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資料時間:2017/8/22     提供者 : 蕭國鑫  
 

2017能源技術展望_CCS發展,2060年在RTS、2DS與B2DS情境下,推估每年可補獲的CO2分別為1.3、6.8與11.2 Gt


重點摘述

  • 國際能源總署(IEA)在2017能源技術展望(ETP-2017)中說明,本世紀末全球溫度要達到控制上升2°C以內的情景(2°C Scenario, 2DS),以及超越2°C情景(B2DS;能源行業到2060年達到碳中和,到2100年的溫度上升限制在1.75°C以內),碳捕獲與封存(CCS)技術的推展,對於減少能源系統碳排放至為重要。而生質能源發電結合CCS技術(BECCS),具有產生淨負排放(net-negative emissions)潛力,所以到2060年的能源使用中,將成為減少CO2排放與碳中和的重要因子。而未來CO2的運輸和倉儲基礎設施,對於推廣大型CCS使用,也將是重要的影響因素。
  • 在參考技術情境(Reference Technology Scenario, RTS)下,推估到2060年每年可捕獲與儲存的CO2約13億公噸(1.3 GtCO2),其中約60%為來自能源密集型產業及工業製程所產生。由於RTS的CCS部署速度較慢,對於改善全球氣候惡化的雄心偏低,也導因於缺乏激勵CCS投資的相關措施與具體行動[1]。
  • CCS在2DS情境中的部署範圍較為廣泛,到2060年全球的發電部門(捕獲3.2 GtCO2)、燃料處理與轉換(fuel processing and transformation, 捕獲1.8 GtCO2)、以及從工業部門(捕獲1.8 GtCO2),合計共捕獲6.8 GtCO2。由於逐漸增加對改善氣候惡化的決心,未來CCS發揮的功能也越來越大,不但可以有效減少工業製程中難以減輕(hard-to-mitigate)的碳排、降低化石燃料的碳排放;同時對於BECCS應用,具有潛在的淨負排放能力(能源系統邁向超出淨零排放,必須產生負排放,以抵消能源部門的剩餘排放),推估到2060年,2DS情境之BECCS的CO2捕獲量可達2.7 Gt。所以未來CCS在2DS情境下,對於工業、化石燃料與生質能源發電、燃料處理與轉換中的應用將有大幅成長;而CCS技術也會擴大應用於更大範圍的CO2捕獲設施;因此,配合之CO2運輸網絡及儲存場所亦應儘早建立完善體制,以利於CCS的擴大推行。
  • B2DS情境中對於CCS的部署更為廣泛與迅速,並進一步有效地減少工業碳排,且藉由BECCS產生淨負排放(電力部門的淨排放量低於零)。推估2060年從電力部門捕獲4.5 GtCO2、工業製程捕獲4.2 GtCO2,燃料處理與轉換捕獲2.3 GtCO2、合計捕獲CO2量已超過11 Gt,相較於2DS的CO2捕獲多出66% (圖1)。另推估2060年B2DS情境,BECCS的超淨零排放CO2捕獲量亦可達4.9 Gt。

圖1、2060年2DS及B2DS情境推估之CO2捕獲量[1]

  • B2DS情境要廣泛推廣CCS,需要有更高的滲透率來配合;即B2DS為較深層次的減排,CO2可以從更廣泛的點源獲得,所以需要從小規模的CO2捕獲、或是CO2濃度較稀釋的地方推展,故CCS技術需要進一步的創新與研發。而目前要推展B2DS的成本較高,所以開發降低捕獲成本和減少能量損失的新技術,使其適用於更小規模、或是捕獲CO2濃度較低的氣流,將大有助於B2DS的推展。
  • 要消化2DS或B2DS所捕獲大量的CO2,需要有足夠的運輸網絡與儲存資源等相關設施;而公部門即需要發揮主導作用,包括籌建運輸CO2的相關設施與完善的機制,使得捕獲的CO2在CCS過程中的去路沒有障礙;此舉將特別有助於工業生產過程中的CO2捕獲。但如果沒有政府的大力支持,CO2沒有安全的輸送管道與儲存場所,就是有好的CO2捕獲技術與低的成本,仍然難以大量推廣與開發。因此,未來在地方、區域和國家之間,需要有健全的管道,彼此相互連結才能具體發揮效益;特別是碳捕獲、運輸和儲存這三者之間政策的連結,以及在整合CCS過程中不同部分所涉及的商業風險評估與預防;另外,國際合作規劃CO2輸送網絡也可能是未來發展趨勢之一。
  • 未來的碳定價亦是推行CCS的重要關鍵。即依據2DS和B2DS要求的速度和規模,CCS的部署需要針對各個環節均給予足夠的政策支持,同時讓企業界瞭解推展CO2捕獲與不推展的差異,並能給予足夠的誘因,例如貸款、碳排放交易、超額碳價罰則…等,以激發CO2大排放業者的投入CCS運作與推廣。

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評析

  • 依據IEA資訊,目前全球的CO2排放每年約35 Gt;在RTS情境下,推估到2045年全球的碳排呈現微幅增加,2045~2060年間約略持平,每年的碳排約維持在40 GtCO2(圖2,RTS為目前巴黎認可的排放量)。而CCS是將排放量減少到符合2DS目標的關鍵技術[3-5];在2DS情境,推估未來的碳排放將呈現每年遞減趨勢,到2060時CO2排放已經降至10 Gt以下;其中能源效率提升的貢獻度最大(占40%)、其次為再生能源(占35%),而CCS約占全體減排貢獻度的14%。
  • 以部門別及技術領域評估累計整體CO2的減排比例,未來的CCS減排貢獻主要集中在發電部門、工業部門與燃料轉換(transformation)用途(圖3);推估在2DS情境,2060年捕獲與儲存6.8 GtCO2(圖1左圖),而累積2015~2060年共捕獲與儲存了142 GtCO2;其中電力部門在2060年CO2捕獲量達3.2 GtCO2,2015 ~2060年期間累計共捕獲72 GtCO2 (BECCS累積負排放總量37 GtCO2)。

圖2、2060年前全球CO2減排技術領域_RTS至2DS[1]

圖3、2060年前全球依部門別和技術領域累計CO2排放量_RTS至2DS[1]

  • IEA推估,假設未來的CO2輸送及儲存場所無虞,則隨著CCS技術的進步,配合各國政策推行,並持續現有技術的提升及努力,B2DS情境結合能源效率提升(貢獻度34%)、CCS減排(貢獻度32%)及能源燃料轉換(Fuel switching,貢獻度18%)與再生能源持續擴大(貢獻度15%)等,如圖4 (淺灰色為2DS情境貢獻);推估到2030年,B2DS情境捕獲與儲存CO2量比2DS情境多73%,到2060年CCS效用達11.2GtCO2 (圖1右圖,同比2DS情境多66%)。另統計2015~2060年期間,B2DS捕獲並儲存共227GtCO2,累積比2DS多出60%。

圖4、2060年前全球CO2減排技術領域_RTS至2DS至B2DS[1]

  • B2DS情境下,電力行業在2060年碳捕獲與儲存增加到4.5 GtCO2,2015~2060年間累計捕獲與儲存85 GtCO2 (BECCS累積負排放總量72 GtCO2)。所以推估本世紀末地球溫度達到控制在“遠低於2度C”的目標是可期待的[1] (2100年2DS和B2DS情境下,累計能源部門的CO2排放量預算分別為1,180 GtCO2及750 GtCO2,如圖5[1])。

圖5、2014~2100年在2DS和B2DS情境累計能源部門的CO2排放量預算[1]

  • 2016年大型CCS項目的運營計畫擴大到17個,2017年將再增加2個。而目前的CO2捕獲已大規模應用於燃煤電廠、鋼鐵、製氫、化肥和生物乙醇生產,以及天然氣加工和煤氣化設施等產業。另專用CO2儲存項目規模也在不斷擴展,例如澳洲Gorgon液化天然氣廠的供氣(gas feed),目前為全球最大的CCS計畫,預計從2017年開始,每年可注入超過300萬公噸的CO2
  • 2016年進入CCS實際發展計畫的管道仍然太少;在2015年或2016年沒有具體實現最終投資決策(final investment decision, FID)計畫,而概念設計和初期階段的計畫,也從2015年初的33個減少到2017年初的17個[6]。由於CCS計畫往往需要經歷長時間的規劃運作,特別是開發儲存場所的計畫,但是近期進入管道的計畫減少,導致2DS時期的初期CCS計畫減少。因此,在2DS情境中,自2016年以來CCS的中期部署已經下調了目標,例如ETP-2017設定到2030年的CCS目標量比ETP-2016設定的目標下降20%(圖6),推估2017年上線的計畫數量將達到頂峰。另外,2016年2DS的CO2減排在電力行業最為明顯,ETP-2017推估2030年的CO2捕獲量僅為ETP-2016捕獲量的1/3,之後兩者推估的差距逐漸減少,2045年以後,ETP-2017與ETP-2016推估的CO2捕獲量已接近相等。

圖6、ETP 2016和ETP 2017報告中到2050年2DS CCS部署曲線[1]

  • 可變再生能源(variable renewable energy, VRE)提供的電力將越來越多,使得未來的電力供需變得更加複雜。具有較高VRE占比的系統,可能需要從整體電力系統中的其他部分獲得更多的平衡電力,以保持可靠安全的電力供應。而化石燃料發電可以提供此項服務,所以化石燃料發電結合CCS的應用,將可以提供穩定電力及碳排放平衡作用。在2DS情境中,全球化石燃料發電與CCS的裝設比例,推估將從2030年的4%上升到2060年的62%;在B2DS情境,2030年CCS裝設比例仍為4%,但到2060年將大幅提升到93%。隨著時間的推移,化石燃料CCS發電廠將從主要提供基載電力,逐漸移轉到提供更加靈活與更多電力儲備能力的發電廠,且滿載時數會下降,特別是VRE發電占比大量增加以後(圖7)。

圖7、2060年前B2DS情境之CCS電廠發電量、具CCS發電裝置容量與總裝置容量占比[1]

  • B2DS電力排放係數從2014年平均之519 gCO2/kWh,下降至2050年的零排放。依據目前CO2捕獲率約在85%〜95%之間[1],推估CCS燃煤發電的電力排放係數約為100~140 gCO2/kWh、CCS燃氣發電的電力排放係數為45~60 g CO2/kWh; 因此,即使採用CCS,化石燃料發電仍是高排放選項。隨著化石燃料發電量的下降,CCS廣泛應用於生質能源發電,特別是BECCS提供負排放能力,未來可將能源部門推向淨零排放的目標。
  • 現有的燃煤電廠加裝CCS,是保留現有燃煤發電資產價值的一部分,特別是在非經合組織國家(Non-OECD)最具裝設潛力。依據IEA推估,在B2DS情境中,Non-OECD國家現有的燃煤電廠有170 GW具有即時裝置CCS的潛力,如此可避免電廠在規劃運轉年限前提早退休。而在改裝(retrofit)能力方面,中國大陸目前有81% (137 GW)、印度有8%具有加裝CCS的必要性(兩國均為全球CO2重要排放者),以維持現有舊燃煤電廠可以持續運作,並可免除提早除役的窘境。
  • 依據IEA分析,中國大陸現有燃煤電力總共約有310 GW達到適合改造的基本標準[7],評估基準包括可供潛在的儲存場所使用(圖8)。而中國大陸在CCS廣泛改造部署之前,許多小型發電廠很可能會被關閉;燃煤電廠加裝CCS只是希望延長其運轉年限,並可避免現有電廠的提前除役。推估此310 GW燃煤電廠加裝CCS,這些電廠的發電量可增加達7.9兆度的電力,相關電力銷售收入超過5,000億美元[1]。

CEC = China Electricity Council

圖8、中國大陸適合CO2儲存的燃煤發電廠分布圖[7]

  • 目前國際上的CCS部署速度比預期的要慢,且遠低於要達到2DS或B2DS目標設定的速度,這是一些計畫在FID之前已經降溫,甚至許多規劃成熟的計畫,從桌面轉移到實際開發之前也是如此。因為許多CCS計畫面臨著商業上的潛在挑戰,包括缺乏資金收入、合作夥伴風險分配以及融資困難…等;其他障礙尚包含當地社區民眾的接受度,以及尋找、開發和經營地下CO2儲存場所的挑戰。
  • CCS鏈中的三個技術層面,碳捕獲、運輸和儲存已明顯地區分。儘管各界正在努力研發如何在捕獲過程中降低能源需求,以及尋找CO2儲存場所,並進一步監測及了解CO2的儲存後可能溢漏的行為,但是全球CCS的部署速度仍然很慢。特別是2DS和B2DS需要廣泛的CCS輔助,以減少工業製程和持續化石燃料使用的碳排放,並可以導致全球CO2的淨負排放。而較新的化石能源電廠加裝CCS設備,其加裝成本遠比新建化石能源電廠來的低,如此也可以減少較新的化石燃料發電資產減少的損失。由於CCS不是一種能源發電技術,而是一套減少一系列CO2排放的技術。若沒有推展CCS,全球的工業生產和其他難以減輕的碳排放源很有可能阻礙“巴黎協定”目標的達成。

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參考文獻

1.Energy Technology Perspectives 2017, Catalysing Energy Technology Transformations, IEA, may, 2017.

2.Energy Technology Perspectives 2017 summary, IEA, may, 2017. http://www.iea.org/etp/etp2017/summary/

3.“Storing CO2 through enhanced oil recovery: Combining EOR with CO2 storage (EOR+) for profit”, Insights Series, OECD/IEA, Paris, 2015.

4.Energy Technology Perspectives 2016: Towards Sustainable Urban Energy Systems, OECD/IEA, Paris, 2016.

5.Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change, Working Group III Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge and New York, IPCC, 2014.

6.Large Scale CCS Projects (database), GCCSI, Melbourne, accessed 22 March 2017.
http://www.globalccsinstitute.com/projects/large-scale-ccs-projects

7.Ready for CCS Retrofit: The Potential for Equipping China’s Existing Coal Fleet with Carbon Capture and Storage, IEA, 2016.





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