摘要： 為了領銜加大減碳力度，美國能源部在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。
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。 
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。
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。
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。
轉貼自： bnnext.com
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