林江珍 / 台灣大學高分子研究所
面對未來碳權經濟之國際競爭，台灣產業能源依賴進口，無可避免將受到極大的衝擊，尤其是基礎化工材料領域，更需要重大模式改變及突破(Paradigm Shift)。過去80年來，人類使用大量石油產生熱能及製造大宗塑膠材料，大量排放地球暖化氣體二氧化碳；而開採天然氣之操作及燃燒過程洩漏，也排放溫室效應氣體甲烷，造成地球暖化困境。台灣傳統上為材料代工製造及外銷之經濟型態，對處理兩氣體之減碳相對困難。另一角度，台灣化學材料產業之上下游供應鏈及群落相當完整，尤其是有機材料提供半導體產業(包括有機溶劑、封裝、包裝、抗靜電塑膠、氟化合物取代等)，可期待整合成適合碳權之有機關鍵材料綠色供應鏈技術(TCCT)。此即採用美國1980s能源危機時代所開發的C1化學製程，以創新系統整合，改變石油依賴，將CO2當原料透過化學轉化生產化學中間體及高分子等，並且串聯或互補美國正在建立的不依賴中國Friend-shoring供應鏈，以技術為解方，貢獻於碳權經濟，協助解決氣候變遷的世界性問題。具體內容為將CO2轉化成大宗石化中間體、特用化學品以及高值之高分子材料。此三系列技術與下游產品含括①以CO2為原料製造乙烯：採用CO2–酒精–乙烯路徑，取代原油生產石化中間體；②創新CO2化學捕捉法：反應器模組化以適合中小企業使用(互補於物理捕捉法)，並有利於儲存運輸，且下游可應用於製造化學品/3C溶劑(例如：Cyclic Urea and Carbamate)；③開發高值CO2衍生Poly(carbonate)-(ester)-polymers新材料，應用於彈性體/發泡鞋材/機能性紡織。綜上，化學中間體、特用化學品、高值材料三領域整合為「負碳技術」，最終建立綠色/韌性供應鏈，為國際碳權技術楷模。
【內文精選】
減碳技術vs.塑膠廢料汙染問題vs.循環經濟
石化中間體用於生產大宗價廉的塑膠材料，造成塑膠垃圾之氾濫與汙染。過去雖然回收再利用，使材料循環再用之技術受到重視，正在積極地進行，但製程甚少考慮能源消耗、是否違背節能/減碳之碳權經濟原則。一般而言，高分子裂解之製程會消耗大量能源，例如傳統回收PET解聚成為單體，再聚合至高分子量材料，基本上並不符合減碳之經濟效益，「小循環」方法常常造成能源更多的消耗。「材料的循環不應該增加碳排放的負擔」，有關此議題可參考2018年作者的論述，內容提到「小循環」(廢棄物再生)不能解決問題，以「大循環」的化學轉換開發製程技術，生產可多次重覆轉化之材料，才能符合低碳排原則。過去以「小循環」方式處理塑膠廢棄物案例，未能考慮化工製程最適化以及質能平衡(質量/能源)，也暗示(Imply)著未來低碳排vs.碳足跡兩者可能互相衝突，「減少碳排放」及「二氧化碳回收」必須同時考慮能源與化學材料製造為一體之兩面，亦即塑廢材料循環必需考量能源之消耗及二氧化碳之排放的原則。
整合系列性碳權技術之解方(Total Solution)
首先必須盤點整個化學材料的供應鏈，如圖二所示，下游的各種材料供應，包括高分子單體(Ethylene)、化學品、Nylon66單體，泛用高分子材料及特用化學品，其中最大宗的乙烯原料，約占所有有機產品製造之40%。CO2之化學轉化為碳化合物之循環再利用的關鍵技術，再加上獨立的能源來源提供(太陽能、風能、地熱能等)，即可整合出不依賴化石原料之新供應鏈。
圖二、傳統石化中間體下游應用(1940年~)vs. CO2回收再用之供應鏈(2030年~)
1. CO2轉化生產石化中間體乙烯
延用1980s美國擱置技術(Shel v ed Technology)以及1940~1980年歐美之商業化製程，建立以CO2為原料生產石化中間體(CO2-to-Methanol-to-Ethanol/ Ethylene)之可行性很高，可取代輕油裂解乙烯製程：CO2/H2合成氣 → 甲醇(CH3OH)→ 乙醇(C2H5OH) → 乙烯(CH2 = CH2)。
4. 塑膠廢棄物裂解(Cracking)成石化中間體
塑膠廢料回收再利用可以創造循環經濟，但塑膠垃圾之拋棄以及汙染仍然嚴重。煉油技術可以應用於回收之塑膠廢棄物垃圾，以創造碳權。調整煉油製程，開發以「廢棄塑膠」取代「輕油」裂解生產燃料油及石化中間體，可減少對石油的依賴，同時解決廢棄物的問題。
圖七描述規劃之「煉油廠轉型—塑膠廢料取代石油」，關鍵點之進料原油可以被塑膠廢棄物取代。如圖之左上角所表示，取代輕油裂解(Cracking Process)生產C2~C3較輕的石化中間體，再經過重組反應(Reforming Process)生產環狀的苯環結構之碳氫化合物 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、煉油廠轉型—塑膠廢料取代石油生產石化中間體以及氫氣
★本文節錄自《工業材料雜誌》437期，更多資料請見下方附檔。