化學產業大轉換,脫碳浪潮下的新製造法

 

刊登日期:2022/6/20
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范淑櫻編譯
 
在化學產品製造中應用再生能源受到越來越多的關注。許多化學產品是以石油或天然氣中獲得的原材料在極高的壓力、溫度下反應製成,為了達到高溫高壓需要大量燃燒石化燃料,卻也大量產生導致地球暖化的二氧化碳。為因應氣候變遷問題,實現淨零排放(碳中和)日趨迫切,而製造過程的電氣化將會是脫碳的有力手段(表一)。
 
表一、石油化學與電氣化學的差異
表一、石油化學與電氣化學的差異
 
塑膠、合成纖維等化學製品大多由乙烯、丙烯合成,而乙烯、丙烯是利用石腦油(粗汽油)或天然氣成分的乙烷以750~850℃的加熱、分解後取得。另根據荷蘭烏特勒支大學(Utrecht University)的研究指出,分解1噸石腦油的碳排量為1.8~2噸,乙烷為1.0~1.2噸,且在歐洲、日本製造乙烯、丙烯所產生的碳排量約佔整體化學產業的20~30%。
 
目前德國BASF、美國Dow兩大集團皆積極推動乙烯、丙烯製造的大幅脫碳化,BASF與工業氣體領導企業英國Linde、沙烏地阿拉伯的多元化工企業SABIC合作,而Dow則與英國Shell共同開發了電氣加熱式製造技術。兩者皆以使用再生能源為前提,據BASF表示,二氧化碳最多可減少90%。
 
BASF等計畫在位於德國西南部路德維希港的全球最大規模石化綜合專區建設實證設備,預計2023年投入營運,2025年確立相關技術。今後並將以對現有設備進行改造的方式,提供其他競爭企業技術授權的服務。另將從德國電力巨頭RWE在北海建造的大型海上風力發電場取得必需之再生電力。
 
Dow與Shell則計畫在2025年開始實證設備的運轉,並致力於開發將電能高效率轉換為熱能之技術,以降低製造所需的溫度。在荷蘭政府的支持下,預計將被導入該國的工業園區,並期望於2030年代達到全面普及之目標。
 
而德國Siemens Energy與法國建設工程大廠Technip Energies開發了一項利用高速馬達、渦輪機的新製造技術,係以極快的速度攪拌石腦油,藉由產生的熱能獲得乙烯、丙烯,並與法國能源公司TotalEnergies、西班牙國家石油公司Repsol、英國石油巨擘BP合作,計劃於2023年展開實證試驗。
 
此外,將做為製造基礎之化學反應予以電氣化的技術也在加速發展中。化學反應可透過從分子奪取或提供電子而形成,利用電控制反應的方法則稱之為「電化學」。雖然電氣化學的反應速度較石油化學緩慢,但在低溫、低壓下也能進行反應,較容易減少二氧化碳排放,且透過與促進化學反應的觸媒相結合,二氧化碳資源化相關開發也已有所突破。例如,日本東京大學與千代田化工建設、宇部興產等企業共同開發了利用電化學法以二氧化碳生產乙烯之技術,並獲得日本政府大型研究計畫「探索型(Moonshot)研究開發事業」採用,致力於技術開發的實用化,且政府支援期間最長至2029年度。此項計畫另有古河電氣工業、清水建設、大阪大學、理化學研究所參與開發,將回收、濃縮大氣或排氣中的二氧化碳,並利用以銅為主成分的觸媒結合於負極中,促使氫離子與二氧化碳反應而獲得乙烯。
 
目前已確認流通電力的50~60%被利用於反應,而生成物質約有一半為乙烯。雖然尚處於基礎研究成果階段,但預期在2026年度之前完成提升反應效率、觸媒長壽命化等技術的開發,並於2027年左右展開年產能10噸規模之實證生產計劃。
 
另一方面,東芝也成功地實現以二氧化碳生產化學原料(一氧化碳)技術的大規模化。為了解決電極產生熱能導致效率下降的問題,東芝對電極形狀進行設計調整,進而提高了冷卻效率。目前電極面積已可從4 cm2擴大至100~400 cm2,且可望實現200片的積層化。轉換為一氧化碳的速度提高了約---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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