三分鐘!看懂新能源戰略中的碳捕捉與提純技術

 

刊登日期:2022/6/5
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新興氫能或是亟欲轉型的綠色鋼鐵,在邁向低碳純淨的製程前,都需要碳捕獲技術來降低過渡時期的高碳排量;捕獲的二氧化碳亦須做進一步的濃縮提純,方可作為電子級、食品級或工業級氣源,後用於半導體製程、食品工業或再製為高值化學品。本文精要盤整全球關鍵捕碳技術與成本,輔以實際案例分析:二氧化碳捕獲場域的選擇,實為推動新能源與低碳經濟的關鍵契機。
 
從2022年,俄烏戰爭的第一天開始,不僅歐盟,全球各國均重新審視攸關國安的能源問題。天然氣成了談判桌上的關鍵籌碼,更是讓英、法、日、韓、荷、比、捷等各國將核能重新列入新能源戰略,以確保國家的能源獨立與供電穩定。然而,核能電廠的興建期為6至10年;核能電廠的延後退役,也僅是在化石燃料與不穩定的再生能源間苦苦掙扎。如何有效地在不同能源間(化石燃料電廠、風力太陽能再生能源、氫能、生質能)取得低碳排平衡,才是國安考量的關鍵。
 
美國能源署與國家能源技術實驗室所提出的「關鍵源頭碳捕獲計畫(Point Source Carbon Capture Program; PSC)」,即是針對高碳排的場域進行二氧化碳的捕捉。其中列出的場域包含化石燃料電廠(0.4~0.6 kg CO2/kWh)、製氫廠(9.5~19 kg CO2/kg H2)、水泥廠(18~20%)、鋼鐵廠(1.85 kg CO2/kg Steel)與乙醇煉製廠。
 
PSC與近期在世界各地設置的空氣捕碳(Direct Air Capture; DAC)裝置最大的差異點
1. 來源二氧化碳濃度:
空氣中的二氧化碳僅400~500 ppm,而燃煤電廠或水泥廠的煙道氣中二氧化碳濃度可達5~25%(1% CO2=10,000 ppm CO2)。
2. 捕碳成本:
綜觀Climeworks、Charm Industrial、IHI與三菱重工,其DAC設備在沒有再生能源電力支援的情況下,回收每噸二氧化碳的成本落在500~1,000美元,與國際能源署最新報告中的DAC捕碳成本為每噸二氧化碳需至少340~540美元一致;相較之下,在水泥業與電力業行之有年的PSC,捕碳成本為每噸二氧化碳約為120美元。
 
 
為何來源二氧化碳的濃度,會對捕獲成本造成如此大的影響呢?
以純萃材料對畜牧場沼氣內之甲烷提純示範設備為例:在每分鐘15升的沼氣(二氧化碳濃度30~35%)處理量下,一天可產生超過10,000升的高純度甲烷(>95%),同時單日捕獲約0.5公斤的二氧化碳。若將設備擴大、處理量提升至可供100 kW之沼氣發電機使用,單日的二氧化碳捕集量即可達800公斤,年捕碳量將近300噸。
 
與含有高濃度二氧化碳的場域相比,現行的DAC技術,因空氣中的二氧化碳濃度僅450~500 ppm,即便提升設備規模、增加處理量達每分鐘1,500升,每日也只有10公斤的二氧化碳捕集量。同時,因來源為外界空氣,污染雜質不可控、成份複雜度高,若要將空氣中捕集的二氧化碳濃縮、提純後再利用,往往需要前期完善的環境評估與規劃,才能有效地降低後端的提濃純化成本。
 
不論是PSC或DAC,若要達到碳捕獲成本100美元以下,兩者均勢必要朝低用量、高吸附效率的材料開發技術邁進,且DAC更需透過良好的運轉能耗控制與量產回收裝置,方能有效地降低高昂的捕碳成本。當前端的碳捕集成本下降,後端的濃縮純化、再利用與再轉換為高值化學品,方有足夠的利基,啟動全球低碳經濟的循環。純萃材料的技術團隊在碳捕捉領域深耕將近二十年,不僅涉足空氣中二氧化碳的捕捉、煙道氣中二氧化碳的捕獲與提濃,同時也跨足太空站、太空人維生系統內二氧化碳的吸附移除。更進一步地,純萃材料可協助客戶評估不同碳源場域,並建置適合的碳捕捉設備,且將提濃的二氧化碳氣體進行儲存或高度潔淨提純,以利後續化學品再製或相關產業應用。有任何捕碳需求、回收二氧化碳再提濃純化的客戶,都歡迎與純萃材料洽詢合作。
(廣編企劃)
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