台灣鋁業的現況以及減少鋁業排放溫室氣體的方法
文/ 賴威安
一、台灣鋁工業的發展現況
一、台灣鋁工業的發展現況
根據財團法人金屬工業研究發展中心(Metal Industries Research & Development Centre，簡稱MIRDC) 於2024年4月份所發行的季刊《基本金屬供需情勢發展評估月報》的統計，我國鋁金屬產業廠商家數約 447 家，逾 9 成以上為中小型企業，廠商多集中於中、南部。 其中，煉鋁業約 46 家，七成集中於南部，鋁材軋延、擠型、伸線業約 240 家，近五成集中於南部，鋁鑄造業約 161 家，近五成集中於北部。 國內鋁金屬產業缺乏上游採礦與煉鋁業(原鋁錠)，故鋁合金錠煉製業可視為國內鋁金屬產業上游，中游製造加工業包含擠型/抽伸、軋延、鍛造、鑄造、沖壓、模具、機械加工、熱 處理、裁剪、表面處理等類型，下游廠商眾多，概以運輸、建築、包裝、消費性電子等 終端應用為主 (圖一、表一)。 [1]
圖一、台灣鋁產業的形貌 (簡佑庭，2024)[2]
表一、 我國鋁產業之主要下游用鋼產業、相關產品及主要使用鋁材 (簡佑庭，2024)[3]
(一) 採用新的鋁冶煉技術
傳統上，熔煉鋁需要由富碳材料製成的陽極，因為碳是電的良好導體。碳陽極用來從氧化鋁中釋放出金屬。在此電化學反應的過程中，氧離子和碳陽極作用釋放出二氧化碳而被消耗。 此外，也產生了副產物如一氧化碳、二氧化硫和全氟化碳氣體。鋁冶煉是以基於純化的氧化鋁（alumina）粉末在約 960°C 的熔融冰晶石中解離形成氟化氧鋁離子。 [4]
根據英國衛報的報導，在2018年5月10日，加拿大政府和全球最大的兩家鋁製造商美鋁（Alcoa）和力拓（Rio Tinto）宣布了一項突破性煉鋁技術，這個技術可以移除冶煉過程會產生的二氧化碳(新的技術不會產生二氧化碳)，所製造的鋁可以用於製造汽車、建築材料、工業機械、電器產品、飲料罐、鋁箔包裝等等。[5] 新製程用美鋁 (Alcoa) 專利材料取代陽極中的碳來製造惰性陽極。新的陽極允許電解的發生而無需參與化學反應，所以不被消耗。在電化學反應中，在惰性陽極產生純氧，在陰極組件的表面產生鋁。 結果，氧化鋁在電解過程中被分離成為鋁和純氧。此外，濕的陰極可以縮短陽極-陰極距離，同時降低電池電壓、溫度和能量的消耗 (Tabereaux，2019，圖三) 。[6] 果然，在2019年12月5日，蘋果公司（Apple Inc.）宣布向全球最大的兩間鋁材供應商美國鋁業（Alcoa Corp）和力拓集團（Rio Tinto）合資的加拿大鋁材公司Elysis購入「零碳排」鋁材，將用於生產 iPhone SE的智慧型手機。[7]
圖二、提議的具有多個垂直定向的惰性陽極和陰極的Elysis鋁電解槽示意圖 (圖片取自Tabereaux，2019)
(二) 赤泥固體廢棄物的處理
赤泥（red mud）是以鋁土礦為原料來生產氧化鋁產生的固態廢棄物，全球每年約產生1.8億噸，累積約40億噸，赤泥的氧化鐵含量高達60%，鹼性高，又含有氟、鋁及其他多種雜質，有極高腐蝕性，處理成本相當高昂，德國科學家Jovičević‐Klug等人(2024) 找到一種解決方案， 使用含有 10% 氫的電漿熔化泥漿，就能把赤泥還原為液態鐵和液態氧化物，藉由電漿還原技術，只需 10 分鐘即可生產出純淨鐵，還能直接加工成鋼，而金屬氧化物在冷卻時會凝固，由於不再具有腐蝕性，隨後也能轉化為玻璃狀材料，可應用在建築填充材料。這項技術成功地將鋁生產中留下的有毒赤泥副產物，轉化為綠色鋼鐵。[8]
赤泥（red mud）是以鋁土礦為原料來生產氧化鋁產生的固態廢棄物，全球每年約產生1.8億噸，累積約40億噸，赤泥的氧化鐵含量高達60%，鹼性高，又含有氟、鋁及其他多種雜質，有極高腐蝕性，處理成本相當高昂，德國科學家Jovičević‐Klug等人(2024) 找到一種解決方案， 使用含有 10% 氫的電漿熔化泥漿，就能把赤泥還原為液態鐵和液態氧化物，藉由電漿還原技術，只需 10 分鐘即可生產出純淨鐵，還能直接加工成鋼，而金屬氧化物在冷卻時會凝固，由於不再具有腐蝕性，隨後也能轉化為玻璃狀材料，可應用在建築填充材料。這項技術成功地將鋁生產中留下的有毒赤泥副產物，轉化為綠色鋼鐵。[8]
(三) 以回收鋁進行鋁製品的生產
Yokoi 等人(2022) 的研究預測了未來與六種金屬（鋁、銅、鐵、鉛、鎳和鋅）有關的溫室氣體排放，根據共同的社會經濟考慮詳細的金屬循環途徑（SSP）。 此外，也利用以下方法探討了金屬循環中溫室氣體排放的影響因素：利用分解和敏感性分析，以減少未來的溫室氣體排放。 要大力減少溫室氣體排放除了向永續社會經濟路徑過渡之外，還需要有減少排放的實際作為。短期來看，降低人均使用金屬庫存水準和生產金屬的溫室氣體排放強度至關重要，特別是對於中等收入群體。 從長遠來看，在累積了足夠的使用金屬庫存後，提高回收率是一個可能的步驟。 為了實現金屬循環中短期和長期溫室氣體減量的氣候目標，必須立即針對這些影響因素採取聯合行動。[9]
Yokoi 等人(2022) 的研究預測了未來與六種金屬（鋁、銅、鐵、鉛、鎳和鋅）有關的溫室氣體排放，根據共同的社會經濟考慮詳細的金屬循環途徑（SSP）。 此外，也利用以下方法探討了金屬循環中溫室氣體排放的影響因素：利用分解和敏感性分析，以減少未來的溫室氣體排放。 要大力減少溫室氣體排放除了向永續社會經濟路徑過渡之外，還需要有減少排放的實際作為。短期來看，降低人均使用金屬庫存水準和生產金屬的溫室氣體排放強度至關重要，特別是對於中等收入群體。 從長遠來看，在累積了足夠的使用金屬庫存後，提高回收率是一個可能的步驟。 為了實現金屬循環中短期和長期溫室氣體減量的氣候目標，必須立即針對這些影響因素採取聯合行動。[9]
鋁是運輸、包裝和建築中廣泛使用的輕質金屬，它是生產能耗最高的金屬，需要大量的電力。一次煉鋁為一高耗能產業，耗費能量為鐵的10倍，因此無論是以節能、減碳或是零廢棄、資源永續利用各種角度來看，鋁資源的循環利用都具有相當的意義。促成碳排放降低的還有回收或二次鋁產量的增加，與初級鋁(由鋁礬土中獲取金屬鋁)相比，二次鋁的生產通常能節省95%的能源。除此之外，節省下的其他原物料數量更是可觀，因此鋁的回收以及二次熔煉產業系統已在各先進國家形成完整的體系。IAI數據顯示，2022年全球回收產量增長了6%，而初級產出增長了2.8%。電力是碳排放的最大組成部分，但鋁業運作還會因爲碳陽極（carbon anodes）、運輸以及原材料氧化鋁和鋁土礦排放二氧化碳。[10]
從 Bauer(2012) 研究的數據顯示，「初級合成」(primary synthesis) 所需的主要步驟，即鋁土礦萃取、氧化鋁(alumina)的生產(製程1)和電解作用 (製程2) ，而二次生產(secondary production) 藉著廢料製備、分類 (製程3) 和精煉 (製程4) 。初級合成的方法，以原鋁製造鋁製品，一公噸的鋁製品會產生的溫室氣體排放量為6.52公噸二氧化碳，而二次生產的方式，以回收鋁為原料生產鋁製品，每一公噸生產的鋁製品可以產生的溫室氣體排放量相當於 1.2 公噸的二氧化碳，欲得知其減排的效應可以由這個數據計算出來: (6.52-1.2)/6.52=81.59%，一共減少了八成的溫室氣體排放量 (表二) ，由這個數據證明，以回收鋁進行鋁製品的生產是一個達到溫室氣體減量目的有效而且立竿見影的手段。
從 Bauer(2012) 研究的數據顯示，「初級合成」(primary synthesis) 所需的主要步驟，即鋁土礦萃取、氧化鋁(alumina)的生產(製程1)和電解作用 (製程2) ，而二次生產(secondary production) 藉著廢料製備、分類 (製程3) 和精煉 (製程4) 。初級合成的方法，以原鋁製造鋁製品，一公噸的鋁製品會產生的溫室氣體排放量為6.52公噸二氧化碳，而二次生產的方式，以回收鋁為原料生產鋁製品，每一公噸生產的鋁製品可以產生的溫室氣體排放量相當於 1.2 公噸的二氧化碳，欲得知其減排的效應可以由這個數據計算出來: (6.52-1.2)/6.52=81.59%，一共減少了八成的溫室氣體排放量 (表二) ，由這個數據證明，以回收鋁進行鋁製品的生產是一個達到溫室氣體減量目的有效而且立竿見影的手段。
表二、鋁製造流程步驟預估消耗的能源和溫室氣體排放量 (數據取自Bauer，2012) [11]
國際鋁業協會(IAI，2021) 確定了初級鋁產業 (primary aluminum industry，PAI) 中的以下三種二氧化碳排放減量的途徑：（1）電力脫碳化作用、（2）減少直接排放、（3）回收和資源效率。 [12] 已進行研究來衡量和評估不同地區中與 PAI 發展相關的溫室氣體排放量。 電解過程的電力消耗和氧化鋁生產中的石油和天然氣消耗是從PAI排放二氧化碳的主要原因。[13] 理論上，只要提高鋁的回收率，並將回收鋁應用於鋁製品的生產就可以達到溫室氣體排放的效果，圖四為國際鋁業協會根據2019年回收鋁的數據預測到了 2050 年以原鋁和再生鋁生產鋁製品的產量 (Raabe等人，2022)。
三、在台灣的鋁業以回收鋁生產降低溫室氣體的現況與願景
2020 年全球生產了近6,600 萬噸的鋁，占全球溫室氣體總排放量的2%。因為鋁是建築、電子、電力基礎設施和運輸等行業的重要組成部分，預計到2050年鋁的需求量將成長約80%。為了減少商品化金屬對環境的影響，許多鋁的終端用戶和生產者已經開始致力於讓材料脫碳。[15] 根據2021年的數據顯示，廢鋁出口價格（每公斤廢鋁的出口價格在新台幣49元，高於進口價格(每公斤新台幣47元)，導致國內企業對於鋁的回收再加工的意願低落。 由於多種原因，台灣廢鋁出口在2021年首次出現貿易逆差1.1萬噸，2022年上半年逆差甚至擴大至3.3萬噸，造成國內鋁資源流失。2024年8月30日，財團法人金屬工業研究發展中心(Metal Industries Research and Development Centre，簡稱MIRDC)與中鋼鋁業公司(China Steel Aluminum Coporation，簡稱CSAC)等共13家鋁產業上、中、下游及資源回收廠，在經濟部「傳統產業創新加值中心」( Traditional Industries Innovation Centre，簡稱TIIC) 共同成立「低碳化循環鋁材共榮聯盟」(Low-Carbon Circular Aluminum Alliance，簡稱LCCAA) ，由CSAC領軍，期望藉由整合法人技術、業者經驗，提升低碳循環鋁產業的發展。[16]
以下就「財團法人台灣碳環境永續基金會」（Taiwan Carbon Sustainability Initiative Foundation，TCSIF）溫室氣體盤查主導查證專員洪姵綾所提供的實際案例資料做進一步說明: A (本文以代號表示) 公司(其產業類別為自行車及其零件製造業) 委托第三方查證公司對其工廠製造的鋁件spacer (自行車的龍頭墊圈) 進行 ISO 14067產品碳足跡的盤查，每個spacer零件的重量為5.9 g，經過盤查，以原鋁進行spacer的製造，每一個spacer零件的排碳量為 0.151 kg CO2e (二氧化碳當量)，換算出其溫室氣體排放係數為25.5 kg CO2e / kg (產品重量)，若以回收鋁製成的spacer，計算出製造每一個spacer的排碳量為0.0381 kg CO2e ，其溫室氣體排放係數即為 6.4 kg CO2e / kg ，以回收鋁 Spacer 14067盤查，A公司製造Spacer每一年的產量，以2022年來說，其spacer的總產量為627,776個，因此光是一個spacer來說，和以原鋁製造的spacer製程，一年的溫室氣體排放量為 94448.899 kg CO2e 互相比較，估算以回收鋁進行製造，其一年的溫室氣體的減排量為70744.078 kg CO2e，單單以回收鋁進行spacer的製造，每一年的溫室氣體的減排量高達74.9%! (表三)
2020 年全球生產了近6,600 萬噸的鋁，占全球溫室氣體總排放量的2%。因為鋁是建築、電子、電力基礎設施和運輸等行業的重要組成部分，預計到2050年鋁的需求量將成長約80%。為了減少商品化金屬對環境的影響，許多鋁的終端用戶和生產者已經開始致力於讓材料脫碳。[15] 根據2021年的數據顯示，廢鋁出口價格（每公斤廢鋁的出口價格在新台幣49元，高於進口價格(每公斤新台幣47元)，導致國內企業對於鋁的回收再加工的意願低落。 由於多種原因，台灣廢鋁出口在2021年首次出現貿易逆差1.1萬噸，2022年上半年逆差甚至擴大至3.3萬噸，造成國內鋁資源流失。2024年8月30日，財團法人金屬工業研究發展中心(Metal Industries Research and Development Centre，簡稱MIRDC)與中鋼鋁業公司(China Steel Aluminum Coporation，簡稱CSAC)等共13家鋁產業上、中、下游及資源回收廠，在經濟部「傳統產業創新加值中心」( Traditional Industries Innovation Centre，簡稱TIIC) 共同成立「低碳化循環鋁材共榮聯盟」(Low-Carbon Circular Aluminum Alliance，簡稱LCCAA) ，由CSAC領軍，期望藉由整合法人技術、業者經驗，提升低碳循環鋁產業的發展。[16]
以下就「財團法人台灣碳環境永續基金會」（Taiwan Carbon Sustainability Initiative Foundation，TCSIF）溫室氣體盤查主導查證專員洪姵綾所提供的實際案例資料做進一步說明: A (本文以代號表示) 公司(其產業類別為自行車及其零件製造業) 委托第三方查證公司對其工廠製造的鋁件spacer (自行車的龍頭墊圈) 進行 ISO 14067產品碳足跡的盤查，每個spacer零件的重量為5.9 g，經過盤查，以原鋁進行spacer的製造，每一個spacer零件的排碳量為 0.151 kg CO2e (二氧化碳當量)，換算出其溫室氣體排放係數為25.5 kg CO2e / kg (產品重量)，若以回收鋁製成的spacer，計算出製造每一個spacer的排碳量為0.0381 kg CO2e ，其溫室氣體排放係數即為 6.4 kg CO2e / kg ，以回收鋁 Spacer 14067盤查，A公司製造Spacer每一年的產量，以2022年來說，其spacer的總產量為627,776個，因此光是一個spacer來說，和以原鋁製造的spacer製程，一年的溫室氣體排放量為 94448.899 kg CO2e 互相比較，估算以回收鋁進行製造，其一年的溫室氣體的減排量為70744.078 kg CO2e，單單以回收鋁進行spacer的製造，每一年的溫室氣體的減排量高達74.9%! (表三)
表三、 回收鋁製造spacer的溫室氣體減排效果的實際案例 (TCSIF，2024)[17]
四、結語
台灣地區因缺乏鋁資源，所以全部依賴外國進口，而進口之鋁原物料可以分為鋁以及鋁氧化物兩大類別，經過加工後部分供應國內市場需求，部分則進行外銷。台灣的鋁工業初具良好的體質，搭配國內廠商自行發展的資源回收業的技術，使用回收鋁廢料進行鋁製品的生產，可以有效降低鋁業產生的溫室氣體之排放量。筆者建議，政府應極力思索該如何在以下幾個方面提供協助:
台灣地區因缺乏鋁資源，所以全部依賴外國進口，而進口之鋁原物料可以分為鋁以及鋁氧化物兩大類別，經過加工後部分供應國內市場需求，部分則進行外銷。台灣的鋁工業初具良好的體質，搭配國內廠商自行發展的資源回收業的技術，使用回收鋁廢料進行鋁製品的生產，可以有效降低鋁業產生的溫室氣體之排放量。筆者建議，政府應極力思索該如何在以下幾個方面提供協助:
- 支持台灣鋁工業的中小企業發展既有的先進技術；
- 提供在鋁廢回收、鋁精煉、鋁加工等製程適用技術的研發及申請智慧財產權、專利的保護所需的協助；
- 協助企業克服國際法規和方法學上適用性的困難，使其所實行回收鋁廢料再製為鋁製品的過程中所減少的溫室氣體排放量得以成功申請到碳權(carbon credit)。
總而言之，以上三件事情是政府如何讓台灣鋁工業在面對當前國際上碳關稅的挑戰時可以順利「過關」的關鍵，也是當前政府在擬定工業和環境政策上一個非常重要的考量。
[1] 簡佑庭: 鋁金屬篇，基本金屬供需情勢發展評估月報2024 年 4 月刊(第一季季刊) 發行號 32，第47-61頁。https://drive.google.com/file/d/18K5O7IUqXeUmf5qlbAEdToISXbTneomc/view?usp=sharing (accessed 25 April 2024)
[2] 簡佑庭: 鋁金屬篇 (附件)，基本金屬供需情勢發展評估月報2024 年 4 月刊(第一季季刊) 發行號 32，第85頁。
[3] 簡佑庭: 鋁金屬篇 (附件)，基本金屬供需情勢發展評估月報2024 年 4 月刊(第一季季刊) 發行號 32，第85頁。
[4] 鄧南: 光減碳還不夠！未來的iPhone SE，可能都是「無碳鋁」做的 (商業週刊，2022年3月29日)
https://www.businessweekly.com.tw/business/blog/3009448 (accessed 29 April 2024)
https://www.businessweekly.com.tw/business/blog/3009448 (accessed 29 April 2024)
[5] New technology could slash carbon emissions from aluminium production: Development could transform how one of the world’s most common materials is made. (The Guardian， 10 May 2018) https://www.theguardian.com/environment/2018/may/10/new-technology-slash-aluminium-production-carbon-emissions (accessed 29 April 2024)；姜唯: 鋁業世紀突破 製程零碳排技術問世(2018年5月15日) https://ddpp.ntu.edu.tw/selected-articles/foreign-news/414-1070515-aluminum.html (accessed 23 April 2024)
[6] Tabereaux, A. (2019) Innovations that are transforming aluminum smelting today. Light Metal Age. 7-10. https://www.researchgate.net/profile/Alton-Tabereaux/publication/331994306_Innovations_that_are_transforming_aluminum_smelting_today/links/62707d8eb1ad9f66c89c2ded/Innovations-that-are-transforming-aluminum-smelting-today.pdf?_tp=eyJjb250ZXh0Ijp7ImZpcnN0UGFnZSI6InB1YmxpY2F0aW9uIiwicGFnZSI6InB1YmxpY2F0aW9uIn19
[7] 鄧南: 以後的 iPhone SE，可能是「無碳鋁」做的 (2022年3月27日)
https://www.ifanr.com/1478843 (accessed 29 April 2024)
https://www.ifanr.com/1478843 (accessed 29 April 2024)
[8] Daisy Chuang: 高污染鋁業廢棄物「赤泥」有新歸處，10 分鐘變身綠色鋼鐵 (2024年2月12日) https://technews.tw/2024/02/12/toxic-red-mud-green-steel/ (accessed 29 April 2024)；Jovičević‐Klug, M., De Souza Filho, I. R., Springer, H., Adam, C., & Raabe, D. (2024). Green steel from red mud through climate-neutral hydrogen plasma reduction. Nature, 625(7996), 703–709. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06901-z
[9] Yokoi, R., Watari, T., & Motoshita, M. (2022). Future greenhouse gas emissions from metal production: gaps and opportunities towards climate goals. Energy & Environmental Science, 15(1), 146–157. https://doi.org/10.1039/d1ee02165f
[10] 優分析網站: 全球鋁生產，如何降低碳排放？(2024年2月28日)
https://uanalyze.com.tw/articles/452584718 (accessed 26 April 2024)；吳佳正、蔡敏行(2008): 鋁金屬之循環體系概述，工業污染防治期刊108期，第153-186頁。https://proj.ftis.org.tw/eta/WebPhotos/2017/108-09-%E9%8B%81%E9%87%91%E5%B1%AC%E4%B9%8B%E5%BE%AA%E7%92%B0%E9%AB%94%E7%B3%BB%E6%A6%82%E8%BF%B0.pdf (accessed 30 April 2024)
https://uanalyze.com.tw/articles/452584718 (accessed 26 April 2024)；吳佳正、蔡敏行(2008): 鋁金屬之循環體系概述，工業污染防治期刊108期，第153-186頁。https://proj.ftis.org.tw/eta/WebPhotos/2017/108-09-%E9%8B%81%E9%87%91%E5%B1%AC%E4%B9%8B%E5%BE%AA%E7%92%B0%E9%AB%94%E7%B3%BB%E6%A6%82%E8%BF%B0.pdf (accessed 30 April 2024)
[11] Bauer, S. (2012). Sustainable materials: With both eyes open. Materials Today, 15(9), 410. https://doi.org/10.1016/s1369-7021(12)70169-4
[12] International Aluminium Institute: Aluminium sector greenhouse gas pathways to 2050. 2021. UK. https://international-aluminium.org/resource/aluminium-sector-greenhouse-gas-pathways-to-2050-2021/ (accessed 25 April 2024)
[13] Kermeli, K., Ter Weer, P., Crijns-Graus, W., & Worrell, E. (2014). Energy efficiency improvement and GHG abatement in the global production of primary aluminium. Energy Efficiency, 8(4), 629–666. https://doi.org/10.1007/s12053-014-9301-7
[14] Raabe, D., Ponge, D., Uggowitzer, P. J., Roscher, M., Paolantonio, M., Liu, C., Antrekowitsch, H., Kozeschnik, E., Seidman, D. N., Gault, B., De Geuser, F., Dechamps, A., Hutchinson, C., Liu, C., Li, Z. M., Prangnell, P., Robson, J., Shanthraj, P., Vakili, S., . . . Pogatscher, S. (2022). Making sustainable aluminum by recycling scrap: The science of “dirty” alloys. Progress in Materials Science/Progress in Materials Science, 128, 100947. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100947
[15] 經濟部產業發展署: 製鋁業如何打造脫碳之路(2022年9月30日)
https://proj.ftis.org.tw/isdn/Message/MessageView?id=1604&mid=129 (accessed 24 April, 2024)
https://proj.ftis.org.tw/isdn/Message/MessageView?id=1604&mid=129 (accessed 24 April, 2024)
[16] 台灣好報: 前瞻技術綠色鋁供應鏈 低碳化循環鋁材共榮聯盟成立 (2023年8月29日) https://newstaiwan.net/2023/08/29/76216/ ( accessed 29 April 2024)
[17] 根據「財團法人台灣碳環境永續基金會」（Taiwan Carbon Sustainability Initiative Foundation，TCSIF）行銷部主管洪姵綾於2024年4月所提供的數據和資料。