研究新知
◎二氧化碳直接空氣捕獲技術已邁入商業化階段
實現2050年淨零排放已成為21世紀的全球焦點，也是一項艱鉅的挑戰。能源轉型沒有一蹴可及的解決方案，儘管使用潔淨能源和能源儲存方案來改造電網極為重要，緩解或降低大氣中二氧化碳濃度的工業化程序，如二氧化碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage, CCS)和直接空氣捕獲(Direct Air Capture, DAC)，讓二氧化碳分子被隔離，進而防止其進一步進入大氣，對全球暖化同樣重要。
碳捕獲與封存(CCS)與直接空氣捕獲(DAC)碳循環示意圖(資料來源：IRENA)
碳捕獲與封存(CCS)是提取化石燃料和重工業產生的廢氣或煙道氣中捕捉二氧化碳，如燃煤發電廠的排放，根據國際能源署(IEA)的數據，到2022年底，全球已有35座利用碳捕捉技術的商業規模設施，總計已隔離了4500萬噸的二氧化碳。直接空氣捕獲(DAC)指直接從空氣中提取CO2並永久地儲存，是一種負排放技術，可為難以避免的排放(像是長途運輸和重工業)帶來解套，2022年，全球共有18座DAC工廠捕獲1萬噸的二氧化碳，僅相當於全球10秒內的排放量，在國際能源署實現2050年淨零排放的情境中，估計DAC技術須在2030年捕獲超過85 MtCO2，在2050年捕獲約980 MtCO2。
直接空氣捕獲(DAC)技術示意圖
就DAC而言，主要從大氣中提取二氧化碳並將其埋藏在地下或轉化為可銷售的產品，經過多年的實驗室測試和實驗，最近開始獲得商業化。根據國際能源署的數據，全球已有27個DAC工廠投產，並計劃在各個開發階段建設130個大型設施。此外，根據耶魯環境學院的數據，目前歐洲、加拿大和美國已經有約20個工廠在運作了。其中，美國在推動DAC發展最為積極，美國能源部(DOE)已撥款35億美元支持四個商業規模的DAC中心開發，截至2024年4月，其中的德州南德克薩斯DAC中心宣布預計到2025年每年將吸收50萬公噸的大氣二氧化碳，這是目前最大直接空氣捕獲工廠吸收量的125倍。
要充分理解DAC的潛力，必須了解該技術的運作方式，DAC通過將空氣吸入固體吸附劑或液體吸收劑，將二氧化碳物理或化學地捕獲，一旦吸附劑飽和，通常通過加熱、加壓或化學方法再生，釋放二氧化碳，使其濃縮，然後永久封存，通常通過地質儲存或轉化為有用產品。
固態DAC技術
從過濾和分離的角度來看，有幾種方法可以實施這一過程。一種方法是通過風扇將空氣抽至過濾器，然後將二氧化碳顆粒捕獲，一旦過濾器飽和，收集器關閉，溫度上升到100°C，使過濾器釋放二氧化碳，並加以收集。英國Carbon Engineering公司開發第二種策略是將二氧化碳吸收到液體中，然後在高達600°C的溫度下將其轉移到石灰石顆粒中。當然，每種方法都有其優缺點。例如，第一種方法通常需要大量能量，而捕獲單元大小與貨櫃大小相當，難以在一個設施內容納多個。而第二種方法雖然非常適合大型營運，但需要大量的水。
液態DAC技術
此外，捕獲後如何處理二氧化碳也是另一個棘手的問題，目前有幾種不同的方法，在地質儲存方面，瑞士DAC專家Climeworks將其DAC技術與二氧化碳儲存(稱為DAC+S)結合，將捕獲的碳安全地埋藏在地下的合適儲存庫中，這是一種永久去除的解決方案。另外，Airbus公司正在努力將捕獲的二氧化碳轉化為肥料、燃料和負碳材料。這些方法各具創新性，但是將二氧化碳通過管道長距離運輸到地質儲存設施是一個挑戰，而將其轉化為燃料最終會得到一個淨零過程，而不是負排放過程，這些燃料目前尚未具有成本競爭力。
Climeworks在冰島營運的Mammoth直接空氣捕獲和儲存(DAC+S)工廠，每年吸收多達36,000噸二氧化碳，是世界最大規模。
毫無疑問，DAC技術需要克服幾個挑戰才能成為全球淨零努力中的真正關鍵和廣泛採用的要素，最關鍵的挑戰是需要大幅降低DAC成本，這需要多年研究和工程設計來擴大DAC設施的規模，根據耶魯大學的數據，建設和營運一個空氣捕獲工廠每噸二氧化碳的成本約為種樹的50倍。政府激勵措施，例如美國能源部提供的35億美元資金，旨在彌補這一差距。然而，除非這些成本降低，否則DAC的經濟可行性將繼續面臨重大挑戰。另一個挑戰是確保DAC技術得到適當使用，以降低排放而不是抵消增加的化石燃料使用，IEA到2050年實現淨零路徑需要每年從空氣中提取超過10億公噸的二氧化碳，這需要每年建設數十個百萬噸規模的工廠，因此，確保DAC迅速成為更具商業吸引力的技術是非常重要的。
幸運的是，許多創新努力正在進行，加拿大Carbon Engineering公司和英國AtmosFUEL公司認為DAC最有希望的機會之一在於合成燃料的生產，利用空氣捕獲的二氧化碳和氫氣製造航空燃料，預計到2050年約35%的空氣捕獲二氧化碳將用於合成燃料。為了尋找DAC的新潛在市場和應用並解決成本等關鍵挑戰，以美國能源部於2021年啟動負碳排計畫(Carbon Negative Shot program)，旨在將直接空氣捕獲的成本降低到每公噸100美元以下，這將比目前估計的每公噸約600美元至1000美元大幅下降。埃克森美孚在2024年4月宣布正在積極開發技術，以直接從大氣中去除二氧化碳，目標是將目前與DAC相關的高成本減半。
麻省理工學院教授T. Alan Hatton 和 Kripa Varanasi等人提出了一種從海水中直接捕獲碳的新方法。現有的從海水中去除二氧化碳的方法是在一堆膜上施加電壓，透過水分解來酸化進料流。這會將水中的碳酸氫鹽轉化為CO2分子，然後可以在真空下將其除去。研究團隊提出一個由無膜電化學電池組成的可逆過程。反應電極用於將質子釋放到供給電池的海水中，使海水酸化，將溶解的無機碳酸氫鹽轉化為二氧化碳分子，然後在真空下以氣體形式收集。然後，水被輸送到具有反向電壓的第二組電池，以回收質子並將酸性水變回鹼性，然後將其釋放回大海。初步估計顯示，每捕捉一噸二氧化碳的成本約為56美元，但研究指出，這個數字不包括真空脫氣、過濾和其他與電化學系統相關的輔助費用。
海水中直接捕獲碳的是意圖，左：設備示意圖。中：優化電流密度和電極間隙。右圖：高效率電化學電池的成本細分。(資料來源：麻省理工學院)
本文的重點在於介紹直接空氣捕捉(DAC)技術，並探討其在實現淨零排放目標中的重要性和挑戰，文中說明了DAC的運作原理、現有的不同方法和技術，以及其商業可行性問題。DAC技術能夠直接從大氣中去除二氧化碳，對實現2050年淨零排放目標極為重要，特別是在難以消除的剩餘排放方面。目前全球已有一些DAC工廠在營運，並計劃建設更多大型設施，特別是美國在這方面的推動力度較大。DAC技術面臨的主要挑戰是高成本，除了政府激勵措施外，更多過濾與分離的技術創新將能提高其商業可行性和應對全球暖化的有效性。
資料來源：
1.Jonathan Dyble, Up in the air, Filtration+Separation, July 2024, 6-9.
2.https://iea.blob.core.windows.net/assets/78633715-15c0-44e1-81df-41123c556d57/DirectAirCapture_Akeytechnologyfornetzero.pdf
3.https://outlook.stpi.narl.org.tw/index/tdop/4b1141007f9b57d9018001fd6c480011
4. https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=19840
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
