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資料時間:2017/12/13     提供者 : 蕭國鑫  
 

2017年全球CCS狀況_2017年運作中的大型CCS設施有17個,另有4個將於2018年完工使用,合計每年CO2捕獲能力約3,700萬噸


重點摘述

  • 2017年全球運作中的大型CCS設施有17個,另有4個將於2018年完工啟動使用。這21個CCS設施的二氧化碳(CO2)捕獲能力每年約3,700萬噸,相當於每年可減少800萬輛汽車的碳排放;預估到2040年,全球有2,500個CCS設施投入運轉(每個CCS設施CO2捕獲能力預估約150萬噸)[1],推估年捕獲CO2約3.8 Gt,如圖1。而累計到2017年11月為止,全球共有2.2億噸的人為捕獲CO2被注入地下(圖2)。另在巴黎協定2DS(2℃ Scenario)氣候目標下,估計到2060年全球累計減排量的14%為CCS的貢獻(圖3)。

圖1、國際能源總署(IEA)推估2040年全球CO2捕獲量[2]

圖2、1970-2016年全球推展CCS的CO2年捕獲量及累積注入地下總量[1]

圖3、ETP2017 2DS參考情境推估2060年全球各種減排措施累計占比[2]

  • 本世紀末,全球溫度要達到控制上升2℃以內的情景(2℃ Scenario, 2DS),IEA對於CCS的推動方案(Scenarios)如下:
  1. 本世紀末實現2℃的途徑仍具挑戰性,未來CO2排放量需大幅減少。
  2. 目前的氣候政策和承諾,只會減緩CO2排放的成長速度,但遠遠不能滿足2DS所要達到的目標。
  3. CCS是2DS途徑的關鍵技術,依據巴黎協定氣候目標,估計到2060年CO2累計排放量可減少14% (參圖3)。但是依IEA之2017能源技術展望推估結果,到2050年CCS技術捕獲的CO2須超過50億噸/年,相當於美國當前的年CO2排放量,才能達到2DS的目標[2]。
  4. 如果要實現2DS目標,未來幾十年內必須部署數以千計的CCS設施。
  • 未來從2DS到超越2℃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℃以內)的過程中,需要更廣泛地部署CCS。包括:
  1. CCS是實現整個能源系統淨零排放的關鍵,而CCS從2DS轉向B2DS,需要再額外增加減排32% (圖4)。
  2. B2DS情境中,到2060年累積捕獲的CO2量比2DS的累積捕獲的CO2量高出近100 Gt。
  3. B2DS大部分(額外)的貢獻是在工業過程中,藉由增加使用CCS來捕獲更小氣流(streams)的CO2來實現的。
  4. 生質能源發電結合CCS技術(BECCS)組合,是可以消除大氣中CO2排放的技術之一,具有產生淨負排放(net-negative emissions)潛力。而BECCS的組合是實現碳中和不可或缺的;而到2060年,2DS和B2DS情境中的BECCS占CO2捕獲量,推估將分別達40%或更多的捕獲比例。
  5. 如果將氣溫限制在升高1.5℃以內,則近期需要在減緩氣候行動方面取得前所未有的成長與努力。

圖4、ETP2017_B2DS情境相較於2DS之各種減碳措施增加的減碳比例[1]

  • CCS的推展在工業和電力部門的應用同樣重要(到2060年,2DS情境下各約捕獲52%及48%的CO2),如圖5;其中CCS捕獲的140 Gt CO2中,BECCS的“負排放(negative emissions)”約占36 Gt CO2,用於補償能源系統中其他地方的排放。另外非經合組織(Non-OECD)的經濟快速成長,對全球減碳亦有重大的影響,推估到2060年約占CCS技術捕獲CO2總量的73%。

圖5、ETP2017_2DS情境各種減碳措施之減碳占比,Non-OECD、OECD組織推展CCS減碳比例,以及發電、工業部門減碳比例[1]

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評析

  • 全球的CO2-EOR(Enhanced Oil Recovery)應用,目前仍是CCS的主要業務驅動因素;而未來廣泛的地質儲存解決方案,在CCS經營計畫中已是重要推廣因素;包含CO2捕獲技術在各種領域廣泛的應用、新技術及設施的加入,以及CCS成本正在迅速下降中。具體成果包括:
  1. 目前全球超過6,000公里的CO2輸送管道,運作情況及安全紀錄良好。
  2. CO2被安全地注入各種地層,目前仍沒有顯著地洩漏到大氣中的跡象;所以證實利用CCS技術減碳是可行的。而2017年全球共有17個大型CCS設施運轉中,每年捕獲超過3千萬噸CO2;同時有4個大型CCS設施正在建設階段(表1),預計2018年啟動,推估每年可以再捕獲600萬噸的CO2
  3. 另全球大約有15個小型CCS設施正在運轉或在建設中(圖6),單個設施的CO2捕獲能力,推估從每年5萬到40萬噸不等;這些設施合計每年可以捕獲超過200萬噸的CO2

圖6、全球電力和工業部門之運轉中及建設中的大、小型CCS設施位置圖[1]

表1、依區域劃分2017年運轉中及規劃2018年運轉的大規模CCS設施分布[1]

  • 目前的中國大陸、美國及印度等國,每年合計碳排約占全球CO2總排放量的一半。其中美國的碳排放約為5 Gtpa;而過去十年中國大陸的碳排幾乎成長1倍,2016年約達10 Gt;印度的碳排約為2 Gtpa。所以未來大部分的減排貢獻,主要仍需要歸因於Non-OECD國家的努力,例如僅中國大陸就占所需減排總量的30%。
  • 中國大陸的燃煤發電裝置容量已超過900 GW,興建中的燃煤電廠裝置容量約為150 GW[1]。而其燃煤發電機組是世界上最年輕的機組之一,有2/3的燃煤電廠是自2005年以來才興建完成;未來對於這些較新的燃煤電廠加裝CCS設施,將具有重大的脫碳機會。並期望到2060年,中國大陸CCS的減碳貢獻(41 Gt CO2)就可達Non-OECD之CCS減量102 Gt CO2的40.2%,並占全球CCS減量140 Gt CO2的29.3% (圖7)。

圖7、2DS參考情境推估到2060年全球各重要排碳國家及Non-OECD、OECD組織之累積減碳量[1]

  • CCS在工業和電力業方面的推動可同時進行。例如工業化(Industrialisation)活動將繼續推動經濟的成長,並使城市的能源需求大幅增加,而基礎設施要求也將隨之而來;這些建設與生產需要大量的工業產品,如鋼鐵、水泥和石化產品等,相對亦增加CO2的排放量。在2℃途徑中,到2060年累計減排量的48%將來自工業部門,如圖8;其中的化肥(fertilizer)生產和天然氣加工等工業部門,在生產過程中已經將CO2視為產品的一部分而將之分離。

圖8、2DS參考情境推估到2060年全球工業和電力部門累積減碳量[1]

  • 發電業的CO2排放,若僅僅簡單地鼓勵使用再生能源,以及燃料轉換成天然氣和/或採用最佳可用的煤炭技術,仍然無法實現2DS所需的減排目標。因為目前全球約有40%的電力來自燃煤發電,而自2010年以來,全球新增燃煤發電裝置容量產能超過500GW。這些燃煤電廠有可能再運轉30-40年,並且不可能在足以實現長期氣候目標的時限內退休;所以對正在營運中的燃煤電廠加裝CCS捕獲設施,可以為電力部門大為提供脫碳的機會。
  • 近年來國際間加強燃氣發電占比(目前燃氣發電量占全球總發電量20%以上),預計未來會興建更多的燃氣電廠提供發電用。雖然燃氣電廠被認為比燃煤電廠更清潔,但仍遠非低碳能源(聯合循環電廠(combined cycle plant)的碳排約370g CO2/kWh,而超超臨界(ultra-supercritical)燃煤電廠約700g CO2/kWh)[1];所以CCS技術的推廣應用,對於化石能源發電廠的有效減排至為重要。
  • 加裝CCS設施後會導致生產成本的增加,所以通常不容易被業界接受;例如將CCS技術應用到發電業和工業部門,會導致生命週期(lifecycle)降低2%,或均化單位生產成本(levelised unit cost)最高增加到70%。依據能源技術研究所(Energy Technologies Institute, ETI)資料[3],燃煤電廠搭配CCS技術,將使發電效率(LHV)由42.4%下降至32.8%,整體發電效率損失23%;而每千度均化發電成本由56歐元上升至87歐元,增加了55%。另燃氣機組加裝CCS後,整體發電效率降低15%,每千度均化發電成本則增加44%,如表2所示。

表2、燃煤、燃氣機組(搭配CCS)之各項成本[3]

  • 如圖9所示,加裝CCS設施後,成本增加較多的發電業(45-70%)、鋼鐵製造業(30-41%)和水泥業(68%),成本上漲主要反映出沒有加裝CCS設施前,上述行業原來的製程中就不包括CO2分離;所以與固有具CO2分離設施的過程相比,獲取並分離CO2將導致更大的增量成本。另各國的勞動力和燃料成本差異,對於推展CCS增加成本較高的行業,在不同的國家也會有很大的差異;因為CCS的增量成本主要用於CO2壓縮(compression)、運輸(transport)和儲存,此三者隨著各國的環境而有較明顯的不同。
  • 全球減碳共識情境下,CCS技術和其他低碳技術一樣,在某些情況下更具有競爭力;例如部分的工業應用製程上,仍有CCS的減碳成本遠低於預期的成果,特別是目前先進捕獲技術(advanced capture techniques)的推展,以及現有技術正在進行研發的關鍵對象;因為未來這些行業推展CCS降低成本的可能性相對較大。

圖9、電力行業和工業製程中CCS技術增加每噸CO2的成本(美元)[1]

  • 大型CCS專案因規模較大,具有高度技術風險及金融風險(如無法商轉或無法獲利等)等潛在風險[6],相對削弱了計畫籌資能力,且需要較高的資金成本(通常超過10億美元),若無強化石油採收的利用需求,恐會有巨大的財務風險,造成非石油生產國,如日本、南韓、印度等耗能大國目前仍難以快速推展的原因[1]。Samuela Bassi(2015)以加拿大SaskPower CCS專案公佈資訊,進行均化發電成本(LCOE)簡單財務模型分析,當折現率由9.5%增加至14.5%時,均化發電成本隨之由每千度180歐元增加至240歐元,如圖10,大幅增加CCS專案募集資金難度[6]。故現有多個處於評估規劃階段CCS專案,仍需政策的大力支持及持續實質性的協助。

Source: Samuela Bassi (2015), What Will It Take for CCS to Have a Future in the

European Union?

圖10、折現率對大型CCS計畫均化發電成本之影響[4]

  • 目前有大量的研發工作致力於解決CCS的成本問題,尤其是源自於發電中CO2捕獲的“能源損失”。美國能源部(DOE)在2005年的研究計畫中,已將CCS的成本降至100美元/噸以下,目前約為60美元/噸,規劃2020-2025年期間的目標,將會下降至約40美元/噸(圖11)。

圖11、美國能源部研發增加CCS設施營運成本的下降目標[1]

  • 亞洲太平洋地區(Asia and the Pacific, APAC)的CCS推展,以中國大陸最具地下儲存潛力,預估可達1.5兆噸。另在2018年,中國大陸和澳洲將有2個大型的CCS設施投入營運;而APAC周圍國家還有11個大規模CCS計畫,正處於不同發展規劃階段。
  1. 中國大陸: 2017年中國大陸在CCS領域上有重大的進展,主要是延長石油(Yanchang Petroleum)集團3月份宣布的CCUS設施開始建設(規劃每年可捕獲40萬噸 CO2),再將捕獲的CO2運往延長石油公司的靖邊油田(Jingbian oil field)進行CO2-EOR操作,這是第一個在中國大陸和亞洲地區進行投資決策的大規模CCS / CCUS發展計畫。
  2. 日本: CCS為未來新經濟體的能源主力之一;自京都議定書以來,日本實施了一個全面性的CCS計畫,這個計畫已經擴展了數年,目前已取得初步成果。而隨著日本CCS知識的普及,各部門的CCS設施規模也在擴大中。
  3. 韓國:在修改CCS總體規劃的同時,韓國政府支持了一系列的CCS測試和試驗設施,對象包含了發電業和煉鋼行業的各種機構和技術提供商。
  4. 臺灣:臺灣的化石燃料業占工業部門相當比例,所以CCS成為經濟脫碳的重要選項之一。此方面已得到了政府的認可,同時更資助了各種CCS技術發展和支持試點計畫的推展,並評估了CO2封存的理想地點;但仍需要更多的測試來驗證這些地點的儲存能力,才能將其推展於商業規模的應用。

(a)經濟部能源局負責我國的CCS技術開發,環保署和科技部(Ministry of Science and Technology)也支持不同程度的CCS技術發展。

(b)我國CCS技術計畫推展的亮點之一,是在花蓮的台灣水泥公司(Taiwan Cement Company)建設全球最大的鈣迴路工廠(calcium- looping plant)來補獲CO2。此由工業技術研究院(ITRI)開發的技術,現在已經發展到第三代,具有更高的CO2補獲效率和更低的成本。而台灣水泥及中鋼公司(China Steel Corporation)等重點行業利益相關者,在不同程度上也在努力研發,包括氨水(aqueous ammonia)、薄膜(membrane)和微藻(microalgae)在內的碳捕獲和利用技術。

(c)台灣電力(Taiwan Power)公司一直與研究機構及大學合作,開展出各種高效率CO2捕獲技術的研發與測試;並計畫在台中市的台中火力發電廠(Taichung Power Plant),建設燃燒後捕獲的先期測試(post-combustion pilot plant)系統研究(每天具10噸捕獲能力)。而附近約16公里的儲存場所也初步敲定,並計畫建造一個1萬噸級的CO2注入試驗場地;初步評估此地區具有足夠、有效的容量來進行大規模CO2儲存。另外,在儲存之前當地社區的參與與溝通,將成為CO2儲存發展的重要組成因素之一。

(d)我國未來將繼續專注於碳捕獲的改善技術,特別是CO2捕獲處於領先地位的水泥生產部門。同時,將來還需要政策的支持,進一步廣泛的與當地社區取得一致的共識與贊同,以確保整個CCS計畫的成功運作。

參考文獻

 [1]. The Global Status of CCS: 2017, Global CCS Institute, Nov, 2017.

 [2]. Energy Technology Perspectives 2017, International Energy Agency, 2017, OECD/IEA, Paris.

 [3]. Reducing the cost of CCS - Developments in capture plant technology, Energy Technologies Institute, 2016.

 [4]. What Will It Take for CCS to Have a Future in the European Union? Samuela Bassi, 2015, Corner Stone Volume3, Issue4.





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