文／ 張良志^[1]  台灣大學化工系兼任教授、清華大學化工系兼任教授

翻譯／蕭彗岑 中心計畫專員；校對／王奕陽 中心資深助理研究員、王涵 中心資深助理研究員

　　就定義而言，石化產業是使用石油或天然氣作為基本原料，製造出一系列不同的產品。在台灣，石化產業擁有完整且整合良好的產業鏈，貢獻大約16.5%^[2]GDP。然而，在台灣每年2.7億噸的二氧化碳排放量中，石化產業的排放量佔有顯著比例（Ritchie et al., 2020）。

　　在減少碳排放並達成淨零的全球趨勢與壓力下，我們應該仔細地檢視石化產業，看看能採取什麼實際的方法盡可能地降低碳排。

　　首先，我們應該要了解，石油（oil）與天然氣（gas）主要是由化學元素碳和氫所組成，（因此稱為「碳氫化合物」）。碳元素，一旦「從地底下被開採出來」（unearthed），就無法被摧毀或是變成其他的元素。要如何避免讓碳以二氧化碳形式釋放到空氣中是根本的問題。

　　石化產業的產品大致上可以分成兩類：(1) 作為提供能源的燃料。主要的產品就是汽油與柴油。(2) 用來製造各種化學或塑膠製品的材料。舉例來說，聚酯（polyester）是一種幾乎在所有人的衣櫃中都能夠發現的聚合物，是由對二甲苯（para-xylene）組成，是一種從石油中萃取的C8化學物質。在台灣，專用聚合物與專用複合材料也被使用於電子產品、醫療產品、車輛零件、以及其他高價值的產品。

　　今天，許多人預測，石油作為能源提供者的角色，將會被再生能源所取代。然而，作為材料供應端（material supplier），石油實際上無法被取代。這其中的原因，是來自對經濟效益和資源需求的考量。要生產出一間典型的5,000平方公尺的合成纖維工廠所能生產的纖維量，可能就需要1,600平方公里的棉花田。對於土地和水資源的需求，遠遠超過地球可負擔的範圍。

　　如果我們著眼於碳元素的最終命運，就會發現，碳要不是變成 (1) 二氧化碳，就是儲存在 (2) 固體或液體的化學品或塑膠中。雖然說在第二種狀態之下，碳仍然有機會變成二氧化碳，但本文將著重於討論第一種，即碳直接變成二氧化碳的情形。

 

一、 石化產業中產生的二氧化碳

　　在石化產業製程中，有三種機制會產生二氧化碳。 讓我們來仔細地檢視這些機制，這樣我們就能思考，應該要如何減緩碳的排放？

• (1) 燃料例如汽油，最終會燃燒變成二氧化碳和水。

 

• (2) 許多石化反應需要加熱進料（feed）或是加熱蒸餾塔來進行分離。加熱，基本上就是在加熱器中燃燒燃料氣體，或是使用鍋爐產生的蒸氣，而鍋爐本身也需要消耗燃料氣體或是石油。 許多機器，像是壓縮機，可能也需要蒸氣作為驅動力。舉例來說，在煉油廠，原油進入第一個蒸餾塔（distillation column）之前，原油進料需要被加熱至360°C左右（從25°C左右開始），可以想像每天有多少能源被用於加熱20萬桶的原油（3,180萬公升的原油，也是中油桃園煉油廠的產能）。同樣地，輕油裂解產生乙烯的過程，同樣需要將進料加熱至800°C左右。

 

• (3) 有些製程的的副產品是二氧化碳。例如，煉油廠的流化催化裂化裝置（Fluid Catalytic Cracker，FCC，是生產汽油用的一種主要裝置）會在其反應後產生焦碳（coke，純碳）。焦碳包裹在催化劑粒子周邊，讓催化劑失去活性。為了要重新產生催化劑，需要以燃燒的方式去除焦碳，因此就會產生二氧化碳。煉油廠中的氫氣工廠是另一個產生二氧化碳的來源，氫氣工廠供應煉油廠中許多加氫處理製程所需的氫氣。基本上世界上所有氫氣工廠都使用蒸氣甲烷重整（steam methane reforming, SMR），將甲烷變成氫氣和二氧化碳。

• 舉例來說，在典型的煉油廠，和二氧化碳排放密切相關的能源消耗，粗略可分為：加熱50%、製造蒸氣等用途的設施30%、氫氣工廠16%、FCC佔了4%。

　　在這三種機制中，最難降低二氧化碳排放的是第一個機制，因為在這個機制中，最終二氧化碳排放來源絕大多數來自於汽車、卡車，以及其他運輸工具，這些排放源既小又高度分散，這個問題只能用轉換至再生能源來緩解。其他兩個機制，都集中在處理廠當中，而這兩個機制，也是本系列文章要討論的重點。

 

二、 減少二氧化碳的路徑

　　那麼，在石化產業中，我們要如何減少排放到大氣中的二氧化碳呢？這些方法可以統稱為「SCUR」，分別代表了節能（Save）、捕捉（Capture）、利用（Utilization）、以及再生能源（Renewable）。

　　在本系列文章中會介紹前三個機制的技術層面，並且提供達到減碳目標最實際路徑的評估。有些回顧性質的文章（Saygin & Gielen, 2021）提供了多樣的可能路徑。然而，考量到所需的時間跟成本，這些路徑中有許多並不可行。當我們專注於尋找實際可行的路徑時，需要保有開放的心態。

　　在此系列中，我第一個想討論的是碳捕捉與封存（Carbon Capture and Storage, CCS）。此技術還未在台灣實行，但我相信在追求淨零時，這會是一項很重要的部分。

　　但在討論碳捕捉與儲存之前，我希望先釐清，為什麼節能、再利用和再生能源這三個部分，即便加總在一起，對於淨零目標而言仍然不足夠。

 

節能（Save）：

　　前述提及的產生二氧化碳的途徑中，第二個是燃燒碳氫化合物來產生熱，因此節省能源就跟減少碳排有直接關係。在這系列文章當中的第二篇，我們將會看各種節能的方法要如何達成。在石化廠的營運中，能源的成本經常佔其營運成本的五成以上（除進料的成本之外），因此減少能源的使用，對石化廠本身而言，就有很大的經濟誘因。但問題是，實際上，節能可以做到什麼程度呢？

　　一個著名的例子是埃克森美孚（ExxonMobil）所投注的努力：在2002-2014，在這段超過10年的時間裡，埃克森美孚減少了10%的能源消耗。這是許多管理者持續不懈地關注，和每一個層級勤奮地監測的成果。到今天，這樣的努力還是持續進行。這些數據，來自於我作為埃克森美孚在亞太地區擔任能源顧問的親身經驗。除此之外，在每一個工廠，還會有更多節能的機會嗎？有的，但是，額外的節能方法，通常需要投入更多的成本，因此會更難以合理化。因此，我相信10%的能源減量是合理可達成值。如果說上述前提成立，那麼單單依靠節能，絕對不足以在減碳上有重大成效。

 

再利用（Utilization）：

　　再利用二氧化碳是個非常吸引人的途徑。誰不喜歡將討厭的東西轉變成有用，又可以獲利的商品呢？然而，相比於全世界因使用能源而排放的360億噸的二氧化碳，當前被再利用的二氧化碳，卻還不到其中的0.5%。這0.5%當中大部分又是被用做「提高石油採收法」（Enhanced Oil Recovery, EOR）。^[3]

　　本篇文章，是系列文章當中的第一篇，而在後續的第三篇文章中，我們將會討論到一些二氧化碳的再利用。談到這裡，我們可以說，二氧化碳的再利用，會分散人們對於真正的減碳任務的注意力。就如同IPCC^[4]所總結：「產業界使用捕捉到的二氧化碳（EOR以外）……並不被期待能造成顯著的二氧化碳排放減量」。^[5]

 

再生能源（Renewable）：

　　再生能源是氣候變遷減緩策略的基礎。在全世界，再生能源已經有顯著進展，並且仍在持續發展中。但問題是，單單靠再生能源，是否有辦法削減每年將近360億噸的二氧化碳排放量？而且，足以及時阻止全球溫度上升攝氏兩度呢？當我們停止使用石油跟天然氣，人們是否會願意付出額外的能源跟材料成本？

　　對台灣的石化產業來說，我們可以從這幾個不同的面向來看：

• 是否有可能轉變為，用再生能源而來的電能，供應石化廠加熱過程所需？ 理論上，要從燃氣（fuel gas）轉換到電能是絕對可行的。畢竟，不管用瓦斯爐或是電爐將一壺水加熱，看起來都沒問題。但實際上，再生能源的量有限，因此在工業上，不太會優先考慮這樣的選擇。並且，如果要將廠房設備改成電力加熱的系統，需要很多設備上的更動，這也代表了龐大的資本耗費，以及整備時間的問題。除此之外，因為再生能源具有間歇的性質，因此很有可能，在石化廠中，需要保有燃氣加熱器（fuel gas heaters）作為備援。
  
  巴斯夫（BASF）是嘗試再生能源路線的其中一家企業。在巴斯夫的策略中，^[6]其直接投資風場，並且跟至少兩家大型再生能源供應商簽下長期（25年）的供應合約，以確保再生能源電力供給。我們喜見巴斯夫的決心，但世界上並沒有太多企業擁有這樣的影響力或資源能這樣做。

• 從材料層面來看，石油和天然氣仍然會是主要的原料。那些提倡使用生物材料（biomaterials）作為生產化合物和塑膠的原料的說法，嚴重的忽略了全球對於化合物、塑膠的高度需求，以及要生產出生物材料所需要的土地。舉例來說，每年全球光是聚乙烯（polyethylene）的消耗量，就超過一億噸。而且，生物材料同時也是碳氫化合物，同樣也需要在其生命週期中，處理二氧化碳排放的問題。

• 從競爭力的角度來說，石化產業主要是全球競爭的商品市場。如果某個國家的石化產業成本單方面提高了，將可能導致該國石化產業在全球貿易市場中失去市佔率。

　　因為上述的原因，我相信節能、再利用、以及再生能源各別而言，都不足以有效解決二氧化碳的問題。在整個解方當中，CCS就成為了一個很重要的部分。接下來會介紹CCS的主要組成，包含一些有前景的新興技術。接著，將看台灣能採取什麼重要的步驟。

 

三、 碳捕捉與封存（CCS）

　　CCS，簡而言之，包含三個部分：1. 將二氧化碳從排放源中捕捉並分離出來。2. 將二氧化碳運輸到儲存地點，這是在地底深處的地質構造，可以安全地長期儲存二氧化碳。3. 將二氧化碳注入地底的儲存庫。 這整個流程概況描繪如圖1，^[7]接下來的段落中將逐一介紹。

 

圖1 碳捕捉與儲存流程

圖片來源：ExxonMobil "The global leader in carbon capture and storage (CCS)."

 

A. 碳捕捉（Capture）

　　包含硫化氫（H₂S）和二氧化碳的氣體，通常被稱作酸性氣體（acid gas）。在煉油廠與天然氣製造廠中，早就有將酸性氣體從預期產品中分離出來的技術。

　　主要的分離方式，有胺吸收法（amine absorption）、薄膜分離（membranes）以及低溫冷凝（cryogenics）。現今最主流的方法是胺吸收法。 圖2顯示了一個典型的胺處理設備（amine-treating plant）。包含二氧化碳的氣體（Feed Gas stream 1），從底端進入吸收器（absorber），並且遇到逆向，從上方而來的胺（stream 3）。吸收器基本上會用結構填充物（structured packing）填充，以最大化流體間的接觸。因為二氧化碳是弱酸，而胺是弱鹼，二氧化碳會跟胺結合在一起，並且自底部離開（stream 4）。而耗盡了二氧化碳的氣體，則會從上方離開這個系統（stream 2）。

　　接下來，富含二氧化碳的胺，會在蓄熱器（regenerator）中再生（regenerated）。蓄熱器基本上是一種氣提塔（stripper），利用再沸器（reboiler）將底部的胺加熱。再沸器經常都是以蒸氣加熱。這個製程的關鍵點在於吸收器（absorber）和氣提塔（stripper）的溫度差異。吸收器通常是50°C，然而氣提塔更高溫，通常是110-120°C。關鍵在於，較低溫度時，胺對二氧化碳有較高的親和力。在溫度變化（temperature swing）的過程中，胺會在溫度較低的時候捉住二氧化碳，並且在較高溫度時將二氧化碳釋放。二氧化碳就會在蓄熱器頂端離開這整個系統（stream 8）。

 

圖2 典型的捕捉二氧化碳的醇胺洗滌設備（Amine Scrubbing Plant）

圖片來源：J. Jechura, CBEN409 Petroleum Refining Notes, Colorado School of Mines, 2019.

 

　　有許多種胺可以選擇，例如乙醇胺（Monoethanolamine, MEA）、N-甲基二乙醇胺（Methyldiethanolamine, MDEA）、二乙醇胺（Diethanolamine, DEA）…等等。選擇哪一種胺，取決於操作壓力、氣體組成、對熱的需求等等因素。

　　胺吸收過程通常可以在煙道排氣（flue gas）中，回收約略超過90%的二氧化碳。此即為經濟效益最佳化。技術上來說，這個過程可以捕捉更高比例的二氧化碳，但是成本將會顯著的提高。二氧化碳的純度可達到非常高，超過99% （Herzog, 2018）。

　　碳捕捉在大型、固定的二氧化碳排放源最有效率，因為在此處，碳捕捉可達到顯著的規模經濟。胺吸收的成本，取決於進料氣體（Feed Gas）中二氧化碳的濃度與壓力。除了興建廠房的成本，胺吸收最主要的花費是再生（regenerated）胺的過程，以及將二氧化碳壓縮至適合運送的壓力值（約100 bar）所需的能源。

　　在胺再生製程中，每成功釋放1莫耳（mole）二氧化碳，所需的能量大概需要7萬焦耳（70 KJ）。這個「能源罰款（energy penalty）」就可以佔去一個發電廠能量輸出的20-30%（Herzog, 2018）。

　　如果台灣要實行CCS，我相信，最經濟實惠的方式，將二氧化碳從石化產業及其他不同的排放來源集中在一起，尤其是發電廠、水泥廠、以及鋼鐵業，而這些產業也可共同分享運輸網絡與儲存地點。

　　總地來說，胺吸收是個廣為人知的製程，許多供應商能提供製程的設計，以及各式各樣的胺。在台灣，中油跟台塑絕對有以胺吸收處理酸性氣體的經驗。然而，高昂的能源罰款是個痛處 ，且全球相關的研發都在持續進行，期待能改善這個製程，並且尋找更好的替代方法。

　　我相信目前最具有前景的另外兩種替代方式，是金屬有機骨架（Metal-Organic Frameworks, MOF）以及低溫碳捕捉（Cryogenic Carbon Capture, CCC）。然而，這兩種方法都尚未達到可商業化的階段。

　　MOFs是多孔性的晶體架構，由多價金屬（multivalent metals）與多主題有機配位體（multitopic organic linker）結合而成。MOF可以被設計來吸收二氧化碳，其具有極高的表面積、高度的熱穩定性跟化學穩定度，以及可調選擇性（tunable selectivity）的優勢。如果跟胺吸收法來比較，MOFs脫附作用（desorption）所需的能量只有30KJ/mole，比胺吸收法的一半還少。^[8]然而，MOF仍然缺乏工業規模的生產以及足夠低廉的成本。有一些企業，例如Promethean Particles就正處於嘗試商業化此種材料的最前端。

　　低溫碳捕捉（Cryogenic Carbon Capture™）是一項由永續能源解方公司（Sustainable Energy Solutions, SES）發展的技術。CCC技術可以從任何連續過程中，將二氧化碳與輕質氣體（light gases）分離。CCC將氣體冷卻到二氧化碳的冰點或反昇華點（de-sublimation point，即氣體直接變成固體）的溫度（−100 to −135°C），並且將固體分離並加壓，再加熱所有的氣流（stream），就能夠在環境壓力（ambient pressure）之下，創造出沒有二氧化碳（CO₂-depleted）的氣流，同時也能在150 bar的環境中，產出純度超過99%的加壓液態二氧化碳氣流（pressurized liquid CO₂ stream），而前述兩者皆處於環境溫度下。CCC的運作因為最小化氣流循環，因此在這類的氣體分離上，需要的能量消耗最少。CCC將二氧化碳壓縮成液體，這也是其成本和能耗都降低到胺吸收製程一半的原因之一（Hoeger et al., 2021; Baxter et al., 2021）。

　　CCC的開發商，永續能源解方公司，已透過幾個層次來擴大這項技術的規模，其宣稱每日最多可捕捉1公噸的二氧化碳，被稱為可移動式設備組合系統（skid system）。該系統在許多地點執行了現場測試，包含公用事業規模的發電廠（utility-scale power plants）、水泥廠、加熱廠，以及其他以天然氣、生質能、煤、廢輪胎、民生廢棄物或其組合為燃料的公用事業或工業區。這些現場測試產生了95-99%的二氧化碳捕獲量，其二氧化碳純度（CO₂ purities）為99%以上，初始二氧化碳含量（initial CO₂ contents）為4-28%。永續能源解方公司最近希望將此系統擴大到每天能夠處理10-80噸二氧化碳的商業規模（Hoeger et al., 2021; Baxter et al., 2021）。

　　雖然目前這個技術還沒有正式商業化，但我想CCC有最大的潛力，能成為可行的胺吸收法的替代方式。

　　我們到目前為止討論的方法，都是在燃燒後的碳捕捉（Post-Combustion Capture），也就是，分離二氧化碳的程序，是在燃燒之後才開始，並且主要是將二氧化碳與氮（N₂）分離（以及跟其他雜質分離）。所謂的燃燒前方法（Pre-Combustion method），並不是先將氮分離，而是使用純氧進行然燒，因此這個方法也經常被稱為富氧燃燒（Oxyfuel Combustion）。圖3是個簡化的示意圖。在這個例子當中的煙道排氣（flue gas），包含了二氧化碳和水蒸氣（H₂O），而沒有大量的氮。此時，要將二氧化碳分離出來就相對簡單，因為水蒸氣可以很簡單地就凝結。缺點是，不像燃燒後碳捕捉，在富氧燃燒中，其爐與運作系統需要被調整，因為富氧燃燒將產生更高的溫度。到目前為止，已經有一些前導計畫（pilot-scale project），但尚未發展出商業應用。

　　Net Power，是德州一間很有野心的能源公司，希望提供「零排放的能源（emissions-free power）」。 其使用了富氧燃燒來燃燒天然氣。跟普通的天然氣電廠不同，這間企業研發出一個創新的方法，利用生產出來的二氧化碳推動渦輪，以創造低成本的電力，如同這間公司宣稱，這樣的方法可以達到淨零碳排。這使該企業有自信自稱「超臨界二氧化碳發電廠（supercritical carbon dioxide power plant）」。在這個例子中，二氧化碳不再是廢棄物，而是新的能源。2018年，已經有一個示範廠開始營運。這項技術提供了發電廠採取富氧燃燒並減少碳排的額外誘因。如果要瞭解更多的資訊，以及最新進展，請查看Net Power的網站。^[9]

 

圖3 富氧燃燒二氧化碳捕捉

圖片來源：Global CCS Institute

 

B. 運輸（Transport）

　　二氧化碳能以氣態或液態運輸，然而，如果要興建新的基礎設施，液態二氧化碳運輸管線，將是較佳的選擇，因為跟氣態相比，液態二氧化碳密度較高。而要使二氧化碳維持在液態，壓力就需要維持在二氧化碳臨界壓力73.9 bar以上。

　　在某些地區，船運是一個替代選項，可以將二氧化碳出口到地質條件更適合封存的地區，而且投資的成本也較管線運輸更低。在一定壓力下，二氧化碳能以冷卻的低溫液體的方式運輸。運輸條件將會接近-50°C、7 bar 。如果以一整個工業區規模的預期量來考慮，船運每單位運輸的成本會高於管線運輸。但船運的確提供了更多的彈性。 舉例來說，挪威正在北海建造的一個封存設施，就可以接收來自數個國家、諸多地點的二氧化碳（Herzog, 2018）。如果以油罐車小量地運輸二氧化碳，將會花費更多的成本。

　　管線是最具有經濟效益的運輸方法，如果當地已經具備了既存的，或潛在的管線網絡連結，就會很有優勢。舉例來說，現今美國運作中的二氧化碳運輸管線就有6,500公里。^[10]

　　對台灣來說，二氧化碳的輸送管線，需要政府資助（或至少要有補貼），將主要的二氧化碳排放源連結起來。這些排放源不只包含石化廠，還有發電廠、鋼鐵廠，以及主要的水泥廠。

 

C. 封存（Storage）

　　二氧化碳運輸的終點，就是注入到地質結構當中「永久」封存，此段落會討論達到此目標的關鍵考量。這裡所提到的永久，意味著至少10,000年。畢竟，石油和天然氣已經儲存在地層裡好幾百萬年了。

 

C-1. 地質結構（Geological Formations）

　　封存二氧化碳所需的良好地質結構，需要符合四個準則。第一，必須具有多孔性與可滲透性。 這表示，必須要有空間（孔隙）儲存二氧化碳，而且二氧化碳可以從注入點（可滲透的）在整個構造當中移動。最能夠符合這個準則的岩石有砂岩以及石灰岩（Herzog, 2018）。

　　第二個準則，是在砂岩或石灰岩的岩層之上，必須要有一個不透水的蓋岩層（caprock）。 因為二氧化碳會往上升，一個不透水的蓋岩層能夠將二氧化碳侷限在岩層結構之內。厚的頁岩層，主要由黏土組成，就是一個很好的蓋岩層。此結構同時也需要位於表面是岩石的三維封閉構造（three-dimensional arrangement）中，以將二氧化碳限制在一定的範圍之內。^[11]

　　第三個準則是深度。為了確保二氧化碳維持在稠密、類似液態的階段（a dense liquid-like phase），二氧化碳儲存時，壓力就必須高於其臨界壓力73.9 bar。由於地底800公尺深度的平均靜水壓力（hydrostatic pressure）是80 bar。因此800公尺是目標地質結構的最小深度。目前已知的二氧化碳儲存庫，深度一般都達到2-3公里，壓力值大約是200-300 bar，溫度則是在60-100°C（Herzog, 2018）。

　　第四個準則是儲存的容量。良好的儲存結構，應該要堅固且具廣闊的水平延伸範圍，才有大的儲量。

　　能夠滿足這些條件的最佳地點，是已經被開採完畢的石油儲油層或天然氣儲氣層，以及地底深處的鹽水層（saline formation）。 深鹽水層被鹹水（即鹽水）布滿，深度比飲用水的水層更深。因為鹽水層範圍廣大，因此比儲油層或儲氣層有更大的儲量。圖一就包含了這兩種儲存空間。

　　想要使碳捕捉和封存的計畫成功，最大的不確定性來自於地質結構的選擇，且需要謹慎地研究。讀者可以參考澳洲的經驗，其為一個涉及相關潛在問題的案例。^[12]

　　而身處在台灣的我們，最關心的，應該是台灣周邊是否有適合儲存二氧化碳的地質結構。全球CCS研究所（Global CCS Institute）會定期發布包含全球地質評估的CCS現狀報告（CCS Status Report）。根據適合儲存二氧化碳的程度，該份報告將地質條件分為四類：高度適合（Highly Suitable）、適合（Suitable）、可能（Possible）、完全不可能（Unlikely）。圖4的台灣周邊區域放大圖，出自於最新的2021年報告。^[13]如同圖上所呈現，台灣東部海床被列為適合，而西部海床則被列為有可能。

 

圖4 台灣周邊潛在的地質儲存區位

圖片來源：(Global CCS Institute, 2021:71)

 

　　觀察我們鄰近的國家，中國似乎擁有充足的陸域儲存範圍。日本的北海道和日本海區域，則是最有希望的儲存地點。但很不巧地，這些地方並非日本主要的工業區域，未來如果選擇這些地方來儲存二氧化碳，就需考慮從二氧化碳主要排放來源到封存場域的運輸問題。 韓國則缺乏潛在的儲存地點（圖5）。

　　而印度，是世界上另外一個主要的二氧化碳排放源，也和韓國一樣，在其周邊地域，缺乏潛在適合碳封存的地點。

 

圖5 日本與韓國周邊潛在的地質儲存區位

圖片來源：(Global CCS Institute, 2021:71)

 

C-2. 捕捉機制（Trapping Mechanisms）

 

　　將二氧化碳儲存在地質中，如同生產原油或天然氣的反向操作。在地面上鑽井，不是為了取出原油和天然氣，而是將二氧化碳注回地層。注入時，通常需要加壓二氧化碳至100-150 bar。注入管線當中的壓力一定要比地層結構的壓力高，如此一來，在注入井底部的多孔區間（perforated interval），壓力就能將二氧化碳推入地質結構中，讓二氧化碳取代水並且進入岩石孔隙中。

　　澳洲二氧化碳的研究機構：CRC錄製了一段影片，展示出二氧化碳取代水分的過程，讀者可以在愛丁堡線上課程^[14]當中找到這個資源。圖6是從該段影片當中擷取的一些片段。二氧化碳（藍色）將水推出岩石孔隙，但最終被水泡泡給困在岩石孔隙中。

 

圖6 在砂岩孔隙中，水分被二氧化碳取代

圖片來源：EDX Course "Climate Change: Carbon Capture and Storage." & CO₂CRC- Saline aquifer CO₂ storage and trapping

 

　　一旦二氧化碳進入地質結構中，自然法則就會接手，並且決定二氧化碳的命運。在地質當中，有四個主要的機制會共同困住二氧化碳：結構與地層封存（structured trapping）、利用毛細效應而來的殘餘封存（capillary trapping）、溶解封存（solubility trapping），以及礦化封存（mineral trapping）。

　　結構與地層封存表示二氧化碳被困在不透水的蓋岩層底下。這是在選擇目標地質區域時，必須滿足的基本條件。

　　殘餘封存代表二氧化碳受到毛細效應，被固定在孔隙中，如同圖六的泡泡所示。這是水和二氧化碳競相在沙粒的小孔隙間移動的一個功能。

　　溶解封存是指二氧化碳溶解在岩層的水中，其上限是二氧化碳在水中的溶解度（solubility）。礦化封存是依礦物形成時與溶解的二氧化碳所產生的反應，將二氧化碳封入新的礦物，較常見的是方解石（Calcite）。礦化封存是個非常久的過程，其效果要經過數百年才會顯現出來。

　　這些捕捉機制各自依賴不同的物理現象，因此其影響可以疊加，圖7展現了其典型的貢獻，還有其貢獻隨著時間逐漸演變的情形，此圖也同樣來自於愛丁堡大學的研究。^[15]

 

圖7 二氧化碳捕捉機制

圖片來源：EDX Course "Climate Change: Carbon Capture and Storage."

 

D. 二氧化碳儲存的安全考量與監控（Storage Security and Monitoring）

　　要評估二氧化碳儲存是否安全，是否會產生洩漏，通常我們可以說「如果採用正確的做法，就不會有顯著的洩漏。」 這同時也是IPCC的說法^[16]（Herzog, 2018），這個講法也可印證於既有的CCS或EOR計畫中。

　　然而，CCS計畫的成功關鍵，但同時也是最不確定的地方，在於選擇一個合適的地質儲存空間，這些不確定性，來自於地底的結構只能經由震測資料（seismic data）來間接評估。

　　目前已經有許多監測與減緩方法來避免二氧化碳洩漏，並確保儲存的安全。我不再進一步解說細節，如果讀者對其他資訊有興趣，請參考先前提到的愛丁堡的線上課程內容。^[17]

 

E. 全世界的CCS計畫（CCS Projects Around the World）

　　IPCC評估，在本世紀下半葉，每年大約要從大氣中移除50-100億噸的二氧化碳（Herzog, 2018）。全球CCS研究所2021年的報告中，列出了全世界135個CCS商業計畫。^[18]目前這些CCS設施每年二氧化碳總處理量是3,660萬噸 （請見圖8）。如果加上不同發展階段中的各個新CCS計畫，那麼每年二氧化碳總處理量可以接近1.5億噸。但這個數字仍是遠遠低於IPCC每年50-100億噸的二氧化碳移除目標，故CCS的計劃還需要大幅的增加。

 

圖8 全球CCS設施-營運中與計畫

資料來源：（Global CCS Institute, 2021:14）

 

　　圖9列出了亞太區域最新的CCS計畫。^[19]從圖9可以看到，除了已經在CCS領域相當活躍的澳洲和中國，馬來西亞跟印尼，也已經處於CCS計畫的早期發展階段。

 

圖9 亞太地區新的CCS商轉計畫

資料來源：（Global CCS Institute, 2021:33）

 

四、 CCS在台灣

　　CCS是大規模的投資計劃，就台灣的規模來說，最好狀態是在政府的積極參與之下，協調各方工作。

　　要在台灣推行CCS，必須要先：

1. 鑑別出合適的地質儲存位置。在台灣本島或周邊，並不產油，也不產天然氣，但四周的海域卻可能擁有適合儲存二氧化碳的鹽水層，如同圖4所示。
2. 鑑別出二氧化碳主要的排放源，以便進行捕捉和儲存。發電廠（例如台中火力發電廠）、煉鋼廠（中鋼）、主要的水泥廠，以及石化工業園區（例如高雄、麥寮）都是可能的選項。
3. 規劃潛在的二氧化碳收集與運輸網絡。如同上文提到的，如果需要建造二氧化碳輸送管線，就需要政府的補貼或是直接贊助。美國政府的CCS激勵政策中，就有45Q稅負抵減條款（45Q of the Internal Revenue Code），鼓勵企業參與和投資CCS。2018年通過的45Q稅負抵減條款，提供地質儲存每噸二氧化碳50美元的抵減額度，EOR則是每噸二氧化碳35美元的額度。2022年的降低通膨法（Inflation Reduction Act）將稅負抵減額度分別增加到每噸二氧化碳85美元與60美元。如果是直接從大氣中捕捉二氧化碳，該法案則提供每噸180美元的抵減額度。台灣也可以考慮類似的稅務激勵方法，鼓勵企業參與二氧化碳的捕捉與儲存。

　　以下是發展CCS策略時可以參考的資源：

1. 英國能源與氣候變遷部（Department of Energy and Climate Change）發布了碳捕捉準備狀態（Carbon Capture Readiness）的文件。^[20]
2. 全球CCS研究所提供的資料庫、案例研究，以及諮詢服務。^[21]
3. 蘇格蘭的CCS中心（SCCS.org.uk），現正維護一個全球CCS計畫地圖（global CCS project map）。在其資料庫中，也包含每個計劃的關鍵資訊。^[22]
4. 石油公司在地質、鑽井、使用二氧化碳來執行EOR這幾項工作上，擁有最豐富的經驗。舉例來說，埃克森美孚（ExxonMobil）在世界各地執行CCS計畫^[23]，有些石油公司則可能提供技術授權或是諮詢服務。

 

五、 結論

　　要從全球經濟體制中將石油與天然氣，以及其產生的二氧化碳剔除，在最理想情況下代價仍高昂，而在最糟狀況下，這樣不可能跟得上為了應對氣候變遷而採取行動的時程。對石化產業來說（同時還有發電廠、水泥業、鋼鐵業），在所有的減碳方法中，CCS是個務實的方法。如同本文所呈現的資訊，我希望能增進讀者覺察與瞭解CCS是什麼、能做到什麼。期待在不遠的未來，能看到台灣有CCS策略，以及實施的計畫。

 

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參考文獻

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3. Hoeger, C., Burt, S., & Baxter, L. (2021). "Cryogenic Carbon Capture™ Technoeconomic Analysis." 15th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Abu Dhabi, March 15-18.
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