淨零碳排能源技術-Allam Cycle
邱炳嶔 研究員
財團法人中技社
二氧化碳捕獲、再利用與封存 (CCUS) 被認為是工業減碳的主要方式之一，國際能源署 (IEA) 估計2030 年來自水泥、鋼鐵和化學品等產業，每年須捕獲和儲存的二氧化碳數量是現在的25倍，才能夠達成巴黎協定的目標。然而目前減碳成本每噸仍高達數十，甚至上百美元，須依賴政府補助才具有經濟可行性，因此持續開發低成本的二氧化碳捕獲技術，是學研單位持續單位努力的目標。
捕獲二氧化碳的場景，大部分是結合既有的燃煤、燃氣發電設施，將燃燒後排放的尾氣進入捕獲設施，將二氧化碳加以分離與純化，使其能夠被再次被利用於工業製程，或是注入地層中避免排放至大氣。二氧化碳捕獲 (CO2 capture) 當前的主流技術是採用化學吸收法 (Chemical Absorption)，透過胺醇類 (amine-based) 吸收劑將在吸收塔中捕獲尾氣中的二氧化碳，再將吸收劑送到再生塔，在較高溫度下將二氧化碳脫附，利用吸收劑的循環可持續捕獲並濃縮二氧化碳。值得注意的是，二氧化碳捕獲所需的能量估計需消耗電廠發電量的1/3，以國內最新的林口電廠超超臨界 (Ultra Super Critical, USC) 燃煤發電機組發電效率約45%來估算，若要加上二氧化碳捕獲，將使整體電廠發電效率降至30%；若是換算為成本，則補碳成本將增加50%。雖然國際上主要研究機構、石化公司等都將CCUS列為達成淨零碳排的主要方法，但為了減碳而消耗掉更多的能源，增加更多的發電成本，在實務上似乎不太划算。目前國際較為可行的方案是將捕獲的二氧化碳液化後，注入地層將所蘊含的油氣擠出，一方面增加石油或天然氣的開採量，另一方面將二氧化碳封存於地層中，此應用方式稱為EOR (enhance oil recovery)。由於EOR具有提升石油或天然氣開採量的經濟利益，因此可以平衡捕碳所產生的成本，使其技術較具有經濟可行性。即使CCUS有其先天耗能的問題，但工業製程即使盡量採用綠能、氫能使二氧化碳排放大幅減少，但要達到淨零碳排，還是需要透過CCUS來達成最後一哩路。現在開始投入研發的能源技術，如何結合綠能，或是結合低成本的二氧化碳捕獲技術是必須被考量的；另外，讓整體程序更有效率，避免大量土地需求及設置複雜的設備，都是發展新能源技術的重點。
目前二氧化碳捕獲最具商業化規模的試驗廠是美國德州 Petra Nova 150萬噸規模的化學吸收法捕獲設施，使用醇胺類溶劑 (amine-based) 吸收二氧化碳並加以純化，二氧化碳捕獲成本每噸約50-65美元。除此之外，所需額外的土地面積約需5,000坪左右，也就是二氧化碳捕獲不僅需要更高的成本，也需要更多的土地，在沒有任何補助或新商業模式下，要與目前的電廠整合將有相當的難度。相較於化學吸收法，由英國工程師Rodney John Allam等研究人員所提出的Allam Cycle，在製程設計上更加簡單，並且無須額外的捕獲設施，改善了化學吸收法應用於發電廠的缺點，使商業化應用的可行性更高。2018 年NET Power公司在美國德州La Porte運營規模50 MWth的Allam Cycle天然氣示範電廠，透過模廠實驗取得運作參數；目前該公司正在德州Odessa籌備興建300 MWth的Allam Cycle天然氣電廠，預計2026年開始運營。
附圖1、Allam Cycle操作示意圖，資料來源:作者繪製
Allam Cycle是一種結合碳捕獲的發電技術，以天然氣或煤炭作為燃料，以CO2作為系統操作的工作流體 (working fluid)，與燃料燃燒的O2則另外來自空氣分離設施 (air separation unit, ASU)，將CO2、O2與燃料 (天然氣/煤炭) 混合燃燒後，產生溫度介於1100至1200℃、壓力300 bar的高溫高壓流體，推動渦輪發電機產生電力。燃燒後工作流體成分為CO2與水蒸氣，經過熱交換器降溫將水蒸氣冷凝排出後，工作流體再次回到100% CO2。為了讓系統內的流體維持質量平衡，將部分CO2排出，可作為化工廠原料或輸送至地層中封存，其餘的CO2則作為工作流體持續在系統中循環(如圖1所示)。
Allam Cycle與傳統燃燒發電技術主要差異在於不須在電廠之外設置額外設施，自發電系統排放的二氧化碳濃度即接近100%，與傳統電廠燃料燃燒後，二氧化碳濃度僅有10餘%，需要透過燃燒後(post-combustion)的補獲設施，才能獲得接近100%的濃度的二氧化碳。Allam Cycle燃氣與燃煤發電效率可分別達到59%與51%，與一般電廠的發電效率相似，並且沒有額外設置二氧化碳捕獲設施，因此也不須消耗能源在捕碳上，在設計上能夠兼顧能源效率與捕碳需求。雖然Allam Cycle很理想的結合了發電與補碳，但新技術不僅理論上必須可行，工程實務也要找到合適的設計。當系統運行時，其操作溫度最高點約為1100至1200℃，高於一般電廠操作溫度600℃甚多，需要使用更耐熱的材料，壓力則為300 bar與一般電廠相似或稍高。為了維持系統操作穩定，須找到比現有電廠規格更高的材料，使系統能夠持續在高溫高壓的操作條件下穩定操作。我們期待Allam Cycle可以在300 MWth規模的測試能夠成功，它將使二氧化碳捕獲更容易，讓工業部門可以更接近淨零碳排的目標。
