二氧化碳觸媒氫化成甲醇之現況、挑戰及未來(下)：材料世界網

盧敏彥 / 工研院材化所

近期二氧化碳合成甲醇的技術和工業進展

以合成氣(CO+H₂混合氣體)生產甲醇已是工業極成熟的技術。眾所周知，關鍵技術為Cu-ZnO-Al₂O₃觸媒的商業化及其不斷的進步，2020年全球經由合成氣體生產的甲醇約1億噸，是生產量前十名的化學品之一。由於CO₂的高穩定性，目前仍沒有以CO₂為碳源合成甲醇的商業化製程，但隨著2050年淨零碳排的壓力，CO₂合成甲醇在此議題上扮演的角色越來越重要，至今已有多家公司完成試驗工廠驗證，甚至於近期進入量產(表六)。

目前已完成CO₂合成甲醇試驗工廠測試的廠商包括德國Lurgi (2007併入法國Air Liquide，以下以Air Liquide代表Lurgi技術，Pontzen)、日本三井及冰島CRI (Carbon Recycle International)等。這些製程的共通點為都使用經過改質的傳統Cu-ZnO-Al₂O₃甲醇合成觸媒，並在類似合成氣合成甲醇的條件下進行。基本上，Air Liquide及CRI的試驗工廠測試都是使用商業觸媒為主，只有三井是透過與AIST及RITE的合作關係自行研發及製造用於試驗工廠測試的觸媒。上述三家已完成試驗工廠測試的公司在技術上可謂各有優點。Air Liquide是目前全球最大的合成氣轉甲醇製程供應商，掌握了製程設計及精進技術；CRI是在完成試驗工廠驗證後唯一更進一步建立示範工廠的廠商，目前座落於冰島的示範工廠甲醇的年產能為4千噸，由於有中資的投資關係，已在中國安陽進行11萬噸生產工廠的建蓋；三井則是唯一擁有自製觸媒的公司，在製程觸媒的精進及觸媒製程垂直整合上擁有優勢。目前三井在美國的合資甲醇廠(Fairway Methanol LLC; 50/50合資，擴充後年產能1.62百萬噸，圖十二)已進行CO₂捕獲單元的建構，捕獲後的18萬噸CO2將全部混合至現有的合成氣產甲醇製程中，預計將增加13萬噸的甲醇產出，這是三井公司踏入CCU實際行動的第一步。

圖十三、CRI公司於冰島建立的第一個工業規模甲醇示範工廠

冰島CRI公司於2006年進行CO₂轉化成甲醇的試驗工廠測試，並於2012年在冰島建成第一個示範工廠 (圖十三)。冰島CRI公司年產能4,000噸CO₂氫化之甲醇示範工廠(2006及2016專利)，使用商業化合成氣產甲醇之Cu/ZnO/Al₂O₃商業觸媒，配合高壓使用(50-80 Kg/cm²)，勉強用於CO₂氫化成甲醇的示範性生產，但終究仍缺乏經濟效益，經過反覆示範工廠測試及改良，在分離純化單元的不斷調整(圖十四)，並將研究結果發表，經濟效益才有進一步的提升，但並沒有公布生產成本資料。為了補強CRI製程觸媒的不足，2021年7月CRI與Johnson Matthey簽訂協議，由Johnson Matthey供應KATALCOTM甲醇觸媒給CRI使用。藉由歐盟段持續支持，已在德國(發電廠尾氣CO₂、300噸甲醇/年)及瑞典(發電廠尾氣CO₂、350噸甲醇/年)完成另兩座試驗工廠測試，試驗工廠經驗豐富。此外，冰島CRI公司正在設計一個新的二氧化碳製甲醇生產設施，該設施位於中國河南省安陽市順成集團的焦爐煤氣生產(COG)附近，2022年投產後，該工廠將成為世界上最大的二氧化碳燃料生產廠，年產能為11萬噸低碳甲醇，每年回收 16 萬噸二氧化碳，大大減少了鋼鐵生產的碳足跡，並以低碳強度甲醇的形式為當地企業提供清潔燃料和化學品。現場建設已接近尾聲，預計將於2022年第三季投產。

碳捕獲及利用(CCU)、淨零排放(Net-zero emission)暨電轉氣/液(P2X)

1. 碳捕獲及利用暨淨零排放

淨零排放(Net Zero Emissions)是當前國際上多個組織或國家積極擬提目標與相對應之政策方針，且期許能夠透過倡議與國際合作方式，解決該議題所隱含氣候變遷造成人類生命危害的風險，或是將相關措施與作法納入多邊經貿領域等，使得有關機制能夠突破國界，並增加其相互約束力道，並藉制度化讓全球朝向更全面且穩定的方向發展。淨零碳排、碳中和、淨零排放及氣候中和詳情可參考「政府間氣候變化專門委員會」(Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC)文獻。因此，目前淨零排放已成為國際產業發展及能源政策制定的必要條件，且極有可能被列為跨國貿易往來的先決條件，進而使未來能源產業發展策略出現轉變。全球目前有136個國家承諾在2050年(或之前)達到淨零排放，佔全球碳排放量之83%。要達成淨零排放，必須從節能減碳、再生能源、新製程及製程優化(Intensification)、新的永續料源、碳捕獲暨封存與利用等多方面著手，才有機會達成目標。目前CO₂排放前三名分別為發電、工業及交通運輸等(圖十五)，發電產生的CO₂將隨著---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。