二氧化碳觸媒氫化成甲醇之現況、挑戰及未來(上)

 

刊登日期:2022/8/15
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盧敏彥 / 工研院材化所
 
大氣中的二氧化碳(CO2)濃度在近數十年來幾乎都以每年2 ppm的速度增加,已從2002 年的373.17 ppm 增至2022年5月27日的 421.99 ppm,是人類有史以來的最高濃度。作為一個主要的溫室效應氣體,它與全球暖化和氣候惡化息息相關,已到達不得不正視的臨界點。要緩和地球暖化對氣候環境造成的重大影響,全球已從開發再生能源、節約資源使用及降低碳排三方面著手,而落實淨零排放更是急不容緩的課題。淨零排放是將全球變暖限制在《巴黎協定》1.5℃規定的關鍵,在眾多脫碳機制中,又以二氧化碳捕獲及再利用(Carbon Capture and Utilization; CCU)為最受關注的淨零減碳技術。由於每噸甲醇消耗1.375噸二氧化碳,而目前全球甲醇需求量約1億噸,開發以捕獲的二氧化碳為料源合成甲醇的技術,可達到二氧化碳大量減化的功效,並同時為二氧化碳增值及開創永續新碳源的契機。二氧化碳經由氫化反應轉化成甲醇,反應主要限制是其高熱力學穩定性,因此需要觸媒、氫氣和能量輸入來推動轉化,觸媒、反應器設計及配套製程選擇是成敗要素,當中又以觸媒最為關鍵。本文將討論目前觸媒應用於二氧化碳轉甲醇之現況、挑戰及未來推動的關鍵及現在商業化推動的情形及機會,並同時分析碳捕獲及利用(CCU)在淨零排放的應用現況,電轉氣(PTG)及電轉液(PTL)在淨零排放扮演的角色。
 
前言 
二氧化碳 (CO2) 是指標性的溫室效應氣體,是全球暖化和氣候惡化的主要元兇,而淨零排放是將全球變暖限制在《巴黎協定》規定的1.5℃的關鍵。簡而言之,淨零排放意味著排放到大氣中的二氧化碳量與被去除的二氧化碳量相同或更少。全球目前已有136個國家宣示將在2050年(或之前)達到淨零排放(圖一),占全球碳排放量83%,由此可見世界的腳步都聚焦於淨零排放。然而,根據2021年10月發布之《PwC淨零排放經濟指數報告》 (PwC Net Zero Economy Index 2021),要在2050年達到淨零排放困難重重,除非全球脫碳率能較2020(實際提升率為2.5%)提升5倍以上(12.9%),才有可能達標:在2030年碳排減半,進而在2050年達到淨零(圖二)。
 
圖二、全球實現淨零排放的時間表
圖二、全球實現淨零排放的時間表
 
雖然受疫情影響而引致經濟趨緩,2020全球CO2總排放量(348.1億噸 )只較2019年(367億噸)減少約5%,但2021年又回升至363億噸。2020年沒有一個G20國家達到PwC期待的12.9%脫碳率,意味著全球國家及產業,必須急起直追及加快轉型來實現淨零排放;我國起步較晚,更應急起直追才能趕上淨零的目標,與世界同步。在眾多淨零碳排方法中(圖三),碳捕獲封存及利用(Carbon Capture Storage and Utilization; CCSU) 扮演關鍵角色。CCSU是透過分離、收集、儲存與再利用等各種方法,減少CO2排放到大氣中,普遍被認為是控制氣溫上升最具潛力的途徑。CO2氫化反應可以轉化成多種產物(圖四),目前CCU(碳捕獲及利用)比較接近商業化及減碳量高的製程為CO2直接氫化成甲醇,惟目前仍缺乏兼具高生產力及高穩定性的商業化製程觸媒。
                                                             圖三、碳中和Roadmap
圖三、碳中和Roadmap
 
甲醇是工業上應用極為廣泛的化工原料(圖五),作為多種工業化學品和燃料的原料產品,主要的甲醇衍生物有甲醛(酸)、乙酸、甲基叔丁基醚(MTBE)和二甲醚(DME)等,而目前發展最快的應屬甲醇轉化成烯烴(Methanol to Olefins; MTO)。甲醇也是未來主要的能源(圖六),甲醇的化學多功能性以及本身液體的特性與現有的燃料運輸和分配基礎設施的高相容性是作為淨零排放化學品扮演的主要關鍵。目前工業化甲醇量產使用成份主要為一氧化碳(CO)及氫氣(H2)為主的合成氣體(Syngas、CO+H2混合氣體),配合非均相觸媒,在高溫(250~300℃)及高壓(50~100 Kg/cm2)下轉化而成(Eqn.1),主要生產製程供應商包括Air Liquide (Lurgi製程)、Topsoe (前Halder Topsoe)、Johnson Matthey及BASF等;觸媒供應商包括Clariant、Johnson Matthey及Topsoe等。2020年全球甲醇需求量約1億噸(幾乎全是化石源甲醇,又稱灰甲醇)(圖七),預計2050年需求量會增至5億噸 (圖八),其中使用非化石碳源(如二氧化碳)及可再生氫氣的再生甲醇(E-methanol或綠甲醇)需求量約為---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖六、2020 年至 2050 年能源商品貿易價值的變化
圖六、2020 年至 2050 年能源商品貿易價值的變化
 

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