引言：碳捕捉技術類型相當多，目前市場上最主流的方法是 吸收/吸附，像是國際大廠BASF、Linde、Fluor及三菱重工都已經有商業運轉案例，其他碳捕捉技術還有薄膜分離、水轉化、電化學、鈣循環等。根據碳捕捉應用的情境不同，以及考慮到氣體混合物成分、環境溫溼度、壓力及二氧化碳濃度等因素，也決定了技術應用發展的方向，本次報導為探討碳捕捉應用情境與技術趨勢，並從Derwent Innovation專利資料庫中挖掘高影響力技術或新創公司。
博大國際視野：台灣 2050 淨零轉型十二項關鍵戰略 / 碳捕捉利用及封存
國發會2022.3月底發布台灣2050淨零轉型十二項關鍵戰略技術。博大國際智權透過專利情報分析，帶你關注【溫室氣體捕獲】近年全球技術趨勢。運用專利 CPC 分類系統中的 Y 分類，追蹤當前新興技術與發展趨勢。歡迎訂閱Blog並追蹤我們 FB粉絲專頁。
壹、碳捕捉應用以化石燃料和工業碳捕捉為主。國際能源署(IEA)在2021年發布的"Net Zero by 2050" 報告中，預估在淨零排放情境下到 2050 年碳捕捉量，將從2020年40百萬噸，快速增加到2030年1,670百萬噸CO2捕捉量。在2030年的情境中，碳捕捉主要來至「化石燃料和工業過程」中的1,325百萬噸CO2，另外「直接空氣捕捉」為90百萬噸。為達到2050淨零目標，預估未來幾年燃煤、燃氣發電場及其他高耗能行業(水泥、鋼鐵)，將大幅增加對CCUS (Carbon Capture Utilisation and Storage) 設備需求。
值得一提的是，儘管歐、美等國家已明確承諾關閉燃煤電廠，但在新興和發展中經濟體為滿足快速成長的用電需求，仍有許多新建/規劃的燃煤電廠，特別是中國有1058座超過世界總量一半的煤電站在運營，當前以每周批准兩座新燃煤电廠的速度持續增建當中 (Global Energy Monitor、紐約時報)。凸顯國家難以擺脫化石燃料發電的現況，但隨著歐、美碳邊境關稅的徵收，勢必促使燃煤電廠增設CCUS設備或使用其他更低碳的燃料。
下圖，淨零排放情境下，全球不同來源的二氧化碳捕獲量 (Net Zero by 2050)：
l 2025~2030年：淨零排放情境下碳捕捉將快速增長，主要來至燃煤電廠、化石燃料製氫、及工業 (燃燒、製造過程) 所獲得的二氧化碳，以減少化石能源對氣候的影響。
l 2030~2035年：除了持續減少電力部門對氣候的影響以外。更進一步，直接從空氣中捕捉的二氧化碳，來彌補那些難以減碳的產業所產生的碳排放問題。
l 2035~2050年：全球燃煤電廠逐年減少，被潔淨的風電、光電等再生能源取代。
l 碳捕捉技術類型相當多，包括吸收法、薄膜分離、水轉化、電化學、鈣循環等。目前市場上最主流的方法是吸收法，像是BASF、Linde、Fluor及三菱重工都已經有商業運轉案例。其他碳捕捉技術雖然市場上並不多見，但也已累積相當多基礎研究可驗證 (TRL4-7)，唯欠缺大規模演示和測試規模示範 (TRL8-9)，以下就羅列幾個主要的捕碳技術及廠商開發的產品。
貳、 以下挑選 吸收/吸附、薄膜分離 高影響力專利，清單如下。
介紹在碳捕捉領域中，有哪些值得注意的技術或新興公司
從上述碳捕捉高影響力專利清單中，挑選幾家公司介紹：
美國Global Thermostat：成立於2010年，是美國最先進的
直接空氣捕捉技術 (DAC) 公司。自2020年以來，該公司在科羅拉多州的技術中心，由科學家和工程師組成的團隊致力於擴展其技術，提供最高效、最具成本效益的直接空氣捕獲解決方案。在2023年推出世界上最大直接從空氣中去除二氧化碳的裝置，每年能捕獲超過1,000噸CO2。使用高效的工業風扇通過特別的接觸器吹出普通空氣，這些接觸器與二氧化碳結合，然後用低溫熱量將其分離出來。該公司目標將DAC碳捕捉成本降低到150美元/噸CO2。在去年2023年該公司獲得日本東京燃氣公司（Tokyo Gas）、住友集團投資。
延伸報導：Shifting the Direct Air
Capture Paradigm (2023/06 Global, Thermostat)
印度Desiccant Rotors
International (DRI)：成立於1984年，在超過45個國家有銷售，並在亞洲、歐洲和美洲有多個製造和服務中心。是一家提供能源回收、室內空氣品質、新風處理、蒸發冷卻、綠色建築和污染控制的產品和系統的全球供應商。它的主要技術是吸附技術，利用蜂巢狀的轉輪來調節空氣的溫度和濕度。
美國Enverid Systems：公司成立於2010年，總部位於美國麻薩諸塞州，是一家開發室內空氣品質產品和系統的公司，其核心技術是
吸附通風技術（SVT®），該吸附劑具有高度選擇性，可以去除室內空氣中的二氧化碳、甲醛和揮發性有機化合物等污染物，並且可以在54-66OC的溫度下再生，重新恢復其容量和清潔效率，可持續使用兩年。
上述挑選的高影響力專利申請人，公司皆為「吸收、吸附法」的技術。而「薄膜分離」專利清單中高影響力的申請人皆為學研單位，包括GAS TECHNOLOGY INSTUS (美國)、UNIV KENTUCKY RES FOUNDUS (美國)、韓國化學技術研究所、阿卜杜拉國王科技大學(沙烏地阿拉伯)。值得一提的，清單中US20210016245A1使用一種新穎的材料，多孔基材MOFs（金屬有機骨架）、COFs（共價有機骨架）或ZIFs（沸石咪唑骨架），其表親材料是多孔三維晶體，具有非常大的內表面積，可以吸收和儲存大量的目標分子，是傳統基於胺的碳捕獲技術的六倍，可以在低溫(45oC)水氣中吸收氣流中90%的CO₂ 並保持穩定，通過使用低溫蒸汽進行再生以重複使用，整個碳捕獲過程中需要更少的能量 (UC Berkeley、美國化學學會ACS)。其COFs 和 MOFs是由加州大學伯克利分校的 Omar Yaghi 教授發明，COFs分子由有機物組成，MOFs分子由金屬有機物組成，這些分子縫合成大而延伸的網狀框架，其結構通過強大的化學鍵結合，這些網狀化學分子在碳封存方面顯示出巨大的前景 (資料來源)；該材料的製造方法進一步被Desiccant Rotors International優化，開發出一種不需要高溫、高壓或特殊設備條件下的製造方法 (US20210016245A1)，大幅提高了合成效率和成本效益，該專利也因此獲得相當高的影響力。以下是發明人Omar Yaghi 教授的介紹，及其他COFs和MOFs高影響力專利供參。
COFs 和 MOFs
應用在碳捕捉的高影響力專利
US10994259B2 Metal-organic framework is used in
electrochemical carbon dioxide reduction system, and in carbon dioxide
adsorbent medium
US11565212B2 Dispersion useful for adsorbing gas into
liquid, comprises a metal-organic frameworks dispersed in a liquid phase, in
which the liquid phase includes silicone oils, halogenated oils, paraffin oils
and/or triglyceride oils
US11001543B2 Generating compounds with carbon atoms by
directing oxygen and methane into oxidative coupling of methane reactor having
sections to produce product stream, and directing product stream into
separations unit having metal organic framework
US20230233989A1 Apparatus comprises atmospheric water
extraction unit; and direct air capture unit positioned downstream of and in
communication with atmospheric water extraction unit and where direct air
capture unit comprises first moisture- carbon dioxide sorbent bed comprising
sorbent
US20220219110A1 Filter unit used for electric automobile
ventilation system used, comprises adsorption lines comprising water adsorbent
material and gas adsorbent material, and heater coupled to water adsorbent
material and gas adsorbent material in lines
延伸閱讀：MOFs、COFs開拓者Omar M. Yaghi教授2019年發表了哪些成果？
補充：Omar Yaghi 教授成立的新創公司Atoco介紹如下。
美國Atoco：成立於 2021年，總部位於美國加州，是一家利用分子工程材料來解決氣候變化問題的公司，其核心技術是網狀材料，可以精確地設計和製造具有特定結構和功能的多孔材料。該公司的創始人是 Omar
Yaghi 教授，他是網狀化學領域的權威。公司的主要產品和系統包括大氣水收集和碳捕捉，旨在解決水資源短缺和全球暖化的挑戰。Omar Yaghi 教授創立Atoco公司以擴大MOF等網狀材料的生產規模。雖然Yaghi過去曾與其他公司合作，試圖擴大集水技術的規模，但Atoco表示，它的目標是使用更新，更先進的網狀材料，並開發新型設備，如無需電力即可工作的集水器（其他公司正在努力開發使用網狀化學的電動集水器，Atoco也是如此）。Atoco的首席執行官Samer Taha表示，他們的機器將能夠在比當今任何設備都更乾燥的環境中運行，並且平均能耗約為一半。Taha說，該公司想要開發的設備包括一台大型台式電腦大小的電動機器，每天能夠生產約100-200升飲用水 (資料來源)。
補充：MOF是一種晶體結構，通過金屬和有機連接劑之間的強鍵，包含較大的表面積，摺疊並壓實成微小的空間。現有的 100,000 多個框架中的每一個都可以吸引、過濾、儲存或釋放特定的分子，如二氧化碳和水，在不同的環境中以高精度運行。COF 是另一類超多孔晶體，完全由強鍵合的有機分子製成，不含金屬;它們的多功能性為電子和感測器應用提供了另一個前沿。MOF 和 COF 是網狀化學的結果，該領域由 Omar Yaghi 開創，現在被 100 多個國家的科學家實踐。
參、
聚合物膜是根據各種氣體分子的透氣率的差異，從氣體混合物中選擇性地將某種氣體分離出來。氣體分離具有低能源使用和運行成本低等經濟效果，分離技術相對簡單且覆蓋面廣，初始安裝和運營成本較低。儘管聚合物膜有這些優點，但迄今為止已知的用膜的高分子材料在滲透性和選擇性方面存在局限性，由於難以提高滲透性和選擇性，預計很難超過傳統的商業化膜的性能。一般來說，所有材料在氣膜分離領域都表現出非常傳統的權衡現象，即隨著滲透率的增加，選擇性降低，而選擇性隨著滲透率的降低而增加。因此，高性能膜的條件應提供高選擇性、滲透性和機械強度。然而，這三種特性具有相互排斥的特性，因此傳統技術的發展存在局限性。在過去的30年裡，儘管許多科學家付出了很多努力來克服聚合物氣膜在選擇性和滲透性的局限性，但並沒有取得成功。
近年來，科學家對膜材料進行許多研究，其中的網狀材料之金屬有機框架（MOF）或沸石咪唑酸鹽框架（ZIF）材料與聚合物混合製備的混合基質膜（MMMs），具有優異的選擇性和滲透性，有望克服聚合物材料的局限性。前面薄膜分離技術的高影響力清單中有許多專利US10441924B2、US11684890B2、US20200269194A1也採用「網狀材料」的技術。顯示多孔基材MOFs（金屬有機骨架）、COFs（共價有機骨架）或ZIFs（沸石咪唑骨架）在近幾年碳捕捉-薄膜分離技術領域申請的專利中有很高的影響力。
******************************
發展契機 ▶
淨零排放已是共識，2050 淨零排放目標入法 (環保部/溫室氣體減量及管理法修正)。強化排放管理、徵收碳費專款專用：為健全我國碳定價制度，本次增訂對國內排放源徵收碳費，並將收入專款專用於辦理溫室氣體減量工作、發展低碳與負排放技術及產業、補助及獎勵投資溫室氣體減量技術等，以促進溫室氣體減量及低碳經濟發展
(資料來源：行政院環境保護署氣候變遷辦公室)。為實現2050淨零碳排目標，能源及減碳辦公室在2023年4月提出「淨零科技方案（2023–2026）」投入五大淨零科技領域 1.永續及前瞻能源、2.低(減)碳、3.負碳、4.循環及5.人文社會科學，其中前瞻科研上提到的新興負碳技術，包括微生物固碳與再利用技術、化學與電(光)化學之碳再利用技術、直接空氣碳捕捉技術 (資料來源：行政院官網)。
▶
日本開發的新材料MOF受到世界關注 (2021/10/13
日經新聞)
其他參考資料：
1.
全球能源部門2050年淨零排放路線圖 (2021/09 IEA)
2.
中國燃煤量增加，全球氣候目標面臨挑戰
(2022/11 紐約時報)
3. 2022年中國每週批准兩座新燃煤電廠 (2023/02 Global Energy Monitor)
4. Omar Yaghi featured in Time.com article on climate change (UC Berkeley)
5. Tailor-made MOF readily catches and releases CO₂
(2020/07 American
Chemical Society)
6. A World Renowned Chemist Wants to Suck Water, and Carbon, Out of the Air (2023/09 TIME)
7.
二氧化碳捕獲技術的能源成本評估和優化
(2021/07 資料來源)
8. 國際碳捕捉技術專利趨勢分析研究專案報告 (2023/01/04 經濟部智財局)
9.
技術成熟度或稱為技術準備度(Technology Readiness Level；簡稱TRL)是美國太空總署(NASA)使用多年的技術評估方法，後來為美國國防部所用，再廣為國際各政府機構、學研單位、企業機構使用。TRL是一個系統化的量尺/衡量指標，可以讓不同型態的技術有一致性的衡量標準，描述技術從萌芽狀態到成功應用於某項產品的完整流程。而TRL涵蓋的技術研發流程則包括四個部分：概念發展：新技術或是新概念的基礎研究，涵蓋TRL1~3；原型驗證：特定技術針對一項或是多項潛在應用的技術開發，涵蓋TRL4與5；系統開發：在某一應用尚未成為一整套系統之前的技術開發以及技術驗證，然後進行系統開發，涵蓋TRL6；系統上市並運作[3]，涵蓋TRL7~9。以下分別說明TRL每個衡量尺度的定義。(2015/10/22資策會)
0 留言