摘要
淨零排放的挑戰-碳捕捉技術及未來展望
台灣行政院環保署於2023年因應全球氣候變遷並確保國家永續發展為前提訂定氣候變遷因應法，同時成立碳權交易所，預計於2025年開始徵收碳稅。台積公司也於2021年建立淨零排放目標，預計2040年達到淨零排放並規畫淨零藍圖。目前廠務端有直接碳排的項目主要以空氣污染防制設備中燃燒處理生成為主要來源，故本研究以補集機械系統中VOC及LSC兩大燃燒處理系統所排放的CO2為研究目標，以達到範疇一之碳中和目標。
Taiwan EPA had already passed the regulation of climate change for the purpose of sustainable development to reduce Carbon emissions and establish the carbon credit trading center in 2023. Furthermore, the carbon TAX will trigger in 2025. In 2021, TSMC also establish the Net-Zero goal and plan to reach the target follow by internal roadmap in 2040. To reach the goal of the stage-1 Net Zero, this study will focus on how to capture the source of CO2 emission especially on the burn type of air-pollutant control equipment(VOC and LSC).
1. 前言
1.1 世界碳權發展方向及趨勢
EU ETS（Emissions Trading System）為歐盟內部碳排交易系統，2005年開始實施以來， 使歐洲的碳排放量在 2005-2019年間下降了35%，堪稱全球協調碳定價的典範。 自此碳定價（Carbon Pricing）制度被視為邁向淨零排放不可或缺的經濟工具， 透過「污染者付費」原則，為碳排放定下價格，不僅能提供經濟上的誘因， 更能達成實質減碳效果。[1]
「碳邊境調整機制」(Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM）為歐盟於2021年所建立， 規範高碳排產品若進口到歐盟，必須購買憑證（CBAM Certificates)才能將其產品銷往歐洲市場， 以促進非歐盟國家的公司邁向潔淨產業鏈。另⼀方面則是為了防止境內企業將高碳排的產品， 轉移到環境與氣候政策較為寬鬆的非歐盟國家生產，發生「碳洩漏」狀況， 導致低碳排或發展中國家的碳排放量增加，反而無益全球淨零目標。[2]
CCA(Clean Competition Act)為美版碳關稅法，目的與CBAM相似， 主要是懲罰碳密集型產品的製造商，提高碳排相對較低的美國公司的競爭力， 同時也激勵未履行氣候與環境義務國家的製造商脫碳。 有別於歐盟碳關稅的設計，CCA設計的邏輯是以美國產品的平均碳含量為基準線， 從 2024年開始，對碳含量超過基準線的進口產品和美國產品均徵收碳費。 至於碳含量的基準線，則是由美國財政部依據美國企業所生產的產品平均碳含量為參考依據， 且在2025至2028年期間，基準線每年會下調2.5%，從2029年起則是每年下調5%。
美國也打算，在2024年和2025年先適用於上述能源密集型的原料， 不過從2026年起，產品範圍會開始往下游延伸，也就是說如果進口的加工產品中， 含有碳稅課徵對象原料一定標準的碳含量，也要被徵收碳費，且碳含量標準還會階段性減少。 舉例來說，如果出口一台機床中的鋼鐵含碳量超過標準，就要繳納碳稅。[3]
1.2 台灣法規制定
2023年2月中修正氣候變遷因應法，其中明訂二氧化碳（CO2）、 甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、 全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF6）、三氟化氮（NF3）為法定溫室氣體。 開徵碳稅則明訂於2025年針對年排碳量逾2.5萬公噸以上大戶進行， 但相關如何定義碳排量、金額徵收及碳費定價則尚未有明確的施行方式。 未來所徵收的碳稅須專款專用，以確保應用在溫室氣體減量工作， 投入低碳/負排放技術及產業以及氣候變遷調適。
1.3 TSMC相關淨零里程
面對淨零排放的承諾，台積公司藉由每年溫室氣體盤查結果檢視整體減碳成效， 並擬定排放減量策略。2021年，製程排放占13%，主要來自製程含氟溫室氣體與氧化亞氮； 電力使用造成的排放占 50%；上下游價值鏈的排放則占37%， 以原物料生產、能源上游相關活動與運輸為前三大排放項目。 同年度，台積公司持續推動領先業界的溫室氣體減量標竿作為， 於製程端加速汰換與新設含氟溫室氣體及氧化亞氮製程現址式處理設備約3,400台， 並開始使用碳中和天然氣，有效降低直接排放約470萬公噸二氧化碳當量、 單位含氟氣體排放量則較2020年下降10%； 同時持續打造符合綠建築認證的綠色廠房，執行機台與廠務節能專案， 搭配擴大使用再生能源，有效降低產品的溫室氣體排放約220萬公噸二氧化碳當量， 單位溫室氣體排放量亦較2020年下降6%。2021年，台積公司持續強化輔導供應商並訂定盤查及減量目標， 在原物料生產節能與運輸減碳上亦達到18萬公噸二氧化碳當量， 攜手邁向淨零排放，如(圖1)所示。
圖1：TSMC溫室氣體減量標竿作為
2. 文獻探討
本實驗之目的為將廢氣中的二氧化碳補集固化， 參考目前現行業界常見固碳種類及成本如(圖2)所示， 再進一步將其分類為四大處理方法: 低溫冷凝 / 化學吸收 / 薄膜分離 / 物理吸附 進行討論。 [4][5][6][7][8][9][10]
圖2：不同種類CO2固化及處理方式
2.1 低溫冷凝
目前為已商業化的標準技術，此方法可直接獲得液態CO2， 有利於管線運輸，但其限制是冷凝過程中凝固點較高的不純物須先行去除，如水、酸氣等等， 以防止管路通道凝固造成阻塞。低溫冷凝過程中需消耗大量的能量，可以據氣體沸點不同進行分離， 但就單一CO2純化捕捉方面，較不具有經濟優勢。
2.2 化學吸收
化學吸收法為目前工業界常見的CO2捕獲及去除方式之一， 在溶劑選用可分成胺類、醇胺類、鹼性水溶液等等，目前常見的吸附溶劑有MEA、MDEA、AMP等。 捕獲方法為由化學溶劑與CO2形成化學鍵節，在溶劑與CO2反應達到飽和後， 再用加熱方式將CO2排出，完成CO2捕獲及溶劑再生的過程。 其優點為具有較高的CO2補集容量，但由於溶液本身屬於胺類或是鹼性溶液， 容易在補集過程中生成副產物並且造成管路腐蝕、溶液消耗等等問題。
2.3 薄膜分離
薄膜分離為目前最節能的技術，此方法是利用氣體選擇性薄膜將兩端不同的氣體依據分子大小、 濃度、溶解度進行CO2分離。薄膜分離的優點是省能、操作程序簡單， 缺點為薄膜本身成本較高、濃縮倍率低及目前技術成熟度較低， 在工業化的應用上還有努力的空間。薄膜技術是無法提濃CO2， 較適合用在高濃度CO2(>15%)中進行氣體分離，低濃度則較無效益。
2.4 物理吸附
物理吸附法如同業界較常見的濾網，利用固體吸附材料與CO2之間的凡得瓦力或是靜電力， 以及材料孔徑進行篩分，將CO2與其他氣體分離。其優點為吸附容量較高、 可在低溫環境(<200℃)或是壓力變化下進行操作，適合在空間有限制、無廢熱的廠址使用。
3. 實驗方法
3.1 VOC/LSC廠址現況分析
為了瞭解廠區的CO2實際排放濃度以建立實驗條件， 先行於LSC & VOC出口進行濃度量測，確認出口濃度為1.2~2.5%，介於低濃度的狀態。 而LSC腹地較小，又有較多酸氣、粒狀物及惰性氣體，在補集上較為困難， 需建設相關處理設備以避免CO2處理設備被腐蝕或是阻塞； VOC則相對單純，但須注意未來設置必須避免與主系統連動以免造成違反環保法規疑慮， 相關比較如表1所示。
| CO2排放源 | VOC | LSC |
|---|---|---|
| 裝設腹地 | 較大 | 較小 |
| CO2濃度 | 1.20% | 2.50% |
| 其他出口物種 | VOC | VOC、酸氣、惰性氣體 |
| 風量(CMH) | 60,000 | 100 |
3.2 CO2補集方式選擇
根據VOC/LSC廠址現況分析，由於現場空間限制較大、CO2濃度過低且可能包含特殊性氣體， 再加上現場無法提供穩定熱能來源，建議選擇物理吸附法中的固材料吸附法進行 低濃度的CO2補集及去化。
3.3 實驗設計
由於VOC/LSC系統皆連動生產端機台，如直接在廠區進行CO2補集系統建置， 會有影響生產之可能性。故本實驗於外部場址設置小型模廠(圖3)， 以CO2及N2標準鋼瓶(99.99%)作為氣源並於後端設置調壓閥用於模擬不同濃度CO2入口表現， 後續經過ETSA(物理吸附材)進行CO2吸附，而為了避免入口有其他氣體干擾造成吸附不佳， 增設Pre-filter用於模擬真實廠區現況，最後在入出口各標配CO2 sensor 用以確認ETSA效率。
圖3：小型模廠實驗架構
實驗條件的設計則是模擬廠區在100L/min，進氣溫度<35℃條件下， CO2低濃度0.5、1.0、1.5、2.0%其吸附能力測試， 並且同時設置A、B兩組Pre-filter及CO2 capturer， 用於確認是否可以24小時運轉及脫附再生。
4. 結果與分析
4.1 ESTA CO2吸附及脫附能力確認
如圖4所示，CO2低濃度0.5、1.0、1.5、2.0%之吸附效率皆可達到>90%， 可得知ESTA物理吸附材可有效補集CO2。 在不同濃度下CO2 單位時間吸附量 / 吸附容量 / 捕獲率可參考圖5， 在CO2濃度相對低的狀態下反而補集率越高， 單位時間吸附量 / 吸附容量除上CO2濃度也較高， 可得知本次使用之ESTA材料對於低濃度CO2有較佳的效果， 但使用於高濃度的CO2 則有可能因吸附過多造成推擠效益導致排放出較高濃度CO2。
圖4：CO2於0.5、1.0、1.5、2.0%濃度下吸附曲線圖
圖5：不同濃度下CO2時間吸附量 / 吸附容量 / 捕獲率
4.2 CO2整體捕獲推估
目前根據本實驗結果計算，一組ESTA在2%濃度下約可回收CO2 3.3公斤/天。 而在能源耗損方面則為7.75公斤/天，主要為模擬現場廠區所需之除溼材 須先行將濕度降低所導致，但後續於實廠VOC後端應用則可扣除除溼材及風機馬達的大電量輸出， 有機會將能耗降低至2.75公斤/天，減碳效益約為0.2噸/年。
5. 結論
誠如本次實驗結果可得知ESTA為可吸附及脫附CO2之材料並可應用於半導體廠區低濃度之特性。 其有效減碳之效益約為0.2噸/年。建議後續可實際應用於廠區而進一步確認其模組與現場商業化結合之效益是否可再提升， 特別針對廢熱來源及風機壓力供應端須直接由廠區提供以大量降低固碳成本。
有鑑於目前整個碳循環體系之建立尚未成熟，後續固碳再利用之方法及減碳效益需再委由環保署認證之第三單位評估本實驗單元是否有其潛力， 且如何將減碳效益於碳交易平台進行應用，仍需各方努力來達成。
參考文獻
- Regulation of the european parliament and of the council.
- https://taxfoundation.org/carbon-taxes-in-europe-2022/
- https://www.whitehouse.senate.gov/news/release/whitehouse-and-colleagues-introduce-clean-competition-act-to-boost-domestic-manufacturers-and-tackle-climate-change
- 談駿嵩、王志盈，二氧化碳捕獲。
- NETL(2020)CarbonSAFE Advances Commercialization of Large-scale Geologic Storage, https://netl.doe.gov/node/9667
- V.Chevalier, J.Martin, D.Peralta, A.Roussey and F.Tardif, J.Environ. Chem. Eng., 2019, 7, 103131.
- A.Modak and S.Jana, Microporous Mesoporous Mater., 2019, 276, 107–132.
- GCCSI(2021)The Global Status of CCS 2021.
- P.-H. Lin and D.S.H. Wong,“Carbon dioxide capture and regeneration with amine/alcohol/water blends,”International Journal of Greenhouse Gas Control, vol26, 69-75, 2014.
- J.B. Lee, C.K. Ryu, J.-I. Baek, J.H. Lee, T.H. Eom, and S.H. Kim,“Sodium-based dry regenerable sorbent for carbon dioxide capture from power plant flue gas,”Industrial & Engineering Chemistry Research, vol.47, pp.4465-4472, 2008.
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