生物質碳移除與儲存（BiCRS）技術生命週期評估（LCA）介紹

前言

美國能源部熱騰騰剛出爐的新指南，非常詳盡地說明最理想完善的生物質碳移除與儲存技術生命週期評估該怎麼做。儘管文件本身並不具備強制性和約束力，但在足夠權威的加持下，未來許多相關的碳權專案方法學想必都會朝此方向進行調整。

另外，文件內容包含詳細的公式以及說明圖表，希望能深入了解內容的讀者可自行下載研讀。

文件摘要

這份文件說明闡釋生物質碳移除與儲存 (BiCRS) 技術的生命週期評估 (LCA) 最佳操作方案。它針對 BiCRS 系統，包含專注於碳儲存的技術和同時提供生物能源和碳儲存的 BECCS 技術，提供了詳細的 LCA 指南，涵蓋目標與範疇定義、生命週期盤查分析、生命週期衝擊評估和結果詮釋等階段。

文件中特別探討了 BiCRS LCA 的獨特議題，例如替代用途、碳洩漏和共同效益，並提供案例說明和最佳實務建議，以確保 LCA 的一致性和可靠性。 同時也強調了不確定性和敏感度分析的重要性，以提升研究結果的可信度。

BiCRS 之定義

Biomass Carbon Removal and Storage (BiCRS) 技術指的是利用生物質吸收二氧化碳，並將碳長期儲存的技術。這些技術包含：

• 專注於碳儲存價值的技術：利用生物質作為媒介，將二氧化碳從大氣中移除，並以陸地儲存或長效生物衍生產品的形式永久封存碳。
• • 這些技術主要關注生物質的碳含量，而非其能量含量。
  • 例如：生物質掩埋、液體注入和穩定的生物碳 (如生物炭)。
• 生物能源與碳捕獲和封存 (BECCS)：同時提供生物能源和碳儲存價值。
• • BECCS 技術使用生物質產生可用能源，同時將二氧化碳捕獲並封存。
  • 要被歸類為 BECCS，系統必須在生產能源的同時，長期（至少 100 年）儲存生物碳。

BiCRS 技術起始於植物光合作用吸收碳，然後通過直接掩埋生物質或轉化生物質（例如熱解），再進行儲存（例如地質注入）來實現長期生物碳儲存。儲存的持續時間/耐久性取決於多種因素，對於不同的 BiCRS 方法，並非單一數值，而是一個範圍。本文件以 100 年的耐久性作為起點。

BiCRS 技術可以使用多種生物質，包括但不限於森林殘留物、農業殘留物和城市廢棄物。這些生物質可以轉化為固體、液體或氣體產品，用於儲存。

BiCRS技術概念圖

LCA 介紹，以BiCRS為例

生命週期評估 (Life Cycle Assessment, LCA) 是一個用來評估產品或服務在整個生命週期中對環境造成的潛在影響的框架。LCA 的設計宗旨是提供一個整體性的視角，檢視從原物料開採到最終處置的各個階段，可能對環境造成的影響。LCA 可以評估的潛在影響範圍很廣，從氣候變遷到人類健康都有。

LCA 的主要目的在於：

• 量化產品或服務系統的環境影響。
• 識別潛在的環境影響熱點或負擔轉移。
• 比較不同替代方案的環境績效。
• 支持技術開發的早期階段，並協助做出更環保的設計。
• 評估碳移除方法（例如 BiCRS）的淨二氧化碳移除量，以及評估與其他環境影響的潛在權衡。
• 為政策制定者、監管機構和企業提供決策支持。
• 協調數據和方法，以實現對碳移除方法進行一致性評估。
• 促進 BiCRS 技術在監管、市場和其他環境中的應用。

LCA 的操作流程主要包含以下四個階段：

1. 目標與範圍界定 (Goal and scope definition)：
2. 1. 明確定義研究的目的，包括要回答的問題。
   2. 定義功能單位 (functional unit)，即所研究系統的功能和性能特徵，作為比較的基準。
   3. 設定系統邊界 (system boundary)，確定哪些流程應納入評估，哪些應排除。系統邊界可以分為「從搖籃到墳墓 (cradle-to-grave)」、「從搖籃到大門 (cradle-to-gate)」和「從大門到大門 (gate-to-gate)」等。
   4. 選擇溫室氣體指標 (GHG metric)，例如淨二氧化碳當量 (CO₂e) 排放量，以評估氣候影響。
   5. 定義比較系統，若要比較不同的技術或途徑，需要確保功能單位、系統性能、系統邊界和數據品質的一致性。
2. 生命週期盤查分析 (Life cycle inventory analysis, LCI)：
3. 1. 收集所有納入系統邊界內的單元製程 (unit processes) 的相關投入和產出數據，包括物質流和排放數據。
   2. 區分系統的前台 (foreground) 和後台 (background) 數據。前台數據指直接操作的過程，後台數據則指供應鏈的相關數據。
   3. 收集設施營運期間的消耗品數據，例如能源、材料和化學品。
   4. 收集非消耗品數據，例如資本設備的製造和設施建設。
   5. 使用公開或商業的數據來源，例如美國能源部 (DOE) 和聯邦政府的資源。
3. 生命週期衝擊評估 (Life cycle impact assessment, LCIA)：
4. 1. 將 LCI 的排放數據轉換為潛在環境衝擊，例如臭氧層損耗、酸化、優養化、霧霾形成、人類健康微粒、人類健康癌症、人類健康非癌症和生態毒性等。
   2. 選擇一套衝擊類別 (impact categories) 和特徵因子 (characterization factors)，將排放數據轉化為對應的衝擊。
   3. 建議使用美國環保署 (EPA) 的 TRACI 方法來評估廣泛的環境影響。
   4. 使用政府間氣候變遷專門委員會 (IPCC) 的最新全球暖化潛勢 (GWP) 特徵因子，將溫室氣體排放量轉換為全球暖化衝擊。
4. 結果解釋 (Interpretation)：
5. 1. 分析和解釋 LCIA 的結果，以確保結果具有意義、可操作和科學有效。
   2. 區分移除 (removed) 的排放和避免 (avoided) 的排放。
   3. 評估 LCA 的完整性，確保涵蓋系統生命週期的所有重要階段。
   4. 進行敏感性分析 (sensitivity analysis) 和不確定性分析 (uncertainty analysis)，以評估結果的穩健性。

BiCRS 之 LCA 操作建議與注意事項

LCA 的一般建議

• 採用從搖籃到墳墓 (cradle-to-grave) 的系統邊界：
• • 為了完整評估 BiCRS 系統的功能，建議採用從搖籃到墳墓的系統邊界，涵蓋生物質生產、收集、運輸、預處理、轉化、碳儲存，以及任何儲存洩漏。
  • 系統邊界應以流程圖清楚呈現，並說明任何被排除的單元操作。
  • 應單獨計算和記錄間接排放，如土地利用變化 (ILUC) 排放，以及替代用途的排放影響。
  • 應考慮非消耗品的實質排放，例如設備製造和基礎設施建設，並根據其使用壽命和可重複使用性進行分攤。
• 使用一致的功能單位：
• • 分析 BiCRS 時，應使用以下功能單位：生物質中最終被耐久儲存至少 100 年的碳質量，無論碳儲存形式為何。
  • 報告每噸生物質碳在耐久儲存至少 100 年的淨二氧化碳當量 (CO₂e) 移除量。
  • 對於生物能源與碳捕獲和儲存 (BECCS) 設施下游的二氧化碳捕獲和儲存，二氧化碳應壓縮至 15.3 MPa (2,200 psig)，且體積含量至少為 95%。
• 使用淨溫室氣體 (GHG) 指標：
• • 為了評估 BiCRS 的氣候影響，建議使用淨二氧化碳當量排放量 (CO₂e) 作為指標。
  • 使用公式計算 BiCRS 技術的淨二氧化碳當量排放量，並將替代用途和間接排放的影響分開報告。
• 確保比較系統的功能等效性：
• • 比較不同的 BiCRS 技術時，應確保功能單位、系統性能、系統邊界和數據品質的一致性。
  • 記錄 BiCRS 技術未來部署的假設情境，包括技術改進。
  • 使用一致的背景數據假設和數據品質要求。
  • 以視覺方式呈現不同系統的邊界，以溝通比較 BiCRS 或碳移除 (CDR) 系統時的一致性.
• 生命週期盤查分析 (LCI) 的數據收集：
• • 消耗品數據：與製程工程建模團隊或設施營運商協調，收集營運能源和材料平衡數據，包含物理量和相關排放清單。
  • 非消耗品數據：編制實際設施的材料和設備數據，若無法取得，則使用建模方法。
  • 數據來源：參考美國能源部 (DOE) 和其他聯邦資源，如國家能源技術實驗室 (NETL)、阿貢國家實驗室 (ANL) 的 R&D GREET 模型、美國聯邦 LCA 公共數據庫。
• 生命週期衝擊評估 (LCIA)：
• • 使用美國環保署 (EPA) 的 TRACI 方法來評估廣泛的環境影響。
  • 使用政府間氣候變遷專門委員會 (IPCC) 的 AR6 GWP 特徵因子，將溫室氣體排放量轉換為全球暖化潛勢。
• 副產品管理：
• • 遵循 ISO 14044 的副產品管理層級方法。
  • 若無法細分，則使用多產品功能單位的系統擴展方法。
  • 負排放量應始終單獨且透明地記錄。
  • 測試多種副產品管理方法，包括分攤。
• 結果解釋：
• • 區分移除的排放和避免的排放。
  • 當研究包括生物質替代用途的避免排放時，應分開記錄以確保透明度。
  • 評估 LCA 的完整性，確保涵蓋所有生命週期階段。
• 敏感性和不確定性分析：
• • 進行熱點分析，識別關鍵參數，並進行敏感性分析。
  • 對於有良好特性的數據，執行隨機模擬，以評估不確定性。
  • 使用情境分析，考慮極端情境以提供決策參考。

BiCRS 的獨特議題

• 基線 (Baselines)：
• • 開發基線以估計洩漏影響。
  • 清楚記錄基線的選擇和假設。
  • 當評估實際專案時應使用基線，但研發或比較用途的 LCA 可以不使用明確的基線.
  • 對於沒有時間動態的系統，可以使用靜態基線。
• 替代用途 (Alternative fates)：
• • 討論因生物質轉用於 BiCRS 技術而避免的特定替代用途。
  • 確保替代用途是現實的，並根據歷史趨勢和市場條件進行評估。
  • 尋求利害關係人意見，以確保替代用途的適當性。
  • 進行情境分析，以評估不同的替代用途，並量化相關的排放影響。
  • 單獨報告替代用途的避免排放或損失的碳封存，與碳移除分開報告。
• 洩漏 (Leakage)：
• • 間接土地利用變化 (ILUC)： 使用經濟模型和土壤模型來估計土地利用變化和相關排放。
  • 清楚定義 ILUC 建模的邊界和範圍。
  • 使用歷史數據驗證模型，並與其他模型比較。
  • 開發多種情境，以捕捉可能結果的範圍。
  • 評估政策和碳定價對土地利用決策的影響。
  • 執行敏感性分析，以了解關鍵參數變化如何影響 ILUC。
  • 透明地說明模型和數據的假設和局限性。
  • 嚴格證明 BiCRS 原料沒有 ILUC 影響。
• 陸地碳影響：
• • 考慮生物質生產和使用對陸地碳儲量的影響，包括森林管理變化和土壤有機碳變化。
  • 考慮生物質使用對其他土地利用和碳儲量的影響。
  • 評估生物質收集對碳重新吸收和生物質分解的影響。
  • 根據不同的空間和時間尺度，進行敏感性分析.
• 副產品和共同效益 (Co-products and co-benefits)：
• • BECCS 系統：應考慮能量產品和碳移除服務，並使用系統擴展或分攤方法進行處理。
  • 共同效益：包括土壤改良、廢棄物減少等，應納入評估並定性討論，特別是當使用農業殘留物、食物廢棄物或森林殘留物作為原料時。
  • 在地條件：共同效益高度依賴於土壤類型、氣候和社會經濟條件，LCA 應反映 BiCRS 系統實施的區域特性。
• 生物碳會計 (Biogenic carbon accounting)
• • 採用明確的碳會計方法，追蹤系統中生物碳的質量平衡。
  • 記錄生物質生產過程中碳的吸收，以及生物質加工和轉化過程中的碳排放和損失。
  • 考慮替代用途的碳影響。
  • 避免使用「碳中和」一詞，而改用「淨零生物碳」。
  • 區分從大氣移除的碳和避免排放的碳。

需要克服的議題

• 數據不確定性：BiCRS 技術仍處於早期發展階段，操作數據可能有限，因此存在不確定性。應進行敏感性分析，以了解參數變化的影響。
• 模型不確定性：在計算特定衝擊類別和處理副產品、替代用途和間接影響時，可能存在模型不確定性。
• 空間和時間變異性：環境影響可能因地區和時間而異，應將此納入考量。
• 方法選擇的主觀性：選擇副產品管理方法、基線、和影響評估方法時可能存在主觀性，應進行情境分析以評估不同選擇的影響。

相關文章

歡迎留言分享，也期待你追蹤並加入沙龍，一起關心氣候變遷與碳移除。

與這個主題相關的文章連結整理如下：

如何應用生物炭實現碳移除，並且由碳權市場取得經濟回報？

生質能碳捕獲與封存（BECCS）技術介紹

碳捕捉後只能封存到地底嗎？看看另一種可能的未來吧

生物炭碳權專案怎麼做？來看看馬來西亞案例吧

生物炭碳權哪家標準比較好？VCS與GS碳權認證標準比較（2024年版本）

碳移除市場 2024 發展概覽 - Puro.Earth 年度報告

高品質碳移除碳權開發關鍵 - Isometric與Graphyte的先行者經驗

新世代淘金狂潮，碳移除技術的投資趨勢與挑戰

負碳經濟起點：碳移除技術之要件

坐擁半壁江山的生物炭碳權供應商：Exomad Green

生物炭碳權專案流程及認證標準比較

Shelby Miller on Unsplash