【能源科技】太阳能过去、现在与未来(六):碳回收

作者: 来源:竞技新奇 时间:2020-06-13 17:10:37 浏览(902)

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(六):碳回收

据IEA最新报告显示,全球能源的最大宗来源仍然是燃煤,主要是因为煤仍是人类最丰富且最廉价的能源,许多第三世界国家十分仰赖它,但煤也是全球暖化不断加速的元兇之一,因此儘管全球可再生能源如火如荼的发展,但要靠慢慢建设各种低碳能源来取代燃煤,实在是缓不济急,简直是「愚公移山」式一厢情愿。所以有许多人认为,最快速的解决办法,是为燃煤加装各种碳捕捉技术,把煤「漂白」。

碳捕捉技术的缺点之一自然是增加成本,但如俄亥俄州立大学研究团发展的间接式燃煤技术,成本并不高,未来许多新的碳捕捉技术将可以在成本上让穷国也能接受,剩下的问题是:那捉来的二氧化碳要去哪?

 碳的「回收再利用」才是未来关键

石油业早就有在老油井中灌入二氧化碳加压,让油井提升产量的技术,因此人类很容易就想到乾脆把二氧化碳打到地底去,眼不见为净,这就是所谓的「碳封存」,但碳其实是一种有用的资源,因此新的作法是想办法利用储存下来的碳,去结合其他的领域来发挥碳的价值。

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(六):碳回收

在过去石油业者以二氧化碳灌入老油井中加压,让油井产量提升。

碳是目前人类最主要的能源载体,人类大量使用碳基燃料,都是来自于植物行光合作用的过程中,以二氧化碳为原料,把太阳能绑在碳基有机化合物之上,人类目前还没有任何比碳更好的能源载体,二氧化碳可说是製造碳基燃料的原料,而捕捉二氧化碳也要成本,好不容易辛苦捉来却丢到地洞里,是本末倒置的行为。

新的观念是碳的再利用,而这就又回到本系列的太阳能主题,前篇提到能源储存,主要谈到熔盐储热与电池技术,但是有研究者提出第三种思考:直接化学储能。

碳回收方法一:转换成一氧化碳

所谓直接化学储能,就是把太阳能以燃料的化学键结能方式储存起来,如此一来不但能让太阳能发电本身稳定供电──没太阳时就烧燃料发电──燃料甚至还可输送到别处使用,或是用于非发电用途等等,而储存的过程,常用到二氧化碳,还可碳回收,一举两得。

洛克希德马丁旗下的桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)就正在实验以聚光式太阳能搭配二氧化碳来储存能量。

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(六):碳回收

美国桑迪亚国家实验室以聚光式太阳能搭配二氧化碳来储存能量。

桑迪亚国家实验室的聚光式太阳能装置,用反射镜将阳光聚焦,加热氧化钴与氧化铁组成的陶瓷体到摄氏1,500度,陶瓷体内部构造为许多交错的直径1毫米小柱,也就是说有相当多空隙可供反应,高热会迫使氧化钴与氧化铁释放出氧,之后,陶瓷体转入一个充满二氧化碳的空间中,缺氧陶瓷体会从二氧化碳上剥夺氧原子,使其变为一氧化碳,然后陶瓷体再转到外头受热,持续循环。

也就是说,太阳能被储存在一氧化碳的化学键结之中,一氧化碳可以直接燃烧发电,也可以用来生产各种燃料,如氢气、甲醇,以及合成汽油等等。

碳回收方法二:转换为天然气

原名SolarFuel的德国ETOGAS,则发展用于太阳能电池的技术,由于使用的是电力,亦可应用在风力发电上。

在德国,由于大力推动可再生能源,在夜间大量风力发电的发电量超过用电量需求只能离线,许多电力平白浪费,近2年来,德国可再生能源过剩,而电力从每年1.5亿度,增加到每年10亿度,预计2050年要达成可再生能源佔80%的目标,在可见的未来内,过剩电力还会持续增加,给予ETOGAS庞大的潜在商机。

ETOGAS的技术是将二氧化碳与水经电力转换为天然气,第一步先以电力电解水,产生氢气与氧气,氢气与二氧化碳反应,产生天然气与水,这个过程的能源转换率为60%。之后,天然气可以直接供应燃气发电,或是作为其他用途的燃料。

4H2 + CO2→2H2O + CH4

把多余电力转换为天然气的化学能,除了达到碳回收以及能源储存的效果以外,由于多余的天然气还能做为其他用途,扩大商业模式的弹性,有助于增加营收,相对降低成本。

ETOGAS目前与德国汽车大厂Audi合作,其天然气厂将供应Audi的1,500辆天然气汽车,此外,这项技术对于偏远地区也十分有吸引力,ETOGAS争取到智利一处矿场的订单,可就地提供能源,节省庞大的燃料运送开支。

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这家250千瓦的展示发电厂,以二氧化碳和氢气生产甲烷,为德国ETOGAS(SolarFuel)所拥有,将供应Audi的1,500辆天然气汽车。

发展化学储能的还有美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory, PNNL),不过PNNL没有用到二氧化碳,而是以天然气加水反应成氢气与一氧化碳,即合成气(Syngas)。

碳回收方法三:应用在生质能源上

进一步探讨碳回收,就进入到太阳能生质能源的领域,如2013年的彭博新能源金融高峰会上10大先锋之一的Joule Biotechnologies,虽然专营生质能源,其实也可说是一家广义的太阳能厂商。

一般生质能源需种植作物、採收,为人垢病的是「与人争地」、「与人争水」、「与人争粮」,以及种植过程仍然需要大量能源──因为农业机械要燃油才能运作。

Joule Biotechnologies并不在土地上种植作物,而是直接以基因工程造出微生物,各种不同的基改微生物能以光合作用直接产生乙醇或其他可作为燃料的有机化合物,可视所需要的产品来更换微生物。

微生物在密闭的水管中循环,打入二氧化碳气泡,微生物就在其中进行光合作用,製造出燃料,在Joule Biotechnologies的厂区,水管遍布整片地面,就好像绿色的太阳能电板似的,而Joule Biotechnologies的厂址也与一般太阳能电厂一样设在荒凉的沙漠,不会「与人争地」。

Joule Biotechnologies的技术不仅可以回收二氧化碳,还由于水在水管中密闭循环,不像种植作物那样耗费水资源,不会「与人争水」,也不会「与人争粮」,产生的产品还可以随市场需求,更换不同的微生物,就产生不同产品。

发展此类太阳能生质能源的也不只Joule Biotechnologies一家,全球各地实验室与新创企业中,各种不同藻类、微生物都正在为人类製造燃料;也不一定像Joule Biotechnologies那样水管铺满地,有的技术使用可成排挂在室内的水包,利于人口稠密的亚洲应用。

三十年河东,三十年河西,期待太阳能的东山再起  

本系列至此,就先告一段落,但是太阳能的各种技术,绝不是仅此而已,本系列只是走马看花的提供一些简单介绍,在本系列介绍的技术以外,全球尚有相当多各种不同技术正在研发之中,其中或许只有1~2%会成功,但是亦足以改变整个世界。

而即使没有划时代新技术造成突破性的进展,也不代表市场不会起大变化,5年前,几乎没有人预料到2011年会出现太阳能电池大崩盘,5年后的太阳能发展,也很可能是现在的我们所完全预想不到的。

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