前景無窮或是大夢一場? 淺談新興碳捕捉技術

作者 : Cabe Atwell,EE Times特約作者

除了改善能源效率並增加零碳能源使用,碳捕捉技術可在穩定大氣中溫室氣體濃度方面發揮重要作用,以防止對地球氣候系統產生危險的干擾。

隨著氣候危機日益嚴峻,政府與產業界開始討論因應之道,讓「碳捕捉」(carbon capture)、「碳封存」(carbon sequestration)等技術名詞也越來越常出現。這兩種技術都是降低溫室氣體排放的方法,至少是能減緩災難性氣候衝擊的潛在解決方案,也能滿足《聯合國氣候變遷綱要公約》(United Nations Framework Convention on Climate Change)下的目標。

除了改善能源效率並增加零碳能源使用,碳捕捉技術可在穩定大氣中溫室氣體濃度方面發揮重要作用,以防止對地球氣候系統產生危險的干擾。

碳捕捉技術有兩大類,一是在發電廠或是工業製程等排碳來源捕捉,然後儲存在非大氣儲存庫中;像是美國麻省理工學院(MIT)執行、已在2016到期的碳捕捉與儲存技術專案(Carbon Capture and Sequestration Technologies Program),是將二氧化碳儲存在海床深處的鹹水含水層(saltwater aquifers);利用現有的離岸設施(參考圖1),以一種被發現是普遍安全且永久性的方法來進行。

圖1:除碳專案能利用現有基礎設施,像是圖中的海上鑽井平台,將碳封存到海床深處。

(來源:MIT)

這種類型的碳封存也在尋找更先進的碳捕捉方法,因為目前的相關技術都需要高昂的運作成本,而且相當耗能,需要非常高的溫度以及特製溶劑。更具永續性的解決方案有其必要,像是最近由美國伊利諾大學芝加哥分校(University of Illinois Chicago)所開發的一種電化學裝置,能提供超快速的連續碳捕捉。

上述系統能做得夠大,直接從煙囪排放中捕捉二氧化碳,而且因為使用電透析(electrodialysis)方法,是省電也相對較便宜的技術。這種與其他在新一代二氧化碳捕捉器中採用的技術──通常是以胺(amine)來捕捉氣體,一旦二氧化碳被剝離並儲存,還能重複使用──最終可望讓碳捕捉實際用於從個人到產業的不同規模應用。

圖2:一家名為Carbfix、原為產學合作專案的新創公司,是將工業碳排來源透過溶解於鹽水中,來轉移二氧化碳排放,然後將之封存於反應性岩層。

(來源:Carbfix)

此外,一家名為Carbfix的新創公司,正在冰島以及整個東歐開展業務,從工業領域夥伴以及其他來源捕捉碳,並將之礦化(mineralize)為穩定的礦床(deposit)。樹木、植被與岩石都是從大氣中吸收碳的自然形式,Carbfix模仿並加速這種自然過程,將二氧化碳溶於水中,並與像是玄武岩的反應性岩層(reactive rock formation)交互作用形成穩定的礦物(參考圖2)──這是永久性而且安全的碳匯(carbon sink,EETT編按:即大自然吸收碳的儲存庫)。

直接空氣捕捉法

只是盡可能防止二氧化碳散逸到大氣中是不夠的,必須與第二種碳捕捉方法協同合作──去除大氣中的碳隨即封存。這種方法又被稱為直接空氣捕捉(direct-air capture,DAC),其系統不需要與排放來源結合就能運作。

執行這種方法的其中一種形式,是由領先DAC業者如Climeworks、Carbon Engineering與Global Thermostat所營運的大型設施;這些業者總共有18座規模不一的廠房,將他們捕捉到的碳之中的一半封存,然後將另一半出售、應用於不同產品。

圖3:Climeworks的大型DAC設施,以工業用風扇吸入環境空氣,將其中的二氧化碳分離、儲存,同時釋出乾淨的空氣到環境中。

(來源:Climeworks)

例如已經開發除碳與封存技術13年之久的瑞士業者Climeworks,最近才宣佈在6月底開幕了第二座商業規模廠房;該公司預計到2030年,可達到每年捕捉並儲存數百萬噸二氧化碳的目標(參考圖3)。而目前Climeworks的廠房設施是從環境空氣中捕捉二氧化碳,並與Carbfix合作將之儲存於玄武岩層。

Climeworks新開幕的廠房完全上線後,每年可捕捉並儲存3萬6,000公噸二氧化碳;未來還將加入一個較小的工廠,一年除碳量為4,000公噸。不過這只是全球一年排碳量的一小部分──光是在2021年,全球碳排量創下363億公噸的新高紀錄。

DAC系統發展態勢強勁,Climeworks與其他業者也在積極開展業務。如另外一家DAC業者,美國的Global Thermostat,從2010年投入營運並開發DAC技術,為不斷成長的碳循環經濟帶來動力,其終極目標是開發「耗費資源最少、成本最低的氣候威脅解決方案」。

Global Thermostat的DAC解決方案是透過標準工業風扇,在蜂巢結構接觸器面板上處理空氣,選擇性捕捉二氧化碳;然後可以透過注入面板的蒸氣釋出,或是將之濃縮以供收集與使用。該面板可重複使用,也能抽換為正在開發中的、更高容量的面板。

而成本、能耗以及土地使用,是長期以來DAC技術面臨的問題。一般而言,必須要有很大的表面積才能以可觀的速度來吸收二氧化碳,但也有一些值得注意的例外情況正在進行。而DAC技術也相對較昂貴,大多數再造林(reforestation)除碳方案的成本低於50美元/噸,DAC技術的成本則高達250美元至600美元。

此外還有能源成本。液態溶劑系統需要900攝氏度以釋放二氧化碳,固態吸附劑系統則需要80至120攝氏度。為了最佳化淨捕捉效率,能源必須是零碳排或是低碳;要擴大現有系統絕對會需要不平凡的能源使用。

一家美國新創公司CO2Rail,專長以軌道為基礎的自供電DAC,正在開發特製的軌道車,以實現車載二氧化碳收集(參考圖4)。那些車輛能與現有的火車連結,使用來自再生煞車系統的能源,讓它們搖身變成滾動的碳捕捉工廠。像是Climeworks等業者打造的碳捕捉工廠,會需要大片土地並仰賴再生能源來為過濾系統供電,CO2Rail則是用現有火車來做一樣的事情。

圖4:CO2Rail將特製的車輛與現有火車基礎設施連結,在火車煞停時啟動其除碳系統、吸入周遭空氣。

(來源:CO2Rail)

CO2Rail的特製軌道車利用煞車來讓車載電池保持充電,而移動的火車產生之氣流,免除了對風扇的需要。在火車移動時吸入空氣,被導入一個二氧化碳收集室,以化學方法分離二氧化碳並儲存於液態儲存槽中,等待稍後清空。

這種應用專案的相關數字潛力十足,因為每一列火車的煞車所產生之能量,每天可以為20個家庭供電。每台車估計可從一年3,000公噸的碳捕捉量開始,到2050年可望達到一年29億噸的處理量,其成本會遠低於其他DAC技術。

儘管各國相關政策與投資趨勢越來越有利DAC技術,但是以減排為代價而仰賴除碳技術是危險的,因為DAC與碳捕捉/封存技術可能與石化燃料產業有所關連──有時在被稱為提高石油採收率(enhanced oil recovery)的過程中利用捕捉的二氧化碳,能從已經枯竭的油井產生更多的石油(EETT編按:有報導指出,石油業者聲稱利用碳捕捉技術實現了減碳目標,實際上不僅未達預期標準,反而讓他們開採出更多石油)。

而且,作為一種新型態的基礎設施,碳捕捉對地方社群的影響──無論是正面或反面──仍需要以逐個專案的形式進行研究。雖然碳捕捉技術具備令人振奮的前景,並不能被視為單一解決方案,必須以批判的眼光進行開發;特別是當我們越來越了解到它對環境的整體影響。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年9月號

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Exploring the Prospects and Impact of Carbon Capture Tech,By Cabe Atwell)

 

 

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