二氧化碳捕獲與封存技術現況與展望 - 廖啓雯資深研究員

二氧化碳捕獲與封存技術現況與展望 - 廖啓雯資深研究員

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1. 1 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 二氧化碳捕獲與封存 技術現況與展望 工業技術研究院綠能與環境研究所 廖啓雯 中華民國 109 年 12 月 8 日
2. 2 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 報告大綱 減碳需求及二氧化碳捕獲與封存(碳捕存)預期貢獻 全球碳捕存技術應用整體現況 碳捕獲技術簡介 碳封存技術簡介 再利用技術簡介 碳捕存再利用應用案例 台灣碳捕存再利用現況 碳捕存技術未來展望
3. 3 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 二氧化碳捕獲 電廠或工業 二氧化碳管線運輸 二氧化碳輸送 二氧化碳封存 二氧化碳船運
4. 4 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 減碳需求及二氧化碳 捕獲與封存(碳捕存)預期貢獻
5. 5 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球減碳需求及二氧化碳捕獲與封存預期貢獻 ❑ 碳捕獲與封存技術(Carbon capture and storage, CCS) 對減碳的重要性*： – 依據國際能源署(IEA)推估，若不進行各項減碳措施(BAU)，2060年全球氣溫上升溫度將 達6°C (6°C Scenario, 6DS)。 – 有效可行之減碳措施依序為：節能、再生能源、CCS、燃料轉換、核能等。 – 若2060年氣溫上升控制在2°C (2DS)，CCS減碳量約占總減碳量15.9% (49億噸)。 – 若2060年氣溫上升控制在1.75°C (Beyond 2°C Scenario, B2DS)，CCS減碳91億噸，佔總減碳量 22.9%。 ❑ 我國能源及減碳政策： – 2025年能源結構20% (再生能源) - 27% (燃煤) - 50% (天然氣)，化石能源占約80%，減碳為政 策、產業、國家及產業競爭力之重要工作。 – 新能源政策(105/5/25)：策略三：積極多元創能，促進潔淨能源發展；以低碳、高效率、低 污染發電，布局新興能源發展為方向 – 能源發展綱領(106/4)： • 供給面多元自主低碳 • 環境永續 – 政府(階段性)減碳目標：(台灣排碳量約2.5億噸/年) • NDC目標：2030年溫室氣體排放量為BAU(4.28億噸) 減量50% (即減少214百萬公噸CO2,eq )。 • 溫管法目標： 2050年降至2005年排碳量(2.69億噸) 之50%以下(1.34億噸)。 *: International Energy Agency, Energy Technology Perspectives 2017
6. 6 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球減碳需求及二氧化碳捕獲與封存預期貢獻 GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020 2050年封存量5,266 Mtpa、利用量369 Mtpa IPCC 全球升溫1.5度C特別報告P3情境 透過改變能源與產品生產方式、減少需求 煤炭 工業碳排 及餘能 農林及其他 土地利用 BECCS 淨排放 天然氣 生質物 工業製程 油 直接空氣捕獲 電業及工 業CCS IPCC 全球升溫1.5度C特別報告 2050年達成Net-Zero之重要性
7. 7 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球減碳需求及二氧化碳捕獲與封存預期貢獻 GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020 深度減碳 - 水泥、鋼鐵、石化產業高溫製程排碳 若不使用CCS減碳 – 成本會提高 氫能 – 工業部門減碳 / 彈性發電 燃煤/燃氣CCS是低碳氫能選項之一 低碳可調度電力 – CCS可提供低碳、可調度電力，可提供 電網電壓和頻率控制，穩定電網 負碳電力 – BECCS 與 DACCS 等負碳技術可抵銷 無法減碳之部門排碳量
8. 8 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球減碳需求及二氧化碳捕獲與封存預期貢獻 https://web.wtocenter.org.tw/Page.aspx?pid=200274&nid=14248 歐洲綠色新政（European Green Deal）目標： • 歐盟於2050年達到碳中和 • 2030年前碳排放量減少50～55％（與1990年水準相比） • 每年需要2600億歐元投資，大約是2018年GDP的1.5% 邊境調整碳稅 border carbon adjustment mechanism • 歐盟廠商在境內生產需要支付較高的環境保護與溫室氣體減量費用（如： 碳排放權交易、碳稅…） • 故對由歐盟出口至未執行碳減量國家之商品進行「出口退稅」，以提昇 歐盟產品在國外競爭力 • 若由未執行碳排放減量國家進口商品至歐盟境內，則必須支付一筆邊境 調整稅，使其不至於衝擊歐盟所生產之商品競爭力(避免碳洩漏)
9. 9 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球減碳需求及二氧化碳捕獲與封存預期貢獻 GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020 2015年 巴黎協議 2度C升溫 1.5度C升溫 政府減碳政策 企業減碳責任 2050年淨零排 放國家日增 • CCS技術於2018年起逐漸升溫 • 環境、社會、公司治理基金 • 綠色債券
10. 10 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球碳捕存技術應用整體現況
11. 11 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球CCS計畫現況 ❑ 預估到2040年，全球需要超過2,000個大型CCS計畫 ❑ 全球大型CCS計畫發展現況 ➢ 2019年全球大型CCS計畫共有19個，有4個興建中計畫，每年可捕獲4千萬噸 CO2 ，相當於每年減少860萬輛汽車碳排放。 ➢ 代表性計畫： ✓ 美國休士頓Petra Nova計畫：目前最大型燃煤電廠捕獲CO2 計畫，每年約可捕獲140萬 噸CO2 ，捕獲之CO2 送至鄰近油田進行強化採油(EOR)。 ✓ 加拿大Quest (Boundary Dam)計畫：自 2015年起已捕獲超過3百萬噸CO2 ，用於強 化採油(EOR)。 ✓ 美國伊利諾州生質乙醇生產：自2017年四 月運轉年捕獲量1百萬噸CO2 ，用於地質封 存。 ✓ 日本CCS株式會社在北海道苫小牧 (Tomakomai) CCS示範計畫：由煉油廠將 CO2 分離，注入深層地下鹽水層，自2016年 起累計封存超過30萬噸CO2 。 ✓ 中國大陸延長石油集團：2017年宣布設立 CCUS設施，規畫每年捕獲40萬噸 CO2 ，運 往靖邊油田進行油氣增量生產(亞洲首個大 規模CCS/CCUS計畫)。 (Global CCS Institute, 2019. The Global Status of CCS: 2019. Australia)
12. 12 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球CCS技術佈署現況 - 大規模計畫 每年捕捉與儲存 4 千萬噸二氧化碳 澳洲Gorgon計畫啟動 每年封存400萬噸 挪威Sleipner計畫 已注儲2200萬噸 https://co2re.co/FacilityData 巴西Petrabras 強化採油460萬噸/年 美國Shute Creek計畫 累計捕捉1億噸 加拿大Boundary Dam計畫 累計捕捉400萬噸 加拿大Quest計畫 累計捕捉500萬噸
13. 13 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球CCS技術佈署現況 - 發電業CCS 加拿大 Boundary Dam 美國 Petra Nova 全球電業每年捕獲 240萬噸 美國 Petra Nova 計畫(暫停中) 2017 年起每年捕獲 140萬噸 加拿大Boundary Dam 計畫2014年底啟動，每年 捕獲 100萬噸 2018年OGCI啟動英國 燃氣電廠CCS前端工程設計 亞洲有6個電廠先期評估計 畫(中國大陸4個、韓國2個) 歐洲3個電廠先期評估計 畫(英國、愛爾蘭、荷蘭) 電廠裝設CCS的關鍵在於 降低能源損耗(捕捉成本) 德州 NET Power 結合天然氣富氧燃燒 及超臨界二氧化碳循環 可高效率產生零碳電力 2019年英國Drax電廠啟動 全生物質搭配碳捕捉 (負碳BECCS)先導試驗 2018年美國啟動45Q稅額減免， IEA預測未來六年可吸引10億美 金投資，減量相當於３千萬噸 https://www.iea.org/tcep/power/ccus IEA認為燃氣電廠亦有 裝設碳捕捉設施需求 2030年永續發展情境(SDS) 發電業CCS捕捉目標3.5億噸
14. 14 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球CCS技術佈署現況 – CCS HUB GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020 全球CCS Hub網路逐漸成型
15. 15 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球CCS技術佈署現況 – CCS HUB GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020 挪威北極光(Northern Light)網路
16. 16 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020 亞太國家發展近況 印尼、新加坡、 馬來西亞、泰國、 越南、汶萊 政府合作 企業合作 CCS納入長程氣 候變遷承諾： • 新加坡 • 馬來西亞 • 中國大陸 • 澳洲
17. 17 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 跨域二氧化碳運輸封存機會 紅色方塊為可能封存地區 中日韓離岸封存 東南亞離岸封存 (Global CCS Institute, 2019. The Global Status of CCS: 2019. Australia)
18. 18 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球CCS計畫現況 GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020 • 2020年新增17個商業型CCS計畫，其中12個位於美國 • 2020年目前有65個商業型計畫 運轉中：26、暫停：2個、興建中：3、設計：13、發展：21 • 每年捕存4千萬噸 • 34個先導與示範計畫
19. 19 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球二氧化碳封存潛能估算-油氣構造 單位：百萬噸 GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020
20. 20 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 全球二氧化碳封存潛能估算 單位：十億噸 GCCSI (2020) Global Status of CCS 2020 美國：2580億噸 中國：1050億噸 澳洲：170億噸 英國：560億噸 加拿大：436億噸
21. 21 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 碳捕獲技術簡介
22. 22 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 化學吸收法 電廠 吸收劑 吸收劑+CO 2 低CO 2 濃度煙氣 煙氣 燃燒後捕獲 Post-combustion 封存(Storage) 或 再利用(Utilization) 再生 燃燒後捕獲技術 (適用於既有電廠加裝) 修改自 https://www.drax.com/press_release/drax-to-pilot-europes-first-carbon-capture-storage-project-beccs/ 燃煤：10至15% 燃氣：5至10%
23. 23 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 鈣迴路法 燃燒後捕獲技術 (適用於既有電廠加裝) (Vorrias et al., 2013, http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2012.12.087) 燃料 (煤炭) 煙氣 燃煤發電機組 潔淨煙氣 碳酸化爐 煅燒爐 封存(Storage) 或 再利用(Utilization) 氮氣 空氣 燃料 碳酸鈣 氧氣 熱回收發電 失活碳酸鈣 加值化利用 燃煤：10至15% 燃氣：5至10%
24. 24 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 富氧燃燒法 燃料(煤炭) 底灰 空氣 封存(Storage) 或 再利用(Utilization) 富氧燃燒技術 迴流煙氣 鍋爐 氮氣 氧氣 飛灰 集塵 水 硫 FGD 冷凝 水 二氧化碳 分離及壓縮 低CO 2 濃度煙氣 空氣分離機 修改自 https://www.nrcan.gc.ca/our-natural-resources/energy-sources-distribution/clean-fossil-fuels/coal- co2-capture-storage/carbon-capture-storage/near-zero-emissions-oxy-fuel-combustion/4307
25. 25 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 IGCC 氣化複循環發電 氣化複循環發電 燃料(煤炭) 氣化爐 分離過濾 氫氣 IGFC 燃料電池 封存或再利用 二氧化碳 蒸汽渦輪發電機組 熱回收鍋爐 氣渦輪發電機組
26. 26 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 生質能搭配CCS Fridahl (2018) Bioenergy with carbon capture and storage 生質物(吸收大氣CO 2 ) 電廠捕獲CO 2 (化學吸收、鈣迴路等) 碳封存 生質物 混燒或全燒 電廠搭配生質能 效益：綠電(碳中和)、減煤、減污 • 既有電廠混燒(5%~10%) • 改裝全生質物電廠(100%) 生質能電廠搭配CCS 效益：綠電(負碳排)、減煤、減污
27. 27 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 生質能搭配CCS https://vimeo.com/270331725
28. 28 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 電廠CCS技術 – 加裝CCS減污效益 ❑ 減少90%CO 2 排放，將煤炭或天然氣轉換為低碳能源（搭配生質物為負碳） ❑ 既有電廠加裝CCS可減少空氣污染物，有利於改善空氣品質 減少27-41％的SOx、16-20％的NOx和35％粒狀污染物的排放(1) ❑ CCS減碳技術可與再生能源相輔相成，是綠能減碳技術推動的兩大支柱(2) ➢ 技術初期USD74/t CO 2 ，每度發電成本增加NTD 1.47 ➢ 成熟後預期降至USD45-55/t CO 2 ，每度發電成本增加<NTD0.99 ❑ IPCC 指出，要將2100年大氣CO 2 濃度控制於450ppm水準，排除CCS將增加 整體CO 2 減量成本的138%(太陽能與風能6%、生質能64%、核能7%） 燃煤電廠/工業製程 空氣污染 防制設備 燃燒後 CO 2 捕獲 CO 2 強化採油(氣) 微藻固碳 再利用生產燃料 或化學品 地質封存 2050年碳捕存需求量可達280億噸 2050年再利用潛力最高約71億噸 資料來源： 1.台灣碳捕存技術具改善空污潛力,中時電子報, 2017年12月12日 2. Lawrence Irlam .,” Global costs of carbon capture and storage – 2017 Update”, GCCSI, 2017 CO 2 捕獲佔CCS成本的70%
29. 29 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 燃煤電廠捕捉成本下降趨勢 第一代電廠捕捉CCS成本 > 100美金/噸 第二代電廠捕捉CCS成本 33~43 美金/噸 國際能源總署預測全球CCS規模達4.5億噸，捕碳儲碳成本可降至40美金/噸 https://www.unido.org/sites/default/files/2011-09/CCS_Industry_Roadmap_WEB_1.pdf (Global CCS Institute, 2019. The Global Status of CCS: 2019. Australia)
30. 30 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 碳封存技術簡介
31. 31 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 碳封存技術簡介  將CO2 注入地下深處 安全岩層，為目前大 量儲存CO2 最為可行 的方式  以油氣構造及深層地 下鹽水層為主要發展 方向 ◆ 陸域油氣構造28億噸 ◆ 濱海及海域鹽水層潛能達 百億噸以上，可供使用達 百年以上 開發地質封存技術， 確保注儲安全 ◆場址構造與封存潛能評估 ◆注儲安全監測、風險評估
32. 32 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 碳封存場址條件 深層地下鹽水層 難開採煤層 強化採油(氣) 用過油氣田 (彰濱) (永和山) 蓋岩 儲集 層 緻密 不透水 具孔隙 透水 (參考資料：澳洲CO2CRC; 歐洲CO2GEONET)
33. 33 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 碳封存機制 溶解封存機制 緻密 不透水 具孔隙 透水 蓋岩 儲集 層 構造封存機制 蓋岩 儲集 層 殘餘封存機制 二氧化碳 被困住 礦化封存機制 孔隙 岩層 礦物 緻密 不透水 溶解後密度高 向下遷移 岩水氣反應 形成礦物 毛細壓力 困住氣泡 CCS Browser https://www.youtube.com/channel/UCRCWKLZSMejl3d0gsm-xUGQ
34. 34 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 1. 先壓縮二氧化碳以 方便運輸，地底空 間可儲存比想像中 更多的二氧化碳 2.使用管線、卡車或船舶將二 氧化碳運到預定注入的地點 3.灌注到深度800公尺以下之 合適地層 資料來源：澳洲溫室氣體科技合作研究中心 (CO2CRC)；環保署，推動碳捕集及封存技術資訊網 如何把二氧化碳運到適合的地方儲存?
35. 35 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS技術成熟可行(油氣增量生產) 加拿大Weyburn CO2–EOR (Enhanced Oil Recovery) Source: Bachu S (2008) CO2 storage in geological media: role, means, status and barriers to deployment. Progress in Energy and Combustion Science, 34, 254–73. ◼ 全球二氧化碳油氣增量生產技術已操作30餘年，主要在美國與加拿大境內 ➢ 單單美國西德州境內的CO2-EOR，每年CO 2 的使用量即高達約30百萬噸(Bachu, 2008) ◼ 美加合作案例(Weyburn CO 2 –EOR)： ➢ 將美國北達科塔州煤碳氣化廠產生的CO 2 ，透過325公里管線輸送至加拿大Weyburn油田 並注入地層中以增產石油；自1999年開始，每日注入量約3000~5000噸 CO 2
36. 36 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS技術成熟可行(天然氣生產) Sleipner Project 天然氣生產層 CO 2 地質封存層 Source: USGS Fact Sheet FS–026–03, March 2003 Source: Torp, T.A., 2004, CO2 Capture, Transport & Storage Cost and Feasibility of CO2 Storage -an Overview, Presentation in the 2nd Trondheim Conference 25 Oct 2004, Statoil Research Centre, Trondheim ◼ Sleipner為挪威外海的天然氣田，其天 然氣約含9%的CO 2 ，高於2.5%的可銷售 標準 ◼ 自1996年起，每年約有1百萬公噸CO 2 由天然氣中被分離出來，直接封存於當 地深約1000公尺的地層中 帶有CO 2 的天然氣 去除CO 2 的天然氣 CO 2 吸收塔 吸收劑再生塔 分離出來的CO 2
37. 37 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CO2 地質封存的安全性 • 目前全世界先進國家均已進行CO2 地質封存(主要為油氣 增量生產)，至今尚未有聽聞因CO2 洩漏而導致人類生命 損失的案例 –油氣增量生產是將CO2 注入枯竭的油氣田，用以提昇壽命接近 尾聲的油氣田產量之作業，尤美國及加拿大境內為大宗，已累 積約三十幾年之操作經驗 • 美國西德州EOR每年CO2 的使用量約為30百萬噸(Bachu, 2008) –目前全世界最具規模的CO2 地質封存設施分別位於挪威的 Sleipner、加拿大的Weyburn • 每年共約封存3百萬噸的CO2 ，約為500MW燃煤電廠的CO2 年排放量 Source: IPCC, 2005, IPCC Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage, IPCC Working Group III on Mitigation of Climate Change, The Intergoverntal Panel on Climate Change (IPCC), 10 October, 2005. Source: Bachu S (2008) CO2 storage in geological media: role, means, status and barriers to deployment. Progress in Energy and Combustion Science, 34, 254–73.
38. 38 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 http://www.nepii.tw/KM/CCS/index.html
39. 39 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 http://www.nepii.tw/KM/CCS/index.html
40. 40 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台灣地質封存潛能 2012年APEC評估(12台西、13台南盆地) 台灣西部具有8公里厚沈積岩層可供封存 (台灣二氧化碳地質封存地圖集, 2014)
41. 41 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台灣地質封存潛能 台灣陸域油氣構造(28億噸) 台灣陸域深地下鹽水層潛在分布(459億噸) (台灣二氧化碳地質封存地圖集, 2014)
42. 42 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 鐵砧山地下儲氣窖 民國79年，中油公司將鐵砧山氣田轉為地 下儲氣窖，進行進口液化天然氣尖離峰調控 • 當離峰用氣量較少時，利用注產氣井將 多餘的天然氣注入到地下地層（地下儲 氣窖）內 • 尖峰時段市場需要用更多的氣時，將天 然氣經由注產氣井生產出來，經過地表 處理而輸送到用氣戶。 • 鐵砧山氣田為良好地質儲氣之工程典範 因為對地下地質有良好的調查及瞭解。 • 在儲氣層上方，有一封阻性非常良好的 蓋岩層，可以阻絕地下儲存的氣體不致 向上洩漏。 • 儲氣層本身也具有良好的孔隙率及滲透 率，可儲存大量的氣體，並在需要產氣 時可有效的利用注產氣井進行生產 • 此外，完善的環境監測系統則長期監測 地下儲氣窖之近地表環境，確保沒有儲 存氣體之洩漏。
43. 43 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 蘇澳冷泉 • 台灣民眾與來自地層的天然CO2 ，已經共存很久、相安無事，且 能妥善利用此項資源 –蘇澳冷泉的形成原因是蘇澳當地第三紀岩層中，長期累積來自地底的大量 CO2 氣體，逐漸溶入地下水中(即冷泉)或逸出地表而聞名 –蘇澳有名的「彈珠汽水」，即是以富含二氧化碳的冷泉所製作 資料來源：地調所台灣溫泉地質網及蘇澳鎮公所網站
44. 44 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 碳酸化 萃取 碳酸化 礦物 二氧化碳 二氧化碳 金屬 離子 金屬碳酸鹽 礦物 金屬碳酸鹽 萃取劑 直接碳酸化法 間接碳酸化法 乾式碳酸化法 ➢ 氣相CO 2 與固相礦物直接接觸反應 ➢ 常溫常壓下反應速率慢 ➢ 需要經過前處理(預熱、磨碎) ➢ 溫度170-410度及加壓 濕式碳酸化法 ➢ CO 2 溶解於水中形成碳酸氫根與氫離子 ➢ 氫離子取代矽酸鹽中的金屬離子 ➢ 金屬離子與碳酸氫根反應之後形成碳酸 鹽沈澱 礦化封存技術
45. 45 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 礦化封存技術 https://www.earthmagazine.org/article/burying-sky-turning-carbon-dioxide-rock 冰島結合地熱與礦化封存 • CO 2 礦化 ✓ 直接注入Mg-Ca矽酸鹽礦玄武岩 ✓ 與工業製程產生的鹵水反應礦化 •冰島 CarbFix: CO 2 溶解在地熱水再回注岩層 (Hellisheidi 地熱電廠 )
46. 46 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 資料來源： 澳洲溫室氣體科 技合作研究中心 (CO2CRC)；歐 洲二氧化碳地質 封存網絡組織 46
47. 47 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 再利用技術簡介
48. 48 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 常見CCU技術及其應用潛力 [註]深藍：>25%的開發商接近商業化，成熟的市場，技術開發商數量> 50 青藍：<25%的開發商接近商業化，屬於開發中的市場，技術開發商數10~50 淺藍：無開發商接近商業化，市場不清楚，技術開發商數量<10 ❑ 再利用技術： • 強化採油(氣)：二氧化碳注入油(氣)田，利用排掃/增 壓效應增產油(氣) • 觸媒轉化技術：將二氧化碳轉化成化學品中間產物、 燃料及聚合物 • 礦化技術：將二氧化碳轉化為建材或其他加值產物 • 電化學技術：以電化學技術進行二氧化碳再利用 • 微藻養殖：利用二氧化碳養殖藻類 • 其他：如光觸媒催化、光化學合成及生物轉化技術 Source: Global Roadmap for Implementing CO 2 Utilization, CO 2 Sciences and the Global CO 2 Initiative, Innovation for Cool Earth Forum (ICEF), November, 2016. ❑ 技術發展程度 • 建築材料與聚合物較為成熟 ❑ 產品發展者： • 投入化學中間產物之開發者最 多，佔約39.3% • 燃料產品次之，約佔15.7%
49. 49 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 常見CCU技術及其應用潛力 全球二氧化碳再利用主要用於強化採油(Enhanced Oil Recovery, EOR) • 全球迄今累計封存約2.6億噸二氧化碳，其中大多數為EOR所封存(1972年開始) • 國內曾評估利用永和山進行強化採氣(Enhanced Gas Recovery, EGR)，潛能約3百萬噸 注入CO 2 石油增產 CO 2 排掃 CO 2 回注 封存CO 2
50. 50 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CO2 利用全球市場潛力 Source: Global Roadmap for Implementing CO 2 Utilization, CO 2 Sciences and the Global CO 2 Initiative, Innovation for Cool Earth Forum (ICEF), November, 2016. CO 2 利用主要市場潛力 ❑ 國外機構預估至2030年每年全球約有70億噸CO 2 利用之潛力，四個主要市場： • 建築材料(如混 凝土, 碳酸化基 石(Carbonate aggregates)) • 化學中間產物 (如甲醇, 合成氣, 甲酸, 羥基丁二 酸) • 燃料(如液態燃 料, 甲烷, 乙醇 及甲醇) • 聚合物(如多元 醇, 聚碳酸酯)等 四個主要市場 最具潛力 CO 2 利用減量貢獻
51. 51 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 碳捕存再利用應用案例
52. 52 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 加拿大 Boundary Dam 燃煤電廠首座大規模碳捕集封存示範廠 2014年底啟動，每年最多可捕捉1百萬噸 2019年累計捕捉超過3百萬噸(化學吸收法) 二氧化碳用於強化採油(EOR)
53. 53 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 美國 Petra Nova 燃煤電廠最大規模碳捕集封存示範廠 2017年啟動 每年可捕捉140萬噸(化學吸收法) 捕集二氧化碳用於強化採油(EOR)
54. 54 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 美國 Dry Fork 計畫 再利用技術測試 • 燃料 • 化學品 • 生質複合泡沫塑膠 • 碳基建材 • 其他加值應用 懷俄明州整合測試中心(ITC) 碳捕獲封存與再利用技術測試(相當於20MW煙氣) 未來年捕獲量預計為3百萬噸，將用於強化採油 國際合作平台 日本KHI固體吸附劑捕獲CO 2 驗證
55. 55 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 美國 NetPOWER 計畫 裝置容量50MW 整合富氧燃燒與超臨界CO 2 循環 預計成為零碳排天然氣發電廠 空氣 空氣分離機 氧氣 燃料(天然氣) CO 2 氣渦輪 發電機組 燃燒器 熱交換器 迴流CO 2 分離器 高壓CO 2 封存、強化採油 Allam Cycle 超臨界CO 2 循環
56. 56 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 英國Drax計畫 供應英國約6％電力 1~4號機組全燒生質物裝置容量2.6 GW 全球首例生質物碳捕捉每天1噸(化學吸收) 將CO 2 轉為魚飼料 生質能發電廠捕獲示範
57. 57 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 日本三川電廠 三川電廠49MW(可 100%全燒生質物) Toshiba先導廠 2009年起 每天捕捉10噸 日本首座商業示範等級示範廠 每天捕捉500噸 預計2020年夏天啟動 搭配生質物混燒 負碳排電廠 Bio Energy with CCS (BECCS) 生質能CCS發電廠捕獲示範 http://www.env.go.jp/earth/ccs/Keynote%201.pdf
58. 58 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 日本佐賀市 2016年啟動 每天捕集10噸(約5%煙氣) 捕集二氧化碳用於藻類養殖與化妝品 http://www.env.go.jp/earth/ccs/Keynote%201.pdf 廢棄物發電廠捕獲再利用
59. 59 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 日本苫小牧示範計畫 北海道膽振東部地震 場址安全無虞(規模6.7) 日本碳捕存整合示範 累計注儲30萬噸 減碳成本每噸~7,300日圓 約台幣2,100元/噸
60. 60 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 日本碳封存示範計畫 • 日本CCS株式會社 在北海道苫小牧地 區進行CCS示範計畫，從煉油廠將 CO 2 分離，注入濱海深層地下鹽水層 • 自2016年起累計封存30萬噸CO 2 • 實證封存場址可承受強震而無洩漏 地質環境與我國相似之日本亦具備地質封存條件
61. 61 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台灣碳捕存再利用現況
62. 62 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台灣CCSU相關研究 [NEP減碳淨煤主軸計畫架構] 減 碳 淨 煤 主 軸 中 心 二氧化碳捕獲 政策、管理及宣導 二氧化碳封存 二氧化碳再利用 NEPII計畫 辦公室 新燃燒系統 氣化 化學迴路製程 其他 (如Oxy-fuel、USC及IGFC) 吸收 吸附 薄膜 地質封存 直接利用 轉化利用 (能源/化學產品) 鈣迴路、矽基吸附材 直接碳酸化 生物固碳、間接碳酸化 微藻固碳、CO 2 氫化反 應、磁性鎳與矽酸鹽觸 媒 [Note] USC: Ultra-Supercritical; Oxy-fuel: Oxy-fuel Combustion ; IGFC: Integrate Gasification Fuel-Cell) 醇胺吸收法 冷氨法 主要 研發技術名稱 開發單位 重要成果 清華大學 中鋼 工研院 中央、成大 中油、台電 中興顧問社 監測技術/風險評估 潛能/場址特性評估 地物地化監測/數值模擬 台美合作建立風險評估、估算 我國封存量達459億噸CO 2 、 建立永和山監測平台、 完成彰濱工業區3000m觀測井 工研院(台泥) 台灣大學(中鋼) 工研院 成大 分別建立24, 6噸CO 2 /天試驗廠 建立1噸CO 2 /天試驗廠(台塑) 中央大學 核研所 挾帶床氣化、高溫除塵 除汞、流體化床氣化 移動床產氫與製氧 技術、載氧體 流化床廢液燃燒 工研院 台科大(龍定旺) 純氧燃燒技術 超臨界CO 2 渦輪發電 成大 清大 建立280kWt固/液態燃料測 試平台 建立0.6噸CO 2 /天試驗廠 建立30kWt固/液態燃料測試平台 建立100kWt廢液系統 複合中空纖維膜 台灣大學 與業界合作建立實廠驗證機台、 常溫吸附量達3.6mmole/g 建立轉爐石間接碳酸化系統 建構戶外20噸微藻循環養殖 模組、成功開發磁性鎳觸媒 可將CO 2 完全轉化 海洋牧場 轉爐石直接碳酸化、魚場 再生資材、藻場固碳礁 成大(中鋼) 開發轉爐石固碳多孔基材料 及生態礁石，作為人工魚礁 建立小型挾帶床氣化與焙燒 程序、達90%元素汞移除率 建立100kWt流化床氣化爐 建立0.1噸CO 2 /天試驗廠
63. 63 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 能源局/工研院CCSU技術研發重點  技術研發重點：二氧化碳捕獲封存及再利用，低碳熱化學技術 鈣迴路捕獲CO2 試驗廠 一代：1.9 MWt; CO2 捕獲量1噸/時 二代：500kWt; CO2 捕獲量0.38噸/時 30kWt化學迴路試驗廠 領域 核心技術 願景/目標 二氧化碳 捕獲 • 鈣迴路(CAL)捕碳技術 (高 溫粉體煅燒及輸送、純氧燃燒 技術) •技術放大示範廠 ➢ 驗證設計/操作參數 ➢ 降低捕獲成本 ➢ 評估不同應用情境 低碳 熱化學 • 化學迴路(CLP)技術多元 應用技術(產氫、釋氧、熱電) • 低碳燃燒應用技術 •工業無碳能源技術 ➢ CLP核心技術建立、依序 結合利基產業示範驗證 ➢ 產業燃燒能源研發平台 二氧化碳 封存 • 封存場址特性評估、風 險評估、監測與驗證 •推動碳封存環構 ➢ 安全監測、風險評估技術 ➢ 環境建構(法規、民眾溝通) 二氧化碳 再利用 • 碳酸化再利用技術 • 微生物能源應用技術 •多元CO2 再利用研發 ➢ 碳酸化加值工業副產品 ➢ 微生物固碳高值化應用
64. 64 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 鈣迴路捕獲CO2 技術 ❑ 新世代鈣迴路(Ca-looping)技術： ➢多階旋風塔—解決流體化床無法大型化限制 • 碳酸化與煅燒系統均為立式結構，大幅減少土地空 間 (一代廠：流體化床/旋轉窯) ➢蒸汽水合反應—提高石灰(CaO)循環活性 • 石灰轉化為氫氧化鈣(Ca(OH)2 )過程，將表面更新 與活性再生。提升碳酸化轉化率，大幅減少粉體循 環量與動能  鈣迴路(Ca-looping)捕獲二氧化碳技術 ➢ 以天然石灰石(CaCO3 )作為吸附劑原料，煅 燒後(CaO)經由碳酸化反應捕獲CO2 ➢ 水泥廠應用優勢：吸附劑為水泥廠原料，失 活吸附劑可完全作為水泥原料或做為輕質碳 酸鈣高值化原料 新世代鈣迴路技術：煅燒、 水合、碳酸化三階段程序 ➢ 以水泥業為初期應用目標，並拓展至發電 、鋼鐵、石化、造紙等產業 ➢ 供應工業製程減碳與火力電廠之整廠模組 ➢ 推動10MWt 新世代鈣迴路示範廠 ➢ 結合CO2 再利用，創造衍生效益，開創新興能源產業發展之契機  鈣迴路技術產業化時程規劃
65. 65 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 CCS實際應用案例 - 台灣和平水泥廠 2011年起動，採用鈣迴路捕獲CO 2 技術 捕獲能力最高可達1噸/時(1.9MW t ) 捕集二氧化碳用於藻類養殖轉製高價產品 經濟部能源局、臺泥、工研院共同合作 先導 示範 商業化 1.9MW t /500kW t 10MW t 100MW t Now 技術放大測試 示範驗證運轉 電廠應用測試 商業案例建立 技術擴散推廣 5.5萬噸/年 55萬噸/年 2022 2025 技術優化 連續運轉
66. 66 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院
67. 67 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 化學迴路熱化學技術  技術(產品)特色： ➢ 高能源效率和低成本二氧化碳捕獲， 不需提供助燃空氣，氣體流量少，處 理成本低，潔淨度高(低NOX ) ➢ 可產生高純度氫氣、合成氣、氧氣 ➢ 氣態燃料轉化率＞98%、CO2 濃度＞ 98%，產出熱能或H2 濃度>95%  未來應用潛力： ➢ 工業製程熱、電及氫氣整合應用 ➢ 高效率製氧 ➢ 發電系統新技術 ✓ 化石燃料/生質燃料/燃料電池 ✓ 廢棄物資源化應用 燃料反應器 (還原反應) 蒸汽反應器 (氧化反應) 空氣反應器 (燃燒反應) 燃料 CO 2 Air N 2 H 2 O H 2 4Fe 3 O 4 +O 2 →6Fe 2 O 3 熱 熱 熱 產氫/產熱程序示意圖 2Fe 2 O 3 →4Fe+3O 2 2Fe 2 O 3 →4FeO+3O 2 2FeO+H 2 O→Fe 2 O 3 +H 2 3Fe+4H 2 O→Fe 3 O 4 +4H 2  化學迴路技術：係指將燃料轉換成能源(熱能/氫氣)， 同時分離收集二氧化碳之技術  氧氣的供應由傳統空氣改為金屬氧化物(Fe2 O3 /CuO) 30 kW t 固態燃料化學 迴路實驗系統 (高雄楠梓) 生產能源:電、熱 冷凝水汽 捕獲高濃度CO2 化學迴路系統技術 載氧體被氧化 空氣反應器 (氧化反應) 氧化器 載氧體被還原 燃料反應器 (還原反應） 還原器 燃料 空氣 CO2 ，H2 O N2 ，O2 Mex Oy Mex Oy-1
68. 68 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台電-台中電廠減碳技術園區 (楊明偉, 2020)
69. 69 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台電-台中電廠減碳技術園區 (楊明偉, 2020)
70. 70 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台電-台中電廠減碳技術園區 (楊明偉, 2020)
71. 71 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 發展進度 單位 研究方向 發展現況 試驗計畫 前置作業 台電公司 鹽水層封存 已完成3000m深鑽地質調查， 進行相關岩心研究與數值模擬， 以確認封存可行性與潛能。 中油公司 枯竭天然氣層封存 完成CO 2 地表擠注設備測試及 大氣CO 2 濃度監測設備建置與 背景值量測，與工研院合作建 立長期基線資料。 基礎研究 能源國家型計畫- 淨煤主軸 封存潛能調查研究 計算結果台灣西部海域地區最 有可能二氧化碳捕存量為459 億噸。 工研院 發展場址調查、監 測及移棲模擬 完成場址評估與篩選、建立潛 能評估、傳輸與地球化學模擬、 地球物理併合成像等技術 我國地質封存技術發展概況
72. 72 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台灣地質封存研發現況 ✓ 第一期能源國家型計畫評估 ➢ 台灣具備足夠封存潛能(426億噸)， 可供使用百年以上 ➢ 潛能須進一步精查及驗證 ✓ 彰濱3,000公尺鑽井 ➢ 潛能預估137.3億噸 ➢ 尚未進行注入率測試 (第一期程能源國家型淨煤主軸計畫、台灣二氧化碳地質封存地圖集, 2014) 台灣濱海及海域鹽水層潛能區 彰濱3,000公 尺鑽井 封存潛能區 彰濱地質鑽探計畫(1,500公尺岩心) (楊明偉, 2017)
73. 73 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 地質封存系統技術 場址特性調查 •區域特性調查 –大地電磁測勘 –反射震測 •封存潛能評估 –三維地質模式 –蒙地卡羅模擬 •區域特性調查 •封存潛能評估 •確認臺灣潛能 0 40000 80000 120000 160000 200000 240000 280000 320000 Distance ( m ) -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 Depth (m) -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Ohm-m WG-1 CLI-1 YC-1 THS-1 TN-1 PKS-2 TTS-1 PK-3 KY-1 CTH-13 YHS-10 SH-2 TCS-8 HL-2 PPS-2 LC-1 S N Kuanyin S N Deformation belt Peikang high Kuanyin high Deformation belt B fault Yichu fault Pre-Miocene basement Hsinchu Tonghsiao Taichang Wangkong Peikang Pudai Tainan Zaoyin 核心技術開發 數值模擬技術 –TOUGH2 •地球物理併合逆推技 術 潛在場址基線 資料 •基線資料庫 –地下水質 –微震監測 –土壤氣體 –水準測量與 GPS 監測技術發展 •PFC示蹤劑監測技術 •光纖感測技術 –高敏感度CO2 感測材料 –分散式光纖感測技術 (BOTDA) •跨孔地球物理監測技術 風險評估 •量化風險評估框架 (NRAP IAM-CS) –技術建立 –案例分析 •監測技術 •風險評估技術 •台美國際合作 Domestic Data Injection Simulation Result Temperature Pressure CO2 saturation CO2 weight fraction Lab Core Experiment Permeability Topography Aquifer Top Elevation Thickness Permeability Porosity Wellbore data (by NRAP Default options) Number of wells and distribution Cement effective permeability Reservoir formation Elevation lookup table 1) 台西盆地與台南盆地內巨厚沉積岩層， 為潛在封存地層。 2) 西部陸域油氣封存構造封存潛力: 28億噸 3) 濱海與離岸深部鹽水層封存潛力: 90 ~ 680億 噸
74. 74 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 碳捕存技術未來展望
75. 75 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台灣的機會 - 碳捕獲封存 日本北海道苫小牧計畫自煉 油廠分離CO 2 透過傾斜井注 入鹽水層，已達30萬噸，並 已實證地震對場址無影響 臺灣西部海域與日本苫小牧 地區條件類似，並已完成彰 濱3,000公尺探勘井，可參 考日本作法進行試驗 美國Petra Nova 計畫自燃煤 電廠捕獲CO 2 (140萬噸/年)， 用管線進行強化採油 電廠裝設CCS，可於苗栗永 和山或其他氣田進行強化採 氣，提供島內用及熱值調配 永和山氣田 強化採氣 彰濱工業區 鹽水層封存 陸域構造封存潛能28億噸 濱海/海域鹽水層潛能459億噸 台中電廠 通霄電廠 大潭電廠 林口電廠 高效率燃煤/燃氣電廠加裝碳捕獲 搭配西部濱海及陸域氣田進行封存 興達電廠 550MW燃煤機組捕 獲量達320萬噸/年 捕獲CO 2 就近於 濱海鹽水層封存 捕獲CO 2 於陸域 構造進行封存
76. 76 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 英國零碳工業叢集概念 https://www.drax.com/press_release/energy-companies-announce-new-zero-carbon-uk- partnership-ccus-hydrogen-beccs-humber-equinor-national-grid/ 2050年達成 淨零排放 生質能CCS 氫氣示範工廠 北海離岸封存
77. 77 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 跨域二氧化碳運輸封存機會 紅色方塊為可能封存地區 中日韓離岸封存 新南向離岸封存 (Global CCS Institute, 2019. The Global Status of CCS: 2019. Australia)
78. 78 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 台灣的機會 - 再利用 長春石化 大連化工 南亞 醋酸 60萬噸 本身製程(0.26萬) 東聯 環氧乙烷 EtO+CO 2 依據工研院材化所估算國內CO 2 利用於化學品與燃料之潛力，可達630萬噸/年 利用量3萬噸 碳酸乙烯酯EC (6萬噸) 聚碳酸樹酯 PC(14萬) 年回收3.3萬噸 台塑正丁醇(0.88萬) 中塑油品(0.26萬) 國內市場流通CO 2 年需求量11~15萬噸CO 2 奇美 利用量10.3萬噸(製程回收，部份由南亞供應) 目前國內CO 2 再利用量約為16.6萬噸/年
79. 79 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 二氧化碳儲能技術 https://www.chemistryworld.com/news/can-catalysis-save-us-from-our-co2-problem/3010555.article 利用再生能源電力將二氧化碳轉為高值化能源、化學品，便於儲存、輸送與利用
80. 80 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 Questions?
81. 81 Copyright 2020 ITRI 工業技術研究院 https://about.taranaki.info/Taranaki2050/Work-Group-Files/H2-Taranaki-Roadmap.pdf