李秋煌 / 工研院材化所
碳中和是國際共同追求的目標，品牌廠商也將其列為公司政策目標，全球95%製品都會用到化學材料，由於客戶對於碳中和永續環境的承諾，身處供應鏈一環的化學產業必須要配合。化學產業以有機碳為原料，製程需要用到蒸汽加熱與電力，產生範疇一、二及三的碳足跡。為達減碳目的的行動方案有：使用低碳燃料與電力、持續投入製程改善或引進新製程提升能源使用效率、發展循環/回收與生質的低碳料源、降低化學產品碳足跡、最終以二氧化碳捕捉與再利用(CCU)，達到負碳的目的；必要時透過碳交易等抵消措施，達到碳中和目標。而發展CCU深度減碳技術，需要低碳足跡的氫氣供應與相關製程技術，它直接影響台灣化學產業減碳能力與經濟規模效益，面對碳中和，建議應有國家層級整合策略。
【內文精選】
前 言
根據1996年聯合國氣候變化「政府間氣候變遷研究小組」(Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC)預估，若要在21世紀末將二氧化碳濃度穩定在工業革命前的兩倍(550 ppm)，則目前全球排放量必須削減一半。自1992年開始簽訂「氣候變化綱要公約」、1997年「京都議定書」、2015年「巴黎協定」，全稱為「聯合國氣候變化綱要公約」(UNFCCC)，這些協定之目的是要促使全球升溫幅度不超過工業革命前平均值之攝氏2度，並以達到攝氏1.5度內變化之長期氣溫為目標。但在這歷程中，全球二氧化碳濃度仍不斷上升，原公約減量目標普遍認為並未被會員國認真執行。
化學產業製程除了用電之外，尚需大量高溫蒸汽用於加熱反應與純化製程，於是有大量自己生產(範疇一)及外購(範疇二)之電力與蒸汽產生的碳排。除此之外，化學產業尚需面對原料生產暨產品後處理後所產生的範疇三碳排放量。若化學產業仍維持既有線性消費型態，以既有化石原料生產大量有機產品，而此些產品最後經由燃燒與掩埋處理，在整體生態系所產生的二氧化碳需經由捕捉、封存，或經由綠氫轉化成有用的基礎化學品或燃料，推估所需建置的綠電量為20~30 Petawatt Hour(1015瓦時)；若人類產業可以轉為循環消費型態，將使用過的有機產品，經由物理循環再製成成品、或經由化學循環(Chemical Cycle)轉為製程原物料，可讓整體生態系二氧化碳減排一半以上，進而降低再生能源建置的壓力(圖三)。
圖三、碳中和、有機材料循環與綠電需求量
二氧化碳再利用技術(CCU)
製程碳排放量除了二氧化碳封存(Storage)，也必須考慮CCU技術發展。CCU以CO2為原料，具有負碳效益，但CCU製程碳排會縮小負碳多寡。CCU整體製程碳排包含：①反應熱碳排、製程反應加熱/散熱產生的碳排；②製程物質內部循環產生的碳排；以及③分離純化製程產生的碳排。且發展之CCU產品技術項目需與國內化學產業可聯結。
2. 二氧化碳氫化成一氧化碳
甲烷乾重組反應(Dry Reforming of Methane; DRM)及二氧化碳逆水合反應(Reverse Water Gas Shift Reaction; RWGS)，它們未來可利用生質甲烷、捕捉的CO2及綠氫為原料，合成低碳或負碳足跡的CO料源。
DRM製程的優點是可同步生產CO及氫氣，缺點是DRM反應熱高(ΔH298 = 247 kJ/mol)且反應溫度超過700˚ C，製程碳排放量高，同時尚需克服觸媒積碳活性劣化與反應器定期再生除碳最佳操作參數的問題，目前是日本千代田與德國Linde積極努力的課題。若技術能獲得解決，對於缺乏天然資源與國土有限的台灣，是一好的低碳氫氣與CO料源製程技術。
除了DRM製程之外，RWGS製程也是被期待的技術，若有低碳氫氣來源，是有機會合成負碳的CO。RWGS屬一反應熱低(ΔH298 = 41.2 kJ/mol)之平衡反應，反應溫度及H2/CO莫耳比愈高，CO2轉化率愈高，但是高H2/CO莫耳比，產物CO莫耳分率低，會加重CO分離純化的負擔，而PSA變壓吸附或是薄膜是常用的分離純化技術；另外，高反應溫度會增加製程碳排，且高溫下甲烷化副反應比率增加，進而降低氫氣的使用效率。工研院材料與化工研究所發展一RWGS觸媒，其具有低溫反應、高CO反應選擇率、低甲烷化副反應的特色，有機會適用於商業化製程(圖六) ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、工研院發展之RWGS觸媒催化特性暨不同溫度下之碳排放估算
★本文節錄自《工業材料雜誌》426期，更多資料請見下方附檔。