能源知識庫

摘要

日本經產省於2019年6月7日發布碳循環(carbon recycling)技術路線圖，其以各技術領域的專家為主，在內閣、文部科學省和環境省的協助下，設定各種碳循環技術的目標、技術課題和開發時程(各階段的方向性)，作為技術發展的里程碑，並透過全球產業界、學術界和政府之間的合作、以加速該領域的創新[1]。(圖1)

圖1、日本碳循環技術路線圖[2]

碳循環技術(carbon recycling technologies)的概念：將二氧化碳(CO₂)視作為碳的來源，進行捕集(capture、分離回收)，並轉換成各種碳化合物再利用的技術。CO₂可透過礦物化、人工光合成、甲烷化等技術，製造成再生材料或燃料，並可減少CO₂排放到空氣中。

階段1，目前至2030年左右：促進有助於碳循環的所有技術開發。重點投入在不需要氫氣、高值化(高附加價值)產品、預計2030年左右開始普及的製造技術。

階段2，2030至2050年的短期目標：早期實現商業化的技術，低成本化。重點投入在需求大的泛用商品的製造技術開發。

1. 建立CO₂易於利用的環境，CO₂分離、回收、利用的低成本化。
2. 建立基本技術的製程，可以透過降低成本來替代現有產品。
3. 導入高值化產品、不需要氫氣供應、可先商業化的技術：化學品(聚碳酸酯polycarbonate等)、液體燃料(生質航空燃油bio-jet fuel等)、混凝土產品(道路水泥護欄等)。

階段3，2050年以後的中長期目標：中長期實現商業化的技術，進一步降低成本，實現與現有產品同等的成本。

1. 利用低成本氫氣的前提下，透過CO₂的大量使用產生更大影響的技術。
2. 擴展到需求量大的泛用商品：化學品(泛用商品：烯烴Olefin、BTX(苯、甲苯、二甲苯)等)、燃料(氣體、液體)、混凝土產品(泛用商品)。

為了加速碳循環技術的創新，對於每種可以利用CO₂作為資源的產品(化學品、燃料、礦物)，說明技術的現狀和課題，並設定2030年和2050年以後的成本目標，如表1所示。

表1、碳循環技術開發的概要[2]

此外，針對以下共通技術(CO₂捕集)、基本物質(合成氣、甲醇等)，以及化學品(含氧化合物、生物質衍生化學品等)、燃料(微藻生質燃料、CO₂衍生燃料、甲烷等)、礦物(碳酸鹽、混凝土產品和混凝土結構物)等製造技術，說明各技術的現狀和課題，並設定2030年和2050年以後的技術、成本等目標。

共通技術：CO₂捕集(分離回收)技術(圖2)

基本物質：

1. 甲烷(CH₄)化學等(在實現低成本氫氣供應之前，使用甲烷替代CO₂)
2. 一氧化碳和氫氣的合成氣(syngas)的製造技術
3. 甲醇等製造技術

化學品：

1. 泛用物質的製造技術(烯烴、BTX等)
2. 含氧化合物的製造技術(含氧化合物：丙烯酸、氨基甲酸乙酯、乙醇、乙二醇、水楊酸、乙酸和乙酸酯、草酸、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯等)
3. 生物質衍生化學品(biomass-derived chemicals)的製造技術

燃料：

1. 液體燃料的製造技術(1)*微藻生質燃料(航空燃油、柴油)
2. 液體燃料的製造技術(2)*CO₂衍生燃料或生質燃料(微藻衍生燃料除外) (甲醇、乙醇、柴油、航空燃油、碳酸二甲酯DMC、甲氧基OME等)
3. 氣體燃料的製造技術(甲烷)

礦物：碳酸鹽、混凝土產品和混凝土結構物等製造技術

圖2、CO₂捕集(分離回收)技術路線圖[2]

碳循環技術路線圖，將透過碳循環產官學國際會議等獲得的國際技術發展狀況和新技術提案，彈性追加技術，每5年進行審查，同時參考「基於巴黎協定作為成長戰略的長期戰略[3]」修訂內容，進行必要的修改。

評析

整體CCUS(碳捕集、利用與封存)技術，包括CCS(碳捕集與封存)技術和CCU(碳捕集與利用)技術，CCU技術又分為CO₂的直接利用和碳循環(轉換成化學品、燃料、礦物等)技術，如圖3所示。

註：

1. BTX(苯、甲苯、二甲苯)
2. BECCS(Bio-energy with carbon capture and storage)生物能源和碳捕集與封存
3. 藍碳(Blue carbon)是指利用世界沿海海洋生態系統捕集碳，主要是紅樹林、鹽沼、海草和潛在的大型藻類等。
4. LCA (Life Cycle Analysis)生命週期分析對於評估碳循環技術相當重要。

圖3、CCUS和碳循環技術[2]

許多碳循環技術在化學反應過程中需要使用氫氣，為避免增加CO₂排放，無CO₂氫氣的製造對許多技術開發都很重要，包括再生能源的水電解、化石資源改質+CCS等氫氣製造技術，並且必須降低氫氣製造的成本。根據「氫能基本戰略」中的「氫氣和燃料電池戰略路線圖」[4]，氫氣成本目標是2030年30日元/Nm³、未來20日元/Nm³。

碳循環目前在技術方面已經出現了多種學術上可能的方法。例如，將一氧化碳和氫氣加工成合成氣體-甲烷氣體，然後製造甲醇和乙醇作為化學品和燃料的技術，以及使用CO₂原料製成碳酸鹽(CaCO₃)作為水泥和骨材組成混凝土的技術。然而，目前這些技術都因成本太高而無法商業化。

日本環境省為降低電力部門的碳排放，於2019年3月28日發布將啟動3項新的具體行動，其中重要行動之一為實現碳循環，加速CCUS的早期社會實裝[5]。

參考資料

[1] 「カーボンリサイクル技術ロードマップ」を策定しました，経済産業省，2019/6/7。

[2] カーボンリサイクル技術ロードマップ，經產省、內閣、文部科學省和環境省，2019/6/7。

[3] 日本內閣核定「基於巴黎協定做為成長戰略的長期戰略」，揭示「脫碳社會」的最終到達點，儘早在本世紀後半實現溫室氣體「實質零排放」的目標，能源知識庫，2019/6/11。

[4] 日本發表「氫氣・燃料電池戰略路線圖」，設定新的基本技術規格和細項成本目標，提出實現該目標的必要措施，能源知識庫，2019/3/12。

[5] 日本環境省為降低電力部門的碳排放，將限制燃煤發電廠設置、擴大地區再生能源利用，以及加速CCUS技術的實用化等3項新行動，能源知識庫，2019/3/28。