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產業技術評析

從西歐三角區域化學群聚發展計畫 看化學產業發展趨勢及技術方向
發表日期:2018-08-08
作者:陳嘉茹(工研院)
摘要:
德國北萊茵西發利亞、比利時佛萊明大區及荷蘭圍成的三角區域為世界上首屈一指的製造產業群聚基地,尤其以化學群聚為最。近年雖面臨來自新興市場的競爭,但此區域專注於特用化學品、特用材料等高附加價值產品,更堅持持續創新,因此企業數及營收反而有所成長。

全文:

一、世界第一的化學群聚:西歐三角區域
 

德國北萊茵西發利亞、比利時佛萊明大區及荷蘭圍成的三角區域為世界上首屈一指的製造產業群聚基地,尤其以化學群聚為最。近年雖面臨來自新興市場的競爭,但此區域專注於特用化學品、特用材料等高附加價值產品,更堅持持續創新,因此企業數及營收反而有所成長,數十年來一直是化學產業的創新源頭。
 

該區人口占歐洲總人口8.1%,但貢獻了12.2%的歐洲國內生產總值(GDP),區內人均國內生產總值比歐洲平均高出29%。其中化學產業2015年有1,800億歐元的營業額和超過35萬的從業人口;市場份額(market share)約3%,排世界第四位(落後於中國大陸、美國及日本);人均銷售額3,600歐元為世界第一(美國2,400歐元、日本1,500歐元、中國大陸1,300歐元);產業附加價值比例高達20%至25%,研發強度(即研發佔GDP的比例)達2.0%至2.4%。區域內指標性廠商包括LyondellBasell、AkzoNobel、Bayer AG、Lanxess AG、EVONIK、ADPO、BASF、MARCK等。
 

此區域產業得以活絡發展,在於區內的基礎建設、學研能量具獨特優勢。在基礎建設部分,三角區域一向是通往歐洲及全世界的門戶(經由安特衛普、鹿特丹兩個國際港,及萊茵河、魯爾河沿岸地區),完美的區位搭配極其彈性靈活的物流運輸體系,可將各地的生產據點連結起來,大量的原料及製成品運輸非常便捷,此外,三角區域可沿河通往法蘭克福、路德維希港(BASF總部)的萊茵-美因河地區,最終連結巴塞爾周邊的瑞士化工群聚及法國里昂地區。
 

在學研能量部分,三角區域內有眾多的頂尖綜合大學、科技大學、先導設施、育成中心、理工學院,且在生技科學、生技加工、農業工程領域有傑出的成就(如Bielefeld 大學、Dortmund科技大學、杜塞道夫Heinrich-Heine 大學),具備卓越的教育及培訓能力,孕育出各式優質的人才,包括技術人員、工程師、產業經理、科學家,在人才為本的趨勢潮流下,奠定最強大的知識基礎建設,也為後續的創新策略提供了最強力的支援。
 

圖1 西歐三角區域區位示意圖

資料來源:Trilateral strategy for the chemical industry(2017)、BIG-Cluster: Transforming Europe’s Leading Chemical mega-Cluster(2017),ITIS研究團隊(2018/06)。
圖1 西歐三角區域區位示意圖。
 

二、面對未來趨勢挑戰,積極走向「化學4.1」
 

儘管三角區域已佔據世界化學產業的領先地位,但其體認到全球競爭環境正發生巨大變化,包括新興市場的競爭(尤其中國大陸、印度和阿拉伯)及歐美的製造業回流均強化了其化學產業的競爭力。此外,面對規劃理念的典範移轉,化學產業現已走入「化學4.1」的趨勢,由以往的要素驅動、效率驅動、創新驅動到現今的挑戰驅動(Challenge-driven),產業發展著重在議題挖掘,如食物安全、潔淨科技、氣候變遷、資源效率、社會安全,強調產業需具備永續性、數位化及客製化,並進行跨域整合,翻轉現有價值鏈。
 

意識到三角區域化學產業面臨的挑戰,及該區域內部強大的價值鏈整合力量,德國北萊茵西伐利亞邦的經濟、創新、數位化與能源部(the Ministry of Economics, Innovation, Digitalisation and En-ergy of North Rhine-Westphalia,MWIDE, DE)、比利時法蘭德斯的經濟、科學與創新部 (the Department of Economy, Science and Innovation,Flanders, BE)和荷蘭的經濟部(the Ministry of Economic Affairs,NL),首次採用了三邊合作的方式,共同提出了三角區域到2030年欲達的願景:「朝循環經濟群聚邁進,成為世界永續且具競爭力的產業創新引擎,解決未來社會問題」,並制定出一連串的整體轉型策略1,而「Bio Innovation Growth mega Cluster (BIG-C)」群聚發展計畫被視為能帶領三角區域邁向未來區域願景的重要計畫之一2
 

圖2 化學產業的典範移轉:邁向化學4.1新方向

資料來源:Trilateral strategy for the chemical industry(2017),ITIS研究團隊(2018/06)。
圖2 化學產業的典範移轉:邁向化學4.1新方向。
 

三、透過群聚策略性計畫與合作專案,發展創新價值鏈
 

BIG-C計畫的宗旨是全面帶動三角區域的化學群聚對焦循環經濟的趨勢,轉向生物經濟發展,同時進一步與歐洲、全球接軌,期能達成以下三個目標:(1)推動再生資源發展(運用迄今未受重視的資源,有效生產化學品、消費性產品到能源載體,形成完整的創新價值鏈);(2)推動化學產業進行生技轉型(減少日常生活中對化石能源的依賴,改採生技能源及其他再生資源,同時提高產業附加價值);(3)解決社會挑戰(包括就業、原材料稀少、氣候變化等)。
 

BIG-C計畫以「整體群聚觀點」來推動產業發展 (不強調補助特定廠商為目標,而是以提升整體群聚競爭力為主),探討三角區域內資源的整體規劃,包括原料、生產、加工利用、產品到回收等,思考整體區域要朝向「化學4.1」需要的創新價值鏈及關鍵技術,在整個價值鏈上建立起企業、學研機構結盟。
 

BIG-C計畫提出了四個符合未來發展趨勢的原料:木質纖維素(lignocellulose)3、農業(agro-based)、有機廢棄物(organic waste)及二氧化碳(CO2),提出四個從原料至產品(feedstock-to-product,F2P)的創新價值鏈。
 

圖3 BIG-C計畫四個從原料到產品的創新價值鏈示意圖

資料來源:Trilateral strategy for the chemical industry(2017)、BIG-Cluster: Transforming Europe’s Leading Chemical mega-Cluster(2017),ITIS研究團隊(2018/06)。
圖3 BIG-C計畫四個從原料到產品的創新價值鏈示意圖。
 

(一)創新價值鏈1:綠色資源(木質纖維素)到生技化學品、材料和先進生質燃料
 

BIG-C計畫中提出木質纖維素將為未來最具發展潛力且符合環保趨勢的原料,但現階段的供應及應用仍不普及,若能有效將農業廢棄物、短期輪作木材、園藝材料、枝葉廢棄物等回收利用,形成木質纖維素並轉化為具有成本競爭力的生技化學品、材料和先進生質燃料,將可提高化學產業附加價值,亦可透過在當地建立生物精煉廠,提供農村在地就業機會。
 

木質纖維素需要先進的解聚和分餾技術,再經過完全的生物精煉,包括五碳(C5)和六碳(C6)-醣、木質素及其他化合物的加值,為目前技術缺口。
 

(二)創新價值鏈2:下世代農業型價值鏈 (The next generation agro-based value chains)
 

為擴大產品組合、創造新的市場,BIG-C計畫提到三角區域將運用區域內的農業作物,來開發新的技術和應用,此外,鼓勵區域內農業種植專用作物,這些專用作物更容易產生特定分子(如芳香烴、表(界)面活性劑、樹脂等),故農產的育種研究及特定分子萃取技術將為發展重點。此外,此區亦重視土壤的碳消耗,包括以結構化、經濟可行的方式,恢復土壤生機。
 

(三)創新價值鏈3:有機廢棄物的新價值鏈
 

BIG-C計畫提到未來另一有潛力之原料來源在於各式產業的廢棄物,可透過新的製程思維讓其轉化為新的應用,尤其來自農業、食品加工業、油脂化學(oleochemistry)、生物能源(bio-energy)產業的副產品。如農業形成的副產品:蛋白質,可以取代飼料中的大豆,進而減少大豆蛋白質進口(以及伴隨的氮氣)。
 

故未來BIG-C計畫將致力結合在生物精煉概念中生物能源世代的附加價值分子生產,並使其在經濟上可持續及可行。這還包含了在於高附加價值的化合物萃取是否能夠進一步的轉化。
 

(四)創新價值4:CO2轉化為化學品
 

生質(Biomass)被歸類為未來重要的再生資源,因為它需要消耗空氣中的CO2,將其轉化為各種用於價值鏈1、2、3 的基礎分子。然而,直接從(不同產業的)工業製程擷取CO2,再加上具成本效益和能源效益的轉化方法,可以更直接將CO2進行循環應用,這是所謂的「一碳化學」法。這個方法加上廢氣 (如 CO 和 H2),可以成為另一種製造再生 (非) 生技分子的途徑。此外,除了回收利用廢棄物(氣化之後)或廢氣(工業產生),也可使用廢能,在能源生產的高峰期,可透過電力至氣體 (生成甲烷) 或電力至化學的方法,儲存為化學品。結合不同產業的方法,能夠達到CO2 及其他廢氣更永續的回收利用。
 

雖然電力至氣體的方法已經成熟,但仍需要開發較小型的系統,能夠將未純化的氣體轉化為化學品,且此系統必須能夠有效處理氣體數量和組成 (包括品質) 的大幅波動。
 

四、IEKView
 

往循環經濟邁進、向生物經濟轉型將是三角區域化學產業新的成長故事。區域內的化學產業正在致力於追求環保與能源創新,而且在某些領域,是由產業的電氣化、重複利用廢棄物和更進一步的原料多樣化所推動。
 

參酌三角區域針對化學群聚發展提出的趨勢及技術方向,在趨勢上開始朝向「化學4.1」的挑戰驅動(Challenge-driven)發展,產業需更強調永續性、數位化及客製化,並進行跨域整合,翻轉現有價值鏈。
 

在技術上,未來將更著重木質纖維素、農業、有機廢棄物及二氧化碳為原料的創新價值鏈。相關的重要技術包括木質纖維素需要的先進解聚和分餾技術、農業作物產生特定分子(如芳香烴、表(界)面活性劑、樹脂等)的萃取技術、有機廢棄物(如農業、食品加工業、油脂化學、生物能源的副產品)的化合物萃取、能夠將未純化的氣體轉化為化學品的小型系統。
 

(本文作者為工研院IEK執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)
 

備註

願景的形成是三角區域內於2017年由三方政府部會、產業代表、學研機構、產業協會或公會代表擬定。

BIG-C是由三角區域的產業發展聯盟理事會向歐盟申請發展經費提出。

木質纖維素(lignocellulose)是天然可再生木材經過化學處理、機械加工得到的有機絮狀纖維物質,無毒、無味、無污染、無放射性。作用主要在防護、吸收、作為載體和填充劑,廣泛用於混凝土砂漿、石膏製品、木漿海棉、瀝青道路等領域。


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更新日期:2020-04-08

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