摘要
Responsibility to climate change is the responsibility of sustainable business operations. As the world's largest provider of semiconductor technology and production capacity, TSMC promises to achieve net-zero emissions in 2050 and plans a blueprint for net-zero emissions. From 2025, there will be zero growth in carbon emissions and Gradually declining, the carbon emissions in 2030 returned to the emission level in 2020, and the value chain in 2050 reached the goal of net zero emissions ; among them, 100% use of renewable energy is one of the important strategies to achieve net zero emissions, TSMC In addition to continuously improving various energy-saving and carbon-reduction actions, the energy efficiency of 10nm and 7nm and above process technologies will be doubled in the fifth year of mass production. In addition, the energy efficiency increased by 20% in the second year of mass production of 5nm. To achieve the 110-year goal, we will continue to expand the use of renewable energy and establish diversified supply sources, including the newly added small hydropower plant power supply in 2011, and the annual renewable energy consumption Amounted to 2.19 billion kWh, and overseas production bases achieved net zero emissions of Scope 1 and Scope 2.
圖1：台積電產品/製程能耗
1.前言
聯合國政府間氣候變遷委員會(IPCC)2022年氣候變遷報告指出，全球暖化程度益趨嚴重，人類和生態所承擔的氣候風險越來越高，需積極應對氣候變遷衝擊，並立即展開因應政策與調適行動。
身為全球最大的半導體技術與產能提供者，台積公司深切了解對當地與全球環境的責任，台積公司面對全球氣候變遷，民國 110 年進一步承諾「民國 139 年淨零排放」目標，規畫於民國 114 年起碳排放零成長，並逐步下降，民國 119 年碳排放回到民國 109 年排放水準；並於民國 139 年含價值鏈一同達到淨零碳排放[1]。
為了達成此目標，台積公司成功推動 780 項節能、節水、減廢的創新專案，其中包含優化製程氣體用量、全面導入製程尾氣破壞削減設備與零碳排能源、提升能源使用效率、擴大資源循環、選用低碳足跡原物料與開發高效節能設備等種種綠色行動，並每月追蹤廠務節能進度是否達成預期目標，逐步實踐2050淨零排放的目標(圖2)。
圖2：台積電廠務節能大盤
1.1 研究動機
台積公司重視氣候對企業營運的影響，以及對社會可能引發疾病、糧食等經濟性問題，在日常工作中以「ESG 政策」、「氣候變遷宣言」與「環境保護政策」為指引，積極規畫及執行氣候變遷減緩與調適相關作為，邁向2050年淨零承諾的目標。
台積公司因先進製程需求強勁，產能擴充快速，能源使用也急遽增加，如何減少能源消耗及碳排成為一大挑戰。針對電力消耗、未來用電成長趨勢及電力供應風險，訂定相關因應策略以達到承諾的目標(圖3)。
圖3：台積公司淨零排放策略
1.2 研究(問題/主題)背景
台積公司能源需求主要為電力、柴油及天然氣，包含電力公司及再生能源業者供應之電力，占比約94%；天然氣主要供給污染防制設施廢氣處理設備燃料使用，以降低含氟溫室氣體及揮發性有機污染物的直接排放，及少部份民生廚房用途，占比5.8%；柴油則使用於緊急發電機及消防幫浦，當出現台電電力不足需協助降載、停電或年度歲修保養時等狀況才啟動，屬於非生產使用的直接能源，占比0.2%，其中台積公司使用占比最高的電力為碳排放首要解決的課題，因此台積公司致力優化製程能源使用效率[2]。
1.3 研究之重要性
台積公司與上下游業者合作，以具體行動共同降低對環境的衝擊，驅動產業與供應鏈的正向循環。同時，透過減少單位生產所消耗的能資源，協助客戶生產更先進、更低耗電且更環保的晶片產品。依據工研院產業科技國際策略發展所的模型推導分析結果，以半導體為核心的電子產品應用，2030年約可協助全球節電10.7%，約當3.27 兆度電；而以半導體占電子產品比例以及台積公司的市場占有率來看，預估台積公司為客戶生產的產品將於2030 年協助全球節電1,700 億度，即生產時每用一度電，可以為全世界省下四度電的效益。
1.4 研究目的
台積公司深切了解自身對當地與全球環境的責任，堅守強化環保的綠色使命，將再生能源視為邁向淨零排放的重要策略，透過持續簽署長期綠電採購合約，帶動太陽光電、陸域風電、離岸風電與微水力發電等多元再生能源產業發展，吸引海內外綠電廠商在台投資，以創造更大的再生能源市場供給。當市場供給量大，越多產業投入發展先進技術，提供效率更高、成本更低也更環保的產品，在釋放科技創新的同時，不僅達到淨零排放的目標，也能實現環境永續的美好未來(圖4)。
圖4：台積公司氣候變遷因應歷程
2.案例探討(含研究方法及結果分析)
2.1 案例一：台積公司改裝無塵室外氣空調箱
研發濕膜板強化洗滌效果，有效節電80%。(圖5)
傳統外氣空調箱噴霧加濕系統以水做為質量傳遞的媒介，水泵將水加壓霧化、再由噴嘴將水細化成特定直徑水顆粒，進氣與水顆粒經過慣性撞擊、質傳、溶解等作用而去除空氣中微污染物，以維持無塵室的進氣品質。因介質板噴霧加濕系統受限於空調箱尺寸，無法增加霧化水顆粒與空氣接觸時間，洗滌水泵用電量占無塵室空調氣水輸送用電量20%。
為提高能源使用效率，台積公司攜手供應商共同研發濕膜板，藉由細水霧依附於濕膜板上形成大面積水膜，以提高外氣滯留時間、增加氣流濕潤面積，使水膜可吸收更多外氣所含微污染物，不僅強化洗滌效果，且水泵馬力變小，可減少80%用電量，達到節能效益[3]。
圖5：外氣空調箱濕模板系統
2.2 案例二：UPS ECO模式
台積公司為了預防電力系統異常影響生產，無論廠務設施或生產設備皆裝設不斷電系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)，來管理電力波動風險。然而，一般的不斷電系統為了能在電壓瞬降時發揮保護機制，必須24小時透過整流器充電儲能，再經由逆變器供電，因此平時運轉額外增加了5%耗能。
為降低系統的能量消耗，民國105年，台積公司與UPS 供應商攜手開發UPS節能運轉模式，提供業界更多節能選擇，提升能源使用效率[4]。
2.2.1 分析壓降，改善韌體
台積公司與廠商先分析民國104年與105年所有壓降記錄，逐一檢討參數靈敏度與壓降保護動作之間的關聯性，再由電力專家審查內部韌體邏輯，並將其優化找出安全的節能模式。
2.2.2 嚴謹驗證，可靠度100%
設備一旦異常運轉，晶圓廠將蒙受營運重大損失，因此在全面實施此一創新節能專案前，特別透過第三方國際測試權威(Underwriters Laboratories Inc.)進行116項驗證，確認新的節能模式在電力系統供電異常時，其作動邏輯仍符合國際半導體業電壓瞬降應變能力規範的標準(IEEE SEMI F47)。
同時，並加做負載加嚴測試，最後經三次壓降確認可靠度達100%後才核准上線。
2.2.3 提升效率，共創雙贏
根據新的UPS節能模式設計，平日電力逕行經由節能路徑(圖6)供應，遇到電壓異常時，則能瞬間切換至壓降保護電路，不僅省下5%能耗，整體效率亦由94%提升至99%。
民國105年，此項節能措施成功導入先進製程，共節電14.4百萬度，佔全公司年度節電量16%，是廠務節能創新的重大突破。
圖6：UPS ECO模式
2.3 案例三：十年磨一劍，冰機集節能於一身
於民國100 年開始第一個冰水系統節能專案，啟發後續 節能CIT，至目前已「持續改善十二年頭」(圖7)，總節 能量TSM 已認列兩億四千萬度，朝永續環境目標邁進。
圖7：tsmc冰機節能歷程
目前廠務冰機節能措施如圖8四季交響曲：隨四季調整冰水溫度，TSM已認列一百五十萬度。
圖8：冰機節能措施
正負2℃：建立線性回歸最佳化程式，TSM已認列一億九千萬度。
AI 1.0：以歷史數據建立機器學習模型，TSM已認列三千六百萬度。
AI 2.0：以設備保養、系統操作、自動化角度建立三大節能模型，創始廠區TSM已認列兩百萬度，十二吋廠區Y23陸續導入，預計年節電一億度、減碳五萬公噸CO2e年排放量[5]。
2.4 新建廠使用環保冷媒冰機
根據蒙特婁議定書，為避免工業產品中的氫氟氯碳化物(HCFCs)對臭氧層造成惡化及損害，冰機冷媒R-123使用將受到限制，且2020年後禁止生產機台，而維修用冷媒可生產或進口至2030年且可繼續使用。
因此台積為了降低溫室氣體排放量，從2022年起開始導入環保冷媒並列入新廠設計標準，新廠的冰水主機皆使用新一代低GWP(全球暖化潛值)R514A & R1233zd(E)冷媒(圖9)，目前於新廠區F12P8 雙壓縮機(5CH -03/05)運轉40%~50%下，趨近溫度落在1.9~2.5℃之間，與R123冰機差異不大，但單機頭運轉時趨近溫度皆高於2.5℃，經深入了解後，發現為該廠區冰機單機頭設計條件為滿載25%運轉條件，但實際負載皆為35%~39%，因在非設計條件工況下運轉導致趨近溫度高，因此新型環保冷媒冰機確實可符合廠區運轉需求並成功達成節能減碳的目標(圖10)。
圖9：新型環保冷媒冰機冷凍噸、KW
圖10：冰機冷媒效率、GWP比較圖
2.5 廠務製程減排創新-N2O
因溫室效應溫升帶來的全球暖化(Global Warming)，為氣候變遷的主因，且近年台灣年均溫屢創新高(2020年均溫+1.59℃ )，洪水、缺水、強颱屢見不鮮。
而溫室氣體包含CO2、CH4、N2O、F-GHG(HFCs、PFCs、NF3、SF6)，TSMC總溫室氣體排放量中，電力使用間接排放佔75%，製程氣體直接排放佔25%(第一名為N2O佔9.6%)。
因此廠務針對N2O進行去除效率改善，目前既有製程尾氣處理設備Local Scrubber(LSC)(圖11)對N2O處理效率 <60%(2019 IPCC Guidelines Rule : >60%)，為了提升LSC反應溫度裂解方式(>1000℃)雖有效去除N2O，但此削減方法伴隨產生大量NOx。
圖11：LSC反應圖
透過新技術的開發，再行改造LSC[6]，新增CH4為還原劑，通過Semi-S2安全認證，經工研院檢測在維持相同溫度下，N2O去除效率達98%、NOx降低40%。
目前廠務預計使用七年的時間，將KT1000FA type LSC 現地改造 & Others Type LSC 更換為可處理N2O機型(圖12)，N2O排放減量2,500噸，約0.75M ton CO2，約1,937座大安森林公園CO2年碳吸附量。
圖12：LSC N2O改造計畫時程
3.結論
台積公司深切了解自身對當地與全球環境的責任，堅守強化環保的綠色使命，將再生能源視為邁向淨零排放的重要策略，透過持續簽署長期綠電採購合約，帶動太陽光電、陸域風電、離岸風電與微水力發電等多元再生能源產業發展，吸引海內外綠電廠商在台投資，以創造更大的再生能源市場供給。當市場供給量大，越多產業投入發展先進技術，提供效率更高、成本更低也更環保的產品，在釋放科技創新的同時，不僅達到淨零排放的目標，也能實現環境永續的美好未來[7][8]。
參考文獻
- 112年ESG報告。
- 台積公司能源使用白皮書。
- ESG電子報：台積公司改裝無塵室外氣空調箱，節電1億4,900萬度。
- ESG電子報：業界首創的智慧節能不斷電系統。
- ESG電子報:台積公司人工智慧冰水系統三大創新功能，節能再升級。
- 機械工業雜誌:真空製程設備節能技術。
- 台積公司FAB15A管理方案:F1523073
- 台積電2022年永續報告書。
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