直接空氣捕捉DAC，會是氣候變遷的終極解方嗎？

前言

之前的文章中簡單介紹了一些碳移除方法，大多數人較爲熟悉的自然為本技術方案，例如自然保留區、造林、濕地復育等都有其地理空間限制，也存在野火風險。因此技術為本的碳移除方案也一直是另一個重要的發展面向，尤其是直接空氣捕捉（Direct Air Capture, DAC）更消彌了地理空間限制，畢竟在地表上任一處捕下來的二氧化碳一噸就是一噸。

DAC技術目前尚未進入台灣的群眾視野之中，就算有聽過的人可能也只會有成本很高昂的印象；這回詳細介紹一下。

本文主要參考文獻為：Gregory de Temmerman, François de Rochette. The CDR series: DIRECT AIR CAPTURE (DAC). Zenon Research. 2023, pp.16. ⟨hal-03947547⟩

何謂DAC

直接空氣捕捉（Direct Air Capture, DAC）是一種碳移除技術，透過機械過程直接從大氣中移除二氧化碳。DAC的核心是利用化學吸附或吸收技術，捕捉並分離出大氣中的CO₂，然後將其永久封存或重新利用。這項技術與其他CCUS方法的不同之處在於DAC能夠直接處理大氣中的CO₂，解決低濃度CO₂的挑戰，這使它成為應對氣候變遷的重要潛在解決方案之一 。

DAC技術最早在1990年代後期提出，隨著氣候變遷問題的加劇，這項技術逐漸受到關注。雖然其技術應用仍在初期階段，但它能夠提供持久且可測量的負排放解決方案，特別是在全球向淨零排放過渡的情境中，被視為具有重要潛力的一環 。

DAC的運作原理

DAC技術主要依賴於化學過程從大氣中移除二氧化碳（CO₂）。具體過程可分為兩個步驟：

1. 捕捉階段：大氣中的空氣經由風扇推動進入捕捉裝置，這裡的關鍵是含有專門設計來捕捉CO₂的材料。這些材料可以是固態的吸附劑或液態的吸收劑，它們通過化學反應將CO₂從空氣中分離出來。
2. 再生階段：捕捉的CO₂在這一階段從材料中釋放出來。這個步驟需要熱能或真空系統來分離CO₂，並使捕捉材料回復到可再次使用的狀態。分離出的CO₂可以被封存於地質儲存庫中（DACS，Direct Air Capture with Storage），或用於其他商業用途（DACU，Direct Air Capture Utilization），如合成燃料或建築材料 。

DAC的類別

DAC技術根據使用的捕捉材料和過程，主要分為兩大類：

1. 固態直接空氣捕捉（S-DAC）：固態DAC依賴於高孔隙率的吸附劑（如多孔材料）來吸附CO₂。在適當的環境溫度和壓力下，CO₂會附著在吸附劑表面，當吸附劑達到飽和後利用熱能或真空將CO2從材料中釋放出來。該技術具有較高的選擇性和較小的物理空間需求，適合用於需要較低能耗的應用情境。
2. 液態直接空氣捕捉（L-DAC）：液態DAC依賴於液體吸收劑，如氫氧化物溶液，來吸收CO₂。空氣通過這些吸收劑時CO₂與溶液中的化學成分發生反應，形成碳酸鹽。接著這些碳酸鹽通過熱處理和化學反應（如與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣）來釋放CO₂。液態系統需要較高的操作溫度，但有較大的處理能力，適合大規模部署 。

這兩種技術都需要熱能和電能，但各自的能量需求和操作條件有所不同。固態DAC的熱能需求相對較低，而液態DAC需要更高的操作溫度，因此在選擇具體應用時，需根據地區能源資源等條件進行評估。

著名開發商與案例

1. Climeworks：Climeworks是DAC技術的先驅之一，該公司在冰島的Orca設施是全球首個大型商業化DAC工廠，完全依靠可再生能源運作。Orca每年可捕捉約4000噸的CO₂，並將這些CO₂永久封存在冰島的地質儲存庫中。Orca使用的是固態DAC技術（S-DAC），通過多孔吸附劑捕捉CO₂，並利用低碳熱能進行再生。這座設施的成功運作為DAC技術的商業化部署奠定了基礎。
2. Carbon Engineering（加拿大）：位於加拿大的Carbon Engineering公司主推液態DAC技術（L-DAC），其設施在捕捉大氣CO₂後將其用於生產合成燃料。這種燃料可用於航空業等難以脫碳的行業，並具備碳中和的潛力。Carbon Engineering的系統每年可捕捉約100萬噸CO₂，並使用高溫再生技術釋放CO₂ 。
3. Global Thermostat（美國）：Global Thermostat專注於開發基於固態吸附劑的DAC技術，其位於美國的設施可以通過低成本的電力和廢熱來運行DAC設備。這家公司致力於將CO₂捕捉後重新利用於工業應用，如二氧化碳飲料、建築材料和增強石油採收等領域，旨在降低整體捕捉成本並推廣DAC的商業應用 。

技術需求

1. 高能耗：捕捉CO2的過程需要使用大量的能源，因為大氣中的CO₂濃度相對較低（約0.04%）。現有的DAC技術每捕捉一噸CO₂需要約4-10 GJ的能量，其中約80%是熱能，20%是電能。固態DAC（S-DAC）和液態DAC（L-DAC）都需要熱能來再生捕捉材料，這使得能源供應成為關鍵挑戰。要使DAC能夠真正具備淨零排放效果，所使用的能源必須來自低碳或無碳的能源來源，如可再生能源或核能。
2. 材料需求與供應鏈：DAC技術依賴特定的吸收材料，如多孔吸附劑（S-DAC）或氫氧化物溶液（L-DAC）。這些材料需要定期更換或再生，且生產高效且持久的吸附材料仍是研發的重點。目前的供應鏈還未完全具備大規模生產這些材料的能力，因此，吸附劑的生產和更換會對成本結構和技術可行性產生影響
3. 水資源需求：在一些DAC技術中水被用於捕捉和再生CO₂的過程中。液態DAC技術每捕捉一噸CO₂需要約1-6噸的水，這可能在水資源緊缺的地區成為限制因素。然而，固態DAC在特定環境下反而能淨產出水資源，例如在涼爽、潮濕的氣候下，這被視為一種潛在的附加效益。
4. 土地需求：大規模DAC設施需要一定的土地來部署設備和提供能源。以太陽能或風能供電的DAC設施，每年捕捉1百萬噸CO₂需要約30-60平方公里的土地，雖然這比其他碳移除技術（如BECCS）所需的土地要少，但在能源選擇上仍需進行區域評估，特別是在土地資源有限的地區。

技術限制

1. 高成本：當前DAC技術的成本相對較高，每捕捉一噸CO₂的成本估計在200到1000美元之間。這一高成本源於技術的初期階段和其龐大的能量需求。儘管成本預計會隨著技術成熟和大規模部署而下降，但短期內這仍然是限制其普及的重要因素。
2. 碳移除效率挑戰：DAC技術的能源來源直接影響其碳移除效率。如果DAC系統使用高碳排能源，其捕捉CO₂的效益將會大打折扣。因此，DAC的運營需要在低碳能源豐富的地區進行，這樣才能保證DAC的全生命周期碳效率達到85-95%。
3. 再利用與封存的限制：捕捉到的CO₂可以被封存於地質中（DACS），或被再利用於工業應用（DACU）。然而，地質儲存的容量和可行性尚未在全球範圍內充分評估，且封存設施的建設也面臨資金和技術上的挑戰。此外，CO₂的工業再利用（如生產合成燃料）通常是碳中和，而非負排放，因此對於達到全球淨零排放的貢獻有限。
4. 規模化挑戰：要實現DAC在全球範圍內有效部署，需要建設大量設施來捕捉數十億噸的CO₂。儘管一些國家已經投入資金支持DAC技術的研究與發展，但在基礎設施、政策框架、供應鏈和市場機制上，還有許多工作需要完成。

技術現狀

直接空氣捕獲（DAC）技術目前處於初期商業化階段，但已有一些關鍵項目成功運作。到2022年為止，全球已有約19個DAC設施投入運作，每年捕捉的CO₂總量約為1萬噸 。這些設施主要由三家領先的公司推動，包括Climeworks、Carbon Engineering和Global Thermostat。儘管技術在不斷發展，全球範圍內的捕捉量仍處於非常有限的階段。

主要發展趨勢

1. 技術成熟度：DAC技術的技術成熟度（Technology Readiness Level, TRL）約在6-7級（依據國際能源署的定義），表明其已經從實驗階段進入初期商業化應用。儘管目前已有一些商業運行中的DAC設施，但大規模推廣仍需進一步技術提升和成本降低。
2. 產業投資增加：過去幾年，DAC技術獲得了來自創投和私募股權基金的大量投資。2022年Climeworks創下了6.5億美元的募資記錄，並有像微軟和Shopify這樣的公司提前購買DAC碳抵換，支持技術的早期部署。這些投資將幫助DAC技術進一步擴大其產能，並推動技術進步。
3. 政策支持增強：各國政府開始加大對DAC技術的支持。美國的45Q稅收抵免和負碳目標計劃（Carbon Negative Shot），以及歐盟的Horizon Europe和創新基金等政策，為DAC技術的研究和部署提供了政策和資金支持。英國的淨零策略（Net Zero Strategy）也強調了DAC技術在碳捕捉與封存中的重要角色。
4. 碳捕捉與封存（DACS）的發展：目前，大部分DAC技術專注於捕捉CO₂後的再利用（DACU），例如用於飲料、增強農業產量、建築材料等。然而，越來越多的項目開始專注於永久封存捕捉到的CO₂，即DACS。這將在未來的氣候變遷應對策略中發揮關鍵作用，畢竟永久封存方能提供高效且持久的負排放。

成本結構

直接空氣捕獲（DAC）技術的成本結構主要受到能耗、材料需求、設施規模和運營成本等多方面因素的影響。由於這是一項仍處於初期商業化階段的技術，成本相對較高，但隨著技術進步和大規模部署，預計成本將逐步下降。

當前成本

目前，DAC技術的每噸CO₂捕捉成本範圍廣泛，估計在200美元至1000美元之間，這取決於技術類型、設施規模、地區能源成本和供應鏈效率等因素 。具體而言：

1. 固態DAC（S-DAC）的成本主要集中在吸附劑的生產與再生，以及吸附劑的使用壽命。吸附劑通常在多次捕捉循環後會失效，因此需要定期更換，這增加了運營成本。
2. 液態DAC（L-DAC）的成本則來自於更複雜的系統設計和較高的熱能需求。液態系統需要運行在高溫下，因此資本支出和運營支出相對較高。

成本組成

DAC的成本可以分為以下幾個主要部分：

1. 資本支出：包括設備、設施建設、基礎設施投資等。對於L-DAC系統，這些成本約占總成本的一半，因為它們需要更大型和複雜的基礎設施。對於S-DAC系統，資本支出則較少，但吸附劑的成本可能會增加。
2. 營運支出：營運成本涵蓋設施的維護、人力、能源消耗及廢棄物處理等。DAC技術的高能耗使得營運成本中的能源支出占有較大比重，尤其是熱能需求對於L-DAC系統尤為重要。
3. 能源成本：能源價格直接影響DAC技術的總體成本，特別是熱能需求。現有的技術對每噸CO₂的能源需求為4-10 GJ，其中80%來自於熱能，20%來自於電能。隨著全球能源系統的轉型，預計未來的能源成本將會有所波動，從而進一步影響DAC的總成本結構。
4. 材料成本：吸附劑和溶劑的成本在整體成本結構中占有相當重要的比例。固態DAC技術需要使用專門的吸附劑，這些材料的生產和更換成本會隨著技術進步而下降。液態DAC技術則需要使用氫氧化物溶液，並且需要對溶液進行再生處理。

未來成本下降預期

儘管當前DAC技術的成本相對較高，但隨著技術進步和規模化效應的顯現，預計到2050年時DAC的每噸CO₂捕捉成本可降至100至200美元之間。幾個關鍵因素將推動成本下降：

1. 規模經濟：隨著更大規模的DAC設施投入運作，資本支出將受益於批量生產和效率提升。S-DAC技術的模組化特性使其特別適合大規模生產，這將有助於降低整體資本成本。
2. 技術進步：不斷的研發將提高捕捉效率，並降低再生材料的成本。新型吸附劑和溶劑的開發，以及系統架構的改進，將有助於減少能源需求和營運成本。
3. 學習效應：隨著DAC設施的建設和運作，從實際操作中累積的經驗將有助於優化系統設計和營運流程。國際能源署（IEA）估計，資本成本有可能隨著學習效應下降3到10倍。

成本比較

根據現有研究，DAC技術的成本相對於其他碳捕捉與封存技術（如工業源點碳捕捉）仍然偏高。隨著市場對負排放技術的需求增長，DAC的成本預期將與其他碳捕捉技術逐漸接近，特別是在低碳能源供應充足的地區。

未來展望

DAC技術雖然處於初期發展階段，但隨著能源系統的低碳轉型、技術創新以及投資者和政府的支持，DAC有潛力成為應對全球氣候行動的重要組成部分。未來的成功部署將依賴於技術進步、政策支持和市場創新，特別是在提升碳捕捉效率和降低成本方面的努力。DAC技術將與其他碳移除技術協同發展，共同推動全球淨零排放目標的實現。