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2011 年 03 月 11 日 / ctkuo

生質能源概論 (七) ─ 生質柴油

作者:郭致廷 / 編輯:楊卓儒

圖一 向日葵田,葵花油也是生質柴油的原料之一
在前篇介紹了生質酒精之後,本篇將介紹生質柴油的起源、製程與利用情形。在進入主題之前,先為讀者介紹傳統石化柴油與汽油的不同之處。大體而言,柴油與汽油都是由石油原油經由分餾法所得之產物。利用各物質沸點不同,將原油加熱成為蒸汽後導至分餾塔中進行冷凝,柴油沸點較汽油高,因此在較高溫度即可冷凝成為液體,汽油沸點低,需要在接近塔頂的部份進行收集。汽油與柴油都是烴類(碳氫化合物)混合物的通稱,然而差別在於汽油所含烴類碳鏈長度在C4~C12之間,柴油所含烴類碳鏈長度在C10~C22之間。碳鏈長度的差異,造成柴油相對於汽油擁有較高燃燒熱值 (柴油燃燒熱為 37.3 MJ/L,汽油燃燒熱為34.2 MJ/L)、較低燃點與較高的黏稠度等特點。同時這些不同也反應在汽油引擎與柴油引擎設計之中。從引擎點火方式來說,柴油引擎不像汽油引擎使用火星塞點火,而直接採用壓縮點火,引擎承受較大壓力,因此柴油引擎通常較汽油引擎更為笨重。然而也因為較高的壓縮比,使得柴油引擎具有較高的熱效率 (柴油引擎 35-50%, 汽油引擎 25- 30%) 而油耗較低。在引擎性能方面,柴油引擎具有高扭力、低污染的優點。缺點則是在低速運轉時,柴油車通常會有較大的爆震,然而隨著柴油引擎的改進,這種狀況已有顯著的改善。

所謂的生質柴油即是以取代石化柴油為目標的替代能源,利用化學轉酯化技術將植物或是動物油脂轉化為物理及化學性質都與烴類化合物相當類似的脂肪酸酯,產物可直接使用於柴油引擎。與石化柴油低濃度混合 (B5) 的情況下則可作為引擎潤滑劑。B100純生質柴油的熱值約為石化柴油的八至九成,實驗證明生質柴油對減輕環境污染有顯著的幫助,舉例而言,B20雖燃會增加2%氮排放,但可減少 12%微粒、20%碳氫化合物、12%一氧化碳排放量以及近乎零硫化物排放。生質柴油的料源種類廣泛,舉凡向日葵油、花生油、大豆油、椰子油、棕櫚油等植物油或是油炸過後的廢食用油都可作為生質柴油的原料。之前有提過美國公司結盟進行全國性廢食用油回收的例子,既可處理廢棄食用油的問題,又可製造生質柴油。台灣方面則有新日化、鴻潔能源等生質柴油煉製廠回收廢食用油以提鍊生質柴油,惟因台灣廢食用油回收通路尚未完善,仍須由東南亞一帶進口棕櫚油作為原料以供應國內需求。

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另一部份專家則主張開闢“綠色油田“,利用休耕地來種植能源作物,一方面刺激農業發展,一方面減輕油品進口仰賴度。然而台灣可耕地面積有限,為了能有效運用土地,需仔細評估不同能源作物的單位面積產量。表一為種植能源作物每公畝地一年所能收集的油量。如表中所示,第一代能源作物(玉米、大豆)除了與民爭糧之外,實際產油量也難具有競爭力。第二代能源作物如痲瘋樹、棕櫚樹則易於種植,可在較貧脊土地上種植,並可連年結果,一年中產量較平均,產油量大於第一代能源作物,是目前生質柴油主要原料。另外,為了將海藻與一般陸生植物做區隔,因而將之歸類第三代能源作物。藻類生質燃料目前仍屬於發展中技術,具有極高產油量以及不與農爭地的優點,然而養殖與收穫成本過高,形成商業化的阻礙。但是隨著越來越多的研究計畫投入,筆者認為在未來十年中可望成為主要原料。

生質柴油的製作過程其實並不算困難,硬體要求也不高,甚至在網路上很容易就可以找到教你在家DIY動手做生質柴油的影片。譬如下面這部影片就是由Make Magazine所製作的生質柴油製作教學:

簡單來說,轉酯化的目的是要讓油脂中的三酸甘油酯與醇類在鹼性環境中反應,分解為三條碳鏈(脂肪酸酯)與甘油,其中脂肪酸酯就是我們要的生質柴油。在分離甘油與生質柴油之後,利用蒸餾水將生質柴油中的皂類去除,即可得到純化後的生質柴油。

業界生質柴油純化廠所擁有的關鍵技術即是催化劑的調配比例,催化劑的配方可以消耗最少催化劑而得到最佳的生質柴油轉化效率。若是要以廢食用油作為轉化原料,需注意廢食用油中的游離脂肪酸含量,在鹼性轉酯化中,游離脂肪酸的存在會明顯影響生質柴油產量,須先經過酸反應處理。除此之外,許多學者也在研究利用超臨界甲醇進行轉酯化進而省略添加催化劑的步驟,但目前仍須克服成本過高的問題。目前生質柴油的全球產量由2001年的 962,690 公秉 (kiloliter) 增加至 2010年的 19.95 百萬公秉 (billion liter)。全球前五大生產國依序為:德國、美國(17.7%)、法國、阿根廷、巴西,共佔68.4%。亞太地區主要生產國為:澳洲、中國、印度。台灣也自 2006年開始推動綠色公務車計畫,指定部份公務車使用 B20 生質柴油,2009年全面推動 B1生質柴油,推估產量約 45,000公秉。到了2011年則預計推動全面B2生質柴油,預計產量為100,000公秉。隨著國際油價上漲以及家用柴油車的推行,生質柴油的需求必定會繼續提高,不難想見在近期的未來中,生質柴油的重要性會愈加提升。

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(六) ─ 生質酒精
生質能源概論(八) ─ 結語

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6 則迴響

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  1. 黑仔 / 十月 25 2012 02:41:58

    不好意思,小弟有個問題想請問版主,表一的"介花"是"油菜籽"嗎??還是不一樣的東西,懇請回答,謝謝!

    • ctkuo / 十月 26 2012 23:39:29

      是一樣的!

  2. 林樂 / 一月 29 2015 16:05:18

    你好,關於此頁圖表(表一. 能源作物產油量比較)中的單位(公升/公畝)是否有誤?
    是否應為(L/ha)=(公升/公頃)?

    • ctkuo / 一月 29 2015 19:26:43

      您好,感謝指正!的確是公頃而不是公畝。

  3. 李洋銨 / 六月 11 2016 11:21:07

    您好,請問海藻的產油量是怎麼計算得出的呢?

    • ctkuo / 六月 11 2016 22:18:24

      您好,表格內容是根據Chisti, 2007 (http://www.massey.ac.nz/~ychisti/Biodiesel.pdf)而製
      他的計算方式是以他們的光反應器養藻實驗數據計算:
      48.22 g/m2-d x 10000 (m2/hectare) x 365 (day/year) x 0.001 (kg/g) x 0.3 (g/g 含油量) / 0.9 (L/kg)= 58667 L/hectare

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