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鈣迴路捕碳高效率,獲全球百大科技獎

2016/10/05 經濟部能源局 點閱人次: 680

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撰文/鍾嘉雯
受訪/工研院綠能所資源應用技術組 徐恆文副組長
圖片提供/工研院

減碳不只是靠節能,淨化火力發電的燃煤,讓我們從能源使用的源頭開始減量,碳捕捉與封存技術,將是本篇的目光焦點!獲全球百大科技研發大獎(R&D100 Awards)的鈣迴路捕捉二氧化碳技術,如何在碳捕捉界占有一席之地?我國又該如何封存二氧化碳,真正達到減碳目標?

碳要怎麼減? 首先,把它捉起來

近年來,二氧化碳減量一直是全球趨勢、世界潮流,我國更將二氧化碳列為空氣污染源之一。為達成溫室氣體減量的目標,經濟部能源局早在2008年就開始發展淨煤減碳技術,從污染防治到二氧化碳捕捉和封存技術,都是從能源應用的根本去減碳。

我國目前發展的二氧化碳捕捉技術,以燃燒後捕捉的化學吸收法、固體吸附/吸收技術為主。二氧化碳捕捉通常會由兩個反應器組成,第一個反應器先以吸收/吸附劑捕碳;再以第二個反應器將吸收/吸附劑再生循環利用,同時釋放出高濃度的二氧化碳,再將其收集封存或再利用。

化學吸收法使用不同類型的低濃度水溶液做為吸收劑,將二氧化碳捕捉下來,由於需提供熱量再生吸收劑,能源消耗比例較高,不過化學吸收法發展歷史悠久,技術成熟度相對較高,過去在石化產業已有長期的發展經驗,也是目前商業化程度較高的技術,但若要運用在發電業,能源耗用的規模將比以往更大,碳捕捉的成本將成為未來的重點。加拿大邊界大壩電廠(Boundary Dam Power Station)是全球首座大型化應用CCS技術的燃煤電廠,使用的就是化學吸收法,在去年(2015)電廠的碳捕捉裝置運行了56%的時間,平均每月捕捉35,153噸的碳,全年度約42萬噸,今年則上看80萬噸,馬力十足!

固體吸附/吸收技術也是國內發展的重點項目,固體吸附劑種類繁多,以氧化鈣、矽基材料等吸附二氧化碳皆在研發中,如鈣迴路捕捉二氧化碳技術即利用氧化鈣(CaO,俗稱石灰)與CO2碳酸化結合後產生碳酸鈣(CaCO3),再經過煅燒爐之高溫處理釋放出CO2,剩餘的物質就是還原的氧化鈣,再將氧化鈣送回至碳酸化爐再次捕獲CO2。可以在吸放之間重複循環,並達到捕捉CO2的目的。

從石灰中挖寶—鈣迴路捕捉二氧化碳技術

鈣迴路捕捉二氧化碳技術使用成本低廉且蘊藏量豐富的天然石灰石(碳酸鈣)做為原材料,怎麼想得到將石灰石當成關鍵吸附原材料?工研院綠能所資源應用技術組徐恆文副組長笑道,「我們一開始評估應發展何種碳捕捉技術較具有產業利基,發現鈣迴路有極佳的潛力,經由資料的收集,發現當時在美國俄亥俄州立大學的范良士院士已經做出了不錯的成績,就趕快力邀他成為我們的計畫顧問,從小的熱分析儀開始,漸漸研發試做3kWt的系統,最後找到台泥辜董事長,並獲得他全力的支持,將其放大發展到花蓮去。」工研院與台泥公司合作,在台泥花蓮和平水泥廠區內,就有豐富的石灰石礦,運輸成本極低,成了發展鈣迴路試驗廠之最佳地點。

除了俄亥俄州立大學以外,西班牙和德國也有鈣迴路的實驗廠,不過技術發展上我國不落人後。規模方面,工研院與台泥合作的「鈣迴路捕捉二氧化碳先導型試驗廠」設置規模是1.9MWt,相當於每小時捕捉1 公噸的二氧化碳,是世界上目前最大的鈣迴路碳捕捉試驗廠;技術方面,工研院開發的第一代技術是以氣泡式流體化床做為碳酸化爐,煙氣中的二氧化碳與氧化鈣粉體反應形成碳酸鈣,再將碳酸鈣送至旋轉窯爐進行純氧煅燒脫附再生反應,與歐洲使用雙流體化床的技術做出差異性。為了增加石灰/石灰石循環吸脫附的次數及系統的熱效率,工研院正開發第二代技術,是以蒸汽水合反應形成氫氧化鈣(Ca(OH)2)增強吸附劑活性技術,以及多階旋風塔使吸附劑粉體與煙氣充分接觸之高效率技術,大幅減少反應系統空間與動力需求,使額外能耗更為降低,而使鈣迴路捕捉CO2系統更具有競爭性與實用性。

要超越既有已成熟的技術,不僅難度高,在專利申請與商業化發展上也受到限制。鈣迴路捕捉二氧化碳技術全球都還在研發階段,工研院著眼於此,積極發展相關專利布局。專利申請方面,工研院已經申請了20幾件,也拿到超過10件專利,「一項專利可申請臺灣、中國大陸、歐洲和美國等地的專利。基於市場考量,我們通常會申請臺灣跟中國大陸的,有部分也會去申請美國的。」專利中最重要的其實是上位專利,也就是製程專利,只要拿到製程專利,在設備或局部改良時的小專利都可延續發展下去。

領先全球,智取R&D100 Awards

解決專利問題,才能進一步談商業化,「之前我們在花蓮和平蓋了實驗廠,後續將持續與台泥合作朝放大至10~30MWt 示範廠邁進,將使鈣迴路技術進入準商業化的階段,能源局也希望2017年鈣迴路技術的研發可以告一段落,由產業接手,把我國的技術真正落實產業化。」徐恆文副組長說。

不只是水泥業,在電業、鋼鐵業,最好是所有產業都可以用到。工研院的鈣迴路捕捉二氧化碳技術已經發展到第二代,第一代技術藉水泥產業之便,碳捕捉技術不太需要計較廢料多寡,都可以直接當做水泥原料使用,甚至不需循環使用,效率高、反應器小。但考慮到不同產業的應用,鈣迴路捕捉二氧化碳技術勢必再進化,追求廢料更少、循環次數更久、效率更好的新層次,實廠驗證、產業參與再加上新一代廠的創新點子,讓工研院以鈣迴路捕捉二氧化碳技術抱走2014年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)。

碳捕捉之後,要放在哪?

據聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在2014年之第5次評估報告中表示,核電自1993年起,在全球電力結構之占比就已逐年下降,若不再使用核能,整體減碳成本將增加7%;不過,若化石燃料發電廠未採用碳捕捉封存技術,整體減量成本將增加138%!國際能源總署(International Energy Agency, IEA)2015年報告則指出,從現在至2050 年,碳捕捉封存約占減碳貢獻的13%。由此可見CCS在減緩CO2排放之重要性。

「我們的碳排放量大概2.6億噸左右,以10%計算,碳捕捉封存要處理2,600萬噸的二氧化碳,那是很驚人的數字!」簡單的計算,點出了碳捕捉封存的關鍵位置。臺灣的地質封存看似有許多優厚條件,但在商業化過程中,還有漫漫長路。碳封存的技術層次並不算高,但需要進行有系統的評估,找到適合的地質封存區域,避開斷層,底層要有足夠的孔隙,上層必須有厚的頁岩層做為蓋層,進行地層模擬,監測二氧化碳打入地層後,以其移動速度不致擴散出去,而是慢慢下沉,與地層中的鹽水層或礦物結成礦石。

只不過,封存技術從初步的評估就有許多需要克服的地方。「之前報載非洲尼歐斯湖二氧化碳噴發、造成上千人死亡的例子,讓民眾都很害怕,但那其實是火山爆發噴出的岩漿燃燒產生二氧化碳,被埋在火口湖底,後來暴雨潰堤,比空氣重的二氧化碳淹至山坳處的村子,才導致滅村悲劇。但用於人為的CO2注儲,不論是在油、氣增產(EOR或EGR)或地質封存的相關測試研究,事前都有很好的地質分析與風險評估,並布置許多的監測位置,可充分掌握CO2在地層下的狀況,因此至今從未發生過CO2逸散出之災害。」徐恆文解釋。工研院在封存方面以地質封存潛能評估與監測技術為主,也進行安全風險評估的模擬,在臺灣早期的油氣探勘中,有部分地質本身就是天然的儲油、儲氣窖,在開採完油氣後,原本的儲存空間可以評估是否適合再提供儲氣使用。目前臺灣碳捕存再利用協會也在進行政府與民眾間的溝通,如何提供確實可靠的訊息,使民眾得到正確的資訊,仍需要政府與產學界齊心努力。


關鍵字:碳捕捉,封存,CCS,鈣迴路

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