【能源科技】太陽能過去、現在與未來(六):碳回收

作者 | 發布日期 2013 年 07 月 16 日 16:40 | 分類 太陽能 , 能源科技
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據IEA最新報告顯示,全球能源的最大宗來源仍然是燃煤,主要是因為煤仍是人類最豐富且最廉價的能源,許多第三世界國家十分仰賴它,但煤也是全球暖化不斷加速的元兇之一,因此儘管全球可再生能源如火如荼的發展,但要靠慢慢建設各種低碳能源來取代燃煤,實在是緩不濟急,簡直是「愚公移山」式一廂情願。所以有許多人認為,最快速的解決辦法,是為燃煤加裝各種碳捕捉技術,把煤「漂白」。




碳捕捉技術的缺點之一自然是增加成本,但如俄亥俄州立大學研究團發展的間接式燃煤技術,成本並不高,未來許多新的碳捕捉技術將可以在成本上讓窮國也能接受,剩下的問題是:那捉來的二氧化碳要去哪?

 碳的「回收再利用」才是未來關鍵

石油業早就有在老油井中灌入二氧化碳加壓,讓油井提升產量的技術,因此人類很容易就想到乾脆把二氧化碳打到地底去,眼不見為淨,這就是所謂的「碳封存」,但碳其實是一種有用的資源,因此新的作法是想辦法利用儲存下來的碳,去結合其他的領域來發揮碳的價值。

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在過去石油業者以二氧化碳灌入老油井中加壓,讓油井產量提升。

碳是目前人類最主要的能源載體,人類大量使用碳基燃料,都是來自於植物行光合作用的過程中,以二氧化碳為原料,把太陽能綁在碳基有機化合物之上,人類目前還沒有任何比碳更好的能源載體,二氧化碳可說是製造碳基燃料的原料,而捕捉二氧化碳也要成本,好不容易辛苦捉來卻丟到地洞裡,是本末倒置的行為。

新的觀念是碳的再利用,而這就又回到本系列的太陽能主題,前篇提到能源儲存,主要談到熔鹽儲熱與電池技術,但是有研究者提出第三種思考:直接化學儲能。

碳回收方法一:轉換成一氧化碳

所謂直接化學儲能,就是把太陽能以燃料的化學鍵結能方式儲存起來,如此一來不但能讓太陽能發電本身穩定供電──沒太陽時就燒燃料發電──燃料甚至還可輸送到別處使用,或是用於非發電用途等等,而儲存的過程,常用到二氧化碳,還可碳回收,一舉兩得。

洛克希德馬丁旗下的桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)就正在實驗以聚光式太陽能搭配二氧化碳來儲存能量

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美國桑迪亞國家實驗室以聚光式太陽能搭配二氧化碳來儲存能量。

桑迪亞國家實驗室的聚光式太陽能裝置,用反射鏡將陽光聚焦,加熱氧化鈷與氧化鐵組成的陶瓷體到攝氏1,500度,陶瓷體內部構造為許多交錯的直徑1毫米小柱,也就是說有相當多空隙可供反應,高熱會迫使氧化鈷與氧化鐵釋放出氧,之後,陶瓷體轉入一個充滿二氧化碳的空間中,缺氧陶瓷體會從二氧化碳上剝奪氧原子,使其變為一氧化碳,然後陶瓷體再轉到外頭受熱,持續循環。

也就是說,太陽能被儲存在一氧化碳的化學鍵結之中,一氧化碳可以直接燃燒發電,也可以用來生產各種燃料,如氫氣、甲醇,以及合成汽油等等。

碳回收方法二:轉換為天然氣

原名SolarFuel的德國ETOGAS,則發展用於太陽能電池的技術,由於使用的是電力,亦可應用在風力發電上。

在德國,由於大力推動可再生能源,在夜間大量風力發電的發電量超過用電量需求只能離線,許多電力平白浪費,近2年來,德國可再生能源過剩,而電力從每年1.5億度,增加到每年10億度,預計2050年要達成可再生能源佔80%的目標,在可見的未來內,過剩電力還會持續增加,給予ETOGAS龐大的潛在商機。

ETOGAS的技術是將二氧化碳與水經電力轉換為天然氣,第一步先以電力電解水,產生氫氣與氧氣,氫氣與二氧化碳反應,產生天然氣與水,這個過程的能源轉換率為60%。之後,天然氣可以直接供應燃氣發電,或是作為其他用途的燃料。

4H2 + CO2→2H2O + CH4

把多餘電力轉換為天然氣的化學能,除了達到碳回收以及能源儲存的效果以外,由於多餘的天然氣還能做為其他用途,擴大商業模式的彈性,有助於增加營收,相對降低成本。

ETOGAS目前與德國汽車大廠Audi合作,其天然氣廠將供應Audi的1,500輛天然氣汽車,此外,這項技術對於偏遠地區也十分有吸引力,ETOGAS爭取到智利一處礦場的訂單,可就地提供能源,節省龐大的燃料運送開支。

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這家250千瓦的展示發電廠,以二氧化碳和氫氣生產甲烷,為德國ETOGAS(SolarFuel)所擁有,將供應Audi的1,500輛天然氣汽車。

發展化學儲能的還有美國太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory, PNNL),不過PNNL沒有用到二氧化碳,而是以天然氣加水反應成氫氣與一氧化碳,即合成氣(Syngas)。

碳回收方法三:應用在生質能源上

進一步探討碳回收,就進入到太陽能生質能源的領域,如2013年的彭博新能源金融高峰會上10大先鋒之一的Joule Biotechnologies,雖然專營生質能源,其實也可說是一家廣義的太陽能廠商。

一般生質能源需種植作物、採收,為人垢病的是「與人爭地」、「與人爭水」、「與人爭糧」,以及種植過程仍然需要大量能源──因為農業機械要燃油才能運作。

Joule Biotechnologies並不在土地上種植作物,而是直接以基因工程造出微生物,各種不同的基改微生物能以光合作用直接產生乙醇或其他可作為燃料的有機化合物,可視所需要的產品來更換微生物。

微生物在密閉的水管中循環,打入二氧化碳氣泡,微生物就在其中進行光合作用,製造出燃料,在Joule Biotechnologies的廠區,水管遍布整片地面,就好像綠色的太陽能電板似的,而Joule Biotechnologies的廠址也與一般太陽能電廠一樣設在荒涼的沙漠,不會「與人爭地」。

Joule Biotechnologies的技術不僅可以回收二氧化碳,還由於水在水管中密閉循環,不像種植作物那樣耗費水資源,不會「與人爭水」,也不會「與人爭糧」,產生的產品還可以隨市場需求,更換不同的微生物,就產生不同產品。

發展此類太陽能生質能源的也不只Joule Biotechnologies一家,全球各地實驗室與新創企業中,各種不同藻類、微生物都正在為人類製造燃料;也不一定像Joule Biotechnologies那樣水管鋪滿地,有的技術使用可成排掛在室內的水包,利於人口稠密的亞洲應用。

三十年河東,三十年河西,期待太陽能的東山再起  

本系列至此,就先告一段落,但是太陽能的各種技術,絕不是僅此而已,本系列只是走馬看花的提供一些簡單介紹,在本系列介紹的技術以外,全球尚有相當多各種不同技術正在研發之中,其中或許只有1~2%會成功,但是亦足以改變整個世界。

而即使沒有劃時代新技術造成突破性的進展,也不代表市場不會起大變化,5年前,幾乎沒有人預料到2011年會出現太陽能電池大崩盤,5年後的太陽能發展,也很可能是現在的我們所完全預想不到的。

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