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2011 年 02 月 12 日 / ctkuo

生質能源概論 (六) ─ 生質酒精

作者:郭致廷 / 編輯:楊卓儒

液態生質能源,或是稱為生質燃料(Biofuel),泛指經由生物或化學方法轉化生物質 (Biomass)而取得之液態燃料。目前最廣泛被使用的種類為生質酒精與生質柴油。這兩種燃料主要使用於交通運輸,相較於傳統石油,具有低溫室氣體排放與低爆震等優點。本篇概論將介紹生質酒精的製程與利用情形。



生質酒精可直接與石化汽油混合,在低濃度(<15%)混合的情況下,一般車輛無須修改引擎即可直接使用,例如美國目前普遍使用參雜10%生質酒精的混合汽油,這種混合汽油稱為e10汽油,(e代表酒精,10代表酒精與汽油混合比例)。此外,ford、chrysler、toyota等汽車公司也推出了複合燃料車
(Flexible Fuel Vehicle),可自動偵測酒精與汽油混合比例,自行調整引擎內油料噴射系數與點火時間,因此可任意使用不同混合比例的酒精汽油。美國部份加油站有提供 高酒精混合比例的E85汽油讓民眾選擇。巴西自1970年代開始發展酒精汽油,至今全國加油站提供E22與E93酒精汽油,是目前世界上唯一不再使用純汽 油的國家。台灣自2007年開始推動公務車使用E3汽油,至2009年在台北高雄共13個加油站提供E3,將依實際使用情形評估是否在台灣全面推行。

車廠紛紛推出複合燃料車以使用高混合比例酒精汽油圖片來源



生質酒精的製成需仰賴酵母菌經發酵過程將原料中的醣分解為酒精,接下來透過蒸餾法將水份與酒精分離,製成高濃度的無水酒精。生質酒精根據原料的不同可再細分為醣類酒精、澱粉酒精與纖維酒精三種。

A. 醣類酒精:醣類酒精的原料為蔗糖、甜高粱或是甜菜等富含糖分的作物。將糖份自作物中榨取之後,便可經發酵處理製成酒精。巴西目前就是以蔗糖作為生質酒精的主要原料。

B. 澱粉酒精:澱粉酒精的原料為玉米、木薯、甘薯或是稻米之類的高澱粉含量作物。澱粉為多醣分子,而酵母菌轉換多醣的能力較差,因此製作澱粉酒精的過程需額外增加水解步驟,將多醣分解為單醣分子,再行發酵作用製成酒精。美國大部份生質酒精都是由玉米製成,而台灣的台糖公司則是計畫推廣增種甘蔗面積並利用休耕地種植甘薯以取得足夠的原料供應台灣的酒精用量。

木質纖維素結構,圖中顯示纖維素、半纖維素與木質素互相纏繞,形成堅固結構 圖片來源 http://www.scidacreview.org/0905/html/biofuel.html



C. 纖維酒精:纖維酒精的原料為木質纖維素,存在於各種草本與木本植物中,因此原料不再局限於糖類或是澱粉等糧食作物,可以選擇生長期長或是適應力強的植物作為能源作物。同時可將各種農業廢棄物如稻米桿、蔗渣與林木廢棄物轉化為酒精,一來避免了處理廢棄物的花費,二來取代汽油減少污染,三來不需與糧食競爭土地,是目前生質酒精熱門研究項目。木質纖維素由纖維素 (Cellulose)、半纖維素(Hemicellulose) 與木質素 (Lignin)共同組成,不同結構互相纏繞因此結構非常堅固。需事先以物理或化學方式破壞外層細胞壁與木質纖維結構才能有效進行酵素水解,將纖維素與半纖維素分解為單醣類以供酵母菌製作酒精。

目前纖維酒精的問題即為前處理成本高昂,美國能源部預估製造每公升纖維酒精成本約 0.3-0.58美元(9.07-17.4新台幣),若再加上原料價錢則仍難以與石化燃料競爭。因此眾多科學家投入前處理的研究以期研發出更低價的製程。 整體而言,生質酒精是少數可以取代石油的液體燃料,相較於氣體燃料與固體燃料,具有易於儲藏、運送的優點 ; 二氧化碳排放量較石化汽油少20%以上; 處理農業廢棄物避免野外焚燒的污染; 種植能源作物可以活化休耕地,增加農村工作機會。

然而目前生質酒精也有缺點,例如酒精吸水性強,若酒精汽油混合比例過高,有可能造成車內管線腐蝕; 另一缺點為酒精燃燒熱值相對低於石化汽油,變相造成油耗增加。為因應這兩點缺點,部份生質酒精公司開始研發生質丁醇。生質丁醇具有接近石化汽油的燃燒熱值與較不易吸水的特點而受到關注,然而丁醇轉化製程較生質酒精複雜且產率較低,大部份業界公司仍處於研發階段。儘管如此,為因應國際油價攀升與存量減少,研發生質酒精與生質丁醇以取代石化燃料是勢在必行之舉。

相關文章:
生質能源概論(一) ─ 石化能源的危機
生質能源概論(二) ─ 替代能源的興起
生質能源概論(三) ─ 生質能源的使用型態
生質能源概論(四) ─ 固態廢棄物衍生燃料RDF-5
生質能源概論(五) ─ 沼氣與合成氣
生質能源概論(七) ─ 生質柴油
生質能源概論(八) ─ 結語

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