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科技新知
電化學CCU技術與市場發展
發表日期：2025-02-12
作者：黃承鈞(工研院)
摘要：
碳捕獲與利用(Carbon Capture and Utilization，CCU) 技術因其能夠去除煙道氣/大氣之二氧化碳CO2並將捕獲的CO2 轉化為有價值的化學物質而成為人們關注的焦點。
全文：
碳捕獲與利用(Carbon Capture and Utilization，CCU) 技術因其能夠去除煙道氣/大氣之二氧化碳CO2並將捕獲的CO2 轉化為有價值的化學物質而成為人們關注的焦點。電化學CCU能夠整合來自可再生能源(如太陽能和風能)的清潔電力來回收CO2，從而實現負碳排放。目前電化學CCU技術的實現仍需要解決能源和成本效率等關鍵問題，以及大規模生產的技術可行性驗證。本文章整理與說明各種電化學CCU轉化方式與商業化進展現況，並說明該領域的應用趨勢。
一、電化學CCU發展現況與趨勢
目前發展中的CCU技術包括熱化學、電化學、生物化學和光化學方法(圖1)，在這些方法中，熱化學技術具有較高的成熟度，但熱化學的卡諾效率限制導致能源消耗增加。此外，熱化學CCU轉換過程對CO2中的雜質(例如SO2濃度>1 ppm時不穩定) 及所產生的水分非常敏感，且過程中如使用氫氣也可能會增加整體成本。而電化學CCU可整合來自可再生能源的潔淨電力以捕捉CO2，且可避免卡諾效率瓶頸限制提高能源效率，進而降低能源成本並增加營運收入。另一方面，電化學還原碳轉換技術可快速將CO2還原為有價值的化學品，而不需要使用氫氣，節省氫氣生產、壓縮、儲存和運輸的額外成本。電化學CO2轉換對雜質以及環境波動的敏感度較低。這種彈性使其與熱化學CO2氫化和生物化學CO2轉換相比更為穩健。光催化CO2轉換具有直接利用光子能量的優勢，但它受到光電轉換效率低和光催化劑反應波長範圍的限制，因此轉換率低於電化學方法。
電化學CCU固有的優勢使具有良好的發展潛力。然而電化學 CCU 技術的商業化需要解決當前的關鍵問題，如成本效率以及大規模生產的技術可行性，因此需要開發高效的電化學 CCU策略。雖然許多專案研究廣泛深入研究電化學CO2還原的觸媒材料和電解槽設計，但相對於熱化學方法之間的比較仍然明顯缺乏，許多專案仍處於試量驗證階段，各大廠與新創公司仍持續投入資金加速進行商業化的實現。
資料來源：ScienceDirect 2023
圖1 熱化學、光化學、電化學和生化法的碳轉換技術比較
二、電化學CCU發展技術分析
透過電化學還原法可將穩定的CO2分子轉化為一系列碳基化學品，還原目標產物碳數越低，牽涉的電子轉移數目也越少，還原效率越高，越容易實現商業化生產。以下就幾項技術與商業發展現況做說明。
CO2電解槽大致分為兩種主要類型: (i)高溫電解，包括在高溫下採用陶瓷電解質的固體氧化物電解槽(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)(圖2，a )，以及（ii）低溫電解，其中包括基於高分子電解質膜的零間隙膜電極組件(Membrane Electrode Assembly, MEA) (圖2，b)，以及利用離子選擇性膜分隔陰極電解液和陽極電解液室的流通池(Flow cell)(圖2，c )。每種電解槽類型的特定配置都會影響材料選擇和系統組件。表一整理出目前各項電化學還原技術項目與其開發之化學品。
資料來源：Acs Energy Letters 2024
圖2 熱化學、光化學、電化學和生化法的碳轉換技術比較
表1 電化學CO2轉化技術和產品的範圍概述
| 產品類型 |
氣體單一碳數 |
液體單一碳數 |
氣體/液體多碳數 |
| 產品類型 |
CO |
CO/H2 |
CH4 |
FA |
MeOH |
CH2O |
C2H4 |
OxA |
EtOH |
PrOH |
| 低溫技術 |
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| 高溫SOEC |
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| 高溫MCEC |
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註：SOEC=固體氧化物電解槽； MCEC=熔融碳酸鹽電解槽； FA=甲酸； MeOH=甲醇；OxA=草酸；EtOH=乙醇；PrOH = 正丙醇
資料來源：工研院材化所整理(2025/02)
(1)低溫CO2電還原為一氧化技術
低溫電化學還原CO2為一氧化碳CO的流程圖如圖3所示，CO2是過程中唯一的反應物，產生CO和O2。
資料來源：Sustainable Energy Fuels 2023
圖3 CO2電解生產CO製程流程圖
德國西門子(Simens)與贏創(Evonik)的聯合研究計畫Rheticus中，CO2電解生產CO測試設備於 2020 年初開始運作。西門子提供電解還原技術，利用再生電力將CO2和水轉化為H2和CO。贏創負責發酵技術，在特殊微生物的代謝過程將含有CO的氣體轉化為低碳化學品。這種將電解與生物催化結合的方法類似人工光合作用(Artificial photosynthesis)，透過化學和生物步驟的結合將二氧化碳和水轉化為化學物質，其過程類似於葉子利用葉綠素和酶合成葡萄糖的過程。Rheticus技術中生產1噸丁醇需要使用3噸CO2，可降低大氣中的二氧化碳含量。未來此項技術可於發電廠廢氣或沼氣豐富的區域建置綠色轉化工廠。
西門子能源公司也將他們的CO2電解槽與贏創的發酵單元相連接，所產生的合成氣可有效地轉化成醇類化學品，贏創已在其試驗工廠的一次運作生產數噸己酸(hexanoic acid)。透過電化學作用獲得的產品的價格約為傳統油基產品的兩倍。
(2) 低溫CO2電還原轉化為甲酸技術
將 CO2電化學還原為甲酸/甲酸鹽是由電解裝置和一系列輔助裝置組成，完整的流程圖如圖4所示。反應物CO2和H2O在此過程中轉化為FA和O2 。透過電化學可將大氣中CO2與水分子中的氫元素結合，即為將電能轉化儲存為甲酸鹽化學能。能量以液體形式存儲，可以簡單、安全地儲存和移動，直到需要的時間和地點，使用重整裝置以氫氣的形式釋放，可以取代化石燃料作為綠色燃料和其他產品的原料。
資料來源：Sustainable Energy Fuels 2023
圖4 常溫CO2 電解產生FA的製程流程圖
美國新創公司OCOchem開發的專利電解設備Carbon FluX Electrolyzer TM將CO2、水和電催化轉化為富含甲酸鹽的產品。反應在室溫和常壓下進行，並使用錫金屬作為催化劑。然後使用OCOchem 專有的萃取蒸餾製程濃縮甲酸等甲酸鹽產品，以達到所需的商業級純度等級。該公司在3年內分4個階段將電解槽規格從10 cm2擴大到15,000cm2 (圖5)，成功驗證電化學轉化工業規模生產可能性，較其它技術大上650%，目前正在更大規模的試驗工廠中建設多電池堆組態。其發展技術具有高碳轉化產品效率(104%)、高的能源效率(85%)、常溫常壓操作以及無廢棄副產品等特點。表2整理其它電化學CO2轉化甲酸/甲酸鹽的研究計畫與參與單位，當前開發階段處於TRL=3~6。
資料來源：OCOchem官網
圖5 美國OCOchem打造全球最大的工業規模CO2電解槽，高度達120cm
表2 重要CO2電還原至甲酸/甲酸鹽開發計畫整理
| 計畫名稱 |
計畫架構 |
參與機構/公司 |
技術現況描述 |
| OCEAN |
ASPIRE |
荷蘭AVANTIUM, ERIC, IIT, Gaskatel, Politecnico di Torino, RWE, Universiteit van Amsterdam |
實現 CO2電化學轉化為甲酸鹽的TRL=6開發階段(1500A·m-2下250g/hour) |
| e2C |
歐盟Interreg 2-Seas |
荷蘭應用科學研究組織TNO, 弗拉芒技術研究所VITO, Universiteit Antwerp, Lille University, University of Sheffield, University of Exeter, 台夫特理工大學TU Delft |
已建造將CO2轉化為 FA 的試驗工場，技術達到TRL=6 |
| ECFORM |
- |
挪威DNV GL公司 |
半試驗反應器之表面積為600 cm2 ，每天可轉化約1kg CO2並產生甲酸(85wt%) |
資料來源：工研院材化所整理(2025/02)
(3)低溫CO2電轉化為乙烯
CO2電化學還原為乙烯(C2H4)化學品由電解裝置和一系列輔助裝置組成，製程圖如圖6 所示。
資料來源：Sustainable Energy Fuels 2023
圖6 CO2電解還原生產乙烯製程流程圖
全球化學品製造中乙烯的碳排放量僅次於氨和水泥，排名第三。乙烯是透過蒸汽裂解(steam cracking)生產，需要大量的使用熱量。每生產1噸乙烯，會產生約1.5 噸碳排放，全球每年生產約1.6億噸乙烯。CO2電化學還原為乙烯反應伴隨12個電子的轉移，還原反應機制較複雜，開發難度高，已有三個歐洲專案(表3)與各大學中的研究團隊持續對電還原技術投入資源進行提高產率與選擇性的觸媒與電化學裝置技術開發。
表3 重要CO2電還原至乙烯開發專案整理
| 計畫名稱 |
計畫架構 |
參與機構 |
技術現況簡述 |
| CO2EXIDE |
EU
Horizon 2020
|
Siemens Energy, IGB – Fraunhofer,與數家歐洲中小企業 |
Siemens 開發電化學設備，Fraunhofer IG開發活性/選擇性催化劑，陰極還原乙烯，陽極氧化水產生過氧化氫，用於後續生產環氧乙烷 |
| SELECT CO2 |
EU
Horizon 2020
|
TU Berlin柏林工業大學, EPFL洛桑聯邦理工學院, TU Delft台夫特理工大學, RINA, DTU丹麥技術大學, De Nora, Pretexo, University of Surrey, SLAC |
開發常溫CO2電解技術，開發銅鋁合金觸媒，法拉第效率為80%，高於純銅的66%，TRL~4 |
| Electrochemical CO2 reduction to ethylene for industrial applications |
Energi forskning |
Siemens, DTU丹麥技術大學 |
西門子與 DTU 聯合計劃，大規模生產CO2電化還原為乙烯的通用電極平台 |
資料來源：工研院材化所整理(2025/02)
(4)高溫CO2 電解還原轉化為一氧化碳CO
固態氧化物電解電池(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)中的高溫電解是一項接近商業化的CO2 電解還原技術(TRL 8)。此技術基於圖6所示的固體氧化物電池(Solid Oxide Cell; SOC)技術，由陶瓷基組件(陰極、陽極以及電解質)組成。在高溫(600~800 °C)反應條件下，CO2透過氣體通道輸送到電池的多孔陰極側，CO2 被還原為CO。反應中形成的氧化物離子(O2−)被導入電解質中，並穿過電極進入陽極，在陽極中離子被氧化成氧分子。
丹麥Topsøe公司開發出eCOs™技術(圖7)，透過電化學過程有效地將CO2還原為CO，純度最高可達 99.999 vol%。eCOs™ 單元的總能耗為每產生 1 Nm3 CO 消耗 6~8 kWh。此技術可應用於工廠中的CO 生產系統，依照需求生產每小時可生產 1~250kg的CO氣體進行進一步的化學品生產，達到碳的捕捉與再應用。
資料來源：R. Küngas, J. Electrochem. Soc., 2020, 167(4), 044508,
圖7 固態氧化物電池中CO生產原理
資料來源：Sustainable Energy Fuels, 2023, 7, 5445-5472
圖8 丹麥Topsøe公司eCOs™技術的過程流程圖(Block flow diagram)
(5)高溫CO2 電解還原轉化為合成氣(syngas)
比率可調的合成氣(H2/CO)可在高溫反應條件下透過單一電化學還原製程生產，其操作原理與固體氧化物電池中用於CO生產的操作原理類似(圖8)，使用蒸氣和CO2的共電解 (co-electrolysis)反應能夠產生可調控的H2和CO合成氣組成比例，使用於工業產品生產，例如綠色燃料和化學品(如甲烷和甲醇)，無需對現有的工業和運輸基礎設施進行調整。
根據反應方程式CO2 + H2O → CO + H2 + O2，蒸汽和CO2在SOEC中被還原，合成氣中的 H2/CO比率可通過蒸汽和CO2的進料比例變化來調整。開發此技術最為成熟的為德國Sunfire公司的Syn-Link電解槽技術，採用模組化系統設計，一套系統的產能可生產750Nm3/h合成氣，功耗為3.85 kWh/Nm3。(圖9)。
資料來源：Sustainable Energy Fuels 2023
圖9 用於蒸汽和CO2 高溫共電解生產合成氣的SOE電池的示意圖
資料來源：sunfire 官網
圖10 德國Sunfire公司開發150 kW co-SOE Syn-link電解還原系統
(6)高溫熔融碳酸鹽電解(Molten Carbonate Electrolysis Cell; MCEC)還原技術
MCEC也可用於高溫(600~900°C)下以電化學方式生產CO或合成氣。雖然MCEC系統開發僅達到TRL 4，但該技術具有工業生產的潛力。這是因為熔融碳酸鹽燃料電池MCFC技術(可逆MCEC概念)已經在工業規模(TRL 9)上商業化，用於發電和供熱，美國Fuel Cell Energy公司和韓國浦項鋼鐵公司(POSCO)多個10~60 MW的發電廠已在全球安裝。 義大利ENEA公司 是全球最早開始對 MCEC 技術進行深入研究的公司之一，主要研究低溫(約500 ⁰C）新技術，研究在此溫度下影響結構和觸媒材料的降解現象，並開發適合這些操作條件的電池結構。ENEA 也正在研究 MCEC 系統與聚光太陽能發電 (Concentrated solar power; CSP)工廠的結合，可以為製程提供可再生熱能和電力，以實現完全綠色的生產製程。
四、結論
- 相較於熱化學CCU技術，低溫電化學CCU的商業化廣泛應用仍處初期階段，僅有少數公司技術達到可商業化規模，而高溫電化學CCU已有TRL9的成熟技術。
- 多個研究機構電化學還原研究取得具有發展潛力的成果，可滿足規模工業化的標準，包括超過200 mA cm2的電流密度，法拉第效率超過90%，穩定性超過100小時。但仍需考量產品分離純化成本和單程碳轉化效率(single-pass carbon efficiency; SPCE)，仍需要透過觸媒材料和電解反應器設計進行技術突破。
- 未來再生能源轉換技術突破帶來的較低廉電價將有機會加速CO2電化學還原轉化走向工業規模應用。
(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)
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