一、前言
對於難以減少碳排放的產業，如農業或航空業等而言，二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal, CDR）能大幅抵消其碳排放量，是實現全球溫室氣體淨零排放的關鍵技術之一。然而，根據聯合國政府間氣候變遷專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）的估計，到2100年全球需清除的二氧化碳累計將達數千億噸，以目前全球CDR每年不到200萬噸的移除量，亟需加速投資技術研發、組合運用以及商業佈署。

為此，美國能源部（DOE）在2021年啟動Carbon Negative Shot計畫，以激勵CDR的創新研發與佈署，目標於2032年前將平均碳移除成本降到每噸低於100美元（含計量、監測、報告與驗證成本），至2050年達十億噸的移除規模。為達成Carbon Negative Shot計畫目標，美國能源部（DOE）在碳移除多年期計畫（Carbon Dioxide Removal Multi-Year Program Plan）中規劃六大CDR技術路徑如圖一，分別為基於自然的土壤固碳（Soil Carbon Sequestration）、造林/再造林（Afforestation/Reforestation）；以及基於工程化的新興技術，如直接空氣捕獲（Direct Air Capture, DAC）、海洋碳移除（Marine CDR, mCDR）、生質碳移除與封存（Biomass Carbon Removal and Storage, BiCRS）以及增強礦化（Enhanced Mineralization）。以下簡述基於工程化的四大技術，包含技術重點、技術挑戰、研發方向與計畫目標。

二、直接空氣捕獲(DAC)
(一)技術重點
直接空氣捕獲（Direct Air Capture, DAC）技術利用機械設備，透過物理或化學原理分離出空氣中的二氧化碳，但過程仍須能源供應。因此，適合應用於分散式的排放源頭(如農田施肥、交通運輸)，且可靈活選址，將儲存與轉換設備設於同一處，進一步提升整體效率，也適合生產淨零排放的化學品或燃料。DAC可與傳統的關鍵源頭碳捕獲(point-source carbon capture, PSC)併用，發揮互補效果。常見的DAC技術分為2大類：以高表面積的固體載體吸附或對二氧化碳具親和力的水溶液作選擇性吸收，之後再進行儲存或轉化作用。新興的反應型碳捕獲(Reactive Carbon Capture)則可直接整合碳捕獲及轉化流程，達到降低營運成本之效。

(二)技術挑戰
最主要的挑戰在於吸附劑和溶劑等關鍵材料成本高昂，以及捕獲及提取二氧化碳需消耗大量能源。此外，目前DAC系統的規模較小，仍需進一步擴大規模化部署以驗證其效益。

(三)研發方向
研發方向涵蓋材料開發、系統設計優化與模組整合等，例如開發新型、高效、低成本的吸附劑和吸收劑材料，如胺基固態吸附劑、氫氧化物溶液與金屬有機框架（MOF）；優化系統設計以降低能源需求，如低壓損之空氣捕獲系統設計、廢熱回收利用與模組化裝置開發。此外，DOE亦鼓勵創新反應式碳捕獲系統的發展，推動材料能同時捕獲並轉化二氧化碳為永續化學品。

(四)計畫目標
2026年前，預計完成至少四項規模達每年5萬噸二氧化碳的DAC樞紐之前期工程設計（FEED），奠定區域部署基礎。2027年前，將針對五項DAC技術完成微量污染物排放量測，並於DAC中心建構虛實整合模擬平台（cyber-physical interface）。至2028年，預計啟動三項新世代DAC技術的小型試點（500 tpa），並發展老化加速測試協議，以模擬材料壽命。至2030年，目標是達成每噸碳移除成本降至200美元以下，並完成多項基準技術之LCA與TEA分析，為後續商業模式奠定基礎。

三、海洋碳移除(mCDR)
(一)技術說明
海洋碳移除（marine Carbon Dioxide Removal, mCDR）是透過各種方式增加海洋自空氣中吸收二氧化碳的能力，並將其儲存在海洋中。技術重點在於增強海洋吸收能力，可分為(1)生物處理（Biotic approaches）：在海中施加鐵、磷或氮等營養素提高浮游植物光合作用、以人工上升流與下降流增加碳的流通、養殖大型藻類吸收並轉化二氧化碳。(2)非生物處理（Abiotic approaches）：利用電化學改變海水pH值或增進海洋鹼化（ocean alkalinity enhancement），以強化二氧化碳吸收。

(二)技術挑戰
改變海洋化學組成可能影響環境生態系統，且需建立標準化且嚴謹的測量、監測、報告與驗證(Measurement, Monitoring, Reporting, and Verification, MMRV)制度以確保碳清除的有效性和準確性。此外，目前多數技術仍屬研究與實驗階段，仍需進一步擴大規模驗證技術及經濟的可行性。

(三)研發方向
研究方向包含加強對海洋碳循環機制的基礎理解，以及推進具潛力的現場驗證技術開發。例如針對多種創新技術進行研究，包括海洋鹼度提升（例如添加鹼性礦物或電解海水）、電化學去碳技術，以及大型藻類栽培與下沉封存法，以及建立跨學科合作，整合海洋科學、工程學和社會科學知識，包含水化學建模、海洋動態模擬、生態風險評估與社會接受度調查。

(四)計畫目標
到2027年，完成至少兩項每年1公噸mCDR小型試點。至2028年，DOE預定與其他聯邦機構合作，建構mCDR協調研發與測試網絡，包括開放式試驗場與實驗室設施，作為技術驗證與環境監測平台。此外，到2029年至少啟動兩項每年1000噸的試點規劃與前端工程設計(FEED)研究

四、生質碳移除與儲存(BiCRS)
(一)技術說明
生質碳移除與儲存（Biomass Carbon Removal and Storage, BiCRS）是利用生物質(如木質、藻類、農業覆蓋作物和殘留物、多年生草本植物等)，經熱液化、燃燒、熱解、烘焙、氣化等轉化過程，並加工成生物製品、生物炭、生物油或穩定儲存於地質中。過去20年來，傳統的PSC計畫只專注在生質能與碳捕獲和封存(Bioenergy with carbon capture and storage, BECCS)技術，現在CDR計畫將擴大到所有BiCRS技術，而且該技術沒有額外的能源需求。但由於此製程與生質能源有許多重疊之處，實施BiCRS多年計畫時，須與其他部門（如農業、能源）緊密協調以避免資源競用。事實上根據研究顯示，若碳價低於每噸200美元時，以此製程處理城市固體廢物和林業殘留物，其碳移除價值可能超過直接發展生質能源系統。

(二)技術挑戰
主要聚焦於商業化過程中的各種障礙，尤其在轉化過程和生質供應鏈方面，如考量永續來源的生質成分、採集、預處理步驟及環境因素的影響；簡化和精進生質的收集、種植、運輸和預處理過程，並確保永續土地管理和高效率。

(三) 研發方向
研究涵蓋碳封存形式的多樣化、原料鏈永續性與副產物價值開發，例如評估不同生質來源（如農業廢棄物、專用能源作物）的碳捕獲潛力、開發高效的生質轉化和碳儲存技術、研究土地利用對生物多樣性、水資源和土壤健康的影響。

(四)計畫目標
目標是在 2028 年前，完成至少三項每年 1,000 噸BiCRS小型試點的現場測試，並建立技術效益與市場潛力評估報告。

五、增強礦化作用
(一)技術說明
增強礦化作用（Enhanced Mineralization）利用鹼性岩石（如碳酸鹽或矽酸鹽類礦物）與空氣、水中的二氧化碳發生化學反應，轉化為穩定的碳酸鹽化合物，實現永久性碳封存。這些加速風化的礦石最後可沉入海底或用於海岸線和農業用地。加速風化的技術可分為原位礦化（in-situ）、異位礦化（ex-situ）和地表礦化（surficial mineralization）三種，除位置不同外，異位礦化發生在受控環境，可以有更好的環控來優化反應，但須要更多的能源與資源；原位、地表礦化則對能源、資源的需求較少。

(二)技術挑戰
處於技術發展早期階段，因此需克服從實驗規模轉換到小批量前導試驗以及商業驗證，如加速礦物碳酸化反應的速率，確保大規模部署的可行性和成本效益，並準確監測和驗證碳移除量。

(三) 研發方向
為加速更成熟礦化技術落地，採取了多元化的策略，如技術開發、試點和現場驗證以及外部合作。包含優化整個供應鏈中增強礦化技術路徑的資源潛力；研究不同的礦物原料和反應條件對礦化效率的影響；與供應鏈中的利害關係人合作，加速大規模實地試驗或試點；制定適用於強化礦物化項目的測量、監測、報告與驗證(Measurement, Monitoring, Reporting, and Verification, MMRV)方法。

(四)計畫目標
主要在推動地上礦化方法（即異位礦化和地表礦化）的發展，目標為在2028年前完成至少一項年移除量達1,000噸CO₂的地表或異位礦化技術之示範驗證，並建立完善之MMRV與生命週期分析(life cycle analysis, LCA)架構。