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21世紀能源革命 –生質能

生質物是地球上最大的資源之一,如何在經濟可行與地球永續經營的前提下發展生質能源,逐步取代化石能源,是本世紀科學家重要的使命。
 
 
 
生質物與生質能

18世紀末第一次工業革命時,人類開始使用煤與蒸氣機,以機器代替人力,帶動機械化產業的發展。20世紀初,石油、煤、天然氣等化石燃料成為全球產業發展最主要的能源,並開啟了大量生產的全球化時代,這是第二次工業革命。然而,大量化石燃料的使用不但導致石油資源日漸枯竭與能源危機,所排放的二氧化碳也造成全球暖化、氣候變遷等溫室效應現象日益嚴重。因此,把能源型態逐步由化石燃料轉向再生能源已成為本世紀重要的能源議題,也可視為第三次工業革命的開端。

生質物涵蓋所有生存在地球上的微生物、植物、動物及其排泄物,由於分布範圍廣而儲藏量大,具有發展再生能源的優勢。生質能便是把生質物中的化學能轉換為電能、熱能、機械能等能源型態使用。它的原理是生質物利用太陽能把空氣中的二氧化碳吸收利用,並以化學能的方式儲存在生物體內,經由生質能工廠轉換成能源使用,最後再以二氧化碳的形式排放到大氣中。因此,使用生質能可視為一個封閉式的碳循環,即總體能源轉換達到零碳排,這是一種兼顧環保與永續經營的能源型態。

生質燃料的來源

生質物從原物料的角度可分為4代。第1代是糧食作物,包含醣質作物如甘蔗、甜菜、甜高粱,澱粉作物如玉米、小麥、高粱、稻米、樹薯,以及油脂作物如油菜籽、黃豆、向日葵、棕櫚、椰子、花生等。醣質作物可直接壓榨後取得糖液,澱粉作物則需經澱粉酶水解得到糖液,再於糖液中加入酵母菌發酵而獲得生質酒精。油脂作物主要是利用其種子富含油脂,壓榨種子後取得植物性油脂,利用醇酯交換反應製成生質柴油。

各國依其農業特色各自發展生質燃料,例如美國主推玉米酒精,巴西是甘蔗酒精,兩國的生質酒精就占全球總產能的85%左右。歐洲主推油菜籽的生質柴油,約占全球總產能50%左右。東南亞國家如印尼、馬來西亞、菲律賓則發展以棕櫚油、椰子油為主的生質柴油。

2000年開始,各國對生質燃料的需求大幅提升,加上世界人口快速增加與新興國家的經濟急速發展,使糧食作物的需求大幅增加,價格因而飆漲。為了增加糧食作物的耕種面積,連帶造成森林的砍伐。因此,第1代的生質燃料一直在與民爭糧、對環境減碳的實際效益等議題上飽受爭議。

第2代是非糧食作物,主要是以木質纖維素為主的農林廢棄物,如稻稈、麥稈、玉米梗、甘蔗渣、廢木屑等,而非食用的油脂作物如痲瘋樹、蓖麻、動物油脂、廢食用油,以及事業廢棄物如廢紙、廢木頭家具、都市垃圾也屬於這一類。目前主流技術是先把纖維素分解為糖液,再進一步發酵成纖維酒精,而非食用的油脂作物仍是轉化成生質柴油。

第3代料源以微藻為主。微藻是低階的單細胞植物,由醣類、脂質、蛋白質與纖維素組成,其中的醣類、纖維素可轉化成生質酒精,脂質可製成生質柴油。微藻的優勢在於容易養殖,生長速率快,需要的土地面積較小,是陸生植物無法比擬的。此外,微藻的含碳量超過50%,意味著微藻生長時可以吸收大量的二氧化碳。部分微藻的油脂含量可達50%以上,單位面積的油脂產量是大豆的180倍以上。因此,微藻被視為下世代的生質料源。

第4代則是不需料源,以基因重組的細菌直接利用空氣中的二氧化碳轉換成燃料,惟這類技術仍屬研究階段。

生質能的應用與優勢

生質能的使用型態可分成三大類。第1類是直接把生質物乾燥所得的顆粒燃料或生質煤等固態生質燃料,第2類是以微生物代謝分解所得的沼氣、氫氣等氣態生質燃料,第3類則是以生物發酵或化工製程所生產取得的液態生質燃料。前兩類主要藉由燃燒獲得生質電力與熱能,可供固定式的發電系統與工業熱電使用,第3類主要供運輸工具使用,如生質柴油與酒精汽油。

由生質能的使用型態可發現,生質能的優勢除了生質物的分布範圍廣、儲藏量大外,更可以與當今所有的化石燃料系統相容,在不需大規模更改基礎設施下,可立即提供穩定的能源輸出,彌補其他再生能源如太陽能、風能等輸出不穩定的缺點,大幅降低再生能源電廠發生斷電危機的機率。因此,目前生質能的應用已是僅次於石油、煤、天然氣的第4大能源,供應全球約10%的初級能源需求,是現今使用最廣的再生能源之一。

生質燃料的發展趨勢

全球生質燃料的發展主要受各國政策主導,目前仍以生質柴油與生質酒精為主要商品。2012年,全球生質柴油的產量是2,250萬公秉,生質酒精是8,310萬公秉。根據經濟合作暨發展組織的預測,到2022年,全球生質柴油的需求量會達4,062萬公秉,生質酒精更高達16,729萬公秉,即10年後需求量將達到倍數成長。

歐盟於2009年的再生能源指令中提到:2017年開始,在歐盟境內使用的生質燃料,其排碳量須比傳統化石燃料減少50%以上,到2018年減碳效益更需提高到60%以上。美國也在2010年修正可再生燃料標準,2013年以後新增加的生質燃料產能的減碳效益須達到50%以上。由此可見,生質燃料的發展除了需求量的增加外,也開始導入碳足跡的概念,要求生質燃料商品的減碳效益須循序漸進地提升。

生質燃料的製程技術

生質能技術開發有物理法、熱化學法與生物法,以下簡單介紹:

廢棄物衍生燃料技術是以廢棄物為料源,包括都市垃圾、一般事業廢棄物、農業廢棄物等,利用物理或熱化學方法轉換為燃料性質均一的技術。例如,利用破碎、乾燥、分選、造粒等物理製程把生質物轉換成小顆粒,其產品稱為第5類廢棄物衍生燃料。若以低溫製程技術(攝氏200~300度)把生質物中的水與易揮發的物質移除(焙燒法),則可生成品質較佳的生質煤碳。這兩種固態生質燃料方便在鍋爐中燃燒並產生電或熱,因此可取代傳統的化石煤炭。

生質沼氣技術以厭氧發酵為主,料源以含水量較高的廢棄物為多。例如,動物糞便、下水道汙泥、汙水處理廠、垃圾掩埋廠等產生的生質沼氣,可經由簡單的純化程序獲得品質較佳的生質甲烷,因其組成與石化天然氣相近,可做為天然氣的生質替代能源。

生質酒精技術可使用第1至第3代的生質料源,首先把生質料源轉換成糖液,再以酵母菌發酵就可獲得生質酒精。這與傳統的釀酒技術相似,但須把酒精純化到99.5%以上才可做為燃料使用。目前生質酒精技術的研發主軸,一是如何經濟有效地把纖維素料源轉換成糖液,其中糖液的組成包含葡萄糖、木糖、甘露糖、果糖等,二是尋找可以利用所有糖液且產率較高的新菌種,因為傳統的酵母菌比較喜歡葡萄糖,其他醣類則無法充分利用。

生質丁醇是另一種極具潛力的汽油替代燃料,其製程技術與生質酒精相似,唯一差別是發酵菌種不同。二者相較,前者優勢在於與汽油的性質較近,吸水性低,因此適用石油管線輸送,車輛不需修改零件就可添加使用,且因熱值較高,相同體積下有較長的行駛距離。但製程技術尚未成熟,且生產成本高。

生質柴油製程技術是利用動物性脂肪如豬油、牛油,植物性油脂如黃豆油、菜籽油,或廢棄油脂如廢棄棕櫚油、廢棄食用油做為料源,經由與甲醇反應生成脂肪酸甲酯,即所謂的生質柴油。然而,生質柴油的化學結構中含有氧分子與不飽和雙鍵,因此油品穩定性差、十六烷值低,不利於在柴油引擎中使用。

綠色柴油是目前科學家致力於產業化的柴油引擎替代燃料,使用的生質料源與生質柴油相同,但製程技術是藉由通入氫氣反應來移除生質料源中的氧分子,最終可獲得與化石柴油幾乎一致的生質燃料。雖然綠色柴油技術已逐漸成熟,但氫氣反應的技術門檻與投資成本較高,現今僅對石油精煉工廠較有利。

目前生質航空燃油的主流製程技術是以油脂作物為料源。首先,使生質料源與氫氣反應轉換成綠色柴油,再進行裂解反應與異構化反應後就可獲得生質航空燃油。裂解反應是把較長碳數(14~18)的綠色柴油切成較短的碳數(12~16),異構化反應則是把直鏈結構轉換成有支鏈結構的油料,因其立體障礙可減少分子間的凡德瓦爾作用力,而可大幅降低油料的凝固點(小於攝氏零下47度),也才能適合高空飛行的飛機使用。

生質燃料油製程技術是指在中等溫度範圍(攝氏450~600度)下,以熱裂解方式把生質物轉換成50~70%的生質裂解油、15~20%的生質焦炭與15~30%的生質裂解氣體。生質裂解油含有約20~30%的水、有機酸、碳水化合物、木質素等有機物,熱值較低,油品呈水溶性與酸性。因此,須修改整套鍋爐發電系統,或先把生質裂解油改質成與化石燃料油性質相近,才能應用於現有的鍋爐系統。

生質合成油製程技術是在攝氏800度以上的高溫,以氣化方式把生質物先轉換成小分子的生質合成氣(氫氣與一氧化碳),再經觸媒催化反應組合成大分子的生質合成油—汽油、柴油、航空燃油。其中,氣化技術已成功應用於把化石煤炭轉化為燃料的商業製程上,目前的技術瓶頸則是如何以生質物取代化石煤炭,進行高純度生質合成氣的生產。

前景可期

隨著人類生活品質提升,環保意識抬頭,生質能源技術發展再度獲得重視,各種生產技術也一一出現,並進行工程驗證,試圖尋找出經濟可行且能永續發展的生質替代能源。

目前,國際上已逐漸凝聚共識,美國、大陸等能源消費大國也提出減少溫室氣體排放的承諾,生質能發展與應用必能成為本世紀能源革命的重要指標。

附錄

生質物利用太陽能把空氣中的二氧化碳吸收利用,並以化學能的方式儲存在生物體內,經由生質能工廠把它轉換成能源使用,最後再以二氧化碳的形式排放到大氣中。因此,生質燃料燃燒時,二氧化碳的排放量可視為零。

產品碳足跡是指產品從原物料的開採、製造、組裝、運輸,一直到最終使用及廢棄處理或回收時所產生的溫室氣體排放總量。以化石柴油為例,從原油開採、工廠製造、輸送至加油站,到車子使用後所有溫室氣體排放總量是每公秉2.70噸二氧化碳。生質燃料商品碳足跡則是從生質料源耕作、採收到生產製造時所有溫室氣體排放總量,其燃燒時二氧化碳排放量可視為零,並不列入計算。
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