2008/07/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳 芃
當「減碳」已成為量販店廣告中的主要訴求，代表大多數民眾對於環境變遷已有所體認，更在經濟面的擠壓之下，促使消費型態做出了改變。能資源與環境情勢的緊迫，雖然衝擊了全球經濟，但也開創出不同的商機，驅使新科技的起動、發展與落實。
今日環繞在身邊的環境類議題，幾乎都與「碳」脫離不了關係，大量的二氧化碳排放成為大眾不願意、卻又擺脫不掉的陰影。2006年全球40％以上的二氧化碳（CO2）排放來自於火力電廠，這類電廠以燃燒煤炭、燃料油、天然氣等化石能源轉換電力。根據CARMA（Carbon Monitoring for Action）監測全球5萬座火力電廠排放CO2資料顯示，排名第1的美國，火力發電年度CO2排放達27.9億公噸，占美國CO2年總排放量約40％；緊追在後的中國大陸，預估馬上將超越美國成為第1，同時其對於化石能源的倚賴程度，在前10大中排名第3，僅次於南非與澳洲。然而，南非與澳洲均為大量產煤的國家，使用自家低成本的煤炭，為此類資源型國家化石能源發電比例頗高的主因。
整體來看，如果全球減碳工作以「抓大頭」的概念執行，美國應負擔最大的責任；以部門別來看，美國的火力發電業則是第1個需要被檢討的目標。就區域來看，亞洲地區無疑是麻煩最大的地方，前10大火力電廠排放國家中，亞洲就占了5位（中國大陸、俄羅斯、印度、日本、南韓，其中CARMA將俄羅斯列於亞洲），而2至5名更是全部集中在亞洲。
經濟是捕碳的優先考量
在量足、穩定且廉價替代能源出現之前，停用火力電廠無異是天方夜譚，在等待新能源技術成熟的期間內，設法降低火力電廠的CO2排放顯得較為可行。由火力電廠的排放中捕捉CO2，依照燃料與系統的不同，每公噸可能花費15～75美元不等。依照現行排放水準，美國發電業如要降低10％，也就是2.79億公噸的CO2排放，以每公噸15美元的最低成本來計算，年度就必須花費41.85億美元。
這筆巨大的金額，是以最樂觀的方式估計而得，事實上並不可能以如此低的成本水準來處理每座電廠的排放量。同時，此數字還不包括後續處理捕捉到的碳、運輸與封存的成本，以及各式風險處理、保險等衍生的費用。加入上述的成本後，美國火力電廠若想捕捉10％的CO2，每年百億美元的花費應該只是保守估計。在沒有政府法令強制規範與經濟面的配套之下，很難推動如此龐大金額的計畫。
把焦點轉到亞洲，相同的排放問題，在經濟面卻有著更嚴峻的挑戰。中國大陸先是成為原油淨進口國，後適逢油價大漲，原本要調控使用的煤炭，成為快速滿足國內能源需求的最佳選項。在能源與原物料價格高漲的時代，基礎電價攸關平抑物價與出口競爭力，因減碳而來的額外成本，優先順序恐怕遠落在上述功能之後，預期將無法真正落實火力電廠的減碳工作。 亞洲組成多為開發中國家，人口密集，未來能源需求成長高，對物價波動的耐受度卻相對偏低。基於上述原因，推動火力電廠CO2減量與封存工作，如需相當成本與先進技術層次，在亞洲能成局的機會看來不高，對全球最大CO2排放地區來說，唯有更低成本火力電廠CO2捕捉技術，才能應用於現實的情況之中。
捕碳、儲藏一次完成
減少火力發電的CO2排放，最簡單的想法就是在煙囪裡把CO2都攔截下來，這項技術發展已久，但是問題主要在於效率與成本。上文模擬的部分已說明現行技術捕捉每公噸CO2需要15～75美元；另一方面，根據美國國家能源技術實驗室的模擬，如燃煤電廠以現有技術捕捉與壓縮CO2，過程中必須耗費大量能源，可能將占電廠總發電量的15～20％。也因如此，如果利用現行技術處理CO2，電廠的生產成本可能會增加80～90％。相關的調查結果均顯示，大型固定CO2排放源回收碳需要耗費極大成本與能源，經濟效益仍差。
為此，可以吸附、大量儲存CO2的材料，成為解決上述問題的重點。美國加州大學近日研製出一種新材料Zeolitic Imidazolate Frameworks（ZIFs），利用沸石與咪唑類組成具有多孔性的材料，內部表面積極大，在1公克重ZIFs中，包含了2,000平方公尺的表面積，同時具有選擇分子大小與形狀的能力。在0℃和常壓下，1公升ZIFs理論上可儲存82.6公升的CO2。
在目前已開發出數十種的ZIFs晶體中，有幾項晶體對於CO2有極高的選擇性。該團隊使用CO2與CO混合、CO2與N2混合的兩種氣流，在流過ZIFs晶體之後，這項新材料會選擇性的將CO2攔下，讓其它氣體通過。研究結果顯示，ZIFs材料比目前最先進的處理技術多出5倍以上的CO2儲存量，非常看好應用於火力電廠的排放之上。同時，ZIFs材料可將已吸附的CO2固化，且具相當的穩定性，此舉也將解決在捕捉CO2後產生的運輸與封存成本，並降低封存CO2可能帶來的風險。
薄膜與碳的再利用技術
對於攔截CO2，韓國漢陽大學有另一種思維。該校研究團隊近日研發出一種薄膜，可以攔阻CO2通過，但可讓N2、沼氣等自由通過。此種膜材主要使用熱處理後的聚酰亞胺，其特性是可迅速過濾大量CO2，性能較現行的醋酸纖維薄膜更佳，若能研製成功，將可應用於固定式排放源，如火力電廠等。
雖然目前在市場上仍未明顯看見此類過濾CO2材料的需求，但韓國政府仍將其列入國家研發計畫之中，係因看中其對於溫室氣體減量的應用潛力。同時，這項計畫也正朝向後續的CO2固化與壓縮技術前進，希望能以薄膜為基礎，進而設計出完整的解決方案。
既然已有許多方法可以收集煙囪裡排放的CO2，何不將其轉換成更有效率的副產品再銷售，不但有額外的收入，更能免除後端產生的處理費用。美國Skyonic提出所謂SkyMine的系統，將煙囪內的CO2透過與氫氧化鈉反應生成碳酸氫鈉，就可製造出食用級的發酵粉，並且將煙囪中90％的CO2做更有效率的利用。不過，這套裝置仍須額外使用能源，目前設計將以工廠產生的廢熱推動。
Skyonic宣稱SkyMine能取代現行價值4億美元的CO2回收環保裝置，同時生產出的副產品（主要是碳酸氫鈉，另外可能有氯與氫）可以再次銷售。由於碳酸氫鈉是固體，即使沒有市場，在後續處理上也較CO2容易的多，可以直接儲存於容器中；而利用廢棄礦坑掩埋，也無須高壓、特殊地質等限制。此外，有此裝置的廠商，每年也將能省下一大筆CO2排放稅（美國）。目前SkyMine仍在研發中，預計2009年將付諸實行，其裝置能源耗用的多寡，與廢熱是否能夠成功轉換成能源，而無須額外增加能源費用，是SkyMine是否可行的觀察重點。
天然氣加氫減碳
天然氣電廠的CO2排放較燃煤與燃油電廠為低，但無可避免的仍有相當的排放量，隨著天然氣電廠的增加，從前端的燃料解決碳的問題，比從末端的排放來捕捉CO2更有效率。如果能降低天然氣中碳的含量，並且加入氫，將使天然氣電廠更為乾淨，同時效率更高。
加拿大Atlantic Hydrogen公司針對此點，開發一種將天然氣除碳的技術CarbonSaver，其利用一組低能源消耗的的低溫電漿反應器，將天然氣中的碳和氫分離，並將碳以固體型態移除，氫則再送回天然氣之中，最後得到氫含量達到15～20％的天然氣，稱為富氫天然氣（Hydrogen-enriched Natural Gas）。各式內燃機如使用富氫天然氣，將能降低NOx排放50～60％，CO2排放則可降低7％。
目前加拿大政府對此技術深感興趣，由Atlantic Hydrogen與加國最大的天然氣公司Enbridge Gas展開合作示範計畫。在理論上，CarbonSaver可以安裝在天然氣輸送的路徑中，如加壓分配站等網絡設施，使得客戶能有更乾淨、效率更高的天然氣使用。此外，被移除的固態碳，則可埋存於土地中，或是利用其做為碳粉匣、複合材料等的原料。目前CarbonSaver將進行天然氣汽車的實驗，並擴大規模，提供大型天然氣發電廠使用。
腳步必須加快
部分科學家提出警告，溫室氣體必須在2015年之前得到控制，否則地球暖化將會難以收拾。觀察目前新能源的技術進展，根據日本經產省的報告，最快在2025年，太陽能光電可以達到供給日本30％電力的目標；而被視為一次解決人類能源問題的核融合技術發電，最快則在2040年才能商轉。這些技術發展的時程，均無法解決2015年之前的問題，也使得現階段正發展的減碳方案，成為解決（抑制）溫室效應的主要對策。
前文所述的技術研發，僅是解決CO2排放問題中的幾個案例。在溫室效應的衝擊之下，人類仍無法放棄使用化石燃料，然而在政策上，使用者付費制度已開始落實，使得「捕碳」帶來的商機愈發清晰。除研究單位實驗室中的理論探討外，越來越多公司已經直接投入，並將想法付諸商品化。這股態勢，頗讓人聯想到上個世紀末的「.com」熱潮。不同的是，這些研發的目標更為具體，亦即為了冷卻人們唯一的生存環境；而更快速、更低成本的研發成果，則將是決勝於此領域的必要條件。（作者任職於工研院材化所）