生質能暨生質燃料技術 |
生質能( biomass energy 或 bio-energy ),係指利用生質物( biomass ),經轉換所獲得之可用能源,如電與熱。根據國際能源總署( International Energy Agency )的統計資料( IEA, 2003 )顯示,目前生質能為全球第四大能源,僅次於石油、煤及天然氣,供應了全球約 11% 的初級能源需求,同時也是目前最廣泛使用的一種再生能源,約佔世界所有再生能源應用的 80% 。 截至 2001 年止,生質能供應約佔世界所有再生能源利用的 80% ,依地區而分,其中亞洲(不含中國大陸)佔 34.2% ,非洲佔 23.9% ,中國大陸佔 20.5% ,經濟合作發展組織( OECD )會員國(含歐美澳日等 30 國)則佔 13% ( IEA, 2003 )。估計至 2050 年時,生質能將提供全世界將近 38% 的燃料需求及 17% 的電力供給,約為 206 EJ ( Hall, 1997 ) 。 |
一、國內外技術發展現況 |
( 一 ) 固態衍生燃料技術 |
固態廢棄物衍生燃料( RDF-5 )係將生質物/廢棄物經破碎、分選、乾燥、混合添加劑及成型等過程而製成錠型燃料,其主要特性為大小、熱值均勻(約為煤的三分之二)、易於運輸及儲存,在常溫下可儲存六至十二個月而不會腐化,因此十分便於利用,可將其直接應用於機械床式鍋爐,流體化床鍋爐及發電鍋爐等作為主要燃料或與煤炭混燒,目前已成為全球生質能技術的主要發展趨勢之一。 |
( 二 ) 富油脂藻類養殖 / 採收技術 |
油脂性微生物係指能夠在微生物細胞內,蓄積油脂質超過 20%(w/w) 生質體的微生物( Ratledge, 1989 )。應用微細藻體中油脂作為液態燃料的研究則首推美國能源部的燃料發展計畫室自 1978 年至 1996 年間長期資助由藻類衍生可再生性運輸燃料的計畫,即水生物種計畫 (Aquatic Species Program, ASP) ,主要在進行含高脂質藻類經大量培養後再轉製成生質柴油的研究,並探討利用藻類固定火力發電廠排放的廢二氧化碳氣體之效率。在將近二十年的研究計畫中,發展許多操控藻類成長的因素及其生長系統工程技術,可做為未來發展的參考 (Sheehan et al., 1998) 。 |
( 三 ) 陸生能源作物 ( 油酯類 / 醣類 / 澱粉類 ) 耕收技術 |
能源作物並無明確之定義,一般而言係指能快速生長、易於栽培與採收、高單位面積產量、且容易轉化為發電燃料與運輸用燃料之植物。農作物中所含的許多成分都可以開發成為生物能源,其中用量最多、用途最廣的有油脂、糖、澱粉、蛋白質、纖維等。目前國際間以農產品做為可再生原料方面,最突出的領域當屬能源作物(或稱為生質作物),其範圍廣、數量大、效益顯著。全世界對於種植能源作物作為能源燃料的發展,已有相當長的時間,主要的能源作物包括下列三大類,即澱粉及糖類作物、油脂作物與生產類似石油脂碳氫化合物植物。 |
( 四 ) 木質纖維素衍生酒精燃料技術 |
為了降低溫室氣體排放,酒精被視為有潛力取代汽油的運輸燃料,為求商業化,生產成本必須降低俾能和化石燃料競爭。利用含糖和澱粉的原料 ( 例如甘蔗和玉米 ) ,原料成本約佔酒精生產成本的 40-70% ( et al., 2002) ;木質纖維素 (lignocellulose) 是地球上數量最多最豐富的生質物,若能將酒精醱酵技術擴展到利用木質纖維素做為原料,將能降低酒精生產成本和增加燃料酒精的使用。 利用纖維素生產酒精主要可分為成四個階段,包括前處理 (pretrementment) ,即將纖維素和半纖維素從與木質素結合的複合物中釋放,使其容易進行下一步驟的化學或生物處理;第二階段係將纖維素和半纖維素 降解 (degeneration) 或水解 (hydrolysis) 以獲得各類單糖 (free sugars) ;第三階段則是 將六碳糖和五碳糖的混合物醱酵產生酒精;最後為產品的回收與蒸餾。 |
( 五 ) 厭氧醱酵/光合作用產氫技術 |
生物產氫法使用的微生物包括藻類和光合細菌在內的光合微生物,以及兼性厭氧和絕對厭氧的醱酵產氫細菌。目前生物法產氫技術主要分為三類,包括暗醱酵法、光醱酵法與光合作用法 (Das and Veziroglu, 2001) 。光合作用產氫是以藻類或藍綠藻藉由光能進行之生物光解作用而產生氫氣,因此不具有降解環境中有機物的功能。光醱酵與暗醱酵則是以有機物為電子提供者,經由醱酵作用將有機質分解,伴隨產生的部份電子則藉由特定之電子傳遞系統與產氫酵素,將電子傳遞給水體中的質子 (H + ) 而產生氫氣。光合作用產氫之效率較差,且需要較大的操作面積,故不適用於地狹人稠的台灣;醱酵產氫法可分解污染物同時產生氫氣,因此較適合台灣發展 ( 陳俊廷等, 2005) 。暗醱酵產氫比光合作用和光醱酵產氫之代謝速率快,操作條件要求也較低;光合產氫研究雖多並已取得一定成果,但暗醱酵產氫是生物法中最具潛能技術者 ( 吳石乙等, 2004) 。 |
( 六 ) 生質柴油製造技術 |
依我國石油管理法第 38 條的規定,生質柴油( bio-diesel )係指以動植物油或廢食用油脂,經轉化技術後所產生之酯類,直接使用或混合市售柴油使用作為燃料者。 100% 純生質柴油稱之為 B100 , 20 vol% 生質柴油混合 80 vol% 市售柴油的燃料稱之為 B20 ,其製作的方式主要有四種,分別為直接混合使用( direst use and blending )、微細乳化( microemulsions )、熱分解( thermal cracking )和轉酯化反應( transesterification ),目前一般所使用的生產方式為利用轉酯化反應。 |
( 七 ) 厭氧發酵產製甲烷技術 |
利用厭氧微生物分解有機物以產生甲烷(即沼氣)已是習知的觀念,早在二次世界大戰期間就已有利用甲烷作為汽車燃料的實例。厭氧醱酵產製甲烷之反應可分為三個階段,並由三大類細菌負責完成代謝途徑,包括水解菌、酸生成菌以及甲烷菌。第一階段由水解菌利用胞外酵素將複雜有機物分解成醣類、胺基酸等物質,並於第二階段將上一階段的產物經由酸生成菌作用後,轉變成各種分子較小且構造簡單的物質,如揮發酸、酮類和醛類等物質。第三階段為甲烷生成階段。在此階段中,甲烷生成菌將第二階段的產物轉化成甲烷及二氧化碳。 |
( 八 ) 生物燃料電池 |
生物燃料電池( bio-fuel cell )是一種利用生物觸媒將化學能轉化成電能的裝置,其主要優點包括可由再生資源生產潔淨的能源;電力來源系統小而輕;不需要貴重金屬觸媒成本,可能比傳統燃料電池便宜;可不需分離膜分隔陰極和陽極,設計可較簡單;生物燃料電池的燃料較安全且容易取得 (Katz et al., 2003) 。 |
( 九 ) 裂解 技術( pyrolysis ) |
裂解技術係 指由生質物/廢棄物所衍生製成的液態燃料,其可由固態衍生燃 料或廢棄物直接經無氧熱裂解( thermal pyrolysis )等進一步製造程序產生,其程序又稱之為液化( liquefaction )。若經適當的純化過程,其熱值可有效的提昇,增加其利用的便利性。新近發展的快速裂解( fast pyrolysis )技術則係在高溫、缺氧狀態下,快速加熱廢棄物,並快速冷凝其所產生的氣體,以獲得合成燃油,且其產品非僅限於能源產品,如可生產高附加價值的特用化學品。快速裂解的主要操作溫度略高於傳統裂解方法,約在 450 o C 至 600 o C 之間,停滯時間則小於一秒,由於快速升溫、迅速冷卻,避免二次裂解( cracking ),因此可獲取最大液體產量,約達 75% 左右,另伴隨約 15% 的產氣及約 10% 的焦碳;而「最大液體產量」即可作為快速裂解的定義( Bridgwater, 1999 )。 |
( 十 ) 氣化 技術( gasification ) |
氣化技術係指由生質物/廢棄物所衍生製成的氣態燃料,一般以氣化 ( gasification ) 程序為其利用之技術。 氣化程序屬熱化學轉換反應,係在高溫下進行非催化性的部分氧化反應,將含碳物質(如生質物/廢棄物或煤炭等)轉換成以氣態燃料為主,可供利用的能源。經氣化反應所產生之可燃氣體主要包括一氧化碳、氫氣、甲烷等,可直接作為鍋爐與發電機組之燃料,供應所需之蒸汽及電力(吳耿東、李宏台, 2001 );另亦有部分燃料油、焦碳、焦油、灰份等產物,可供作其他用途,如特用化學品等;此外,氣化所生產的燃氣,亦可轉化為甲醇,配合燃料電池之使用。 |
二、國內外發展競爭力分析 (SWOT) |
上述各項技術之 SWOT 分析茲綜合整理 如表 3-1-4 -1 所 示。 |
表 3-1-4 -1 生質能技術 SWOT 分析 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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三、國內外技術發展指標比較 |
有關上述各生質能技術在國內外的技術發展指標之比較整理列於 表 3-1-4 -2 中。 |
表 3-1-4 -2 生質能技術國內外的技術發展指標之比較 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
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四 . 國內推廣應用效益評估 |
表 3-1-4 -3 為 我國現階段生質能應用現況(工研院, 2005a ),由表中可知, 2004 年國內廢棄物能源利用的發電裝置容量共達約 56 萬瓩,熱利用總裝置容量約達 0.434 MKLOE ,兩者能源產出占全國再生能源供應絕大比例。而 要達到 2010 年生質能發電與熱利用的目標,針對發電裝置容而言,並初估現有可規劃之生質能潛力,可朝擴大 RDF-5 推廣成效、擴大生質能料源、建立中小型生質能源系統以及建立生質柴油與產氫示範系統的方向努力,俾能達到規劃目標。 (工研院, 2005c ) |
表 3-1-4 -3 我國現階段生質能應用現況( 2004 年)(工研院, 2005a ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(a) 發電利用 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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(b) 熱利用 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
工業廢棄物 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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(c) 生質柴油 | |||||||||||||||||
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若建立廢食用油前處理及預酯化系統,提高廢食用油轉化生質柴油之利用率達 85% 以上,將可提高生產效率及降低生產成本,並推動以化學轉化製程產製生質柴油的生產容量達 1.5 萬公秉。另結合生物技術與發酵技術應用於產業廢水能源化回收,同時解決產業能源與環保問題,可協助產業廢水處理技術升級為廢棄能源回收利用技術,估計 10% 的氫轉化能力,具 26 M W 的產業廢水能源化潛力。 |
五、國內未來重點技術推動策略與發展時程 |
雖然上述針對生質能主要之十項技術進行相關分析,但因多元化的生質能技術,其主要特性乃非單一產品,非單一技術,非單一料源,因此國內未來重點技術之推動策略與發展時程宜由應用面進行技術之 篩選分析,而非直接針對每項技術訂定發展時程。 |
表 3-1-4 -4 國內運輸用生質燃料技術之 發展時程 |
表 3-1-4 -5 國內定置型生質能發電及熱利用技術之 發展時程 |
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