【圖解】美國帶頭進擊氫經濟!200億減碳金花在哪?埃克森美孚、卡夫亨氏都獲補助
【圖解】美國帶頭進擊氫經濟!200億減碳金花在哪?埃克森美孚、卡夫亨氏都獲補助

為因應全球氣候變遷及淨零碳排目標,開發新能源成各國政府重點發展之一,其中,氫能以燃燒後僅剩下水蒸氣的特性,被公認為最乾淨的替代能源,也催生了計畫取代石油、利用氫能為主要能源的「氫經濟」(Hydrogen Economy)。

為了領銜加大減碳力度,美國能源部(DOE)在2024年3月宣布60億美元的聯邦注資,這項計畫堪稱美國史上最大筆的單一工業脫碳投資,總共動用200億美元,除了包含各家企業所需擔負的成本,也將補貼全美20州、共33項產業項目削減碳排,合計每年可消除1400萬公噸碳排汙染(諸如鋼鐵、水泥、混凝土、鋁、化學、紙漿、餐飲等行業減少碳排,前述行業合計佔美國碳排3分之1),相當於從路上拿掉約300萬輛燃油汽車,這項注資將有利於提升美國競爭力。代表廠商如:

一、世紀鋁業(Century Aluminum)將獲得高達5億美元補助,在密西西比河流域建造美國45年來全新的原鋁冶煉廠。這將使目前美國原鋁業的規模擴大1倍,預計將設置2座新式電爐與氫能技術,同時減去傳統煉鋁廠75%的碳排(減排約100萬噸溫室氣體)。

二、埃克森美孚(ExxonMobil)將獲得3.32億美元,讓德州海灣城(Baytown)的乙烯生產用氫能取代燃氣。乙烯是紡織品、合成橡膠和塑化樹脂的關鍵化學原料。

三、卡夫亨氏食品公司(Kraft Heinz Company)將獲得1.71億美元供10間廠房升級和脫碳化作業,預計每年將減少30多萬噸碳排。

四、陶氏化學(Dow Chemical)在墨西哥灣沿岸1間廠房將獲得9,500萬美元,以每年將大約10萬噸二氧化碳轉製成電動車電池所需的關鍵電解液。

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圖/ 數位時黛代

遍地開花〉7大樞紐衝刺千萬噸產能

事實上,美國早在2021年即推動「射氫計畫」(Hydrogen Shot),訂定氫能「每公斤1美元」的降價大目標,2023年更集中選定7大氫能區域樞紐,共規畫70億美元補助,估計到2030年美國氫氣產量可增加到1,000萬公噸,氫氣價格便可將成本壓低至每公斤1美元。7個氫能區域樞紐補助包括:

一、阿巴拉契亞氫能樞紐:位於西維吉尼亞州、俄亥俄州東南部和賓州西南部,該氫能樞紐獲得9.25億美元的補助,以既有石油設施生產氫氣,並從該地區的甲烷氣體中提取氫氣。

二、加州氫能樞紐:橫跨全州涵蓋長灘、洛杉磯和奧克蘭的港口;加州得到補助12億美元,投資者有亞馬遜、Air Products。這個計畫將僅使用可再生能源和生質能源來製造氫,將落實公共運輸、重型卡車和港口營運碳排。

三、墨西哥灣氫能樞紐:以德州休斯頓為中心,以及路易斯安那州的部分地區;其中傳統石化巨擘埃克森美孚和雪佛龍等龍頭公司所在地獲得12億美元的補助。

四、Heartland氫能樞紐:位於明尼蘇達州、北達科他州和南達科他州等,能從風能提取氫氣,用於農業和電力等。獲補助9.25億美元。

五、中大西洋氫能樞紐:位在賓州、德拉瓦州及紐澤西州等,該區有龐大石油基礎建設,利用再生能源或核能透過電解開發綠氫之生產,補助金額7.5億美元。

六、中西部氫能樞紐:由中西部多個州(橫跨伊利諾州、印第安納州和密西根州等地區)組成的聯盟氫能樞紐獲補助10億美元,部分採核能,用於生產鋼鐵和玻璃等應用。

七、太平洋西北氫能樞紐:橫跨華盛頓州東部和俄勒岡州部分地區及蒙大拿州的部分地區,開發於貨運和農業應用的氫氣等,共獲補助10億美元。

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圖/ 數位時代

其中,以德州休士頓為中心的墨西哥灣沿岸氫能中心,未來將有50%低價低碳氫可以出口。德州低碳氫之所以價格競爭力強,除了低碳產氫/儲氫技術和量產經濟規模外,也受惠於美國國會早於2018年就通過的Section 45Q減稅額度之延伸擴大等政策措施,此政策至2026年為強化採油之減稅額度將提高為35美元,且鹽水層地質封存則將提高為50美元。預期Section 45Q政策將可大幅提高美國實施強化採油及地質封存的競爭力,成為大規模減碳技術落實之驅動力。

美國在2030年之前氫氣降價前之過渡期,無可避免地須重視碳捕捉技術(Carbon Capture and Storage)。因這技術主要是進行碳捕捉──也就是「抓碳」:將化石燃料轉化為能源的過程中,利用捕獲技術將火力發電廠、工廠等排放源所排放的二氧化碳分離,將其壓縮後輸送至合適的地點進行封存,使二氧化碳與大氣隔絕,減少排放至大氣中的二氧化碳排放量。

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圖/ 數位時黛代

碳捕捉主要可分為3種:燃燒後捕獲、燃燒前捕獲、富氧燃燒等。到2050年淨零前的過渡期,碳捕捉是減少發電廠或其他工業設施溫室氣體排放的關鍵技術,但目前仍尚未找到最低成本有效進行碳捕捉之最佳材料。

美國能源部阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的研究人員正採取多種途徑實驗,其中有一種候選材料是金屬有機框架材料(Metal-Organic Framework, MOF),這種多孔材料可以吸附二氧化碳。MOF的分子有3種結構:無機節點(Inorganic nodes)、有機節點(Organic nodes)和有機連接體(Organic linkers),它們可以配置在不同位置,因此有無數種潛在的MOF配置可供科學家設計和測試。一是生成式人工智慧(Gen AI),可以想像出以前未知的候選構建區塊;另一種是機器學習(Machine Learning);第3種途徑是候選材料的篩選,使用分子動力學方法進行模擬。

另外,除了抓碳,還有值得注意2種降低成本的高效率且經久耐用的氫能重整潛力技術:自熱重整(Auto Thermal Reforming)和氣體加熱催化重整(Gas Heated Reformer)。這種技術的優點是可以省下「熱交換器」,未來可繼續研究觸媒最佳化設計,如何提高氫氣濃度等。

數位優化〉量子運算減少製程耗損

對我國產業而言,氫經濟的未來發展重點著重在人才培育,以及數位化人工智慧系統等,而數位化智慧人才可以協助產業有以下4個面向:

第1是「智慧排程」,在優化生產流程中,利用基因演算法(Genetic Algorithms)、燃燒模型精確化(如運用IBM量子運算Qiskit)等,協助鋼廠可將相似製程(如加熱曲線)鋼材訂單進行集批生產,這樣就可大幅減少保溫爐爐次,節省天然氣耗費,同時也可減少碳排。

第2是「優化派工」,例如優化鍛造工廠退火站派工,平均可減少設備待機空轉電力5至6%。石化大廠建立純化站節能優化系統,可以依來料與製程狀況,即時建議出最適合的製程參數調整方案,達到製程節省能耗約3%(1年約可減少1507.51噸二氧化碳),預估每年可節省數百萬元的能源成本,減碳績效約千噸。

此外,也可建立反應站產率優化系統,生產效率提升2.5%,年省生產成本數千萬元,協助產業降低生產成本,穩固市場與利潤,更助台灣達成淨零碳排轉型目標,以降低歐盟碳邊境調整機制(CBAM)、美國清潔競爭法案(CCA)的碳關稅衝擊,同時也使產品優於競爭對手至國際市場上市。

第3是「研發製程優化」,透過AI推薦參數並搭配工程師進行協作(人機協作組可對照資深工程師組),於產線進行對照組實際驗證,減少實驗次數便可提升90%參數研發的效率,且產品的品質改善率也可達60至70%,如此一來,便可節省研發總成本。

AI上陣〉識別最強碳捕捉新星

最後是「新材料的加速開發」,新材料如觸媒、抓碳材料等,要設計具有最佳碳選擇性和容量的材料仍是一項重大工程。

到目前為止,MOF的設計仍依賴艱苦的實驗和計算工作,過程既昂貴又耗時。若能透過利用生成人工智慧來協助MOF設計,如識別碳捕捉的新型材料、以機器學習和模擬等技術提供識別環保MOF的新機會,探索MOF設計空間,將可望在30分鐘內快速組裝超過12萬個新的MOF候選材料,而後才進行耗時的分子動力學模擬,僅使用最有希望的候選者,就可快速篩選穩定性、化學性質和碳捕捉能力的新材料。

國際淨零碳排規範的要求已是我國出口業者頭痛的問題,CBAM、CCA首波影響最大產業如化工、鋼鐵等產業,應用再生能源、氫能、設備智慧化、碳捕捉等措施都可透過AI人工智慧數位化等技術提升製程、提高效率等來達成減碳成效,讓產業在維持產品品質與準交率下,找出能耗更低的製程參數,以及更有效率的生產排程規畫。

未來預期國際上也會陸續擴展減碳要求至所有產業,因此低碳智慧化將是未來無可避免的大趨勢。

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責任編輯:蘇柔瑋

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導航不是愈高階愈好!桃園產官資源如何賦能互宇向量,讓複雜技術真正「用得起、用得上」?
導航不是愈高階愈好!桃園產官資源如何賦能互宇向量,讓複雜技術真正「用得起、用得上」?

當無人機、無人船失去衛星定位訊號,還能繼續完成任務嗎?這道問題不只考驗導航設備的精度,更牽涉不同技術如何搭配,才能兼顧成本、可靠性與實際部署需求。

要理解自主載具如何在衛星訊號中斷時持續導航,得先認識「慣性導航」。互宇向量執行長鍾宏彬拿棒球作比喻:投手把球投出去後,球沒有GPS或遙控器,仍會依照出手角度、力量與旋轉向前運動。慣性導航則透過感測加速度與旋轉變化,持續推算載具的姿態、速度與位置。不過,慣性導航的誤差會隨時間累積,衛星定位訊號一旦中斷,位置推算也可能逐漸偏移。因此,自主載具需要不同定位與感測技術相互配合。2022年成立的互宇向量,便從這項需求切入,協助客戶選擇適合的導航技術,並將系統整合到產品中。

先定義任務,再決定導航規格

「以終點當起點。」鍾宏彬如此形容互宇向量的產品開發原則。相較於先提供設備、再由客戶自行整合,互宇向量在開發初期便參與討論,了解客戶要完成什麼任務,再決定性能、材料、演算法與預算。這套方法稱為「前端部署」。

以無人機精準投送為例,客戶希望載具不只抵達指定區域,還能接近建築物完成投送。飛行距離、定位精度、是否有人遙控,以及衛星訊號中斷後需要自主運作多久,都會影響系統設計。互宇向量必須先釐清這些條件,再選擇感測元件、調整導航架構,而不是直接套用既有產品。

互宇向量的技術涵蓋光纖陀螺儀(FOG)、慣性量測單元(IMU)、姿態與航向參考系統(AHRS),以及GNSS/INS融合導航方案。團隊曾與產業夥伴在實際水域驗證無人船導航系統,也透過觀音山隧道測試,觀察衛星訊號中斷時的導航表現。

對客戶而言,驗證的重點在於系統能否在任務要求的時間內維持足夠精度。互宇向量也不一定選用最高規格的零組件,而是依照需求調整演算法、材料與系統配置,必要時整合其他供應商的技術,減少客戶自行開發、測試與整合的時間及成本。

從光纖陀螺到系統整合,互宇向量把技術推向可部署的產品

鍾宏彬2010年投入光纖陀螺核心技術研究,2016年共同創辦極星光電。當時核心元件的客戶多具備自行整合能力,應用市場相對有限。他逐漸意識到,若想讓技術接觸更多使用者,就不能只停留在零件,還得往感測模組與完整系統發展。2022年成立互宇向量後,鍾宏彬延續過去累積的技術,採取合作設計製造(JDM)模式,讓團隊從產品開發初期便參與設計與驗證。

他把這種服務形容為「高階料理包」:客戶不必自行採購所有原料、研究怎麼煮,而是由互宇向量協助整合適合的技術,完成產品部署。公司不走低價、拚量路線,而是選擇與少數具有長期需求的專業客戶深入合作。目前團隊服務約12家核心客戶,透過持續參與產品開發,累積技術與合作經驗。

航太市場考驗的不只是技術,還有供應鏈與驗證能力

航太是互宇向量積極拓展的市場。目前約四成業務聚焦航太應用;2023年,團隊也與國家太空中心(TASA)展開策略性合作,推進MIOC與FOG技術的太空應用。

航太產業尤其重視「飛行履歷」(Flight Heritage)。鍾宏彬打趣地說,普通杯子就是杯子,但如果真的上過太空,「它就變成太空杯」。設備即使通過完整的地面測試,仍不等於經歷過發射與太空環境。對國際航太客戶而言,實際飛行驗證是評估設備可靠性的重要依據。鍾宏彬回憶,團隊過去花了兩、三年尋找海外企業客戶,始終不得其門而入。後來有國際業者得知互宇向量與國家太空中心合作,反而主動找上門。這段經驗讓他體會到,進入航太供應鏈除了技術能力,還需要讓國際客戶看見合作經驗與可信度。

從中央大學到蘆竹,桃園產官資源如何成為互宇的產業支點?

互宇向量與桃園的淵源,早在公司成立前就已開始。鍾宏彬從中央大學求學、攻讀博士到投入研究,一路留在桃園;第一次創業落腳楊梅,互宇向量則從青埔搬到蘆竹,建立廠辦空間。他笑稱,自己就像桃園「生出來的baby」。

桃園及北部地區聚集電路板、電子製造與機械加工等供應商,具備成熟的產業基礎。不過,部分業者長期專注既有市場,未必想過自身技術還能延伸至無人載具與航太應用。鍾宏彬舉例,互宇向量曾與傳統機械加工業者合作,協助對方了解航太供應鏈的品質驗證與製造要求,探索跨入新市場的可能。對這些業者而言,挑戰未必是技術能力不足,而是過去缺乏接觸航太應用的機會,不熟悉相關規格與驗證流程。

創業過程中,互宇向量也持續接觸桃園市政府青年事務局及相關局處、育成體系,參與創業交流與產業展會。鍾宏彬看重的是這些場合能讓團隊認識不同領域企業,拓展未來合作的可能。包括Meet桃園+在內的創業輔導與產業交流平台,也為在地新創提供接觸產業資源的機會。

從光纖陀螺核心元件走向完整導航系統,再延伸至航太合作與海外市場,互宇向量逐步建立從任務規劃、技術整合到系統驗證的能力。接下來,如何運用桃園既有的電子製造與精密加工基礎,找到更多能共同開發產品的夥伴,將是團隊拓展國際市場的重要課題。

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