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負碳技術: 碳捕捉與封存(CCS)以及微藻固碳在工業減碳的應用

負碳技術: 碳捕捉與封存(CCS)以及微藻固碳在工業減碳的應用

發布日期: 2024-05-03
應用負碳技術，工業減碳利器
文/ 賴威安
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詳細介紹

負碳技術: 碳捕捉與封存(CCS)以及微藻固碳在工業減碳的應用

文/ 賴威安

一、碳捕捉與封存技術
        由於人類的活動，全球二氧化碳和其他的溫室氣體濃度持續地增加，遂造成全球持續升溫， 距離 2100 年要控制溫度上升低於 2℃的目標，僅剩下 1 兆噸 CO2e 可排放溫室氣體總量，因此，政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Penal on Climate Change, IPCC, 2014）指出必須有碳捕捉與封存技術（carbon capture and storage，簡稱CCS）才能達到全球溫升目標。[1] 所謂CCS是將二氧化碳於工業製程或在石化燃料轉化為能源的過程中捕捉，如：化學吸收法 （ absorption）、固體吸附法（adsorption）、氣體分離膜 （gas- separation membranes）以及低溫分餾法（cryo-genic distillation）等  (圖一)，由這些方法捕捉的二氧化碳後，將其輸送至地質構造中儲存。[2] 根據IPCC的工作程式，公元2005年9月22~24日在加拿大蒙特利爾召開的IPCC第三工作組會議上，各國政府逐一同意通過了該報告的決策者摘要，在此報告中將二氧化碳捕獲與封存(carbon dioxide capture and storage, CCS) 技術被列為二氧化碳減量的可行的方法之一。[3]

圖一、碳捕捉各類型與對應捕捉技術 (圖片取自 經濟部專利財產局，2022[4])

       國際能源總署於 2023 年發布的能源技術展望報告中指出，2030 年減 碳目標可藉由目前既有技術來達成，但 2030 年後的深度減碳需依賴目前尚在研發與示範階段的創新技術。這些創新技術有水泥、鋼鐵及鋁的生產製程結合碳捕捉、封存與再利用 ( CCUS)、氫煉鋼技術及直接碳捕捉(DAC)等技術。另 IEA 於淨零排放情境(NZE)亦指出，在邁向淨零排放上，CCUS扮演的角色也日益加重，二氧化碳捕捉量從 2021 年 0.4 億噸，至 2030 年增加為12 億噸， 並於 2050 年達到 620 億噸。有鑑於 CCS 之重要性，全球碳捕捉與封存協會於 2022 年所公布之「全 球 CCS 現況」表示：(1)全球 CCS 設施計畫共有 196 個(包含兩個暫停的計 畫)，相較 2021 年大幅成長 44%，也維持了自 2017 年起的上升趨勢；(2) IPCC 指出若沒有二氧化碳移除( carbon dioxide removal，CDR)技術，大多數模型均無法找到將升溫限制在 1.5℃的路徑。根據全球碳捕捉與封存協會（Global CCS Institute, GCCSI） 最近的發現，若欲達到淨零目標，則生質能與碳捕捉封存(Bioenergy with carbon capture and storage，BECCS ) 需最大程度的布署，而 直接空氣捕捉封存(Direct air carbon capture and storage，DACCS) 的布署則取決於其未來成本；(3) CCS 為工業達成淨零排放之必要措施之一，尤其是難以減排之產業(水泥業、鋼鐵業以及化學業)，由於其產業特性，需藉由 CCS 將盡可能移除難以避免的排放。[5]
Pires 等人 （2012）提出為了減少溫室效應的影響，許多由大型排放點捕獲二氧化碳的CCS已開始研究與執行。[6]
      2012 年 7 月工研院與台泥公司合作，於台泥花蓮和平廠建造「鈣迴路捕獲二氧化碳先導型試驗廠」，透過與水泥廠結合模式驗證其碳捕捉技術，把捕捉過程能源消耗降至 20% 以下，成本從每公噸 50 美元降至 26 美元以下 ( 中央社，2012)。[7]
      但是台灣地小人稠，大部分中小型的排放源分散至住宅區域中，加上環評的反對聲浪，致使目前CCS技術平台無法一體適用，因此有了另一種聲音出現，何不嘗試發展較為環保的「生物固碳法」。[8]

二、以微藻進行碳捕捉


      以生物固碳方法，將二氧化碳再利用於產製商品，已成為國際推動減碳的重要策略之一。目前有前景的減碳技術是利用微藻進行生物捕捉二氧化碳，因為微藻可以直接使用太陽能藉著光合作用固定二氧化碳，且微藻捕捉二氧化碳的速率比陸生植物捕捉二氧化碳的速率快十倍。微藻細胞含碳量約50%，每公斤微藻生物質量可以固定1.8kg 二氧化碳當量（Pires等人，2012；Lam等人，2012）。[9]
      中鋼公司為配合經濟部和環保署的CCS策略，在 2009 年起的第 1 期能源國家型科技計畫中，與成功大學和交通大學研究團隊共同建立二氧化碳捕捉示範工場。藉由篩選與馴養本土小球藻，分離出能耐高溫、高二氧化碳且具高生長效率的產油微藻株，並在廠區內建置一規模達 1.2 公噸的戶外實場煙道氣微藻養殖模組，直接引入廠區內的煙道氣養殖微藻。這模組的固碳效能維持在 250 g／m 3 / day 以上，對煙道廢氣中二氧化碳的移除率高於 60 ％，對氮氧化物與硫氧化物的移除綠也高達 90 ％以上。這模組除了可成為我國工廠廢氣生物減碳的關鍵技術外，所生產的微藻生物質很適合做為生質柴油的原料。這模組曾在中鋼成功運作超過 3 年，實證我國微藻養殖技術對於空氣汙染防治的可行性與永續性。[10] 台電公司於1998年起就開始微藻固碳的研究， 2007 年在大林火力發電廠建立 10 公噸開放式微藻養殖池，收集電廠煙道煙氣以海水脫硫後養殖微藻，年減碳效應約為一百公斤。 另外，台電公司也建立 28 公噸立體微藻光生物反應器，在相同面積下，減碳效率約為開放池的7.4倍。為提升微藻養殖速率與減碳效益，另以特定 LED 提供微藻光照來源，結果顯示在相同規模條件下，立體微藻光生物反應器的減碳效能可增加至每年約2.3公噸 (張嘉修等人，2015) [11]。

三、微藻捕捉碳技術的優點

以微藻進行碳捕捉有以下優點：（一）作為環境永續的方法（二）直接使用太陽能（三）同時生產高附加價值產品，如：人類食物、水生動物飼料、化妝品、醫療用品、肥料、生質燃料等。[12]  Pires 等人 （2012）討論了微藻固定二氧化碳(相較於 CCS 應用上) 較有競爭力，包括生物反應器（bioreactors）之比較、關鍵的處理參數、氣態排放物和汙水處理、收穫方法和微藻生物質可提煉的產品類型。[13]  而另一方面，由微藻捕捉二氧化碳還需要高成本（需應用能量於幫浦打入培養基中、壓縮空氣、收穫生物質等），但該方法也具有以下效益：（一） 將二氧化碳直接轉化成生物質；（二）生產有價值的產品，且微藻技術對於氣體排放物和廢水替代目前的 CCS 策略。
        早在1980年就有相關學者提出利用微藻產油做為生質柴油來源的構想(圖二)，在1公頃的土地上培養微藻，油脂的年產量可高達100噸以上，遠高於種植其他植物的年產油量，可見以微藻生產油脂的優勢。[14]

圖二、 微藻提煉成生質柴油程序(取自皮等人，2010)[15]
        林志生和邱聖壹 (2010)指出，利用微藻(相較於產油植物) 生產生質柴油有下列幾個優勢： 1. 非糧食作物，對民生問題衝擊極小。 2. 生長快速，每天可達到兩倍以上的生物質產量，因此微藻單位面積的產率高出高等植物數十倍(表一)。其次，某些單細胞微藻含油量可高達70%，油脂產能高於陸生能源作物數十至百倍以上。3. 微藻可利用鹽鹼地的鹽鹼水、荒漠地區的地下水進行大規模培養，不用與農作物爭地、爭水。 4. 微藻的培養可利用工業廢氣中的二氧化碳(當碳源)和氮氧化物(當氮源)，可以緩解溫室氣體的排放。微藻可用農漁牧或工業廢水來養殖，具有污水處理和水資源再利用的功效。 5. 在單位面積中，微藻培養一年可捕捉二氧化碳的量是植樹的二倍以上，未來還可用於碳稅交易標的。 6. 微藻之組成分多數為可利用物質，例如某些微藻含有不飽和脂肪酸與特定蛋白質，可為健康食品及餌料，而碳水化合物（包括纖維素）可為生質酒精的料源等，因此微藻培養的附加價值高。[16]
表一、 比較生質柴油的的一些來源 ( 表數據取自Mohammadi和Azizollahi-Aliabadi，2014)[17]
作物 油產量(公升/公頃)
玉米 172
大豆 446
油菜 1190
麻風樹 1892
椰子 2689
棕梠 5950
微藻 136900
微藻 58700
        台電火力電廠的微藻減碳策略是以螺旋藻屬為藻種，主要為可高密度培養於鹼性環境中，並可利用電廠發電後所產生的煙道氣及燃油集塵灰作為生長所需的碳、氮源，其培養系統由 30 公升PE 塑膠桶串聯而成的培養槽，伴隨著氣吹式循環讓微藻維持翻動狀態，並以 LED 燈源輔助，培養微藻在此低耗能系統，吸收煙道氣中的二氧化碳轉化為有機體以及氧氣，以達到二氧化碳減排。[18]
        台電於 2007 年在大林電廠進行 10 噸開放式養殖池及 28 噸立體光合反應器的養藻計畫，兩項設施占地同為 0.01 公頃，其 1 年實際減碳量 ( 扣除運轉時實際所消耗的能源 )，開放式養殖池約為 100.134 公斤二氧化碳當量，光合反應器約為 741.10公斤 二氧化碳當量， 顯示在相同面積下，光合反應器減碳效率約為開放式養殖池的 7.4 倍。[19]
        2010 年台電以特定 LED 光源照明系統供應藻類光源，在同樣規模條件下，開放式養殖池 一年實際固碳量可提升至138.21 公斤二氧化碳當量，而立體光合反應器為 2,295.21 公斤二氧化碳當量。經實驗結果推估，若以同樣 1 公頃面積養殖微藻，每年減碳量可達 229.5 公噸二氧化碳當量，是種樹植林減碳量 16 ∼ 25 公噸二氧化碳當量的 9 ∼ 14 倍 ( 陳曉薇等人，2012)[20]。2012年，邱聖壹博士的研究以Chlorella sp. 在光合生物反應器中培養，在一開始二氧化碳的通氣量2%下，二氧化碳的移除效率最高可達58%，微藻細胞的密度達到最高後，將二氧化碳的通氣量提高到10或15%，可以維持菌的生長。另外邱聖壹以光合生物反應器培養 Nanno- chloropsis oculata，研究結論 2%的通氣量、多孔內管、一天更換一半的液體培養基，或三天更換五分之三的液體培養基，可以達到較高的細胞密度和脂質生產量。[21]
        2012年，大林更新改建計畫，原設置於大林電廠28噸立體光合反應器遷移至南部火力電廠，繼續進行藻類減碳及生質燃料應用整合研發計畫。[22]
        2015年，台電就已經開始投入相關微藻技術研發。台電南部發電廠的一座天然氣發電機組，每年大約排放68萬噸二氧化碳，而這些二氧化碳通過管線輸送到附近的微藻養殖區，透過光合作用被微藻吸收，以達到減碳效果。[23]
        根據2019年4月22日《中國時報》的報導，張嘉修教授所帶領的成大與交大團隊與中鋼合作，直接把高爐煙道裡的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物等廢氣導入微藻玻璃管中，由微藻吸收進行光合作用，這項計畫進行一年，結果發現，微藻可以吃掉煙道中50%的二氧化碳，同時可吃掉75～90%硫氧化物、氮氧化物。這項結果顯示，微藻具有減碳與防制空汙的效果(圖三)。[24]

圖三、微藻循環經濟圖
       
        2021年，成大研究團隊找到了特殊的藻種，並改進反應器設計，使微藻固碳能力增加30倍。根據台灣成大研究團隊的估計，全亞洲學界最大的微藻養殖示範模廠佔地700平方米，容量達300噸。微藻是全球固碳效率最高的生物，一個工廠每年可能產生2萬到6萬噸的二氧化碳，而這個示範模廠中的微藻量，一年可以吸收5千到1萬噸的二氧化碳。[25] 

四、微藻固碳的前景與侷限
(一) 微藻固碳的前景

       20世紀中葉，由於工業化造成人口暴增，糧食問題浮上檯面，藻類因其生長快速，及蛋白質成分豐富，被視為解決糧食危機的新契機，因而逐漸受到重視。近年更因養生與美容風潮，使微藻在健康食品與美容及醫藥產業應用發展迅速。目前微藻在產業上的應用主要有幾方面：1. 增進食物及動物飼料的營養價值；2. 水產養殖飼料；3.化妝品的原料；4. 內含高價值分子，如聚不飽和脂肪酸油脂，可添加至嬰幼兒配方奶及營養補充品中；5. 內含色素是重要的天然染料。[26]
       張嘉修教授是長期研究微藻固碳的教授的箇中翹楚， 2024年4月16日，在身為東海大學副校長的張嘉修正式宣布在校園的東南角成立「智慧碳中和園區」，占地4.3公頃，劃分為A、B、C三區，分別為「淨零科技示範區」、「智慧生態農創區」、「產業研發培育區」。其中智慧碳中和園區位於C區，張嘉修教授說，微藻是全球固碳效率最高的生物，「智慧碳中和示範園區」建置完成後，預期一年可吸收近2,000噸的二氧化碳。東海大學將攜手台塑集團旗下台塑新智能科技，打造亞洲最大的校園微藻碳中和與循環經濟基地。[27] 這是產、學界共同合作，致力於微藻固碳技術的開發，是未來實現生物固碳產業化很重要的第一步，將帶動台灣微藻生物技術產業的發展。

(二) 微藻固碳的侷限

       不可否認的，微藻固碳也面臨了若干無法避免的侷限，1. 首先，微藻的栽培需要特定的光照條件。為了為藻類生長提供足夠的光照，生產系統需要很淺（如開放的潟湖系統或水道）或由玻璃或聚碳酸酯細管製成。這也意味著微藻生產佔用大量空間，這使得在人口密集的地方（如大城市）安裝生產設施變得困難。 2. 儘管微藻生產的永續性可能高於蔬菜和其他作物，政府支持微藻生產的程度相較於傳統農業仍顯然不足。3. 另一個限制是歐盟法規。在已知的數萬種藻類中，只有大約20種以上被允許供人類食用。 獲得新物種的批准非常耗時且成本過高。[28] 儘管微藻有許多有益的特性，一些微藻，如螺旋藻，其蛋白質含量可高達其乾重的 70%。其他過去從海洋魚類中得到的富含 omega-3 脂肪酸，如 EPA 和 DHA也可以從微藻取得。[29] 這說明了微藻具有許多很珍貴的附加價值，可以透過微藻的開發，創造更多的商業利益。

五、結 語

       無可諱言的，「工業」的發展帶來國家經濟發展上巨大的財富，但也不可避免地增加了溫室氣體的排放，以目前台灣地區來說，溫室氣體的排放絕大部分是由能源、發電所產生的，而工業部門用電量就佔了近六成，在這個簡單的大邏輯之下，工業要降低溫室氣體的排放，恐怕不能單靠本身製程中碳排很有限的減量，要解決溫室氣體的問題，最重要的是要拿出對的武器和工具，而本文即試圖要探索何者為最有效的尚方寶劍，答案是企業界要想方設法拿出「碳中和」(carbon neutrality) 的本事來，而要達到碳中和的目標，可以優選的方法項目包括:「自然碳匯」(natural carbon sink)、或以科技為本的「碳捕捉與封存技術」(CCS) 、或者是「微藻固碳」的技術，在「碳有價」的時代中都是很有強度的選擇，這些技術將可能為企業主們開創永續經濟的雙贏局面，希望台灣的永續發展的經驗將成為台灣甚至全世界可以共同努力的目標與方向。
 
[1] Pachauri, R. K., Allen, M., & Minx, J. (2015). Climate Change 2014 - Synthesis Report. https://doi.org/10.59327/ipcc/ar5-9789291691432
[2] 凃景瑜: 微藻固碳的開發與應用，生物資源保存及研究簡訊，2014年，第27卷，第2期，第8-11頁。

[3] 經濟部能源局: 2007年能源科技研究發展白皮書，2007年12月1日出版， 第三篇我國重點能源科技研發動向及策略(第一章第二節) ，第322頁。

 https://www.moeaea.gov.tw/ecw/populace/content/wHandMenuFile.ashx?file_id=1085
[4]  圖片取自 經濟部專利財產局: 國際碳捕捉技術專利趨勢分析研究報告，2022年10月31日，第8頁。
https://www.tipo.gov.tw/tw/dl-283563-e20c9f3c9b9b4f55b09cf13d152f2200.html
[5]  施沛宏 (2023) 2022 年全球 CCS 發展現況，工業技術研究院投資報告 (一共有14頁)https://km.twenergy.org.tw/ReadFile/?p=Reference&n=2805dd7157ee49e2beedc6464bbba2ae.pdf
[6]  Pires, J. C., Alvim-Ferraz, M., Martins, F., & Simões, M. (2012). Carbon dioxide capture from flue gases using microalgae: Engineering aspects and biorefinery concept. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 16(5), 3043–3053. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.055
[7]  凃景瑜: 微藻固碳的開發與應用，生物資源保存及研究簡訊，2014年，第27卷，第2期，第8-11頁。https://tpl.ncl.edu.tw/NclService/pdfdownload?filePath=lV8OirTfsslWcCxIpLbUfmdCa1P8r-hEDkyPNjWgLuUCzwqYb61OfoYptbWK4USc&imgType=Bn5sH4BGpJw=&key=ZUDS7-7MHJj6Gzs4O2F-PGKN9gfSlZFoLRgbhImevBseVVU9OyINO4qBZJhLTxWd&xmlId=0006803260 引用中央社電子報導: 驗證碳捕獲技術 花蓮設試驗廠 (2012年7月10日)
[9] Lam, M. K., Lee, K. T., & Mohamed, A. R. (2012). Current status and challenges on microalgae-based carbon capture. International Journal of Greenhouse Gas Control, 10, 456–469. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2012.07.010； Pires, J. C., Alvim-Ferraz, M., Martins, F., & Simões, M. (2012). Carbon dioxide capture from flue gases using microalgae: Engineering aspects and biorefinery concept. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 16(5), 3043–3053. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.055
[10] 張嘉修、陳俊延、林志生、楊勝仲、顏宏偉和李澤民: 二氧化碳減量排放：二氧化碳再利用–微藻養殖(2015年6月8日) https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=fafd721b-d276-4577-9c04-20345dbc7bcf
[11] 張嘉修、陳俊延、林志生、楊勝仲、周德珍、郭子禎、顏宏偉和李澤民: 二氧化碳再利用─微藻養殖，科學發展，2015年6月，510期，第12-16頁。
[12] 程侃: 《電力系統深度低碳技術組合與需求管理策略之研究: 考量微藻固碳技術與再利用效益》，國立臺北大學公共事務學院自然資源與環境管理研究所碩士論文，2017年6月。
[13] Pires, J. C., Alvim-Ferraz, M., Martins, F., & Simões, M. (2012b). Carbon dioxide capture from flue gases using microalgae: Engineering aspects and biorefinery concept. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 16(5), 3043–3053. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.055
[14] 謝誌鴻、吳文騰: 〈微藻— 綠色生質能源〉，《科學發展》 ，2009年1月，433期，第36-40頁。
[15] 皮先覺、杜子邦、朱麗萍、莊銓、呂芳仁、張學明: 〈微藻分離純化技術與發展〉，《化學資訊與商情》，2010年2月，第80期，第42-50頁。
[17] Mohammadi, M.,& Azizollahi-Aliabadi, M. (2014). Biodiesel production from microalgae. Journal of Biology & Today's World. 2 (2), 38-42. doi:10.15412/J.JBTW. 01020204
[18]  凃景瑜: 微藻固碳的開發與應用，生物資源保存及研究簡訊，2014年，第27卷，第2期，第8-11頁。
[19] 經濟部能源局: 生態循環生產模式——台電公司在「微藻減碳」技術的發展 (2012年10月5日)，能源報導(Energy magazine) https://magazine.twenergy.org.tw/Cont.aspx?CatID=22&ContID=2070
[20] 陳曉薇、陳茂景、陳鳳惠 (2012)。燃煤電廠減碳技術「微藻減碳」技術應用與挑戰。能源報導。5-7。經濟部能源局。
[21]  邱聖壹: 建構微藻光生物反應系統並用於二氧化碳減量與微藻生物質的生產，國       立交通大學生物科技 學院生物科技學系博士論文，2012年1月。
[22]  經濟部能源局: 〈生態循環生產模式--台電公司在「微藻減碳」技術的發展〉(2012年10月5日)
https://magazine.twenergy.org.tw/Cont.aspx?CatID=22&ContID=2070 (最後進入連線時間: 2012年4月19日)
[23] 台灣靜零排碳協會: 吸碳神器！ 微藻固碳是樹的6倍 還能淨化廢水
https://www.tnzea.org.tw/article_d.php?lang=tw&tb=2&id=1254
[24] 中國時報: 碳排變黃金 微藻大循環: 創造百億產業鏈 (2019年4月22日報導)https://www.chinatimes.com/newspapers/20190422000536-260102?chdtv (最後進入連結日期: 2024年4月22日)
[26] 白明德、陳國帝、藍得彰、林昀輝、李宏台(2009) 微藻採收及其相關技術介紹，化工資訊及商情， 第77期，第26-31頁。https://www.materialsnet.com.tw/DocDnld.aspx?id=25449 (最後進入連結日期 2024年4月23日)
[27] 經濟日報: 東海大學攜手台塑新智能 打造亞洲最大微藻碳中和園區(2024年4月16日發布)
https://money.udn.com/money/story/5612/7903269 (最後進入連結日期: 2024年4月22日)
[28] Directorate-General for Maritime Affairs and Fisheries: "More than 20 algae species can now be sold as food or food supplements in the EU: Great news for the European algae industry!", published in the official website of the EU on 26 February 2024.
https://oceans-and-fisheries.ec.europa.eu/news/more-20-algae-species-can-now-be-sold-food-or-food-supplements-eu-2024-02-26_en (accessed 24 April 2024)
[29]  台灣永續能源研究基金會: 〈深入挖掘微藻對人類健康和環境永續性的潛力〉(2023年5月8日發布)
https://taise.org.tw/post-view.php?ID=625 (最後進入連結日期2024年4月19日)

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