隨著氣候危機日益嚴峻，政府與產業界開始討論因應之道，讓「碳捕捉」(carbon capture)、「碳封存」(carbon sequestration)等技術名詞也越來越常出現。這兩種技術都是降低溫室氣體排放的方法，至少是能減緩災難性氣候衝擊的潛在解決方案，也能滿足《聯合國氣候變遷綱要公約》(United Nations Framework Convention on Climate Change)下的目標。
除了改善能源效率並增加零碳能源使用，碳捕捉技術可在穩定大氣中溫室氣體濃度方面發揮重要作用，以防止對地球氣候系統產生危險的干擾。
碳捕捉技術有兩大類，一是在發電廠或是工業製程等排碳來源捕捉，然後儲存在非大氣儲存庫中；像是美國麻省理工學院(MIT)執行、已在2016到期的碳捕捉與儲存技術專案(Carbon Capture and Sequestration Technologies Program)，是將二氧化碳儲存在海床深處的鹹水含水層(saltwater aquifers)；利用現有的離岸設施(參考圖1)，以一種被發現是普遍安全且永久性的方法來進行。
圖1：除碳專案能利用現有基礎設施，像是圖中的海上鑽井平台，將碳封存到海床深處。
(來源：MIT)
這種類型的碳封存也在尋找更先進的碳捕捉方法，因為目前的相關技術都需要高昂的運作成本，而且相當耗能，需要非常高的溫度以及特製溶劑。更具永續性的解決方案有其必要，像是最近由美國伊利諾大學芝加哥分校(University of Illinois Chicago)所開發的一種電化學裝置，能提供超快速的連續碳捕捉。
上述系統能做得夠大，直接從煙囪排放中捕捉二氧化碳，而且因為使用電透析(electrodialysis)方法，是省電也相對較便宜的技術。這種與其他在新一代二氧化碳捕捉器中採用的技術──通常是以胺(amine)來捕捉氣體，一旦二氧化碳被剝離並儲存，還能重複使用──最終可望讓碳捕捉實際用於從個人到產業的不同規模應用。
圖2：一家名為Carbfix、原為產學合作專案的新創公司，是將工業碳排來源透過溶解於鹽水中，來轉移二氧化碳排放，然後將之封存於反應性岩層。
(來源：Carbfix)
此外，一家名為Carbfix的新創公司，正在冰島以及整個東歐開展業務，從工業領域夥伴以及其他來源捕捉碳，並將之礦化(mineralize)為穩定的礦床(deposit)。樹木、植被與岩石都是從大氣中吸收碳的自然形式，Carbfix模仿並加速這種自然過程，將二氧化碳溶於水中，並與像是玄武岩的反應性岩層(reactive rock formation)交互作用形成穩定的礦物(參考圖2)──這是永久性而且安全的碳匯(carbon sink，EETT編按：即大自然吸收碳的儲存庫)。
直接空氣捕捉法
只是盡可能防止二氧化碳散逸到大氣中是不夠的，必須與第二種碳捕捉方法協同合作──去除大氣中的碳隨即封存。這種方法又被稱為直接空氣捕捉(direct-air capture，DAC)，其系統不需要與排放來源結合就能運作。
執行這種方法的其中一種形式，是由領先DAC業者如Climeworks、Carbon Engineering與Global Thermostat所營運的大型設施；這些業者總共有18座規模不一的廠房，將他們捕捉到的碳之中的一半封存，然後將另一半出售、應用於不同產品。
圖3：Climeworks的大型DAC設施，以工業用風扇吸入環境空氣，將其中的二氧化碳分離、儲存，同時釋出乾淨的空氣到環境中。
(來源：Climeworks)
例如已經開發除碳與封存技術13年之久的瑞士業者Climeworks，最近才宣佈在6月底開幕了第二座商業規模廠房；該公司預計到2030年，可達到每年捕捉並儲存數百萬噸二氧化碳的目標(參考圖3)。而目前Climeworks的廠房設施是從環境空氣中捕捉二氧化碳，並與Carbfix合作將之儲存於玄武岩層。
Climeworks新開幕的廠房完全上線後，每年可捕捉並儲存3萬6,000公噸二氧化碳；未來還將加入一個較小的工廠，一年除碳量為4,000公噸。不過這只是全球一年排碳量的一小部分──光是在2021年，全球碳排量創下363億公噸的新高紀錄。
DAC系統發展態勢強勁，Climeworks與其他業者也在積極開展業務。如另外一家DAC業者，美國的Global Thermostat，從2010年投入營運並開發DAC技術，為不斷成長的碳循環經濟帶來動力，其終極目標是開發「耗費資源最少、成本最低的氣候威脅解決方案」。
Global Thermostat的DAC解決方案是透過標準工業風扇，在蜂巢結構接觸器面板上處理空氣，選擇性捕捉二氧化碳；然後可以透過注入面板的蒸氣釋出，或是將之濃縮以供收集與使用。該面板可重複使用，也能抽換為正在開發中的、更高容量的面板。
而成本、能耗以及土地使用，是長期以來DAC技術面臨的問題。一般而言，必須要有很大的表面積才能以可觀的速度來吸收二氧化碳，但也有一些值得注意的例外情況正在進行。而DAC技術也相對較昂貴，大多數再造林(reforestation)除碳方案的成本低於50美元/噸，DAC技術的成本則高達250美元至600美元。
此外還有能源成本。液態溶劑系統需要900攝氏度以釋放二氧化碳，固態吸附劑系統則需要80至120攝氏度。為了最佳化淨捕捉效率，能源必須是零碳排或是低碳；要擴大現有系統絕對會需要不平凡的能源使用。
一家美國新創公司CO2Rail，專長以軌道為基礎的自供電DAC，正在開發特製的軌道車，以實現車載二氧化碳收集(參考圖4)。那些車輛能與現有的火車連結，使用來自再生煞車系統的能源，讓它們搖身變成滾動的碳捕捉工廠。像是Climeworks等業者打造的碳捕捉工廠，會需要大片土地並仰賴再生能源來為過濾系統供電，CO2Rail則是用現有火車來做一樣的事情。
圖4：CO2Rail將特製的車輛與現有火車基礎設施連結，在火車煞停時啟動其除碳系統、吸入周遭空氣。
(來源：CO2Rail)
CO2Rail的特製軌道車利用煞車來讓車載電池保持充電，而移動的火車產生之氣流，免除了對風扇的需要。在火車移動時吸入空氣，被導入一個二氧化碳收集室，以化學方法分離二氧化碳並儲存於液態儲存槽中，等待稍後清空。
這種應用專案的相關數字潛力十足，因為每一列火車的煞車所產生之能量，每天可以為20個家庭供電。每台車估計可從一年3,000公噸的碳捕捉量開始，到2050年可望達到一年29億噸的處理量，其成本會遠低於其他DAC技術。
儘管各國相關政策與投資趨勢越來越有利DAC技術，但是以減排為代價而仰賴除碳技術是危險的，因為DAC與碳捕捉/封存技術可能與石化燃料產業有所關連──有時在被稱為提高石油採收率(enhanced oil recovery)的過程中利用捕捉的二氧化碳，能從已經枯竭的油井產生更多的石油(EETT編按：有報導指出，石油業者聲稱利用碳捕捉技術實現了減碳目標，實際上不僅未達預期標準，反而讓他們開採出更多石油)。
而且，作為一種新型態的基礎設施，碳捕捉對地方社群的影響──無論是正面或反面──仍需要以逐個專案的形式進行研究。雖然碳捕捉技術具備令人振奮的前景，並不能被視為單一解決方案，必須以批判的眼光進行開發；特別是當我們越來越了解到它對環境的整體影響。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年9月號
編譯：Judith Cheng
(參考原文：Exploring the Prospects and Impact of Carbon Capture Tech，By Cabe Atwell)
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