可以供給偏鄉地區的能源需求,然而若加上碳封存可能會使其成本過於昂貴。

SDG3 健康與福祉

  1. 要使 CCS 的運作效能最大化需要減少空氣污染。

  2. 可以控制非二氧化碳(如:二氧化硫)排放。

非二氧化碳污染物增加。(如:粒狀物、氮氧化物、氨)

SDG6 淨水與衛生

 

CCS 需要消耗大量的水資源,使用鹹水也可能產生大量處理水的需求。

SDG7 可負擔的潔淨能源

透過儲存二氧化碳使能源得以脫碳。

布建 CCS 的過程需要使用大量電力。

SDG8 合適工作與經濟成長

  1. 刺激技術創新
  2. 減少化石燃料產業工人的不平等風險。
  3. 多元化的就業前景
 

SDG9 工業化、創新及基礎設施

可以協助難以減碳的產業減少碳排。

 

SDG11 永續城市

CCS 和 CCU 的佈建將有助於增強城市的永續性。

 

SDG12 責任消費及生產

 

如果管理不當,資源和化學製品的用量可能增加。

SDG13 氣候行動

低碳排。

 

SDG15 保育陸域生態

 

CCS的佈建將會需要額外的土地使用。

表1 碳捕捉與封存技術對應 17 項永續發展目標的正向與負向影響(Source:IPCC AR6 WG3)


不用盲目建置 CCS !哪些產業應該優先裝?

如前所述,全球 CCS 布建速度過慢,遠低於將全球升溫限制在 1.5°C 所需,而且建置 CCS 又需面對重重挑戰。要能回應這些挑戰、加快建置速度,就需要新的政策工具,以及更強力的公共支持與技術創新。但是,雖然化石燃料業者期待 CCS 能大規模應用,讓目前營運或興建中的火力電廠、煉油廠等無需提早退場,但環保團體卻除了擔憂 CCS 會衍生前段討論的各種環境衝擊,更憂慮對 CCS 的投資將會排擠對再生能源與能源效率提升的投資。
 

因此,近期歐洲兩大環保團體 E3G 與 Bellona 基金會聯合提出 CCS 應用位階(CCS ladder),主張不同產業的 CCS 應用順序不同。他們認為,CCS 應優先用於水泥業和直接空氣捕捉,相反地,至於火力電廠和煉鋼廠,則有成本和環境衝擊都更低的替代方案。
 

這兩大團體也提醒決策者,「不是所有的 CCS 都是一樣的」,在評估 CCS 應用時,需整體考量環境、生態、財務和技術可行性等因素,以確定個別 CCS 應用對淨零轉型的價值。他們主張,由於公共資源和 CCS 的儲存注入能力都有限,政策制定者應該將資源投注在較有價值的應用上,尤其如果 CCS 將受限於技術或監管的因素,因而無法達到規模化,那麼,政策制定者就更應該排定發展的優先順序 。最後,他們更強調:CCS 建置仍必須配合其他解方同步進行,包含加速電氣化、快速擴充再生能源、增加能源效率,以及建立循環經濟。總而言之,若要達成淨零轉型的目標,決策者並不能過度依賴 CCS ,仍必須大規模削減化石燃料的使用,提升能源效率,並且降低初級能源需求。
 

國際能源總署也在 COP28 前夕發表分析,強調若維持目前石油與天然氣產業的生產規模,則 2050 年時 CCS 的投資規模要達到 3.5 兆美元,但目前 CCS 投資僅有 40 億美元,規模差異將近千倍。所以國際能源總署主席 Faith Birol 提醒油氣業者,若想全然靠 CCS 達到 2050 淨零排放目標,而不縮減產業生產規模,則是個全然的幻想。
 

Bellona 基金會共同創辦人 Frederic Hauge (source: Jarvin/ CC BY 3.0)

臺灣已經有 CCS 的願景,但具體規畫還沒到位

在臺灣,國發會於 2022年公布「臺灣 2050 淨零碳排路徑圖」,其中 CCS 也是重要的一環。在電力方面,國發會規畫 2050 年火力發電將有 20% 至 27% 配上 CCS ,明顯高於 IPCC 報告中所預估的一成以下。然而,經濟部提出的「製造業2030淨零轉型路徑圖」中,反而並沒有具體規劃 CCS 在工業部門的占比,此外,在需要大量 CCS 輔助的鋼鐵業及水泥業,也缺少對相關技術的規劃。而在 CCS 社會溝通會議中,政府提出希望在 2030 年透過 CCS 減少 460 萬噸的碳排,相當於目前全國碳排放量的 1.7%,但也並沒有做出更詳盡的規劃。
 

在未來的淨零路徑中,CCS 將扮演重要的角色,政府應該提出更完善與清晰的規劃。除此之外,CCS 也可能造成許多環境與社會衝擊,相關配套因此十分重要,例如在碳封存選址前,應該要進行充分的環境影響評估,並且搭配完善的社會溝通,否則將會引發強烈的社會反彈。針對這個問題,過往研究鑑於中部(特別是臺中和彰化)的排放源距離封存場址較近,而且各項技術可行性亦較高,因此已經建議優先在中部進行相關試驗和開發;但政府在實際建置之前,仍應採納 E3G 與 Bellona 基金會的建議,提出必要性之整體評估,並且分析潛在環境衝擊,方能建立公眾對此技術的信心。最後,同樣重要的是,CCS 也絕不能成為高碳排產業或政府不積極減碳的藉口,讓這個淨零技術反而拖慢了減碳的時程。
 

 

陸域封存潛力(億噸)

海域封存潛力(億噸)

北部

25

131

中部

37

77

南部

76

189

表2 臺灣分區域封存潛力(Source:台電綜合研究所,《 二氧化碳捕集與封存之民眾溝通研究完成報告》,2021)
 

本文為【〖Start Green 永續綠行動〗永續1+1實踐綠生活第一步】專題文章


人類正站在全球氣候劇烈變遷、自然資源漸枯竭、生物多樣性耗損、疾病頻仍等關鍵十字路口上。為此,2015年時,聯合國發布了「永續發展目標」(Sustainable Develpoment Goals, SDGs),敦促全世界在 2030 年以前為地球與人類社會努力,邁向永續。


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百靈佳殷格翰與故事 StoryStudio 攜手響應聯合國 SDGs,用故事來讓 SDGs 在臺灣的發展有根可尋,讓發展被記錄、被看見並可被壯大,與臺灣社會一同實現永續發展。

文章資訊
作者 林韋翰、趙家緯
刊登日期 2023-12-29

文章分類 副刊
收錄專題
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