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資料時間:2017/8/15     提供者 : 蕭國鑫  
 

2017全球CCS重要發展-要滿足巴黎協定氣候目標,在全球仍然大量使用化石能源情況下,CCS將是一項關鍵技術


重點摘述

  • 全球CCS機構(Global CCS Institute, GCCSI)說明,碳捕獲和儲存(CCS)是成熟的技術,並且已經使用了40多年;未來如果要滿足巴黎協定的氣候目標(Paris Agreement climate goals),CCS將是一項關鍵技術。若不使用CCS技術,要實現本世紀末的均溫控制較工業革命前高2oC以內的氣候目標,將會大為增加成本(假設沒有其他技術再被發明)[1]。
  • CCS固有優勢(inherent strengths)是利用尚在生產可調度的電力進行碳捕捉,而不是針對變動性再生能源;同時是目前許多工業生產過程中,可大幅度減少碳排的重要技術選項;並可結合如生質燃料電廠提供了負排放(negative emissions)途徑。未來若要達到巴黎協定的減碳目標,在仍然大量使用化石能源情況下,CCS是目前唯一的氣候減緩(mitigation)技術。
  • 嚴重依賴燃煤發電是全球生態環境最大的挑戰。未來全球的煤炭應用很大比例取決於中國大陸(再生能源發電領導者,也是能源使用CO2排放最多的國家),其中約一半的碳排來自燃煤電廠。2015年中國大陸的燃煤發電裝置容量達900GW,約占全球燃煤發電裝置總量的50%[2];因此,中國大陸極力限制新建燃煤電廠的建設,希望在2020年前只新建約200GW[3]。中國大陸的燃煤電廠是世界上較新的,約有2/3的燃煤電廠為2005年以後興建,且大部分規劃電廠可再營運30~40年。
  • 若要在中國大陸燃煤電廠進行CCS改造,通常是加裝成本決定一切。依據國際能源總署(IEA)說明,CO2儲存成本是主要決定因素,中國大陸約有385GW裝置容量的燃煤電廠,可以在半徑250公里內找到合適的CO2儲存地點。
  • 中國大陸的CCS部署給人的印象,就是專注於大型CCS設施的設立。實際上大陸有相當多被視為大型的CCS設施並不具足夠的大規模(說明1)。直到2014年10月,加拿大Boundary Dam發電廠的CO2碳擷取裝置開始運作之前,中國大陸燃煤電廠仍擁有全球最大的後燃燒CO2捕獲設施(華能上海石洞口(Huaneng Shanghai Shidongkou)第二電廠);2010年捕獲CO2容量約在10~12萬公噸/年之間)。另外,吉林油田為提高原油採收率,過去10年一直進行CO2-EOR的技術研究與示範,十年中已經注入了超過100萬公噸的CO2到吉林油田。鄂爾多斯盆地是一個大型示範規模項目,三年內也注入了約30萬公噸的CO2

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評析

2016年4月到2017年4月,全球重要的CCS發展如下:

  • 2016年,挪威的Sleipner CCS計畫已成功運轉了20年,在北海深處的鹽水含水層中儲存了近1,700萬公噸CO2[4]。另自2016年11月初,全球鋼鐵行業的第一個大型CCS設施,由Al Reyadah在阿布達比酋長國發起;阿布達比碳捕獲公司是由阿布達比國家石油公司(Abu Dhabi National Oil Company, ADNOC)和馬斯達爾(Masdar, Abu Dhabi Future Energy Company)的合資企業。其中的CO2來源是來自穆沙法(Mussafah)地區的阿聯酋鋼鐵工廠,將其收集、壓縮,並輸送到Rumaitha油田,用來提高原油採收率(Enhanced Oil Recovery, EOR),其CO2壓縮設備設計容量為80萬公噸/年。
  • 2017年1月,美國NRG能源公司和JX日本石油、天然氣探勘公司(JX Nippon Oil & Gas Exploration Corporation)的合資企業_Petra Nova Carbon Capture公司,宣布在德州休斯頓附近的Parish電廠8號機開始進行CO2捕獲,每年約140萬公噸的CO2捕獲量,這是目前全球最大的發電廠後燃燒(post-combustion) CO2捕獲設施(2014年秋季開始運轉之加拿大Boundary Dam發電廠後燃燒CO2捕獲容量為100萬公噸/年)(說明2)。而捕獲的CO2主要用於提高休斯頓地區(Houston area)附近油田原油採收率。另外,Kansai Mitsubishi Carbon Dioxide Recovery (KM CDR)煙氣CO2捕獲過程,也在阿拉巴馬州巴里 (Barry)發電廠進行前期測試,每天CO2回收量約500公噸,目前已在Petra Nova Carbon Capture公司大規模應用。
  • 2017年3月,中國大陸延長石油(Yanchang Petroleum)公司的綜合碳捕獲與封存開始建設,這是第一個在大陸和亞洲地區進行的大型CCS建設專案。其CO2捕獲為來自大陸中部兩個獨立的氣化設施工廠(總CO2捕獲量為41萬公噸/年),然後將捕獲的CO2運往延長石油公司的靖邊油田(Jingbian oil field)進行CO2-EOR操作。
  • 日本電力發展有限公司(Electric Power Development Co, J-POWER)和瑪卡電力公司(Chugoku Electric Power Co)合資的Osaki CoolGen公司,在2017年3月宣布,開始在廣島縣Osakikamijima町的大崎電廠,示範測試166MW的氧氣頂吹(oxygen-blown)整合氣化複循環(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)系統,其發電廠輸入的煤炭量每天約1,180公噸。這是一個三階測試程式中的第一階段計畫,十年後預計進行第二階段,包括IGCC電廠的CO2分離和捕獲技術,且日本政府將支援此計畫的費用。
  • Osaki CoolGen公司在2016年亦執行幾項CCS專案計畫,並在日本進行前期研究與示範;包括:

1.     2016年4月,從日本出光興產北海道煉油廠製氫裝置的苫小牧港(Idemitsu Kosan’s Hokkaido refinery at Tomakomai port)開始捕獲CO2,並將之注入到附近海岸之儲存庫。預計2016年至2018年期間,每年約注入10萬公噸的CO 2,重要目的之一也是測試在日本海底進行CO2儲存的可行性[4]。

2.     2016年7月,由東芝公司和瑞穗資訊研究總院(Toshiba Corporation and the Mizuho Information & Research Institute)整合一個財團(共13個實體),宣布使用Sigma Power Ariake有限公司三河(Mikawa)發電廠的煙氣流(gas stream),對每天可以捕獲500公噸CO2的示範規模設施進行建設和評估。同時也進行海上儲存和運輸補充研究(包括穿梭船選擇)。

3.     2016年8月,東芝公司在佐賀縣Saga Prefecture的九州(Kyushu Island)宣布,已完成佐賀市(Saga City)垃圾焚燒發電廠的CO2捕獲設施(每天約10公噸),而捕獲的CO2則用來做藻類培養。

  • 2017年4月初期,日本Osaki CoolGen公司再對外宣稱全球第一個大型生物能源(bio-energy)結合CCS專案的計畫,每年可捕獲和儲存約100萬公噸的CO2。此專案計畫前身已在伊利諾州(Illinois)運轉多年,是由Archer Daniels Midland (ADM)和美國能源部(DOE)經管的化石能源辦公室負責操作;這也是美國第一個將CO2儲存在大型的地質結構中的CCS儲存計畫(說明3);相對於美國其他所有的大型公司,均將CO2捕獲用於提高原油採收率。
  • 2017年4月,在概念(Concept)或先期規劃階段,將兩個具有大型CCS發電廠建議一併納入研究項目中,包括:

1.     2017年4月挪威宣布Gassnova SF(說明4)已授予合約給 Norcem AS(水泥廠)、Yara Norge AS(氨廠)、Klemetsrudanlegget(廢棄物能源回收廠)等,做為各自工廠內進行全面碳捕獲(full-scale carbon capture)的詳細研究。三種工廠進行CCS運轉後,合計CO2注入量約130萬公噸/年。此項CCS的推展具有特別重要的象徵性意義,因為包括從水泥廠和廢棄物能源廠的CO2捕獲,都屬於大型CCS 應用新領域。另外,在距離海上約50公里( 30英里)的Smeaheia地區,也正在檢查組合管線(combined pipeline)和船舶運輸系統(shipping system)的CO2儲存設施;其最終投資決定目標年是2019年,有望在2022年開始運作。

2.     美國路易斯安那州(Louisiana)擬議新查理斯湖甲醇(new Lake Charles Methanol)氣化設施(gasification facility),將來自墨西哥灣沿岸地區煉油廠的石油焦炭轉化為合成氣,再進一步處理生產甲醇(methanol)及其他產品。此CO2捕獲能力推估將超過400萬公噸/年,而捕獲的CO2規劃用於提高原油採收率。2016年12月,美國能源部亦有條件承諾,保證查理斯湖甲醇專案的貸款可以達到20億美元。

  • GCCSI整理了目前不同發展階段共40個大型CCS設施清單。其中17個正在運轉中(CO2捕獲量 3,100萬公噸/年),另有5個建設中的CCS設施,CO2捕獲能力為 900萬公噸/年(1)[5]。另外,2017年預計再推出兩項CCS計畫,一為挪威政府宣布在其2017年的預算中撥出3.6億挪威克朗(約4,500萬美元),以繼續規劃進一步的全面CCS示範設施;二為石油和天然氣氣候倡議(Oil and Gas Climate Initiative, OGCI)也宣布,將在未來十年內為CO2和甲烷(CH4)減排技術和計畫投資10億美元。另根據GCCSI研究,從1970年代早期,安全地注入CO2到地下所累積的總量已超過2億公噸[1]。而為CO2運輸和儲存業務創造條件,也可以協助解決CCS綜合計畫遇到的挑戰,並支持跨越電力和工業應用的CO2捕獲技術投資;這已經跳脫CCS是一種實驗性或未經驗證技術的思維。

圖1、IEA統計2025年以前大規模CCS計畫CO2捕獲量[5]

  • 現有的燃煤電廠若使用CCS設施,可以將其排放率降低100%(通常提出的減排量為85%[2]),其溫室氣體排放量比燃氣電廠低4倍。若與投資新一代電廠相比,現有電廠提供CCS設備,僅需要額外的投資用於CO2捕集、運輸和儲存的控制設備,而不是投資發電廠本身。甚至某些情況下,舊電廠進行CCS改造的同時,也許為工廠多提供數十年的運轉年限。因此,在CCS技術成熟,且也有良好的CO2儲存場所情況下,配合全球的減排或碳稅的實施,全球CCS的推廣將是可期的。
  • CCS減碳的推展,到2025年若CO2無法達到4億公噸/年的儲存量,將難以符合巴黎協定“2℃以下”的氣候目標。目前17個大型CCS計畫中,每年的CO2潛在捕獲量僅為3,100萬公噸。未來的碳捕獲和儲存率將需要增加十倍,以便在2025年達到2DS所需的目標;因此,CCS的推展與應用速度必須加快,且需要加強維護與提升CCS技術,並隨時檢驗實現2DS目標的可及性。但是國際上對於CCS的投資金額太小,且相對於所有能源的投資占比只有約5% (圖2);所以擴大CCS投資是必須的,特別是需要各國政策的支持,以及政府擴大研發規模與鼓勵誘因的支出(圖3)。IEA也說明,成員國可積極評估CCS對氣候戰略的價值,並增加對CCS相關公共研發投入的觀察趨勢。而這也是許多氣候和能源專家、以及領先全球的監管機構,包括IEA強調CCS推展的重點工作之一[4]。

圖2、IEA統計成員國歷年CCS研發金額、占化石燃料與所有能源研發比例[5]

 

圖3、公共與私人大型CCS投資計畫比較[5]

  • 早期的CCS部署需要特定性的財務和政策支持,以實現深度減排。目前國際間仍然缺乏適當的政策支持,以至於減緩了全球CCS的進展,未來對實現長期氣候目標具有重大影響。因此,地質CO2儲存投資是當務之急,各國政府的倡導推行是極為重要的;因為CCS需要有協調機制和完整的CO2儲存評估計畫,藉以證明所有的CO2儲存區域地點是安全的。而發展CO2儲存設施涉及長時期的後續監測工作,這一努力必須即時開始;而各國政府和業界也應確保有適當完整的規劃、以及開發大型CO2運輸和儲存基礎設施[4]。

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參考文獻

1.     Major strides in 2017 for CCS, GCCSI, 2017/5/8. http://www.globalccsinstitute.com/insights/authors/GlobalCCS%20Institute/2017/05/08/major-strides-2017-ccs

2.     The potential for carbon capture and storage in China, 2017/1/17. https://www.iea.org/newsroom/news/2017/january/the-potential-for-carbon-capture-and-storage-in-china.html.

3.     能源发展“十三五”规划(公開發佈稿),國家發展和改革委員會,2016/12/26。http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201701/W020170117335278192779.pdf

4.     Tracking Progress: Carbon capture and storage, IEA, 2017/5/16. http://www.iea.org/etp/tracking2017/carboncaptureandstorage/

5.     Energy Technology Perspectives 2017, Catalysing Energy Technology Transformations, Tracking clean energy progress, IEA, 2017/6.

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附件

[說明1]大型CCS設施被定義為以煤炭為基礎的火力發電廠,包含捕獲、運輸和儲存的CO2量的規模至少達到80萬公噸/年;或其他密集排放工業設施至少CO2排放量達到40萬公噸/年(包括燃氣電廠)。

[說明2]後燃燒捕獲:從燃燒過程的排氣中,藉由通過合適的溶劑將CO2吸收並捕獲,稱為後燃燒捕獲。其次再將吸收的CO2從溶劑中釋放並被壓縮,以便運輸和儲存。

[說明3]伊利諾州盆地Decatur Project (IBDP)專案,是由伊利諾大學、伊利諾州地質調查局(ISGS)領導的中西部地質封存聯盟(MGSC)進行的計畫,MGSC是美國能源部的區域碳封存合作夥伴計畫(Regional Carbon Sequestration Partnership program)之一,旨在評估CO2地質儲存的安全性和有效性,做為解決全球氣候變化的緩解工具。MGSC團隊包括ISGS、斯倫貝謝碳服務公司和伊利諾州迪凱特的阿徹丹尼爾斯米德蘭公司(ADM)。 ADM在伊利諾州的Decatur經營一家農產品加工設備,生產乙醇燃料,約有100萬公噸CO2被捕獲,並注入到深鹽水庫西蒙砂岩山,注入的速度為1,000公噸/天。於2011年11月開始注入,2014年11月竣工。該地點在整個伊利諾州盆地進行廣泛的地質篩選及選擇。西蒙砂岩山(Simon Sandstone Mount)包含1/3具有優良儲層的河床沉積物泥沙岩層、足夠儲存空間、可注入及避免溢出等條件。IBDP採用廣泛的地下和地面監測技術,將注入井、深度監測井、地球物理監測井,以及許多淺層地下水井及地表監測點等進行整合。並結合地質學、水庫工程、地球物理學、聯外與教育、水庫建模、水文學、地球化學、流域分析、地震學、數據管理、化學工程、設施建設和現場操作等多個學科,使IBDP成為可行的項目。

[說明4] Gassnova SF:挪威國家碳捕獲和儲存企業。主要是促進CCS相關技術研究、開發和示範,有助於先期全面推展工廠執行的技術。此外,Gassnova亦向有關當局提供有關CCS事宜的意見。





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