溫俊祥 / 工研院材化所
全球氣候變遷的危害已真實地在我們身邊發生，突如其來的大雨帶來了土石流及淹水災情，而長時間的不降雨卻又造成乾旱缺水，影響農作生長、工業生產與我們的日常生活；這一切都是源自於人類活動以及開採並使用大量化石燃料所造成。原本被埋藏在地底下的碳資源被開採、使用，最終以二氧化碳型態留存於大氣中，打破了自然界的碳平衡；大氣中的二氧化碳濃度急遽增高，導致全球暖化。對此，國際社會承諾降低碳排放，並宣示2050年實現淨零排放的目標，這也為減碳帶來了無限商機。世界各國企業和國際金融組織也將ESG實踐納入投資的評估項目。在眾多的減碳措施中，碳捕獲、利用與封存(CCUS)被視為最後的關鍵一哩路，因為不管是潔淨能源轉換、提高能源使用效率抑或是推動循環經濟，仍避免不了二氧化碳的排放，得透過CCUS來降低人為的碳排放。本文將就碳捕獲與再利用相關的發展與產業的投入做一簡單的介紹。
【內文精選】
前 言
自工業革命以來，人類大量燃燒化石燃料以取得電力與驅動內燃機引擎等的改變，使得原本被埋藏在地底下的碳資源被開採、使用，最終以二氧化碳型態留存在大氣中，因而破壞了原本存在於大氣、陸地和海洋之間經由物理化學和生物過程所發生碳交換的自然碳循環平衡，並帶來了全球氣候暖化危機與社會經濟風險，如圖一所示，大氣中的二氧化碳濃度已從18世紀工業革命前的278 ppm，一路攀升至2021年的417 ppm，大氣的平均溫度也升高超過1˚C。英國前首相強森(Boris Johnson)在2021年於羅馬舉行的國際經濟合作論壇G20峰會上表示，如果各國無法做出更具挑戰的國家自主減碳承諾，人類文明可能就會跟羅馬帝國一樣瞬間崩解。
圖一、二氧化碳之大氣濃度變化與氣溫變異
二氧化碳再利用技術和方法
所捕獲的CO2需妥善地處置，使其不再洩漏至大氣中，才能算是真正的減碳。捕獲到的CO2之處理方式主要有利用與封存兩種，據IEA估計，未來的處理方式將以封存為主，占比可達92%，再利用雖然僅8%，但是配合低碳產業的發展與技術的進展，將CO2作為碳資源進行化學再利用的新穎技術已成為化工產業的研究焦點。如果可將CO2轉化為能源燃料、大宗化學品，或者直接固定為聚合物材料的相關技術能夠發展到與現有石化源產品的成本相當，或許可再提高再利用比例。圖五所示則為先將CO2氫化為CO後，再以CO作為原料利用的相關技術種類。
圖五、國際利用CO為原料生產化學品之技術種類示意圖
1. 二氧化碳再利用技術
(1) CO2氫化反應
由於二氧化碳是處於高度氧化狀態，所以常用的CO2轉化反應，便是氫化反應，利用氫氣的高活性與CO2可合成燃料與工業化學品，包括：一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇、醋酸以及烷烯烴等。氫化反應的進行，雖然使用高活性的氫氣，但因CO2分子具熱力學高穩定性，故仍需要透過高效觸媒的催化作用，才能在較低的溫度下進行反應。一般而言，貴金屬觸媒(鉑、鈀)可供極佳的催化效果，但因價格昂貴以及容易氧化失活等因素，限制了其商業化；而其他卑金屬觸媒(銅、鎳、鈷)，雖然成本低但熱安定性差，不適用於高溫反應，導致轉化效率低；因此開發兼具高催化活性與熱安定性的氫化觸媒便成為CO2氫化反應是否能夠商轉的關鍵之一。此外，現階段氫氣的成本偏高，也是亟待解決的議題。初期的研究開發與試量產工作，可使用製程的副產氫氣，例如化工製程的苯乙烯生產、氯鹼製程、乙/丙烷脫氫，或者是煉鋼製程的焦爐氣(富含氫氣)；而利用不穩定的可再生能源或離峰電力電解製氫，也是可行的近程策略。
台灣碳捕獲與再利用現況
經濟部從1992年即開始委託學界(清大、台科大)進行「減少化工製程排溫室效應氣體之規劃」以及「溫室氣體減量技術推廣與輔導」計畫。而從2009年起更擴大委託工研院進行CO2捕獲、利用與封存技術發展的總體規劃，主要包括：設定CO2捕獲的實施對象以大型固定排放源為主(如火力發電廠、鋼鐵廠、石化廠、水泥廠)，中小型固定排放源為輔，技術發展以燃燒後捕獲為優先。2016年起工研院在獲得技術處與能源局的支持下，已建立化學吸收法與鈣迴路捕獲技術能量，並分別與台電、中鋼、中油與台泥等公司合作，進行CO2捕獲與再利用的場域驗證---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》431期，更多資料請見下方附檔。