低碳燃料的生產模式-BECCS

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低碳燃料的生產模式-BECCS

生質物(Biomass)泛指由生物產生的有機物質，包含木材、農作物及其廢棄物、生物排泄物等，常見用於能源燃燒使用的有木屑、黃豆、玉米、稻殼、沼氣等。由於生質物的形成來自光合作用轉換CO2，因此具有消耗大氣中CO2的作用。生質物做為燃料使用所排放的CO2將再次循環回到大氣中，與燃燒原本埋藏在地層中的化石能源(Fossil Fuel)相比，整體生命週期不會增加大氣中的CO2，因此生質物替代化石燃料有助於減緩全球暖化，被視為是邁向淨零碳排的替代能源之一。然而，使用低碳能源不足以減緩全球氣溫上升的趨勢，還需要更進一步發展負碳技術(Carbon Negative)，讓全球CO2濃度可以持續降低，是更積極的能源技術發展方向。 生質能(Bio-Energy)與二氧化碳捕獲與封存(CO2 Capture and Storage, CCS)結合是一種提供生質能源的負碳技術，稱作生質能源碳捕獲與封存(BECCS)，其運作方式如圖1所示，生質物的生成來自於光合作用消耗CO2，其來源可從大氣中或燃燒製程中捕獲的CO2而來。生質物作為能源產品則可分為兩種應用模式(如圖1)，一種是生產運輸燃料，在生產加工過程中將排放之CO2加以捕獲封存，使生質物轉換為燃料過程的碳排放為零，其產品包括生質酒精、生質柴油等。運輸載具燃料需求量大，生產製程中搭配CO2純化與封存，可望成為低碳燃料商業模式。根據國際能源署(IEA)統計，目前每年約有200萬噸的CO2捕獲用於BECCS減碳，主要應用在生質酒精(Bio-Ethanol)生產，而生質酒精已成為美國部分替代汽油的燃料，具有穩定的需求量。美國透過基因改良技術大幅提升玉米產量，玉米經過研磨、萃取、液化及發酵製程，產出生質酒精與CO2，將CO2與酒精分離之後，可獲得高純度CO2有利於進行封存。美國能源部(USDOE)資助的Illinois Industrial Carbon Capture & Storage Project，將生質酒精發酵後排放的CO2經過純化與加壓至超臨界流體狀態，注入伊利諾盆地的地層中，其規模達到每年封存100萬公噸。該計畫目的是鑽探封存井、注入CO2及監測CO2的封存狀態，確保沒有洩漏或造成地質安全問題，使BECCS可以生產低碳運輸燃料的技術之一。第二種應用方式是將生質廢棄物經過收集與加工製作生質燃料(如圖1)，例如：木屑、沼氣、固體再生燃料等，可部分替代化石燃料用於發電廠與工業鍋爐，目前比較成熟的應用為造紙業將廠內木材原料廢棄物回收作為燃料使用、石化業有機廢水以厭氧消化程序產生沼氣及收集農業廢棄物加工製作為有機固體燃料等。

從以上討論可知，BECCS不是單一技術，而是結合生質原料取得、製程、排放氣CO2捕獲與封存的運作模式，各個面向都需要有成熟技術與低廉成本才有機會作為低碳燃料的生產方式，就現況而言仍有許多需要突破之處。原料方面：種植玉米等糧食作物能夠有效取得大量且品質穩定的原料，但是在地球人口持續上升之際，使用糧食作物做為燃料將有道德上的疑慮，若要持續提升使用量可能會遭遇到阻力；使用農業廢棄物作為料源，因稻殼、蔗渣這類廢棄物，重量較輕在收集上成本偏高，還需要將其製作成固體顆粒，前處理過程繁複使其不易發展成具有成本效益的商業模式，替代化石燃料的效果有限。製程方面：生質物與化石燃料的相同之處是含有相似的熱值，不同之處是成份差異大，生質物來自生物，可能含有硫、氮、重金屬及大量灰分，與碳氫化合物為主的汽油、煤炭相比，不僅有增加空氣污染的疑慮，設備長期操作也可能造成故障率提升。排放氣CO2捕獲方面，生質物燃燒後排放的CO2可能僅有10%左右，排放氣需經過CO2捕獲設施，將其濃度提高之後，才能進行CO2封存，然而目前捕獲低濃度CO2每噸成本高於100美元/噸，也需要有適當的封存地點，若希望透過BECCS減碳，CO2捕獲成本需大幅降低之外，政府部門也要提供適合發展CCS的法規政策。 能源使用是全球暖化最主要原因，致使減碳成為發展能源技術必須優先考量的議題，利用BECCS提供低碳能源雖有許多障礙，但仍被各界視為是長期發展的減碳方式。目前BECCS減碳的規模有限，僅有約200萬噸／年的減碳量，但BECCS的發展潛力高，IEA估計2030年BECCS可增加至每年減碳規模約5,000萬噸CO2，全球碳封存協會(GCCSI)則預估至2100年，BECCS每年可貢獻減少3.3億噸CO2。