循環經濟：碳循環vs能源政策 - 陳志勇 特聘教授

循環經濟：碳循環vs能源政策 - 陳志勇 特聘教授

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1. 循環經濟：碳循環V.S.能源政策 陳志勇特聘教授 國立成功大學化工系 行政院科技會報兼任研究員 匯智綠色科技研究中心 匯智綠材科技股份有限公司 2019.12.10
2. 資源耗盡 Content Here Text Here Text Here Text Here Content Here 環境汙染 Content Here Text Here Text Here Text Here Content Here 極端氣候 Content Here Text Here Text Here Text Here Content Here 匯集各路英雄 智創綠色科技 人類下個30年將面臨的最大問題 匯智綠色科技研究中心
4. 4 到底是環境重要還是經濟重要 『把廢棄物轉換為再生資源，促進物質流循環利用 （零廢棄）的創新材料及商業模式』是解決地球資源 持續耗竭、氣候暖化、環境變遷等課題的關鍵策略 現在就得減少排放CO 2 ，才能在本世紀中期達到零排放 狀態，只有這樣才能將氣溫升幅控制在攝氏2度以下 ~~聯合國氣候變遷政府間專家委員會（IPCC） 2018.10 發展經濟與保護環境絕非拉扯下的無奈抉擇 循環經濟 Nature 國際期刊 2019/9封面
5. 內部循環 外部循環 碳循環 物流循環
6. 6 ⚫ 「為什麼要為了會消失的未來讀書？」 ⚫ 成長過程中，每一年都是地球最熱的一年，每一年都是天災最嚴重的一年 ⚫ 最不需為氣候變遷負責的人們，正在承受最嚴重的後果 搶救氣候變遷-學生罷課 ⚫2019/3/15，全球超過100國家、1700城市的學生發起搶救氣候變遷罷課行動 「Fridays For Future 政府不做，我們自己來」
7. 7 2019年的極端氣候(冰山一角) ⚫ 世界氣象組織（WMO），2019年7月是過去140年來最熱的一 個月；熱浪狂襲歐洲，西班牙馬德里高溫進逼45°C，巴黎飆出 42.6°C ，柏林也突破40°C，皆創下歷史高溫紀錄 ⚫ 北極圈內的格陵蘭島創下較歷史均溫高出20°C的空前高溫，融 冰提前一個多月，融冰量超過過去同期均值至少三倍 ⚫ 世界最乾燥沙漠（Atacama desert）出現水災致6人死 ⚫ 美國芝加哥白天氣溫降到-23℃，打破了1966年創紀錄的-15℃ ⚫ 澳洲史上最熱的1月，全國1/3蝙蝠活活烤死 ⚫ 日本今年梅雨拉長到七月下旬，東京創下最冷的夏天，梅雨季 結束後，大阪、京都氣溫隨即飆高到~40°C ⚫ 歐盟執委會共同研究中心（Joint Research Centre）警告，若不 採取任何措施遏制全球暖化，到了本世紀末，歐洲每年因極端 氣候致死的人數恐會較2010年暴增50倍，達到15萬2000人
8. 解決氣候變遷-溫室氣體減量 ⚫ 二氧化碳已被視為全球暖化的元凶(佔溫室氣體82%)， 2017年全球排碳量為492億噸，80%來自於石化燃料的燃燒 主要工業國 2020年減排目標 美國 回到2005年排放量再減17% 歐盟 回到1990年排放量再減20-30% 日本 回到1990年排放量再減25% 中國 回到2005年排放量再減40-45% 澳洲 回到2000年排放量再減5-25% 加拿大 回到2006年排放量再減20% 韓國 回到2005年排放量再減4% 俄羅斯 回到1990年排放量再減10-15% 極端氣候頻繁威脅 全世界都在減碳大作戰 9 ⚫ 2016/11/4巴黎氣候協定(175國家簽署) ⚫ 世紀末地球升溫幅度控制在 2°C 內 ⚫ 台灣2030年溫室氣體較2005減量20% ⚫ 全球氣候變遷績效指標(CCPI 2019)，台灣 連三年退步至倒數第五，遲早引起國際社 會的譴責甚至懲罰 現在就得減少排放CO 2 ，才能在本世紀中期達到 零排放狀態，只有這樣才能將氣溫升幅控制在 攝氏2度以下 ~~聯合國氣候變遷政府間專家委員會（IPCC）
9. 『廢棄物資源化處理』是循環經濟的關鍵 9 德國循環經濟龍頭Covestro執行長Patrick Thomas表示，二氧化碳其實是資源，重點不是 要脫碳，而是要把碳放在正確的位置上 美國前副總統高爾指出，相較於立場善變的政府， 投資者才是領導大眾對抗氣候變遷的關鍵 CO 2 資源化 創造經濟價值、誘因 發展經濟與保護環境絕非拉扯下的無奈抉擇 『把廢棄物轉換為再生資源，促進物質流循環利用 （零廢棄）的創新材料及商業模式』是解決地球資源持續 耗竭、氣候暖化、環境變遷等課題的關鍵策略 循環經濟
10. 全人類共同行動：如何減碳救地球 行動方案：短期、中、長期 抑碳(短、中期)： • 再生能源取代化石燃料 克服鴨子曲線瓶頸與提供穩定供電系統 燃氣發電取代燃煤、燃油發電 P2G & G2P 減碳／固碳(中、長期)： • 種樹、固碳材料 (種樹面積有限、週期太長) • 以二氧化碳為料源開發大宗物料(石化產品) 極端氣候頻繁威脅人類生存，全世界都在減碳大作戰 5
11. 溫室氣體減量-全球碳權交易大勢所趨 ⚫2010年全球碳權交易額僅1260億美元，預估2020年達3.5兆美元 (美元/噸) 歐盟 美國 中國 英國 日本 韓國 新加坡 碳價 16 15 6-8 25 3-4 20 7-14 ⚫美國2018 FUTURE Act法案，為發電廠或 化工廠捕獲和儲存的每公噸排放物提供高 達50美元的稅收抵免 ⚫連年虧損的特斯拉(TSLA)，靠著出售碳 排放額度，9年間大賺634億新台幣 ⚫全球氣候變遷績效指標(CCPI 2019)，台灣 連三年退步至倒數第五 7 主要工業國 2020年減排目標 美國 回到2005年排放量再減17% 歐盟 回到1990年排放量再減20-30% 日本 回到1990年排放量再減25% 中國 回到2005年排放量再減40-45% 澳洲 回到2000年排放量再減5-25% 加拿大 回到2006年排放量再減20% 韓國 回到2005年排放量再減4% 俄羅斯 回到1990年排放量再減10-15% 各主要工業國 宣示減碳目標 現在就得減少(抑制)排放CO2 ，才能在本世紀中期達 到零排放狀態，只有這樣才能將氣溫升幅控制在2℃ 以下 ~~聯合國氣候變遷政府間專家委員會(IPCC)
12. 抑碳-全球再生能源蓬勃發展 ⚫ RE100：由企業自主提出的強烈需求， 2024年前達成100%使用再生 能源，已有154家跨國公司，包括蘋果、Google、微軟、可口可樂、 Nike、IKEA、飛利浦、BMW等各行業龍頭；會員合計年營收達 2.75 兆美元，足以排上全球第四大經濟體 ⚫ RE100不但要求企業本身，還會要求供應鏈；因此，台灣廠商即便 自己不為所動，單單作為供應商，將來也會有壓力 ⚫ 蘋果旗下供應鏈44家廠商擬100%使用再生能源 (2019/4) 8 企業「100%使用再生能源」 是通往世界的決勝關鍵 長期持續仰賴國際貿易的台灣 是否有足夠的再生能源來提供 購買憑證？是否將影響到台灣 企業的競爭力？
13. 國際能源總署(IEA)再生能源併網 六階段 80%以上 50%~80% 20%~50% 10%~20% 5%~10% 5%以下 再生能源佔比 綠色天然氣 P2G/G2P ⚫ 德國經濟研究院(DIW)指出，目前風光綠能佔比極高的國家，如丹麥、愛爾 蘭、西班牙等(IEA歸納為第三、四階段)，都沒有出現大量的電化學電池儲 能設備 第四階段即開始須求大規模 季節性儲能設備 (P2G) 再生能源併網，電 化學電池僅作為過 渡階段技術
14. 國際能源總署-再生能源併網六階段解決方案 13 台灣目前再生能源占比4.7% 屬第一階段 2025目標再生能源20%將進入第三階段 第四階段以上開始須求 季節性儲能設備(P2G) 改善傳統發電機群 的彈性調度能力 (燃氣發電) 核心 關鍵 創造高附加價值 的餘電使用方式 (Power to Gas) P2G 綠色天然氣 第二〜四階段 (解決鴨子曲線) 第五〜六階段 (季節性儲能設備) 今日的歐洲 10年後的台灣
15. 解決方式 全球再生能源發展-現況瓶頸 9 殘載(residue load):「電力需求總負載」減去「變異型再生能源發電量」的剩餘負載 鴨 子 曲 線 殘載陡升 全球風光裝置容量突破 1000GW！ 5年內將突破第2個1000GW 殘載陡升 用電需求量(藍) 太陽光電的發電量(灰) •綠能占比越高，殘載陡升越嚴重 •頻繁大幅調整傳統電廠升降載，增加維運 成本、減損運轉壽命、提高事故風險 •台灣作為獨立電網，在整合綠能併網時， 殘載變動造成的彈性調度需求只會更劇烈 瓶頸 亦即其他化石燃料（如煤、油、天然氣）與核能需提供的電量 • 削減綠能電力輸出(違背政策) • 增加電力儲能設備(高成本) Power2Gas結合天然氣複 循環發電機組，快速升降 壓、緊急救援技術
16. 16 鴨子曲線: 因分散型太陽光電系統的大量導入，出現了白天 發電量超過用電量，但在傍晚太陽光電系統發電停止時，電 力需求卻急劇上升，造成電力短缺的現象。下圖為美國加州 鴨子曲線圖。 解決方案:Power to Gas 結合 天然氣複循環發電機組快速 調度技術。 複循環發電主要設備 •氣渦輪機(Gas Turbine) •熱回收鍋爐(Heat Recovery Steam Generator) •汽輪機(Steam Turbine) •發電機(Electricity Generator
17. 彈性調度能源-天然氣最佳 14 德國傳統電廠對日前批售電力市場價格訊號的反應能力 ⚫傳統上，核、煤等非彈性發電機組需要 較長時間的滿載發電，才有合理的利潤 溢價以維持機組繼續營運 ⚫從殘載彈性(flexibility)區分傳統電 廠，燃氣的彈性最佳，硬煤次之，褐煤 略遜一籌，而核能最差 ⚫核電僅在60%到100%的電力輸出區間可 以反應，低於60%會面臨技術上的問題 ⚫實務上讓越多再生能源併網的最好作法， 便是提升電力系統的彈性能力 台灣屬孤島電網，沒有鄰近國家彈性傳統機組的支援 在能源轉型過程中，勢必得更快地改變自己的傳統電廠結構 讓彈性能較佳的燃氣發電取代無彈性的核煤機組 燃氣在5~50% 電力輸出區間 皆可反應
18. 「以氣易煤」- 造成全球天然氣需求強勁 ⚫預計到2020年，全球燃氣發電容量將超 越燃煤，並在未來10年內將居全球第一 ⚫台灣能源轉型白皮書中，2025年天然氣 發電占比將拉高到50% ⚫各國積極生產天然氣，2017全球消費量 相較1997年增加~65% 天然氣需求強勁 天然氣供需缺口 持續擴大 ⚫台、日、德， 皆無天然氣資源 ⚫台灣與日本的 天然氣進口價格 ，全球最貴
19. 世界各國積極投入Power2Gas(P2G)發展 解決再生能源發展所 遭遇鴨子曲線瓶頸 增加天然氣戰略能源 自主性 代替現有鋰電池儲能 設備成本過高問題 達成大規模二氧化碳 減量目標 1.以再生能源電解水產生氫氣 2.甲烷化反應(H2 +CO2 ) 電力網 絡 天然氣 網絡 甲烷化反應 H2 CO2 目標
20. P2G大幅減少電化學儲能需求&創造餘電價值 棄風光率 減少17% 若搭配P2G儲能，當再生能源佔比50 ％，電化學儲能容量可從35 GWh降至 4 GWh，棄風光率從5％降至1％ 當再生能源佔比達90％， P2G儲能 可大幅將棄風光率從23％降至6% 減少電化學 儲能容量 88%
21. . 歐洲領先世界各國投入Power2Gas 21 以氫氣儲存-營運中 以天然氣儲存-營運中 以氫氣/天然氣共存-營運中 黃色-規劃中 紅色-計畫評估完成 歐盟Power2GGas參與的企業 團隊全面佈局的CCU專利技術，將煙道 氣CO2大規模循環再利用， 有助於CO2 大幅減量與實現再生能源穩定供電
22. 德國積極推動P2G-解決再生能源儲能問題 持續投入P2G技術研發、示範運行以及市場推廣 全國已有33個試營運據點 至2026年將投入14億歐元 甲烷化(H2 +CO2 ) 氫氣網絡 天然氣網絡 再生能源餘電
23. 成本可行 ⚫ 利用綠能餘電電解水產生氫氣，再與 CO 2 反應生成甲烷天然氣(P2G) ⚫ 氫氣或甲烷天然氣可作為季節性儲能 設備，解決電力儲能設備過高問題 綠能餘電創造高附加價值 16 餘電 P2G 容量(Wh) 設備成本 千日圓/kWh 能量密度 放電時 間單位 蓄電池 100K~100M 32~682 20~400 分~日 P2G 10M~1G 48~96 600 小時~月 日本NEDO技術戦略研究センター(TSC), 2017 替再生能源創造額外價值 外，更可增進電力系統的 穩定性 大規模電力儲能 設備成本太高 再生能源佔比50%(德國2030年目標) 只需35GWh(6%)的電力儲能設備需求 ⚫ 德國經濟研究院(DIW)，風光綠能佔 比極高的國家，如丹麥、愛爾蘭、 西班牙等(IEA歸納為第三、四階段)， 都沒有出現大量的電力儲能設備
24. 創新 Power2Gas/Gas2Power
25. 日本-脫碳化百年大計能源戰略 日本政府2018/7公布「第5次能源基本計畫」，利用來自廢氣中的CO2 作 為原料，引進大量再生能源電解水產生H2 ，藉由甲烷化反應(H2 +CO2 )產 生天然氣(能源燃料)
26. 日本-脫碳化能源流程 ⚫ 蓄電池儲能成本 較高； ⚫ 開發再生能源產 氫，再以甲烷化 反應生成天然氣 燃料之脫碳化能 源系統 容量(Wh) 設備成本(千日圓/KWh) 能量密度 放電時間單位 蓄電池 100K~100 M 32~682 20~400 分~日 P2G 10M~1G 48~96 600 小時~月 日本NEDO技術戦略研究センター(TSC), 2017
27. 2019/6再發布「碳循環路線圖」 • 將CO2 再利用轉換成化學品(聚碳酸酯、烯烴Olefin等)和甲烷氣體燃料 碳捕捉& 甲烷化反應 CO2 甲烷化 呼應2018年 脫碳化百年大計 能源戰略規劃
28. 中國-以P2G解決大量棄風率、棄 光率 中國國家能源局發布，P2G建設對於優化電力調峰具有重要意義，其具有 規模適應性強、環境友好、可跨季度儲存等優點，並可與天然氣管網結 合，是有效解決棄風、棄光等新能源發展難題的重要途徑 棄風率高達30-40%，總計棄風電量 1500TWh 棄光率高達40-50%，總計棄光電量 150TWh
29. 台灣能源轉型-關鍵在天然氣發電 ⚫台積電興建中南科與環評階段的竹科三奈米研發中心未來能源 規劃「80%天然氣、20%綠能」(2019/2/18) ⚫2019/9 工研院舉辦永續能源策略國際研討會，歐美日電力專家 一致共識「台灣獨立電網，再生能源與傳統石化燃料必須共 存」，而天然氣發電可以提供快速升降壓讓供電系統穩定 ⚫2019/9/3 經濟部能源局提出再生能源「緊急救援」，當再生能 源受限於天候狀況時，需在3分鐘內補上供電缺口；依據美國電 力研究院報告估算，2025年台電電力需5.8GW的再生能源輔助 服務，其中燃氣機組佔比約69% 再生能源 緊急救援 燃氣 水力 儲能 GW 4 1.5 0.3 新型燃氣機組具每秒百分之四 的升降載能力，可快速補足再 生能源的電力缺口
30. 30 報告大綱 一 、市場需求端 ⚫全球氣候異常：各國宣示減碳目標 ⚫抑碳：再生能源發展 ⚫減碳/固碳：種樹固碳、生產大宗民生固碳產品 二 、技術供給端 ⚫煙道氣CO2 資源化整體解決方案 P2G/G2P 全球能源展望 煙道氣CO2 資源化-人工合成 綠色天然氣&綠色石化基礎原料 Nature(2019/9/19)的封面是一個煙囪。 標題是 Time to act。 氣候變化可以說是當今時代的科學和社會問題。 除非採取嚴厲行動，否則到本世紀末，地球的 升溫可能會超過3°C，這將帶來前所未有的極端天 氣，海平面上升，大滅絕和人類苦難。
31. 煙道氣CO 2 資源化-全方位解決方案 31 團隊開發 羧酸鹽類吸收劑 團隊開發 高性能兩性膜 團隊開發 CO2 氫化鎳基觸媒 脫氫生產 乙、丙烯 石化 基礎料源 CO 2 (封閉式循環) H 2 >95%高濃度 CO 2 O 2 天然氣 ~40%乙、丙烷 煙道氣 (7~15% CO 2 ) 餘電 天然氣複循環發電機組 CCGT (富氧燃燒) 團隊開發 CO氫化鎳基觸媒 1Kg人工合成天然氣發電產 生約20MJ能量(〜5.5度電) 環保訴求和 經濟成長雙贏 技術已成熟 TRL4 Pilot Plant TRL6-7 Pilot Plant TRL6-7 技術已成熟 TRL4 蒸氣甲烷 重整製程 CO 零碳排 綠電 P2G 1. 實現再生能源電力供 給穩定性(鴨子曲線) 2. 創能(綠電)與儲能之零 碳排燃氣發電系統 3. 徹底解決PM2.5空污， 達成減碳目標 4. 天然氣自主生產，增 加台灣戰略能源自主性 5. 人工合成綠色石化基 礎原料，CO2 變綠金 人工合成 天然氣 PM2.5 〜0 蒸 氣 G2P -創綠能與儲能兼具、並確保穩定供電、兼顧空污改善之永續碳循環
32. CO2 absorption/desorption for AcK
33. CO2 捕獲劑-吸收&解吸原理 15
34. CO2 捕獲劑-捕獲CO2 系統之模擬結果 19 ⚫ 產品CO2 濃度為99.0302wt%、H2 O濃度為0.8409wt%、 NOX 為2.32ppm、SOX 濃度為0.667ppm ⚫ 煙道氣CO2 回收率為98.742% ⚫ 吸收劑再生能量消耗為 2.322 GJ /1000 Kg CO2 ；若加 上 compressor 及 pump 則約需要 2.55GJ /1000 Kg CO2 丟在海裡? 埋在地底?
35. 新型CO2 吸收劑 多國專利保護 商業競爭品分析(CO2 捕獲劑) 14 本團隊 羧酸鹽類吸收劑 商業化MEA 三菱重工 (日) Shell-Cansolv 殼牌(美) 能耗 GJ/t CO2 2.5 4.0~4.2 2.6~3.3 ~2.66 CO2 純度 >99.0 >99.0 >99.0 >99.0 吸收劑 高濃度羧酸鉀 MEA+oxidation inhibitors KS-1(2)(3)TM (hindered amines) DC101TM (2’’, 3’’diamines) 釋放 (再生)條件 60-80℃; 1atm >130℃; >1atm >120℃; >1atm >120℃; >1atm 特性 價格低廉、穩定性 高、中吸收速率 副反應多、損耗 副反應多、損耗 副反應多、損耗 防腐設備 投資需求 無 可生成鉀鹽肥料 需要 毒性副產物 需要 毒性副產物 需要 毒性副產物 捕 獲
36. Bipolar Membrane Water Splitting
37. ◆ 本期(4-9月)重要執行成果 子計畫一 兩性膜電解水產氫 _ _ _ _ + + + + Bipolar Membrane 37 電解槽設計 電解液 Pump入口 Pump出口 不鏽鋼 網狀電極 氣體收集處
38. 38 Salt
39. 兩性膜 DMAEA-PVDF-SSS製備 PVDF PVDF-DMAEA PVDF-SSS ➢ 相反轉法製備PVDF薄膜、電漿改質接枝DMAEA與SSS 2.8 μm 3.2 μm • 陽離子型單體 4-Styrene Sulfonic Acid Sodium Salt Hydrate (SSS) • 陰離子型單體 N,N-Dimethyl Amino Ethyl Acrylate (DMAEA) Contact angle 121o 16o 8.5o 疏水性 親水性 39
40. 40 相反轉法製備PVDF薄膜 DMAEA SSS
41. 4 1 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 295 300 305 310 315 320 325 330 335 340 Critical voltage(V) Temperature(K) Critical voltage vs. Temperature PES Astom SSS-PVDF-DMAEA ➢ 以PES膜電解水為例，溫度越高，臨界電位越低，符合Nernst equation : E=E∘−RT ln(Q) ➢ 兩性膜之臨界電位相較於PES膜，約可降低23%~35%，且操作溫度越高， 所降低之比例越大。 ➢ 兩性膜之操作溫度越高，臨界電位越低，以298K與338K做比較，降低約 20.2%。 -23.6% -34.8% 團隊技術與商業競品分析(兩性膜)
42. 42 Type-condition 電流 密度 ( ) Gas production efficiency (%) 能耗 (kWh/ m3) 標準能耗 (kWh/Nm3) 產氫速率 ( ) SSS-PVDF-DMAEA 2V-0.1N-K 3 PO 4 -30℃ (PVDF-commercial) 27 67.91 6.35 7.04 0.28 Astom 2V-0.1N-K 3 PO 4 -30℃ 8 57.98 7.44 8.25 0.072 PES 2V-0.1N-K 3 PO 4 -30℃ 8.5 38.08 11.33 12.56 0.05 團隊技術與商業競品分析(兩性膜)
43. 43 Type-condition 電流 密度 ( ) Gas production efficiency (%) 能耗 (kWh/ m3) 標準能耗 (kWh/Nm3) 產氫速率 ( ) SSS-PVDF-DMAEA 2V-0.1N-K 3 PO 4 -65℃ (PVDF-commercial) 95 74.71 5.17 6.40 1.22 Astom 2V-0.1N-K 3 PO 4 -65℃ 51 72.05 5.37 6.65 0.63 PES 2V-0.1N-K 3 PO 4 -65℃ 54 62.68 6.17 7.64 0.58 團隊技術與商業競品分析(兩性膜)
44. 44 Type-condition 電流 密度 ( ) Gas production efficiency (%) 能耗 (kWh/ m3) 標準能耗 (kWh/Nm3) 產氫速率 ( ) SSS-PVDF-DMAEA 3V-0.1N-K 3 PO 4 -30℃ (PVDF-commercial) 240 85.40 7.2 7.99 3.33 Astom 3V-0.1N-K 3 PO 4 -30℃ 102.5 81.03 7.41 8.22 1.38 PES 3V-0.1N-K 3 PO 4 -30℃ 144 70.42 9.19 10.20 1.57 團隊技術與商業競品分析(兩性膜)
45. 45 團隊技術與商業競品分析(兩性膜) Type-condition 電流 密度 ( ) Gas production efficiency (%) 能耗 (kWh/ m3) 標準能耗 (kWh/Nm3) 產氫速率 ( ) SSS-PVDF-DMAEA 3V-0.1N-K 3 PO 4 -65℃ (PVDF-commercial) 520 91.49 6.34 7.85 8.2 Astom 3V-0.1N-K 3 PO 4 -65℃ 297 87.58 6.62 8.20 4.48 PES 3V-0.1N-K 3 PO 4 -65℃ 217 80.67 7.19 8.90 3.01
46. 4 6 Type-condition 電流 密度 ( ) Gas production efficiency (%) 能耗 (kW h/m3) 標準能耗 (kWh/Nm3) 產氫速率 ( ) SSS-PVDF-DMAEA 6V-0.1N-K 3 PO 4 - 65℃ (PVDF- commercial) 3450 95.2 12.20 15.10 56.6 Astom 6V-0.1N-K 3 PO 4 - 65℃ 2425 92.8 12.50 15.47 38.8 PES 6V-0.1N-K 3 PO 4 - 65℃ 425 87.4 13.28 16.44 6.4 團隊技術與商業競品分析(兩性膜)
47. 47 Different electrolyte Cathode/cation-half-reaction • K3 PO4 • Cathode: 2H+ +2e- → H2 • Cation: H2 O → ½ O2 + 2H+ +2e- • NaOH/HCl • Cathode: 2H+ +2e- → H2 • Cation: 2OH-→ H2 O+ ½ O2 + 2e- 3.更換電解液，K3 PO4 ➔NaOH/HCl
48. 4 8 Type-condition 電流 密度 ( ) Gas production efficiency (%) 能耗 (k Wh/m3) 標準能耗 (kWh/Nm3) 產氫速率 ( ) SSS-PVDF-DMAEA 2V-0.5N- NaOH/HCl-30℃ (PVDF- commercial) 875 92.2 4.68 5.2 12.46 Astom 2V-0.5N- NaOH/HCl-30℃ 230 78.3 5.5 6.1 2.78 團隊技術與商業競品分析(兩性膜)
49. 4 9 Type-condition 電流 密度 ( ) Gas production efficiency (%) 能耗 (kWh/ m3) 標準能耗 (kWh/Nm3) 產氫速率 ( ) SSS-PVDF-DMAEA 2.5V-0.5N- NaOH/HCl-30℃ (PVDF-Self synthesis) 850 93.8 5.75 6.37 12.32 SSS-PVDF-DMAEA 2.5V-0.5N- NaOH/HCl-30℃ (PVDF-commercial) 435 92.3 5.84 6.48 6.20 團隊技術與商業競品分析(兩性膜)
50. 50 Type-condition 電流密度 ( ) Gas production eff iciency (%) 能耗 (kWh/m3) 標準能耗 (kWh/Nm3) 產氫速率 ( ) SSS-PVDF-DMAEA 2V-0.1N-K 3 PO 4 -30℃ (PVDF-commercial) 27 67.91 6.35 7.04 0.28 SSS-PVDF-DMAEA 2V-0.1N-K 3 PO 4 -65℃ (PVDF-commercial) 95 74.71 5.17 6.40 1.22 SSS-PVDF-DMAEA 3V-0.1N-K 3 PO 4 -30℃ (PVDF-commercial) 240 85.40 7.2 7.99 3.33 SSS-PVDF-DMAEA 3V-0.1N-K 3 PO 4 -65℃ (PVDF-commercial) 520 91.49 6.34 7.85 8.2 SSS-PVDF-DMAEA 2V-0.5N-NaOH/HCl-30℃ (PVDF-commercial) 875 92.2 4.68 5.20 12.46 SSS-PVDF-DMAEA 2.5V-0.5N-NaOH/HCl-30℃ (PVDF-Self synthesis) 850 93.8 5.75 6.37 12.32 團隊技術與商業競品分析(兩性膜)
51. • 一度電單位＝1kWh • 若以台電售給工業用電，正常一度電約1.9元，離峰一 度電約1.4元，以能耗5.2kWh，目標產氫速率＝ 1Nm3 H 2 / hr，總花費為7.28元。(低於日本2030技術指標) 資料來源：<<遠見>>綜合整理 電價計算
52. 鎳鐵雙金屬系統應用—碳紙 台塑織布(Ec2c)-Ni8Fe2 x10k x30k 12wt% PAN +1wt% Asphalt CNF on EcPP20+1wt% Asphalt carbonized x250 台塑不織布EcPP20+1wt% Asphalt (160oC oven 30min) carbonized x15k x2k EcPP20+1wt% Asphalt 12wt% PAN+1wt% Asphalt (hot press 130oC 2min cold press RT 2min) Sample Resistance, Ω Conductivity, S EcPP20 5.00 0.20 EcPP20+1wt% Asphalt carbonized 1.63 0.61 12wt% PAN +1wt% Asphalt CNF carbonized 104.20 0.01 12wt% PAN +1wt% Asphalt CNF on EcPP20+1wt% Asphalt carbonized 4.21 0.2375 12wt% PAN +1wt% Asphalt CNF on EcPP20+1wt% Asphalt carbonized (hot press 130oC 2min cold press RT 2min) 4.06 0.2463 Element Weight% Atomic% C K 30.87 67.12 O K 1.54 2.51 Fe L 13.31 6.22 Ni L 54.28 24.14 Totals 100.00 = 24.14 6.22 = 3.88 ≈ 4
53. Analytical method for CO determination 一氧化碳 定性分析 1. Solutions of CuCl in HCl or NH3 absorb carbon monoxide to form colorless complexes such as the chloride-bridged dimer [CuCl(CO)]2 . 2. GC spectrometry 3. CO detector NH3 CuCl +CO → [CuCl(CO)]2 Ref: 奧薩式氣體分析法 Orsat type gas analysis apparatus 選擇性化學吸收法按容積測定煙 氣成分的儀器 Reaction equations (+)WE: CO2 (acidic) + 2H+ + 2e- → CO (neutral) + H2 O 2CO2 (acidic) + 4H+ + 4e- → 2CO (neutral) + 2H2 O (-)CE: 2H2 O(l) → O2 (g) + 4 H+(aq) + 4e− Total reaction equation: 2CO2 (acidic) → 2CO (neutral) + O2 (g) Electrolyte: Na2 SO4 H2 O CO2 Ions: Na+ SO4 2- H+ OH-
54. 無意間發現 商業競爭品分析(氫化觸媒) 氫化鎳 基觸媒 Haldor Topsoe (丹麥) British Gas (英) Ralph M. Parsons (美) Hitachi Zosen (日) Lurgi GmbH (德) 能耗 GJ/t CO2 ★ ★★★ ★★ ★★ ★☆ ★★★ 製程溫度(℃) 150 300-700 230-640 315-780 ~300 ~450 製程壓力 (atm) 1 ~30 25-70 1-70 1 ~18 目前階段 Pilot 商業化 商業化 商業化 開發中 商業化 轉 化 自製量產5公斤級鎳觸媒設備 16 本團隊鎳基觸媒於低溫(150℃)、1atm下，將 氫氣與CO2 反應產生甲烷，轉化率達100% 磁性鎳基觸媒 多國專利保護 Temp (℃) CO Conv. CH4 (mole%) C2 H6 (mole%) C3 H8 (mole%) C4 H10 (mole%) 130 91.09 46.72 37.78 2.94 0.58 140 100 65.88 31.56 2.16 0.39 150 100 74.54 23.56 1.64 0.26 Ni8Fe2 CO氫化反應 將近4成的乙、丙烷含量 Power2Gas to Materials 石化基礎原料取代品
55. Ni-0.5 Ni (111) d=0.206nm Ni-0 Ni-1.0 Ni-2.7 [111] 表面針狀以 (111)面組成 添加磁場表面針狀為結構更明顯， 並且隨磁場增加，觸媒型態由球 往線長。 SEM HR-TEM 氫化觸媒
56. 56 Ni9Fe1 Ni8Fe2 Ni7Fe3 氫化觸媒
57. CO2 & CO 轉換觸媒開發實測 26 Temp (℃) CO2 Con v. CO2 (mol e%) CH4 (mole%) C2 H6 (mole%) C3 H8 (mole%) 130 78.87 21.13 78.49 0.36 0.02 140 96.13 3.87 95.65 0.46 0.02 150 100 0.00 99.53 0.45 0.02 160 100 0.00 99.57 0.41 0.02 Temp (℃) CO Conv. CO (m ole%) CO2 (mole%) CH4 (mole%) C2 H6 (mole%) C3 H8 (mole%) C4 H10 (mole%) 130 91.09 8.91 3.07 46.72 37.78 2.94 0.58 140 100 0.00 0.00 65.88 31.56 2.16 0.39 150 100 0.00 0.00 74.54 23.56 1.64 0.26 160 100 0.00 0.00 75.07 22.78 1.84 0.30 Ni8Fe2 CO2 氫化反應 Ni8Fe2 CO氫化反應 將近4成的乙、丙烷含量
58. 美國頁岩油/氣資源區內組成的差異 29 資料來源: IHC Chemical ⚫ 頁岩油/氣資源區的同一區內其組成有顯著的差異 ⚫ 位於西德州的Eagle Ford，其所含乙烷的比例不同， 由南的8%至北的18%
59. 煙道氣循環轉換成綠色天然氣(抑碳)、石化料源(固碳) 25 煙道氣 石化基礎料源 33% 現有蒸氣甲烷重整製程 Steam Methane Reforming ~31%乙烷 2%丙烷 150oC 140oC Ni/Fe cat. Ni/Fe cat.
60. 甲、乙、丙烷之巨大經濟效益 27 資料來源: PFC Energy 資料來源: BP Statistical Review of World Energy 供需缺口極大 台、日天然氣價格 全球最貴 ⚫ 甲、乙、丙烷為天然氣之組成；台灣進口 液化天然氣的供需缺口持續擴大 ⚫ 乙、丙烷可以脫氫為乙烯和丙烯，為 關鍵基礎之石化工業原料 團隊所開發之CO氫化觸媒，具有低溫 100%轉換率和高烷類選擇率；高於33% 乙烷產量，以及~3%和0.6%的丙、丁烷 ⚫ 台、日進口LNG價格為其他國家2~3 倍；需增加冷凍液化儲存、船運、接 收還原氣體等步驟，議價困難 破壞式創新-石化原料取代品 國內自製LNG，取代進口
61. 提供人工合成乙、丙烷 (綠色原料) 28 乙、 丙 烯 為 石 化 基 礎 原 料 全球丙烯需求 量複合增長速 度將近5% 世界乙烯需求 量複合增長速 度將近3.5%
62. 自然界的光合作用 Photosynth esis
63. Power2Gas to Materials (Artificial Photosynthesis)
64. CO2 資源化-Total Solution 33 團隊開發 羧酸鹽類吸收劑 團隊開發 高性能兩性膜 團隊開發 CO2 氫化鎳基觸媒 脫氫生產 乙、丙烯 綠電 蒸汽 石化 基礎料源 煙道氣 H 2 >99%高濃度ＣＯ 2 O 2 轉化率100% 天然氣 ~40%乙、丙烷 煙道氣 電力 高效能 富氧燃燒電廠 團隊開發 CO氫化鎳基觸媒 人工合成 天然氣 1Kg人工合成天然氣發電產 生約20MJ能量(〜5.5度電) 環保訴求和 經濟成長雙贏 技術已成熟 TRL4 Pilot Plant TRL6-7 Pilot Plant TRL6-7 技術已成熟 TRL4 PM2.5 〜0
65. aaa 5關鍵技術-掌握多國20個專利佈局 CO2 捕獲與純化 CO2 吸收材再生 氫化觸媒及其製造方法 CO2 捕獲與解吸 煙道氣CO2 高純度CO 2 CO2 /CO轉化觸媒 • TW1∶ I646050(已獲證) • TW2∶ I647001(已獲證) • US∶ 15/716,738 • CN∶ 201810529068.7 • PCT(全球): IB2019/053468 • TW∶ I657859 (已獲證) • US∶ 16/397,321 • CN∶ 201910352141.2 磁性奈米鎳觸媒 • TW∶ I543814 (已獲證) • US∶ 9,433,932 (已獲證) • CN∶ 201580045159.8(已獲證) • JP∶ 6345884 (已獲證) • EU(歐盟): 15836244.2 • TW∶ 106130511(已獲證) • US∶ 10,124,323 (已獲證) • CN∶ 201711036645.0 • JP∶ 6564833(已獲證) • EU (歐盟): : 17205092.4 17 • PCT(全球)&TW: 事務所撰稿中 CO雙金屬合金氫化觸媒 低能耗 高效率 現有專利價值6500萬~1.2億 台智企業暨無形資產評價股份有限公司(2019.7) 人工合成天然氣 關鍵基礎石化原料
66. 碳循環創造新綠電 34 兩性膜電解水產生O2 、 H2 ， H2 與煙道 氣CO2 為料源合成人工天然氣，結合富 氧燃燒進行火力發電 新綠電 ⚫ 兩性膜電解水產物100%利用，發揮最大的經濟效益 ⚫ 提升鍋爐效率，降低燃料消耗量（10~45%），符合 成本效益具商業化可行性 ⚫ NOx減量達77~90%，徹底解決PM2.5空污問題 ⚫ 提供100％的再生能源（RE100）
67. 臺灣發展Power-to-Gas建議場址 (1)彰濱工業區 2025年6.5GW風電併網規劃─ ➢ 彰工上岸點：新建彰工升壓站、 彰一開閉所及相關工程，可提 供4.5GW併網容量。 ➢ 永興上岸點：新建永興開閉所、 彰埤開閉所及相關工程，可提 供2GW併網容量。 彰化離岸風力長期6.5~10GW併網 規劃─ ➢ 引接至既設麥寮六輕，利用汽 電 共 生 廠 及 IPP 電 源 線 提 供 3.5GW併網容量。 圖片取自 網路 資料來源：台灣電力公司。
68. 臺灣發展Power-to-Gas建議場址 (2)屏東縣 台灣本島以屏東縣擁有最豐富的日照資 源 ➢ 元晶太陽科技公司計畫投資500億在 屏東縣打造全台灣規模最大的太陽能 發電廠，讓屏東綠能產業邁入新的里 程碑。預計元晶這次總設置量高達 1GW，完工後每年約可發電13億度。 ➢ 元晶選擇屏東設太陽能電廠，電廠將 蓋在林邊鄉等地層下陷及不利耕作區。 地理位置與高雄林園石化工業區相距 只有15公里，可就近供應太陽能；另 外，屏東縣長潘孟安力挺綠能產業， 協助期待第一階段建置後，未來持續 進行第二階段的投資，將總設置量提 高到2GW、3 GW。 圖片取自網路 ▲元晶太陽科技公司計畫投資500 億在屏東縣打造全台灣規模最大的太 陽能發電廠。（圖／記者陳宗傑 攝,2017.10.16） 圖片取自網路 資料來源: nownews 與屏縣簽署合作元晶投資5百億打造全台最大太陽能電廠 https://www.nownews.com/news/20171016/2626049/
69. 臺灣發展Power-to-Gas建議場址 資料來源:立法院第 9 屆第 3 會期第 4 次會議議案關係文書 檢送「建置澎湖低碳島專案計畫推動成果及改善措施」專案報告(附件1) (3)澎湖縣 配合行政院計畫2025年打造澎湖成 為低碳島： 推動綠能建設，達成本島100%綠能 發電：推動風電建設及太陽能建設 計畫。本計畫再生能源占比達到 56%之目標，最大關鍵因素為大型風 力96MW的建置（原預定每年減碳 30.2萬噸，當中91.1%來自大風機的 貢獻），惟因雲林縣口湖鄉1.4公里 的陸上電纜因民眾抗議無法施工， 臺澎海底電纜工程(原規劃由澎湖將 多餘風電經海底電纜送回台灣)延宕， 因而影響其建置時程。
70. 70 附件-Power to Gas 建議場址(委託核能研究所分析報告) ⚫ 目前澎湖風力發電共有106MW/HR(包含中屯9部風電、 湖西鄉6部，以及規劃中風電) ⚫ 以50%餘電(50MW) 發展P2G，每天可產氫20噸、 CO2減量110噸(尖山火力發電廠)，合成甲烷40噸 創造甲烷年產值6.13億元 年減碳4萬噸，節碳收益1264萬 佔台灣CO2 排放總量的0.015% ⚫達成低碳與綠能發電之示範島，增加台灣自主生產天 然氣發電燃料儲量 CO2 碳交易(歐、美、中、日平均)：315元/噸
71. 綠能餘電使用方式-Power to Gas(P2G) 10 餘電 P2G 再生能源過剩電力可作為： • 電轉熱（供應熱泵系統或潛能儲熱 系統等） • 抽蓄水力 • P2G再生氫能：電解水轉換為氫氣儲 存，亦可與CO 2 反應生成綠色天然氣 替再生能源創造額外價值 外，更可增進電力系 統的穩定性 超過2/3國家，天然氣進口量>50% ⚫ 歐洲各國因減少使用石油及煤發 電，使天然氣需求攀升 ⚫ 透過「綠色天然氣」減少對俄羅 斯進口天然氣依賴 天然氣-國家戰略武器
72. 綠色焚化爐-CO2 資源化 46 ⚫ 不產廢氣，產生人工合成天然 氣的城市綠色焚化爐概念 ⚫ 廠商自主投資/政府BOT ⚫ 投資報酬率:10.04% (富國估計) ⚫ 預計9.96年投資回本 ⚫ 綠色天然氣可配合富氧燃燒創 造新綠電；亦可脫氫為乙烯和 丙烯，成基礎石化原料取代品 ⚫ 解決PM2.5空污，達成減碳目標； 經濟成長環保訴求雙嬴 國內24座焚化廠(16座BOT)
73. 碳循環 以CO2 為料源之人工合成天然氣配合富氧燃燒 進行火力發電之優勢： 1.解決國安問題 本土自製LNG取代進口 2.創造新綠電 RE100 3.減碳目標 經濟成長環保訴求雙嬴 4.徹底解決PM2.5空污問題 5.石化原料取代品 破壞式創新 6.技術輸出 國人自有創新專利技術 73
74. 煙道氣CO 2 資源化-全方位解決方案 74 團隊開發 羧酸鹽類吸收劑 團隊開發 高性能兩性膜 團隊開發 CO2 氫化鎳基觸媒 脫氫生產 乙、丙烯 石化 基礎料源 CO 2 (封閉式循環) H 2 >95%高濃度 CO 2 O 2 天然氣 ~40%乙、丙烷 煙道氣 (7~15% CO 2 ) 餘電 天然氣複循環發電機組 CCGT (富氧燃燒) 團隊開發 CO氫化鎳基觸媒 1Kg人工合成天然氣發電產 生約20MJ能量(〜5.5度電) 環保訴求和 經濟成長雙贏 技術已成熟 TRL4 Pilot Plant TRL6-7 Pilot Plant TRL6-7 技術已成熟 TRL4 蒸氣甲烷 重整製程 CO 零碳排 綠電 P2G 1. 實現再生能源電力供 給穩定性(鴨子曲線) 2. 創能(綠電)與儲能之零 碳排燃氣發電系統 3. 徹底解決PM2.5空污， 達成減碳目標 4. 天然氣自主生產，增 加台灣戰略能源自主性 5. 人工合成綠色石化基 礎原料，CO2 變綠金 人工合成 天然氣 PM2.5 〜0 蒸 氣 G2P -創綠能與儲能兼具、並確保穩定供電、兼顧空污改善之永續碳循環
75. 衍生商機 • 專利授權 • 工程設計、監造 • 營運參與 • 製程耗材銷售：醋酸鉀、兩性膜(pvdf孔隙膜、陰陽離子膜) 、催化觸媒
76. 76 Thanks for Your Attention 2019 / 5 / 1 英國成為世界第一個宣布進入氣候緊急狀態的國家 反抗滅絕(Extinction Rebellion)運動 要求英國政府在2025年前，將碳排放量降至0 沒 時 間 浪 費 了 !! 經濟發展造成環境衝擊 唯有透過「循環經濟」的轉型 才能創造出下一波的經濟發展契機