排碳大戶減碳解方!盤點最具潛力4大技術,助重工、航空、畜牧業跟上零碳腳步
排碳大戶減碳解方!盤點最具潛力4大技術,助重工、航空、畜牧業跟上零碳腳步

從節能減碳到淨零排放,除了仰賴生產方式、使用行為的改變之外,加大對於新技術、特別是潔淨技術(clean technology)的發展與投資,才是更根本的解決方案。根據投資網站investopedia定義,清潔技術泛指改善環境永續的創新技術與應用,常見如再生能源、新的回收方法與環保做法。

當2050年淨零排放已成為國際共識與目標,為了減少二氧化碳排放,各國除了發展再生能源外,也積極協助排碳大戶石化、鋼鐵、水泥、貨運、航空與海運產業「脫碳」,包括綠色氫能(green hydrogen),碳捕集、利用與封存( Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)等技術,都是備受矚目的減碳解方。

全球氫能源投資,未來10年逾3,000億美元

在全球極力「減碳」的同時,各國從政府到企業,近年來也將資源投注到另一項化學元素上:氫。根據國際氫能委員會(Hydrogen Council)今年2月發布的報告,未來10年全球氫能源投資將超過3,000億美元,約占能源產業總投資的1.4%。

氫是地球上最豐富的元素之一,廣泛應用在工業、交通活動,如製作甲醇、氨等化學藥劑時的原料、汽車上的氫燃料電池,就連半導體晶圓製造、鋼鐵業煉鋼也需要使用氫氣。

Toyota MIRAI
Toyota最具代表性的氫燃料電池車款Mirai,2020年底新版Mirai續航力宣稱達850公里,且因為補充能源方式是「加氣」,加氣速度比電動車電池充電速度快得多,加滿氣只要10分鐘。

各界之所以對氫寄予厚望,是因為氫氣也可以當燃料使用。然而,目前製造氫氣的方式,主要是使用甲烷、石油等化石燃料,被稱作是骯髒的「灰氫」;一旦改採太陽能或風力等再生能源電力,將水電解後產生氫,這種用綠電產生的氫氣,就稱為「綠氫」。 而運用綠氫製造的氫燃料電池,再用於發電,就可大幅減少碳排量。

也因此,開發綠氫已被視為邁向淨零排放不可或缺的環節。只不過目前使用再生能源生產氫氣的數量仍非常有限。一方面是價格偏高,國際再生能源機構(IRENA)的《綠氫:政策制定指南》指出,綠氫價格仍比灰氫高2~3倍。另一方面是缺少專用基礎設施,相較全球天然氣輸送管道超過300萬公里,氫氣輸送管道僅約5,000公里,仍有待擴大規模。

中研院院長廖俊智
未來,人類應該思考如何從大氣取得二氧化碳,而不是去挖石油。

為了減少二氧化碳排放,各國積極投入CCUS技術。根據國際能源總署(IEA)4月的統計,全球共有22個商轉的CCUS設施,每年可捕獲4,000萬噸二氧化碳。

CCUS技術簡單來說,就是從工廠的煙囪捕捉二氧化碳,再將其封存到乾枯的油田井,不排放到大氣中,或再利用,製作燃料或化學品等。

為何二氧化碳可以封存到油田井?專研碳管理技術多年的中研院院長廖俊智指出,「在美國德州產油的地區,本來就是用二氧化碳把油擠出來,現在只是再把二氧化碳壓下去,把岩石的縫隙填滿。」

表
圖/ 數位時代

近年來,二氧化碳捕捉出現了新方法,不同於從工廠的煙道捕捉二氧化碳,而是從空氣中直接捕獲碳,又稱為 「直接空氣捕獲(Direct Air Capture, DAC)」,捕捉方式是運用像大型空氣清淨機的設備,去除空氣裡的二氧化碳,將是未來高耗能製造業的減碳救星。

廖俊智認為,未來20年內,人類應該思考如何「從大氣取得二氧化碳,而不是去挖石油,這些二氧化碳還可作為燃料、化學品、建材等。」

延伸閱讀:遏止暖化加劇!日本燃煤電廠封裝「超臨界二氧化碳流體」打入地底

減碳最好解方?提早將碳、氫分離

不過,他進一步表示,比起工廠捕碳、空氣中捕碳,最好的方法還是從源頭解決——避免二氧化碳形成。舉例來說,天然氣是由甲烷(CH4)組成的氣態化石燃料,中研院正在研究如何在天然氣燃燒發電前,就先把碳(C)、氫氣(H2)分開,提早阻絕二氧化碳的生成。

具體作法是在發電廠、石油、鋼鐵業旁蓋一座甲烷分解爐,分解的氫氣可以用來發電,碳則可混合在土壤改善土質,或應用於高級碳材。

這項技術預估最快3~5年內就可做大規模測試,希望10年內落地。不過廖俊智也坦承,該方式的缺點是會讓能源效率降到原來的60%,因此將需要更多天然氣來發電,「但這是二氧化碳捕捉最簡潔的方法,沒有比這個更好的做法了。」

CO2,暖化
圖/ shutterstock

然而,不只化石燃料排放大量的二氧化碳,耕種、養殖占全球溫室氣體排放高達19%,超越交通運輸,特別是牛群排放的甲烷,造成暖化程度更是二氧化碳的28倍,蔚為風潮的人造肉技術,將有機會壓低畜牧業排碳問題。

為了讓人類減少吃動物肉的頻率、達到減少碳排的效益,目前市面上有兩大替代方案。第一種是由美國Beyond Meat、Impossible Foods等新創企業帶動的植物性肉品風潮,另一種是在實驗室培養出的肉類,科學家從活體動物身上取得部分細胞,讓細胞自行繁殖,製成食用肉品。

以色列食品新創Aleph Farms指出,相較傳統畜牧生產的牛肉須耗時2年,實驗室製造的牛肉僅需3個月。2020年12月,新加坡更成為全球首個批准販售實驗室培養肉的國家,加快商業化腳步。

不管是哪一種人造肉,不只降低了土地與水的使用,碳排放也能減量,被視為能取代農牧業的未來技術。不過,人造肉平均成本較牛絞肉高出86%,要等到更多業者投入市場,價格才可能降低,食用率才會更普及。

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責任編輯:郭昱彣、張庭銉

關鍵字: #節能 #能源科技
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2025年總統科學獎〉沒有前人就自己開路!「高熵合金之父」葉均蔚院士,引領全球材料新革命
2025年總統科學獎〉沒有前人就自己開路!「高熵合金之父」葉均蔚院士,引領全球材料新革命

想像一下,人類數千年來對物質世界的理解,突然被一個大膽構想徹底顛覆,會是什麼樣子?

當傳統材料學界仍謹守1~2種主元素為基底的定律時,2025年總統科學獎得主,國立清華大學材料科學工程學系特聘研究講座教授、中央研究院院士葉均蔚院士,卻逆向思考,開創能讓數十種元素混合的「高熵合金」領域,不僅為元素週期表注入嶄新生命力,更點燃全球半導體、智慧機械、綠能科技、國防與生醫等領域的無限創新火花。

「潛水」8年,釀出材料革命

葉院士透露,自古以來,要想構成「合金」,都由單一或少量元素構成,但1995年,他在驅車前往臺北的路上,腦中靈光乍現,迸發出讓多種元素混合成合金的想法。

有意思的是,葉院士很清楚,「高熵合金」這項突破性構想,將會徹底顛覆材料學的根基。因此,為了鞏固臺灣的領導地位,1995至2003年間,他刻意沉潛、默默研究,不發表任何相關論文,「這是我的經營管理策略!」他認真道。

葉院士於頒獎典禮發表研究之路的心聲點滴。
葉院士於頒獎典禮發表研究之路的心聲點滴。
圖/ 數位時代

因此儘管8年寒窗苦讀無人知,甚至曾有計畫審查委員直言,若讓高熵合金的計畫通過,會鬧出「國際笑話」,葉院士仍憑藉著對高熵效應的堅定信念,逐步累積實驗數據與理論心得,最終於2004年,一口氣發表5篇高熵材料論文,為高熵合金新材料命名、定義和建立理論基礎,之後平均每年發表10篇研究,並陸續提出高熵效應、晶格扭曲效應、緩慢擴散效應、雞尾酒效應等核心效應,對材料科學理論做出重大貢獻。

這股「論文風暴」,不僅讓《Nature》在2016年發布專題報導,確立了高熵合金領域的價值,以及確認臺灣做為發源地的地位,還成功引發全球專家學者的重視與跟進,也讓葉院士成為「高熵合金之父」。

在為臺灣奠定高熵合金領導地位之餘,葉院士還期望將這股力量向下傳承,因此在清華大學成立全球首個高熵材料研發中心,由他擔任主任。中心匯集了來自全臺各大學逾60位跨校、跨領域的頂尖教授,組成材料界的「夢幻隊」,一同探討高熵學理,開發高功能材料,每年還開設相關課程,培育近百名具備傳統與高熵「全材料」研發能力的專業人才,為學界、業界提供源源不絕的活水。

更重要的是,葉院士很早就知道,學術研究的價值不應只停留在論文發表。事實上,他在從事教職之初,便開始擔任業界顧問,深入現場解決問題,這反過來讓他的研究,更加貼近現場。

2021年,他透過清大授權高熵材料科技的3千萬元授權金,如今,在資本市場已增值8倍,達到2.4億元;他也擁有逾50項專利,其中,超過22項為高熵材料發明專利授權,「學者不能只在『象牙塔』中做研究,要積極與產業互動,將所學貢獻於實用,尤其現今臺灣製造業面臨轉型挑戰,學術界的創新非常關鍵。」

看著葉院士現今擁有的非凡成就,多數人可能以為他背景優渥,其實,他出生偏鄉、從未出國留學、進修。來自宜蘭南澳的他,成長過程中資源相對匱乏,但這反而養成他從小「凡事自己動手做」的習慣,「這種獨立解決問題、親身實踐的精神,就是我在科學研究上,不斷突破的基石。」

葉院士全家於2025總統科學獎頒獎現場溫馨合影。
葉院士全家於頒獎現場溫馨合影。
圖/ 數位時代

不曾出國留學、進修,也能做出世界級的突破

葉院士從學士、碩士一路念到博士,是標準的「清華大學材料科學工程寶寶」。在那個「去去去去國外」、留學盛行的年代,他選擇做個異類,深耕臺灣,「對國家做出貢獻比個人發展更重要!而且我相信,就算在臺灣,也能憑藉我們的智慧、能力,做出世界級創新。」

葉院士建議,年輕學者、莘莘學子們應心存善念,並秉持著求甚解、動手做的態度,多元、快樂學習,「強大的企圖心,能創造價值;與人為善,則能聚集眾力,共同實現宏大目標。」

臺灣「高熵合金之父」葉院士,賴總統親自頒發「2025年總統科學獎」 殊榮。
臺灣「高熵合金之父」葉院士,賴總統親自頒發「2025年總統科學獎」 殊榮。
圖/ 數位時代

問「高熵合金之父」接下來還有什麼目標?他笑稱,自己自大學二年級起,便懷抱著「飛碟夢」,而要實現夢想,需要室溫超導、極耐高溫等前所未有的材料,他仍在兢兢業業努力中。飛碟夢看似遙遠,卻是前進的燃料,向來「說到做到」的葉院士,用對未來的無限想像,持續為材料科學鋪設一條通往新世界的道路,也為臺灣留下珍貴的創新資產。

葉均蔚 院士
專長:高熵合金及相關材料、製造工程等
現職:國立清華大學材料科學工程學系特聘研究講座教授
成就:開創「高熵合金」領域,徹底顛覆傳統金屬材料設計思維,為臺灣在高階製造、綠能技術及核融合能源領域奠下堅實根基

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