盧敏彥、陳彥至、鄭乃嘉／工研院材化工所
二氧化碳本質之一是一種溫室效應氣體，減排已是既定的政策；本質之二是一種一個碳(C1)的碳源，為化學工業最基本的Building Block。因此，如能有效地將CO2 轉化成化學品或燃料，除了達成溫室效應氣體減排的目的，亦是確保碳循環得以永續運轉的最關鍵要素，顯見CO2 捕獲及再利用(CCU)是一種既環保又提供永續碳源的手段。由於CO2 具有極高的穩定性，因而反應性非常低，目前較有效的CO2 化學轉化製程一般使用高能量的氫氣為共同反應物，並配合觸媒的催化才能有較佳的效果，但氫氣昂貴的成本是目前CO2 資源化製程落實的主要瓶頸之一。電轉X (Power-to-X; PtX)是將剩餘的可再生電能轉化成氣體或液體的一種儲能方法，關鍵步驟為利用剩餘的電力，驅動水電解反應產生氫氣及氧氣，再利用氫氣的高能量特性來活化CO2，生產氣體或液體燃料以滿足大部分運輸及化學工業需求。其涵蓋了將再生電能轉化為熱、氫，以及與CO2 結合成燃料暨化學品的各種過程，因此CO2 在PtX扮演了碳源的關鍵角色。本文旨在探討CO2 結合PtX在資源化及儲能的技術及相關發展近況。
【內文精選】
前 言
在世界各地，越來越多透過太陽和風能產生可再生電力，尤其最近十年來，這些技術及材料得到了突破性的發展，可再生能源(Renewable Energy)的價格也直線下降，人們亦興起了以可再生能源取代化石燃料之念頭。但是，如果我們從電力行業的整體應用來看，可再生能源目前仍然只是一個參與者，取暖、運輸和工業製程仍以化石燃料為主導。其中原因之一為許多系統不能單獨依靠電力運行，它們仍必須仰賴傳統燃料，因而局限了可再生能源的發展；此外，可再生能源無法廣泛應用的問題還包括不易儲存及間歇性的生產特性，要完全取代化石燃料實在是緣木求魚。
電轉X（Power-to-X; PtX。P代表電能、X代表氣體或液體）是將剩餘的電能轉化成氣體（電轉氣(Power-to-Gas; PtG)）或液體（電轉液體(Power-to-Liquid; PtL)）的一種儲能方法。關鍵步驟為利用剩餘的電力驅動水電解反應產生氫氣，再利用氫氣的高能量特性來活化CO2，生產氣體或液體燃料，以滿足大部分運輸需求。總括言之，它涵蓋了將再生電能轉化為熱、氫，以及與CO2 結合成燃料暨化學品的各種過程。
電轉X (Power-to-X; PtX)
電轉X是將過剩的再生電能轉化成氣體或液體的一種能量轉換方法，目的是將剩餘的可再生電力轉換成易於儲存的載具（氣體或液體），提升可再生能源的價值及儲存效率。顧名思義，PtX製程的關鍵是可再生電力，如圖一所示，過程的第一步是藉由剩餘可再生電力驅動水電解反應來產生氫氣(Power-to-Hydrogen; PtH)及氧氣。氫氣除了可以直接利用（例如直接發電，圖一步驟②）或儲存外，其最有效的應用是利用氫氣本身特有的高能量特性，作為化學反應的活化劑，其中又以活化從煙道氣或空氣中捕獲的CO2（圖一步驟①），經由氫化反應生產氣體（例如甲烷，圖一步驟⑤）、液體燃料（例如汽油、柴油及燃料油，圖一步驟④），以滿足大部分運輸需求或轉化成關鍵化學品（圖一步驟⑥）。由於PtX涉及CO2 的循環利用，所以除了儲能外，亦是CO2 減排關鍵且有效的方法，如推動順利的話，預計在2050年之前將可減少80~95%的CO2 排放(vs. 1990)，所以PtX的成功推動是解決能源、溫室效應氣體排放及永續碳源開拓的關鍵。
圖一、Power-to-X: Renewable Energy and CO2 Utilization
CO2 的Power-to-X角色
CO2 作為化學工業料源，肩負了減排及永續碳源兩個重要的責任。由於CO2 排放在可預見的未來仍是無可避免的事實，開發兼具有效及合乎經濟效益的製程原來就是CO2 減排的研發重點。CO2 在PtX製程的重要性更是無可取代的，扮演了儲能及化學工業永續料源的雙重角色。完整的PtX製程除了將電能轉換成氫氣外，另一個主要關鍵元素為將CO2 碳源轉化成燃料或化學品。所需的CO2 從燃煤發電廠、水泥廠、化工廠或沼氣廠的煙道氣中捕獲並加以純化後得到（圖一步驟①），也可以直接從空氣中過濾而得。2018年全球CO2 排放量約371億噸（圖三），依據2015年COP-21協定，2050年排放量必須降低至2005標準年的50%。藉由PtX將CO2 作資源化利用，有效的將之轉化成燃料或化學品，是一種既環保又符合碳循環使用原則之做法。
電轉氣(Power-to-Gas; PtG)
PtG（圖二(a)）是指將水電解生成的氫氣，再進一步與CO2 進行直接氫化反應生成甲烷（甲烷化）。甲烷是天然氣(Natural Gas)的主要成分，隨著頁岩氣的商業化開採及使用，甲烷在化學品所扮演的角色受到一定的擠壓，但由於甲烷可以在CO2 排放位置直接或間接轉化成甲醇、汽油、柴油、煤油和多種化學品等產物…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、Power-to-X Technology: (a) Power-to-Gas; (b) Power-to-Fuel; (c) Power-to-Chemical
★本文節錄自《工業材料雜誌》402期，更多資料請見下方附檔。