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2011 年 06 月 20 日 / ctkuo

藻類生質能源(一)序論

作者:郭致廷 / 編輯:歐陽孚、楊卓儒

生質能源概論(七)裡,我們曾提起藻類將會是未來生質能源的主要原料。其原因主要因為以下三點:

1. 藻類生長速度快,產量遠高於陸生植物
2. 不需與民爭糧、與糧爭地
3. 高經濟價值產品如DHA、EPA等脂肪酸可於產油的同時一併提鍊

在這個系列文章裡,我們將為讀者更進一步的介紹什麼是藻類、藻類生質能源相關的研究以及目前產業發展與瓶頸。希望能讓讀者對藻類生質能源有更清晰的概念與瞭解。

在墨西哥的直立式藻類農場
圖片來源:Valcent Product Inc.

究竟藻類是什麼呢?簡單地說,藻類其實可視作構造簡單的植物,可以行光合作用卻又不具根莖葉等構造。它的種類繁多、分佈廣泛,可以在海洋、河川甚至陸地都可以發現藻類的身影。依照生長環境可將藻類分為海水藻(海藻)或是淡水藻。而依照大小又可分為巨藻(大型藻類)以及微藻。巨藻指的是肉眼可見的藻類,例如生活中常見的紫菜、海帶其實都是巨藻的一種,而微藻則指需利用顯微鏡才能清楚觀察的藻類。值得一提的是,雖然藻類體型與陸生植物相比之下顯得相當微小,然而藻類卻供應了世界上超過80%的氧氣,要是少了這些藻類,大氣層中的二氧化碳將會提高三倍以上。

我們常說的藻類生質燃油,主要使用的藻種為單細胞微藻,因為它的構造簡單,不需發展根、莖、葉等植物器官,因此生長快速,具有高產量的優點。並且不同微藻所含有的營養成份各有不同, 可應用於多方面不同產業,例如生質燃料、食品、飼料或是萃取高價值化合物。除此之外,因微藻行光合作用時需要吸收二氧化碳以及氮、磷…等化合物,近年來也開始將藻類培養視為環境控制的方式之一,例如以微藻吸收工廠或發電廠排放的二氧化碳,或是像之前提過Algaewheel以微藻養殖池取代傳統廢水處理廠中的除氮步驟。這些例子都一再強調了微藻養殖的潛力。

事實上,微藻養殖並非新興產業,早在1960年代,歐洲就已經有科學家提出藻類養殖的方式,1980年代美國能源部(DOE) 開始了一項藻類大型計畫:Aquatic Specie Program,計畫目的著重於篩選高含油量藻種、發展開放式養殖技術以及評估花費。 1988年在美國科羅拉多州(Colorado)的太陽能研究室就嘗試以直徑20公尺的池子培養微藻,一年生產了4公噸的藻體並製成300多公升的燃油。然而此方法所產生的燃油成本遠高於當時油價(當年原油價格約為每桶20美元,然而目前(2011年6月)卻飆升至每桶110美元),1996年時當局判斷藻類燃油無法與石油競爭因此中止了計畫。直到近年人們意識到能源危機、油價飆漲 ,才又開始尋找合適的替代能源,藻類培養方能重獲大眾重視。

目前藻類培養方法可大致分為兩類:開放式培養與密閉式光反應器 。開放式培養系統通常是利用室外水池或水道作為養殖場地,部份養殖場地在水面上會覆蓋透明帆布以隔離外來微生物污染。開放式培養池的建造費用遠比密閉式光反應器低,然而因為較難控制溫度及二氧化碳濃度等環境因子,藻體產量不及密閉式反應器。除此之外,縱使覆蓋了透明帆布,外來微生物如輪蟲仍有可能侵入養殖池,造成藻體大量減少 。與之相對,密閉式光反應器可以妥善控制環境因子,提供最佳藻類生長環境,然而昂貴的造價與操作費用,使其培養出的藻類成本居高不下,難以應用於生質燃料。而藻類生質燃料至今仍未商業化的另一困難之處如生物精煉概述(三)中所提,難以將藻類從水中分離。縱使是高濃度藻液,其固體成份僅約 1% ,這意味著仍有 99%的水分需去除。若利用傳統加熱烘乾或是離心法除水,投入的能源消耗恐怕大於能源產出。因此開發新的養殖或收集技術是推動生質燃料產業化勢在必行之舉。

在接下來藻類生質能源介紹系列文章裡,我們將分別介紹目前產業裡不同的海藻養殖方法、各種收穫方式以及各種燃油轉化技術,分析當下遭遇的瓶頸與可能的解決方式,期待讀者們能從各自的專業角度切入,提供解決方法。

相關閱讀
藻類生質能源(二)常見藻種介紹
藻類生質能源(三)藻類培養
藻類生質能源(四)收集技術
藻類生質能源(五)燃料轉換方式
藻類生質能源(六)結語

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