「碳循環經濟」是什麼？一篇了解碳捕獲、封存與再利用

碳循環經濟將「碳」視為一種資源，而二氧化碳則是在利用碳的過程中產生的副產品，如何做好資源及廢棄物管理，透過減少、再利用、回收及去除4R，建立閉鎖的循環經濟模式，才能在保障人類生活品質的前提下，維持居住環境安全。本篇文章將介紹碳循環經濟是什麼，以及4R、碳捕獲、再利用及封存（CCUS）具體如何實踐。

什麼是「碳循環經濟」？

碳循環是保持氣候穩定的自然循環系統，經過生物呼吸、火山噴發、燃料燃燒及微生物分解等活動產生的二氧化碳，會被植物、藻類吸收，死亡後再次埋入地底或沉入海底，達到大氣中二氧化碳數量的平衡。但人類工業革命後大量排放二氧化碳，已然打破這個平衡的循環，我們可將碳元素視為一種資源，用以供作人類的經濟活動使用，也會產生對環境有害的廢棄物－二氧化碳。

人類傳統上以線性經濟模式使用碳元素，從地層中挖掘出富含碳的生物燃料，如石油、煤炭與天然氣等，消費燃燒它們，最終將廢棄物二氧化碳排入大氣中，這種搖籃到墳墓的經濟模式使溫室效應加劇、招致氣候變遷。

若要維持線性經濟模式，要解決氣候變遷問題就必須最大限度減少資源使用，這意味著人們的生活品質將會下降。為了在保障安全的氣候同時維持舒適的生活環境，人們以與循環經濟作為參照，提出碳循環經濟的理念，透過資源再利用、減少浪費及零廢棄等作為，讓碳元素能夠停留封閉的資源利用體系中，降低對環境的傷害。

碳循環經濟主要包括減少（Reduce）、再利用（Reuse）、回收（Recycle）與去除（Remove）4R方式，與循環經濟中的零廢棄等級不同，此４個手段都十分重要，也仰賴彼此間相互配合，因此不會排出資源投注及方案使用的優先次序。

關於什麼是零廢棄等級，請閱讀本篇文章：「零廢棄』是什麼？零廢棄原則與等級、零浪費的生活範例。

減少措施是以提高能源使用效率、使用替代能源等方式減少碳使用；再利用措施是不消耗能源製成新產品的方式，回收則是透過能源消耗將二氧化碳轉換為新產品；去除不屬於零廢棄等級，以創造出自然或人工碳匯，將二氧化碳移出封閉的資源利用體系中，雖然無法產生新的價值，但能不讓二氧化碳進入環境中，對環境產生影響。

碳循環經濟的「4 Rs」是什麼？

碳循環經濟的4R為：減少（Reduce）、再利用（Reuse）、回收（Recycle）與去除（Remove），是構成碳循環經濟的核心基礎。

減少的措施包括：提高能源生產及運輸效率，藉而降低用於發電及動力的燃料數量、提高再生能源如水力發電、核能發電、風力發電、潮汐發電、太陽能發電及地熱發電的發電量，降低使用在發電項目的碳使用量。

再利用的措施包括：用來提高溫室作物產量、投餵給藻類讓牡蠣或鮭魚的食物更加豐富、轉化為碳酸鹽作為混凝土原料用於建築材料上、製作碳酸飲料、作為冷凍氣體、提高石油開採率。

回收的措施包括：以電能或熱能轉換為甲烷及甲醇等燃料、製作化學肥料、塑膠與合成橡膠。

去除是將二氧化碳透過自然或人工方式移除的手段，例如復育濕地、以低耕作農業及覆蓋種植方式種植樹木、直接捕捉空氣中的二氧化碳等，並將這些二氧化碳儲存至可以保存二氧化碳數百年以上的系統內，例如建築石材或地殼中。

Reduce 減少：減少進入大氣的碳排量

碳循環經濟中的「減少」措施，從源頭減少逃逸進入大氣中的二氧化碳數量，降低需要管理及捕獲的二氧化碳，目前主要透過以下幾個方式執行：

提高運輸效率

根據國際能源總署估計，透過提高運輸的能源使用效率，能夠減少20%以上的全球排放潛力（potential to reduce global emissions）。在公路運輸上，降低汽車重量及提高發動機效率，同時增加電動車的市佔率，讓汽車的總量雖然保持上升，卻預計能維持在2018年時的二氧化碳排放水平，未來若汽車總量開始停滯甚至下滑，便能逐漸降低二氧化碳排放量。

航空業是最需要改進的交通運輸行業之一，使用更有效率的發動機及飛機設計改善都能提高效率，但因為飛機的交貨時間較長且投資成本高昂，電動馬達及燃料電池等典範創新很難短時間出現，由高速鐵路運輸取代較短距離的航空運輸是較經濟實惠的選擇，其能源使用效率是飛機的11倍，而在歐洲之星、中國高速鐵路、日本新幹線等具備高速鐵路系統的區域，航空運輸量下降超過40%以上。

提高建築物與電器效率

目前已有充足的技術足以實現烹飪、水及空間加熱與冷卻設備的能源效率改進，許多國家也使用稅金或補貼來鼓勵，其中光是隔熱材質的改善就可能減少全球暖氣能源消耗量的一半，冷卻設備若採用區域供冷設備也可能降低冷氣能源消耗量的一半。

工業設備改善

工業活動雖隨著人口與消費能力增加而增長，但正逐漸從能源使用密度較高的重工業轉為能源使用密度較低的輕工業。輕工業將是減少二氧化碳排放的最大關鍵，可以透過提高馬達效率、降低廢熱產生的新機具達成；能源密集的重工業則主要透過提高材料回收率，包括廢金屬、廢玻璃與廢塑膠等降低二氧化碳排放。

再生能源

再生能源為原料取之不盡的能源產生方式，包括地熱、風力、潮汐、太陽能與生物發電等，目前技術最成熟也最有發展潛力的為太陽能及風力發電2種，而生物燃料發電能填補太陽能及風力因天氣帶來的不穩定性。再生能源發電過程中不會產生任何二氧化碳排放，是許多碳循環經濟措施不可或缺的一部分，例如二氧化碳捕捉後的純化、回收再製為不同產品的過程中，都需要使用大量能源，若能使用再生能源便能增加許多措施選擇。

核能發電

核能發電使用鈾來進行，雖然是不可再生能源，但發電過程中亦不會產生二氧化碳排放，撇除意外情況，也是最可靠與穩定的低碳能源來源，2019年時已成為僅次於水力發電外全球第二大低碳電力來源，能支援不穩定的再生能源供應。除了發電外核熱也能用來提供工業與住宅熱能、海水淡化及氫氣生產等，從更多面向減少二氧化碳排放。

Reuse 再利用：獲取並重新利用二氧化碳

碳循環經濟中的「再利用」措施，以直接或低度能源消耗方式利用二氧化碳，製成其他新的產品供人們使用：

石油開採

將二氧化碳填入原先儲存石油的岩層當中，能讓本難以開採的石油流向生產井，提高石油產量並同時將二氧化碳留在岩層中。這些留在岩層中的二氧化碳數量，甚至可能較額外開採的石油燃燒產生的二氧化碳數量多。

建築材料

在混凝土攪拌過程中注入二氧化碳，可以產生碳酸鈣構成填料、黏結與固化的一部份，加入二氧化碳的混凝土較傳統混凝土具有更高的性能，並可將二氧化碳固定在穩定材料中，持續數百年以上的時間。

肥料（尿素）

尿素透過氨與二氧化碳反應製成，這些二氧化碳主要來自於氨製作過程的副產物。尿素會施用於土壤，讓其中的氮輸送至農作物根部，二氧化碳會在過程中釋放到土壤中，最後重新回到大氣。

冷卻、飲料製造、促進植物生長等其他商業用途

二氧化碳也能用於冷卻劑製作、飲料碳酸化、促進溫室植物或藻類生長等多種商業用途，雖然這些用途的二氧化碳需求量正持續上升，但因為總量不高，故對於碳循環經濟的幫助並沒有前面3者來得大。

Recycle 回收：碳進行化學反應轉化為新產品

碳循環經濟中的「回收」措施，以能源或高溫將二氧化碳與其他物質重新混和加工，製成新的產品或能源使用。

合成燃料

由於二氧化碳是一種非常穩定的分子，若要轉化為燃料需要提供大量外部能量，目前最成熟的方式是與電解氫結合成為碳氫化合物燃料，如甲烷等來取代石化燃料。

合成化學品

二氧化碳可作為塑膠、纖維與合成橡膠等多種含碳化學品原料，這些化學品的碳目前多數來自石化燃料。但要合成化學品需要高強度的用電及用水，因此再生能源及選址便十分重要。

建築骨材

發電廠或工業過程中產生的鐵渣或煤粉等廢料經過分離及高溫高壓純化後，能與二氧化碳反應產生建築骨材原料。

Remove 去除：空氣中直接捕獲碳排並封存利用

減少、再利用及回收雖然有助於碳資源及廢棄物的有效管理使用，但目前在碳循環經濟中的二氧化碳數量已然過剩，再利用及回收大多只是讓二氧化碳暫時停留在其他產品中，例如燃料或肥料內，產品使用後便會釋放回到循環系統。有一些方式能長久保存二氧化碳如再製為建材等，則因需求量有限而無法封存足夠數量的二氧化碳，因此需要以去除的方式將二氧化碳封存，直接移出碳循環系統。

地質封存

將從大氣或廢棄收集系統中收集的二氧化碳注入地下深處的岩層中，這些岩層不透水而能避免二氧化碳洩漏。

植物造林

造林能夠在植物生存時將二氧化碳轉換為氧氣，從大氣中去除二氧化碳，其中紅樹林因為生長於溼地，死亡後植株不易受到微生物分解，長久的將二氧化碳以生物碳的形式保存，每單位面積儲存的碳是熱帶樹林的3-5倍，因此種植紅樹林並保護濕地是重要的二氧化碳去除手段之一。

CCUS：碳捕獲、再利用與儲存

CCUS技術由CCS（CO2 Capture, Storage）演化而來，相較於CCS僅是單純的捕獲及封存，多了再利用的可能性，是整個碳循環經濟的完整體現。以下將會就捕獲、運輸、再利用到儲存一一解釋CCUS技術：

二氧化碳捕獲

人類主要由燃煤或燃氣發電廠廢氣排放口、空氣及海洋中捕獲二氧化碳。

燃煤或燃氣電廠廢氣排放口是收集二氧化碳的最佳地點，這些廢氣中含有大量的二氧化碳，人們從1950年便開始在煙道內安裝胺溶液池來捕獲二氧化碳，二氧化碳會在胺液中形成可溶性碳酸鹽，最後再透過加溫加壓來釋放二氧化碳。

直接空氣捕捉（Direct air capture）能直接從空氣中移除二氧化碳，使用氫氧化鉀溶液使空氣中的二氧化碳與其反應產生碳酸鉀，再利用氫氧化鈣與碳酸鉀反應產生碳酸鈣來儲存二氧化碳。或是使用風扇使空氣通過濾網，濾網中的二氧化碳經過升溫會重新釋放。由於直接空氣捕捉仰賴與空氣接觸的表面積，因此需要十分充足的土地供給。

海洋中的二氧化碳濃度是大氣中的數十倍，從海水中吸收二氧化碳的過程近似於海水淡化，吸入海水後以滲透壓的形式，透過膜分離出少量（約1%）含碳酸氫鹽的酸鹼液體，剩餘被清除二氧化碳的海水則直接返回海中，酸鹼液體進一步能夠純化出二氧化碳。

二氧化碳運輸

捕獲後的二氧化碳會先經過加壓程序，使其能夠轉為液體狀態，盛裝於鋼瓶中或使用管道運輸。無論是加壓或是運輸都需要耗費能源，因此在此階段使用減量中的再生能源方案十分重要。

二氧化碳再利用

收集二氧化碳後，能夠利用前文提到的再利用或回收等方式，作為燃料、化學品、建築及生活用品的原料，完善碳循環經濟。

二氧化碳儲存

除了再利用以外，也能將二氧化碳壓縮成超臨界流體（Supercritical fluid，物質呈現非氣也非液體的均勻流體，SCF），注入地下800公尺以下的合適地質結構中永久儲存，這些封存地點大多使用已開採的海上油井，以降低額外鑽入地底造成的能源消耗。

為什麼「碳循環經濟」對我們很重要？

若要在保持現有經濟發展與生活品質的前提下，避免氣候變遷對人類生存環境的威脅，碳循環經濟是人類必須採取的手段，透過碳循環經濟能減少更多有機碳資源的開採，也阻止它們轉為二氧化碳釋放到大氣當中，同時透過去除手段重新將大氣中的二氧化碳轉換為有機碳或儲存於地殼中，最終希望讓大氣中的溫室氣體含量回到工業革命前的水平，符合政府間氣候變化專門委員會所擬定的減碳路線，弭平人類對氣候帶來的影響。