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後化石時代的能源寵兒——生質物

你知道,美國種的玉米,大多用來當作生質酒精的原料嗎?你知道,甘蔗吸管、小麥餐具等環保用品,其實也是生質材料應用的例子嗎?所以生質能源,到底在紅什麼呢?化石能源會枯竭,但取之於生物或其產生的有機物質的生質物,是可以永續經應的。本篇文章即介紹了生質能源的定義、技術,以及在人類生活上的應用,一起來認識這個能源界的寵兒吧!
 
 

美國的玉米田所種的玉米,大多用來當作生質酒精的原料。(Photo by Ozzy Delaney under CC BY。)
▲美國的玉米田所種的玉米,大多用來當作生質酒精的原料。(Photo by Ozzy Delaney under CC BY。)
 
18世紀工業革命以來,人類大量使用化石燃料,形成以其為主的能源供應體系,以及以石油為主的石化工業。然而,在大量倚賴化石原料下,科學家不斷提出警訊,煤炭、石油、天然氣等傳統化石能源的供應量,都僅能提供人類使用數十年至兩、三百年間。面對後化石能源時代,為了維持人類生活品質與工業生產,尋找新的替代能源或工業原料成為近年來科學家努力的方向。

生質物與生質能源

生質物(biomass)廣泛的定義是「生物或其所產生的有機物質」,因此,生存在地球上的微生物、植物、動物,以及其排泄物,都可以稱為生質物。

可應用於工業或能源上的生質物,包括動物、植物、藻類和其他種類的生物。最簡單的應用,如利用獸力農耕或研磨穀物、利用柴薪取暖或提供煮食所需的熱能、利用微生物分解禽畜糞便而產生甲烷氣等。以植物來說,其組成包括糖、澱粉、油脂、木質素、纖維素、半纖維素等,都可以提供能源或工業原料。

近年來,在極端氣候與溫室效應、化石燃料逐年用罄等情況下,科學家把未來能源與工業原料的希望,寄託在可永續經營的生質物上。面對後化石世代的原料與能源需求,具有與化石原料類似有機組成的生質物,無疑將成為接替化石原料,維持人類生活需求相當重要的選項。

生質物用於能源之所以被稱為「永續能源」,主要在於其「碳中和」的特性。生質物尤其是植物成長過程中,會吸收二氧化碳、養分、水分等,並把空氣中的碳固定在其結構中。當生質物應用於產生能源,燃燒後所排放的二氧化碳又可被其他生質物吸收,因此形成碳應用的永續循環。

生質物的碳利用循環示意圖
▲生質物的碳利用循環示意圖
 
目前全球生質燃料的主要應用方式包括把含有油脂類的生質物,如黃豆、油菜籽、向日葵籽、油棕果等,萃取出油脂再經過轉酯化成為甲基酯(生質柴油),用以替代化石柴油;把生質物,如甘蔗、玉米、甜菜、木薯等內所含的糖或澱粉分離出來,再用生物發酵法生產酒精(生質酒精),用以替代化石汽油;而主要由木質素、纖維素、半纖維素等組成的玉米稈、玉米穗軸、甘蔗渣等殘渣,則透過直接燃燒提供工廠所需的熱能或電能。

然而前述的生質物應用,有與人爭糧、與糧爭地、土地利用永續性等問題。於是,科學家在考量與糧食區隔及永續使用的前提下,由前述的「第1代生質燃料」應用轉而致力於「第2代、第3代生質燃料」的研發與應用。
 
不同世代與形態的生質燃料應用
▲不同世代與形態的生質燃料應用
 
新世代生質燃料主要的特色,在於以科學理性的角度,思考與評估可使用於能源或工業原料的生質物是否符合永續性需求。因此,由生命周期角度評估植物成長至應用等不同階段所需的資源、能源,所吸收、產生的二氧化碳等,包括總碳排放及二氧化碳減量、能源產出投入比、單位面積生產量、用水量、土地利用率、應用效率等。

轉換的契機


科學的進步讓人思考如何讓有限資源發揮最大的效用。如果未經控制直接燃燒木材,因為接觸面積、燃燒條件、熱損失等因素,僅能把木材裡化學能中不到10  %的熱能提供烹煮使用,但如果使用高精密的燃燒控制,其熱能效率可能超過90%以上。另外,如果透過特定技術把生質物轉換為燃料,可大大提高能量密度、燃燒效率與降低汙染物的排放。

以目前已商業化及發展中的生質物轉換能源技術而言,可概分為「熱化學轉換技術」及「化學與生物轉換技術」兩大類。前者包括燃燒、乾燥與物理轉換、缺氧熱化學轉換,後者包括化學轉換(轉酯化)、木質纖維素降解產醣進而發酵產生醇類、生物產氫及甲烷氣等技術。

如果比較生質物與傳統化石燃料成分,可以了解在數億年大自然的作用下,化石燃料中多數的氧元素已被細菌或溫度所消耗,因此無論是煤炭、石油或天然氣,燃料中的氧碳比都較生質物低得多。多數生質物的轉換,目的都是降低氧含量及提高氫碳比,在應用於燃料時可提高燃料熱值及使用的穩定性。

生質物熱化學轉換技術

生質物轉換技術圖
▲生質物轉換技術圖
 
透過燃燒程序直接把生質物中可燃成分的化學能轉換為熱能,是生質能源主要的應用方式。工業界燃燒燃料產生熱能,透過水做為熱能媒介產生水蒸氣,進行供暖、乾燥、發電、滅菌等工業程序。直接應用生質物燃燒雖然簡單,但因生質物含水率偏高、尺寸不一、組成複雜等,使整體系統的熱電效率偏低,因此適當的前處理是應用生質物燃燒的必要選擇。

前處理程序包括破碎、乾燥、混合等,透過造粒程序移除不可或不適於燃燒的成分,並使生質燃料更均勻。造粒技術是指在一定壓力作用下,把原來鬆散、細碎、無定形的生質物原料,壓縮成密度較大的粒狀、棒狀、塊狀等各種成形燃料。產業化的生質物造粒程序,結合破碎、篩選、乾燥、調配、擠壓成形等方法,把原本成分複雜、含水率高及熱值較低的生質物或廢棄物,製成性質均勻穩定、含水率低及熱值高的固體燃料,具有易於儲運及燃燒的優點,達到同時有效回收資源與能源利用的效能。

焙燒技術主要在常壓、缺氧、約攝氏250~300度的中溫條件下(升溫速率小於每分鐘攝氏50度,反應時間30分鐘~3小時),去除水分及大部分揮發物質,以減少生質物體積、提升產品能源密度。生質物隨著溫度與時間的增加,依序釋放出水分、二氧化碳、一氧化碳、醋酸、甲醇、其他有機物、焦油、樹脂等,最終成為焙燒生質炭。

生質物經過焙燒處理後,半纖維素受到破壞,反應後約產生70‭ ‬wt %(重量百分比)的生質炭,其熱值約19~22‭ ‬MJ∕kg,占原生質物約90 % 的熱值。因此經過焙燒技術處理後,焙燒生質物的熱值、能量密度會提高,在含水率、生物可分解性、疏水性、可磨性等特性上都較未焙燒的生質物佳。

近年來,焙燒技術受到各國重視並積極發展的主要理由,在於它可把高水分、低能源密度的生質物,轉換為低水分、高能源密度的生質炭。生質炭除可大幅降低運輸成本外,因其物理和化學性質與煤炭相近,很可能進入大型火力發電廠,在粉煤鍋爐中與煤炭混燒。

生質廢棄物熱裂解是指在缺氧氣或有限氧氣、攝氏400~500度中溫條件下,藉由熱能把生質物中長鏈大分子的木質素、纖維素、半纖維素等的化學鍵切斷,解聚成較小分子的燃料物質(生質焦炭、可燃氣與生質油)的熱化學轉化方法。

裂解技術包括快速裂解、中速裂解及慢速裂解3種。快速裂解反應時間最短,約僅有數秒,生成產物以液體為主(大於50‭ ‬wt %,熱值約20‭ ‬MJ∕kg)。慢速裂解停留時間長達數小時至數十小時,主要產物以固體物為主,也稱為炭化反應。中速裂解反應則介於兩者之間,而使用何種裂解方式取決於所需的主要產物而定。除應用於能源外,裂解技術也應用於竹醋液、竹炭、煙燻烤肉醬等產品的製造。

快速裂解因為生質物在很短時間內受到大量熱能的斷鍵作用,因此生成的產物組成非常複雜,包括醇類、醛類、酸類、酚化物等有數百種之多,產生的油品可直接或經改質後應用於鍋爐或引擎中,以取代化石燃油。由於生質物裂解油根據油品品質、精煉程度的不同,較固體燃料有更多樣性的燃料應用方式,而且有儲存、輸送與能源密度較高的優點,是一種相當有吸引力的熱化學轉換技術。

氣化技術是指在高溫超過攝氏800度下進行非催化性的部分氧化反應,把含碳物質轉換成以氣態為主的燃料提供能源使用。一般生質廢棄物氣化程序的設計與操作,依最終產品產業應用方式而有所不同。經氣化反應所產生的可燃氣體主要包括一氧化碳、氫氣、甲烷等,可直接做為鍋爐與發電機組的燃料以產製水蒸氣及電力。

合成燃氣也可透過高壓觸媒反應器,進一步合成為各種化學品及燃料。以氣化合成氣製備生質燃料的主要技術是Fischer Tropsch(F - T)合成法,是用合成氣為原料,在鐵、鈷、鎳基等觸媒作用下,合成液態的碳氫化合物。經F - T技術轉換生質物所製備的「綠色柴油」或稱「第2代生質燃料」,具有不含硫化物及芳香烴類與附加價值高的優勢。

生質柴油主要是由動植物中的三酸甘油脂轉化而來,三酸甘油脂的共同結構是1個甘油分子接3個脂肪酸。透過加入醇類及觸媒進行化學轉酯化後生成甲基酯,就是俗稱的生質柴油,這技術目前已屬商業量產階段。生質柴油較一般傳統化石柴油熱值稍低,但因含有氧原子,對於完全燃燒更有幫助,可降低汙染排放。

目前全球運輸用生質燃料以生質柴油及生質酒精為主,生質柴油的料源依地區性作物不同而有不同,臺灣以廢食用油、美國以大豆、歐洲以油菜籽與向日葵籽、東南亞以油棕與棕櫚為主。近年來,發展第2代非糧食作物如痲瘋樹、第3代先進生質柴油技術如微藻產油等是科學家努力的方向。
 
生質物有機循環利用示意圖
▲生質物有機循環利用示意圖
 
生質有機物在氧氣不足的環境下,經由微生物的作用會進行厭氧消化反應,產生的氣體一般稱為沼氣。沼氣的主要成分是甲烷、二氧化碳、微量硫化氫等。

含水分較高的生質物如廚餘、牲畜糞肥及廢汙水、汙泥等,較適合採用厭氧發酵技術。此外,未經分類的垃圾若直接掩埋,經過長期微生物作用也會產生大量沼氣。沼氣可用於燃燒產生熱能、透過內燃機發電或應用於車輛燃料,也是生質能源重要的一環。

生質醇類以乙醇(酒精)為代表。生質酒精是一個古老技藝,透過微生物作用把生質物中的醣發酵為乙醇,就是市面上常見的酒。把酒精應用於車輛,必須使用酒精濃度大於99.5‭ ‬wt % 的無水酒精,主要是避免油箱與管路腐蝕、燃燒問題等。

第1代生質酒精燃料以含糖或澱粉的農作物為料源,如巴西的甘蔗、美國的玉米等,但大量使用的結果,引起了全球對於生質燃料與糧食間區隔議題的重視。

近年來,採用木質纖維素如玉米稈、稻稈、樹木等為原料,研發產製生質醇類(生質酒精、生質丁醇)的技術,受到各國相當的重視。簡單說,植物中包括木質素、纖維素與半纖維素,透過生物或化學降解後,可把半纖維素解聚為五碳醣、纖維素解聚為六碳醣、酚化物解聚為苯酚類單體,再分離出不同成分進行後續的應用。醣類可提供生物發酵生產乙醇、丁醇做為生質燃料,而醣類及木質素解聚後的產物更可以提供化學工業所需的原料。

各種生質物與生質燃料、生質原料產品。
▲各種生質物與生質燃料、生質原料產品。
 
自古以來,生質物一向是人類食、衣、住、行的主要來源。目前在發展生質化學品方面,主要以開發新的分子結構、高價值特用化學品,以及開發取代化石產品的大宗生質化學原料為主,如對二甲苯、乙烯、丙烯、乙醇、丁醇、醣等。透過前述生質物製作的基本石化工業原料,可能取代各項原先來自石油原料的各種高分子、塑膠、纖維、樹脂、橡膠、塗料等產品。

2013年3月,《生物基文摘》(BioBasedDigest)指出,目前日常生活中所使用來自生質物的產品,有潤滑油、油品添加劑、包裝材、家用清潔劑、生質燃料、保特瓶、地板與材料、保溫材、護膚美容保健產品等。

生質物的永續發展


在大自然環境裡,生質物透過陽光及自身特性,把環境中不同的分子如二氧化碳、水、養分等組合成長為自身結構。

在時代的進步下,科學家嘗試透過不同的物理、化學與生物程序,把複雜的生質物結構降解為特定的成分,做為工業原料與能源。相信在後化石世代裡,生質物將成為永續性的能源與化工原料的重要來源。

致謝:本文承蒙經濟部能源局委託執行「103年永續生質燃料關鍵技術研發」計畫(103‭ - ‬D0108),方能順完成,謹此致謝。

深度閱讀
  1. 萬皓鵬、李宏台(2010)廢棄物衍生燃料的使用,科學發展450,34 - 43。
  2. 萬皓鵬、張志強、李宏台(2010)生質物快速裂解產油技術,化工技術208,120 - 131。
  3. 萬皓鵬、李宏台(2011)生質物熱化學轉換技術,工程84,25 - 39。
 
來源 來源:
《科學發展》2014年5月,497期,52 ~ 59頁
原標題:生質物–後化石世代的重要能源與工業原料
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生質燃料(15)生質物(2)生質源(7)
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