藍天使‧綠蠹魚

我在之前的文章《暖化‧減碳‧碳封存》中大致介紹了要對抗全球氣候變遷，人們要想辦法減碳，而碳捕捉以及碳封存是其中一種重要的手段。

這邊想要更深入的介紹碳捕捉以及封存的方式。

一般人在聽到說要捕捉二氧化碳，直覺可能是要把空氣中的二氧化碳給過濾，然後壓縮儲存下來，其實這是不大準確的。因為即使在大氣中二氧化碳濃度創新高的現今，其濃度還是只有0.04%左右而已(2022年5月科學家測得的數據為421ppm)，因此要直接"捕捉"大氣中的二氧化碳是十分困難且不經濟的。那要如何捕捉二氧化碳呢？一般實務上要捕捉二氧化碳是從煙道氣來下手。燃燒後的排煙管內部的二氧化碳濃度至少能達到10%以上，因此，從這地方下手基本上是較為經濟實惠的。捕捉的方法主要是三個方向─燃燒後捕捉、燃燒前捕捉以及富氧燃燒捕捉。

• 燃燒後捕捉

燃燒後捕捉顧名思義就是在燃燒化石燃料的燃燒室之後再接一段吸收分離裝置，用化學的方法把二氧化碳給吸附住。例如：二氧化碳溶於水中後是一種弱酸性的溶液，因此可以利用鹼性溶液進行捕捉，乙醇胺為實務上吸收法常用的溶液之一。當富含二氧化碳的煙道氣被導入到低溫高壓的乙醇胺溶液中，二氧化碳會轉化成水溶性鹽，從煙道氣中去除，之後再把這含有二氧化碳的溶液送入高溫低壓的再生塔中，即可發生逆反應，解析出高濃度二氧化碳氣體，而再生之後的胺吸收液也可以再循環繼續利用。

這技術優點在於難度不大，直接於煙道後端加設相對應的碳捕捉設備即可；但缺點在於整個碳捕捉的耗能過高(煙道氣二氧化碳濃度仍不算高、熱脫附需額外耗能)，且設施的面積不小。因此，此項技術要改進的話，大致就兩個方向：(1)尋找更佳的吸附溶劑(2)提升作用效率。在再生塔的環境裡，殘留的氧氣會和鹼性的吸附溶劑進行反應，影響整體循環過程，因此必須要再增加一些還原劑與氧作用，以維持循環反應可持續進行；而再生塔的高溫環境是否會造成吸附溶劑的揮發也是要考慮的問題。另一方面，反應的作用速度和接觸面積呈正相關，因此能大量提升反應面積便可有效提升二氧化碳與吸附劑作用效率，這也是可以研究改良的方向。

• 燃燒前捕捉

碳捕捉的另一個方式是燃燒前捕捉，聽名字似乎有點反常理，都還沒燃燒哪來的二氧化碳可以捕捉呢？這項技術其實主要用於氣化爐，在高溫且氧氣量不足的情況下可將化石燃料熱裂解，產生出以一氧化碳、甲烷和氫氣為主的可燃性混合氣體，若把這合成氣作為燃燒或發電使用，這樣燃燒後排放廢氣的二氧化碳濃度就可以高達40~60%，比直接ㄧ般燃燒後的煙道氣低濃度二氧化碳捕獲來得經濟。

這種技術的優點在於捕捉成本跟效率比較佳；但缺點顯而易見的，不是在既有設備末端加新設備就好，因此只適用於新建廠在一開始時便要規劃使用。

• 富氧燃燒

碳捕捉的最後一類—富氧燃燒，這項技術是對空氣做預處理。我們知道，大氣中大約4/5為氮氣，1/5為氧氣，而燃燒需要的是氧氣的參與，而非氮氣。富氧要富到什麼程度呢？大約是含氧量95%的程度。在這種條件下燃燒效率較高，氮氧化物的量也十分稀少，且燃燒後的廢氣二氧化碳比例可高達90%，不大需要再提純便能將二氧化碳壓縮封存或再利用。

但是，富氧燃燒的缺點也非常明顯—在氧氣濃度95%的條件下燃燒，鍋爐的溫度會一下子就升高很多，使得原來的鍋爐無法直接使用。前段工序也還需要新設氧氣提純的設備，幾乎相當於發電廠重建。而且就算是新建了發電廠，那種能承受高溫的鍋爐也很貴。由於費用這麼貴，所以富氧燃燒捕捉發展到今天，規模也遠沒有燃燒後捕捉的方法大。

而到了這裡，二氧化碳也只是暫時捕捉到了，要將二氧化碳移除接下來就是運輸以及再利用或封存技術了。這個封存不是指把捕捉到的二氧化碳放在廠房裡的大罐子中，等著運出去，而是把捕捉到的二氧化碳能穩定的，即使經過上百上千年也能永久封存起來。若將它存在人造的倉庫或者罐子裡，那些東西很少能撐過50年。好不容易收集的二氧化碳，不能讓它們再飛回大氣層中。所以，封存的終極目標是讓它們重新進入最初的形態。

• 地質封存

所謂的地質封存，係將二氧化碳注入地下水層、舊油氣田等深層構造，藉由厚重地層的封閉與吸附予以長期封存。封存二氧化碳地層之適當深度約在800公尺以下，此深度以下地層之壓力會高於二氧化碳臨界壓力，確保封存之二氧化碳處於超臨界狀態下，增加其密度，提高地質層之封存量。由於天然氣也是人們從地層中挖掘出來的，因此地質封存二氧化碳在技術上並無困難。一個良好的儲存氣體的封閉構造，除應具有良好的孔隙率及滲透率的儲存層外，此儲存層的上方必須有緻密不透油、氣、水的岩層，如頁岩、泥岩等，即所謂的蓋岩層，其作為封蓋住封存的氣體，不讓其向上逃逸。因此，基本上適合進行封存的地層大致上會選擇(1)舊油氣層(2)煤層(3)地下鹽水層等。

地質封存也存在一定的風險：封存選址後之估算可能與實際上有所誤差，造成可封存量低於預期；注氣中或蓋層封閉不良以及斷層等因素皆可能造成封存的氣體洩漏。因此在進行地質封存前必須建立完整的地質模型，建立風險剖面以為監測依據，並保守估計與最不利情況打算。

• 生物封存

生物封存係利用植物、藻類等生物進行光合作用自然吸收二氧化碳之封存方式，可視為地表封存的一種。不過當生物體死亡分解後，原本封存的二氧化碳便會釋出，為了避免如此，必要時需再將生物質進行碳化，以生成較為穩定之生物碳型式，以利封存。

• 礦化封存

礦化封存係利用金屬氧化物與二氧化碳產生化學反應，形成固態碳酸鹽及其他副產品。在礦物方面，鹼金族和鹼土族氧化物皆適合進行碳酸礦化反應，當中鈣、鎂金屬因大量存在於地殼中，是最常被選擇用來作為封存二氧化碳之元素。礦化封存方式可分為(1)乾式反應：在特定溫度與壓力之下，使氣態二氧化碳與含金屬氧化物之固態物質接觸，直接進行反應，形成碳酸鹽礦物。(2)濕式反應：使礦物及二氧化碳溶解在溶液中，形成碳酸鹽及其他次生礦物沉澱物，再進行沉澱物分離。

整體而言，二氧化碳礦化封存仍在發展階段，其操作成本、反應速率及礦物開採作業對環境的影響皆是需要考量的問題。

• 海洋封存

海洋封存係將二氧化碳直接灌注於海床上，藉由深海的壓力讓二氧化碳形成團塊或人工湖而封存於海洋中。在操作上必須將二氧化碳注於斜溫層之下，降低所封存二氧化碳再釋放回大氣層的速率，水深須超過3,000公尺，壓力達300大氣壓以上，才可確保注入二氧化碳之密度比海水高而被封存。海洋雖然可能可以儲存大量之二氧化碳，但目前海洋封存尚處於實驗階段，僅有小規模測試等研究，尚無大規模封存實例。此法封存之二氧化碳是否會受洋流、海底地殼變動影響及對於海底生態衝擊皆尚未能完整正確評估。

在追求淨零碳的現今，碳封存可說是必要的發展項目，但其捕獲的成本十分高昂，且選點的過程與封存方式也是需要與當地民眾進行大量的溝通，不是個幾年便可以輕鬆達到的，因此，即使我們有碳封存技術，節能來減少碳排放仍然是必要的。淨零碳，可說是個理想的目標，但走起來絕對是漫漫長路！