淨零永續「氫」引擎,化氣候、能源、環境三大危機為轉機

自2015年COP21以來,迄今全球已有148個國家(占全球碳排放總量88%)宣示與承諾將達成淨零碳排目標;此外,歐盟提出碳邊境調整機制(CBAM)以及國際氣候組織推動RE100倡議,以加速全球各國與企業的淨零進展。而在今(2024)年的G7氣候能源暨環境部長會議已達成重要決議包括:2035年全球溫升不超過1.5˚C;2030年全球再生能源裝置容量提升3倍與儲能規模提升6倍;發展碳捕捉、低碳氫與生質甲烷等技術。2022年3月,國家發展委員會亦正式公布「臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明」,規劃透過研究與發展創新技術推動能源轉型,並引導產業綠色轉型。隨著再生能源的普及與氣候變遷的因素,氫氣成為2050年全球淨零碳排重要的解方之一,氫氣扮演的不僅僅是化學品,更將成為未來最具發展潛力的潔淨能源。
工業革命以來,大量石化原料應用於我們的生活中,全球每年碳排放量達360億噸以上,導致了極端氣候頻繁發生。在「2050氫思維―鹼性膜電解水產氫技術」一文中,就近年來備受關注的電解水產(綠)氫技術進行探討與說明,包含了電解水產氫的發展歷史、全球各種電解水產氫技術研究,以及國際發展現況。工研院材化所研發團隊在在經濟部產業技術司科技專案支持下,展發展兼具高效率與低成本的自主鹼性膜電解水產氫(AEMEL)技術,透過多年於關鍵材料、電堆模組與系統架構之研發經驗,建立自主化電解水產氫技術,未來可結合綠電生產綠氫,期望在全球2050淨零發展的契機下,協助國內製造業、石化業、鋼鐵業等產業加速落實淨零目標。
「生物氫與循環經濟,實現零廢物程序」一文指出,從經濟和永續性方面來看,使用微生物產氫比其他方法更具優勢。木質纖維素是地球上蘊藏量最豐富的天然資源,但需要進行前處理來破壞木質纖維素的結構,再轉化成微生物適合利用的醣類。透過生命週期評估方法,可以檢視各種生質能源生產程序對環境的衝擊。使用廢棄物作為料源的暗醱酵產氫程序(暗醱酵和光醱酵的兩階段產氫程序或暗醱酵產氫與產甲烷的兩階段產氫烷氣程序),並整合其他技術之生物精煉程序,可實現循環經濟與達成零廢物之目標。
隨著極端天氣事件頻率的上升以及災害發生次數的增加,人們愈來愈重視全球暖化及氣候變遷所造成的影響。為了減緩暖化速率,世界各國紛紛響應2050年淨零目標,並依各自情境訂定淨零路徑。除持續發展再生能源、低碳電力之外,使用不含碳的氫氣作為燃料,可望在低碳、零碳的趨勢下成為減碳關鍵。「天然氣裂解產氫技術」指出,天然氣裂解產氫製程之產氫能耗低於電解水產氫,且相較蒸汽甲烷重組產氫具有不排放溫室氣體的優勢,因此許多國外石化大廠及研發機構開始嘗試開發各種不同的天然氣裂解產氫製程,以因應淨零減碳要求。為推動氫能工作,工研院材化所進行甲烷熱裂解產氫研究,並先以錫、銅、鎳、鉍等金屬形成熔融合金,搭配氣泡床反應器以催化甲烷熱裂解產氫,此外也嘗試以固態觸媒催化甲烷裂解產氫,並同樣達成氫氣選擇性>99%之成果,未來將開發移動床反應器連續操作製程並提升氫氣產能,以推動該技術之產業化。
因高效率、零尾氣排放、加氫時間短和使用可再生能源等優勢,近年有越來越多人將氫燃料電池電動汽車作為新能源汽車的另一個選項。美國汽車工程師協會為了保證加氫的安全性,已制定加氫協定為加氫站加氫系統部件和設計提供指引,這使得在3~5分鐘內加滿氫氣且實現高加氫狀態成為可能。同時考慮加氫時,汽車氫氣罐內氫氣溫度將伴隨加氫壓力增加時的升高現象,不僅會降低氫氣罐的加氫狀態,還會帶來氫氣罐安全上的危險,因此需將氫氣罐溫度限制在小於85˚C狀態。「加氫站加氫協定之研究與未來發展趨勢」一文,介紹應用H2FillS軟體,利用加氫協定之查表方式,模擬並分析與快速加氫相關的因素,如:氫氣罐初始壓力與初始溫度、加氫站周圍環境溫度、加氫時之氫氣溫度、加氫速率和車上儲氫罐體尺寸等;以及MC Formula-based方式之加氫協定使用方式,其基於加氫機壓力和溫度測量來計算與控制壓力上升速率,以最大限度地減少加氫時間,並藉由MC公式驗證計算器,來確認所開發之動態加氫方式是否符合標準。透過研究這些參數之間的關係,可對氫燃料汽車快速加氫現象有更多的瞭解,同時掌握整個加氫動態過程中相關加氫性質,例如氫氣壓力、溫度和質量流量隨時間的變化關係。未來設置加氫站時,將對於如何有效安全且經濟地運行加氫站提供更多的想法和思考。
鋰電池資源再生:循環經濟與綠色未來的新動力
因應淨零碳排、永續發展訴求,從原有線性經濟轉向循環經濟已成為全球的共識。然而在資源稀缺、價格波動、環境、成本等挑戰下,全球企業也需要綠色經濟轉型,推動達成零廢棄、零污染、零排放的經濟活動,以循環經濟為減碳帶來真正的貢獻,讓經濟活動永續發展。鋰電池在攜帶性電子產品、動力用電池、儲能系統的建置大幅成長下,於能源轉型扮演關鍵地位。綜合考量環境保護、經濟增長、能源轉型和供應鏈安全等多方面因素,歐盟新《電池法》已於2023年8月17日正式生效,該法的實施對電池產業的可持續發展具有重要意義,同時也對電池材料的供應鏈帶來挑戰和機遇。企業需要適應新的法規要求,提升供應鏈透明度、增加回收材料的使用,並在全球範圍內尋求多元化的材料來源。
近年來,便攜式電子設備和電動車的普及導致鋰電池的消耗急遽增加,預期未來2~3年內將產生大量的汰役電池,各國終須正視電池回收及環保永續等議題。為了達到2050年淨零碳排,歐盟已制定一連串《歐盟綠色政綱》和《循環經濟行動方案》等電池相關政策,並於2023年8月17日正式實施新《電池法》。「歐盟新電池法生效推動循環經濟與永續發展」討論全球鋰電池回收法規的現狀,並基於對鋰電池市場影響力,重點關注歐盟、美國、中國和日本的法規;同時探討鋰電池回收技術現況,概述並評估了目前鋰電池回收和再利用技術,分析比較主流回收技術包含火法與濕法冶金,以及新穎回收技術─直接回收之優缺點,並聚焦未來進展之方向。
歐盟新《電池法》於2023年8月17日正式生效。為了完整利用珍貴資源,避免廢電池污染,法案將針對在歐洲銷售或流通的電池生產、使用、回收之全生命週期進行監管,涵蓋了電池分類、碳足跡、電化學性能和耐久性、電池設計、回收利用等方面的規範,對於電池重要原料的回收比例也有相關要求。「廢電池低碳循環回收及智慧化電池分選系統」一文報導,工研院材化所逐步建立磷酸鋰鐵電池高值循環技術與電化學及材料分析測試驗證程序,透過計畫所開發之低碳高值循環技術,可回復有效電容量高於90%;同時針對不同廢鋰電池回收模式進行環境效益與減碳效益評估;並建置電池影像辨識系統,利用AI模型技術,依據所建立之資料庫對不同廠牌電池進行初步光學選別之訓練,將電池辨識度提升,有助於提高後端回收處理程序之效率。
減碳與空污防制已成為全球廣受重視之議題,世界各國紛紛鼓勵發展以鋰電池為動力之電動交通工具,且鋰電池除了可應用於電動車外,亦常使用於不斷電系統。然而隨著電動車與不斷電系統日趨普及,未來勢必亦會衍生大量亟待處理之汰役鋰電池,為瞭解這些汰役鋰電池之後續可能去向,「汰役鋰電池之降階與回收」探討汰役鋰電池的可行處置方式。汰役鋰電池目前主要係以降階與回收兩大方式進行處置。一般而言電動車鋰電池汰役後仍能維持約80%之電容量,可透過汰役鋰電池之拆解與降階測試等一連串步驟,將電池狀況較佳且性能相近者進行重組,以將其降階應用於儲能系統、充電站、低階電動車等設備,提升汰役鋰電池之加值化應用效益。而經檢測品質差無法降階使用之鋰電池,則可送往廢鋰電池回收廠進行回收處置,如透過濕法冶金及火法冶金等方式,將電池中之鋰、鈷、鎳、銅等有價資源予以回收,以作為新鋰電池原料使用,達成鋰電池循環經濟之最終目的。
隨著電動車、消費型電子產品以及再生能源系統的普及,對高能量密度與低成本的鋰電池需求日益增加。過去,三元材料一直被視為高能量密度的代表,但其安全性和成本問題不斷受到關注。為了解決這些問題,各界提出許多正極材料的技術變化,如:提升鎳含量與降低鈷含量來達到提升能量密度同時降低成本的技術,或使用磷酸鋰鐵錳(LMFP)以提升工作電壓並兼具低成本的特性,另外還有針對集流體使用複合式銅/鋁箔技術,以達到減輕重量並提高能量密度,以及降低金屬使用量達到降低成本等。這些技術皆同時具提高能量密度與降低生產成本的特性,並已列入在指標廠商的開發項目中,且部分技術也已悄悄導入實際產品中進行應用。「具高能量密度與低成本鋰電池材料設計技術最新進展」著眼於國際車廠對高鎳無鈷正極材料與LMFP的導入與規劃、LMFP於電動二輪車與電動車導入的現況,以及複合式銅/鋁箔的技術發展現況等三個議題進行介紹,同時觀察到這些技術在開發與量產方面已取得重要的進展。
鋰離子電池應用在新能源領域,如電動車、儲能系統,掀起一窩蜂開發風潮,全球業者紛紛搶著投入該行業。但在2023年底,受到電池材料價格波動、政經政策改變與通膨等因素影響,整個電池產業產生動蕩變化,致使發展趨於和緩,作為鋰電池供應鏈終端環節的回收產業也同樣受到波及。「淺談在全球產業環境變化之下,動力鋰電池回收產業的發展變化」一文觀察全球政經波瀾局勢之下,就動力鋰電池回收產業在國際市場的發展變化進行相關解析,發現鋰電池回收相關業者,為因應各種不利環境,無不尋求業務開發之下的平衡辦法,從回收技術革新、跨國/跨區域/多方合作等布局策略積極展開,試圖找出有利的發展方向。所幸,鋰電池回收業者仍發揮韌性,在此產業中持續營運。
主題專欄與其他
因應2050年淨零排放趨勢,氫氣為終極潔淨能源,目前各國都積極規劃氫氣應用、氫氣供給與基礎設施三大方向,後續氫氣應用的便利性指日可待。「長航時無人機系統潔淨複合電力應用」一文指出,在無人機的應用發展中,鋰電池能量密度過低,續航力不足一直是市場拓展的極大阻礙。如何開發長續航力/輕量化的電力來源,成了無人機當前最重要的問題點。燃料電池以氫氣為燃料,系統具有極高能量密度之潛力,被視為無人機長航時動力的最佳選擇。工研院投入氫能與燃料電池技術應用多年,並積極在無人機上延伸應用發展,以潔淨能源「氫氣」為燃料,結合高功率燃料電池電堆與關鍵材料技術,相較於傳統鋰電池電力系統,其飛行時間可達3倍以上。並藉由機身輕量化設計,提供氫燃料電池無人機更多酬載重量空間,可滿足戶外巡檢、商業物流、緊急醫療運輸等使用需求。近年來國內廠商亦積極投入開發氫燃料電池產品的製造及提升產品效能,工研院同步研究開發適合應用於各種不同產業/項目需求之高效氫燃料電池,期望能提供更大的助益及應用需求。
「全球機能性服飾品牌的發展趨勢—永續優先」一文分析,臺灣紡織產業以生產機能性紡織品為主,是Nike、adidas、lululemon、Under Armour、The North Face等國際領導運動及戶外品牌的主要合作夥伴,國際品牌的永續發展策略與臺灣紡織業者的發展緊密相連。當今國際品牌客戶永續策略主要瞄準於設定減碳目標、採用永續材料、朝向無毒化學品以及增加再生能源使用比重等方向,國內業者需持續投入產品碳足跡盤查,並朝向低碳材料及低碳製程等低碳解決方案發展,以強化產業競爭力。
造紙業以紙漿纖維為原料,製程複雜、能源密集,生產過程會產生大量碳排放,嚴重影響生態環境。近年來,業界在永續資源的循環經濟趨勢下,逐漸以廢紙為原料、配合製程改善及資源循環的技術發展低碳造紙。惟面臨2050年的淨零碳排壓力,仍有許多改善空間。「低碳原料技術在造紙業的應用」介紹低碳原料技術,如:發展低碳廢紙回收技術、造紙污泥回收再利用及導入低碳填料取代部分紙漿纖維在造紙業的應用等,以加速造紙業節能減碳,創造資源永續循環及淨零碳排的綠色造紙產業。
專文篇篇精彩,歡迎賞閱!凡對以上內容有興趣的讀者,歡迎參閱2024年7月號《工業材料》451期或參見「材料世界網」,並歡迎
長期訂閱或加入
材料世界網會員,以獲得最快、最即時的資訊!