原文是刊載於Southern Maryland Online中的《Growing Algae Could Clean the Chesapeake Bay, Create Biofuel》這篇文章。
這個系統的主導者是馬里蘭大學的教授 – Patrick Kangas。系統主要利用藻類，在農業廢水排掉之前，將其中的有機污染源去除。一般來說藻類的生長會將湖泊中的氧氣耗盡，從而威脅到水中生物的生存。但是在這個妥善控制的系統中，不斷增長的藻類淨化了農業廢水，此外，系統也讓水中的含氧量提高，同時生長的藻類收穫後還可以作為生質燃料的原料。
建議各位可以先看看上面的影片，長度大約2分鐘。
整理幾個重點如下：
1. 系統的流程：在這個系統中，太陽能泵將廢水排至50公尺長的溝槽中，溝槽上覆蓋薄膜用以收穫生長後的藻。
收穫後，繼續讓新的藻類生長繼續淨化更多的廢水，這個系統就是不斷進行以上的循環。
2. 收穫的流程：影片中Prof. Kangas也有示範如何收穫：他們將水泵關掉後，拿刷子將薄膜上的藻類推到後端的收集區稍微曬乾後便可以進行收穫。影片中提到收穫的週期大約是一個星期一次。
3. 這個系統中，生長的藻類為絲狀藻(filamentous algae)，可以用來生產乙醇或是丁醇。Prof. Kangas提到當系統規模擴大之後，會產生相當多的生物質。目前他正和University of Arkansas 與 Western Michigan University的工程師一起設計將這些藻類轉化為上述產物的製程。
Prof. Kangas除了在Henderson這個地方有設置此系統之外，在Baltimore附近也另外有設置一個類似的系統。 Prof. Kangas希望這個系統技術能儘快被大規模的應用，他期待明年夏天就可以設置一英畝左右的系統，並在未來十年內將其擴大為數百英畝。
評論：
1. 這個系統的收穫週期約是一個星期一次，如此一來似乎並不需要有人時時刻刻照看著這個系統，只需要一個星期過來收集生物質即可。然而文中並沒有提到系統控制的變因是哪些部份。我認為在這種開放式系統中，由於外在環境的變因很多，當需要較為精細的參數控制時，無人系統的落實將會面臨挑戰。
2. 影片中收穫的方式事實上雖然不難但是繁瑣，若是將來此系統的規模擴大，肯定需要以自動化或是機械化來取代人力收穫。如何改進系統，以更有效率的方式收穫將會是團隊遲早必須面臨的問題。
3. 絲狀藻類的資料請參考這裡。
作者：歐陽孚 / 編輯：郭致廷、楊卓儒
本系列前兩篇文章介紹了汽油與酒精汽油(E10、E85) ，以及可以使用這些汽油的車輛─彈性燃料車(FFV) 。這篇文章，我們將介紹「柴油車」以及相對應的替代燃料「生質柴油」。
無論是一般的汽油車或是FFV，用的引擎都可以被歸類為奧圖式引擎(Otto engine)，在內燃機(也就是「引擎」)的發展歷史中，德國人奧圖首先引進「四行程概念」：進氣→壓縮→爆炸(也稱「動力」)→排氣，奠定了現代內燃機的基礎。這種引擎的點火方式是「火花點火」(spark ignition)，也就是需要利用火星塞在燃燒室內引發火花，藉此引發油氣爆炸。由於「奧圖引擎」(四行程、火花點火)常見於使用汽油的動力機具，因此也常被稱為「汽油引擎」，但嚴格來說很多衍生的汽油引擎並非奧圖式，例如：二行程引擎就不在此類，因此建議不要混用這兩種名稱。
但由於當時的點火技術並不理想，因此另一位德國工程師狄賽爾(Diesel)便朝向壓縮點火(compression ignition)發展，藉由氣體被壓縮所引發的高溫導致油氣自燃，這種引擎形成了今日引擎的另一種主流。狄賽爾引擎因為需要與汽油(gasoline)不同的燃料[註1]，而且某一種特性的石化燃料特別適合，大家就乾脆以狄賽爾命名這種燃料，叫它做「diesel」，由於翻譯成中文是柴油，因此在中文世界裡我們常見的名稱是「柴油引擎」而非狄賽爾引擎。
柴油引擎與奧圖引擎的差異
除了點火方式與燃料不同外，這兩種引擎還有許多差異。早期的柴油車具有高汙染、高噪音，並不適合做為一般乘用車使用，這也是台灣在2004年加入WTO之前曾禁止柴油乘用車長達20餘年的原因，然而隨著技術進步，目前柴油車已完全改頭換面。就效率而言，柴油引擎比奧圖引擎高出30%~35%，油耗明顯較佳；耐用度方面，由於柴油引擎必須應付更大的壓力，因此必須比奧圖引擎更為堅固，再加上不需要油氣混合系統與點火系統，因此故障機率較低；應用層面，由於它具備高扭力，因此適合重酬載機具例如：公車、大貨車、農耕機，甚至是火車等等。
然而，也是因為柴油引擎必須造得更為堅固，同時為了要符合道路車輛的廢氣排放標準，必須要搭配其它技術，使得柴油引擎車輛的單價一般而言較奧圖引擎車輛來得高。此外柴油車的扭力雖大，但馬力較小，也是一個天生的缺陷。雖然如此，馬力缺陷在一般行駛條件下並不會太顯著，另外考量油耗較低的因素，長期計算下來(10萬公里以上甚至更高)，柴油車的花費不會高太多，當然對於里程數低於十萬公里就打算換車的車主而言，自然就另當別論了。
一言以蔽之：柴油車省油、環保、耐用，但是比較貴。以福斯汽車(VW)在台灣販售的Golf車款售價為例：同樣是2011年排氣量1.6升的基本款，柴油版本(1.6 TDI TL)要新台幣102.8萬，汽油版本(1.6 TL)則是92.8萬 。目前柴油車輛在歐洲普及率最高，約有50%，其中德國更是高達70%。美國目前小於10%，但緩慢成長中。台灣近年來加入WTO後柴油車銷售逆勢成長，逐漸被消費者接受。
什麼車可以加生質柴油？
現在讓我們回頭看這篇文章的題目：「什麼車可以加生質柴油？」理論上，任何柴油引擎都可以添加從B1到B100間各種比例的生質柴油。道理很簡單，因為「生質柴油」本來就是柴油，性質與一般的石化柴油非常接近，不像酒精與汽油的差距那麼大。然而實務操作上並非如此，一般常見的混合比例僅有B2、B5或B20，許多車商並不建議添加B5以上的生質柴油。
最大的原因是生質柴油的低溫表現不佳。柴油性能的一項重要指標是「冷濾點(cold filter plugging point, CFPP) 」溫度。當柴油的溫度低於一個稱為雲點(cloud point)的特定溫度時，會開始形成蠟狀晶體使液體不再清澄透明，此時車輛還能夠發動，但如果溫度再進一步下降，最後就會堵住濾網，使得車輛無法發動，此時的溫度就是CFPP。油品在低溫時的表現不佳除了會堵住汽車濾網外，也可以堵住油箱，或是車輛以外的儲油設備。在台灣這種亞熱帶國家此問題並不常見，然而在美國北方入冬之後這樣的問題就非常麻煩，常常需要清理油車輛內的油路甚至是換掉濾網，這也是最常見關於生質柴油的抱怨。這個問題並非無解，添加抗凍劑便可改善這個問題，但缺點是有額外的開銷。有些車輛裝備額外的獨立供油管路與油箱，專門在車輛啟動時供應混有抗凍劑的油品。此外，實務上有些開長途的司機，會在白天連續行駛時添加生質柴油，但當日最後一次加油則添加一般柴油，這樣油路內的生質柴油比例就會極低，即便車輛在冬天經過一夜的休息，隔天開車也不會有無法發動的問題。
另一個問題是每單位的生質柴油的能量成分較低，B100大約比一般柴油少10%、B20大約少2%，也就是同樣體積的油，生質柴油能跑的距離比較短；另外，生質柴油的車輛在高酬載或是爬坡時也會顯得比較吃力。但在5%的混合比例時這些問題並不顯著，在一般道路行駛時駕駛幾乎不會感到任何不同。更多關於生質柴油的資訊，可以參考我們之前寫的專文 。
2008 Audi R10，這台添加生質柴油的賽車贏得了當年的24 Hours of Le Mans(利曼大賽) (圖片來源)
雖然有上述兩個比較顯著的缺點，還是有越來越多人選擇生質柴油。一個原因是它可以減少硫化物排放。以美國為例 ，2006年起新的規範大幅降低油品內的硫含量，這會降低油品的潤滑能力，但如果混和少量生質柴油則可以大幅改善這個現象，這是B2或B5越來越收到歡迎的重要因素。除了硫化物以外，生質柴油的二氧化碳排放也較一般柴油減少了78%，事實上，除了NOX的排放較高外，生質柴油所有汙染物的排放都比一般柴油來得理想許多。台灣自2010年起已經對所有加油站販售的柴油強制添加2%的生質柴油，也就是說目前全台灣所有的柴油車都是以B2為燃料。
小結
柴油車的市場大概可以切割成兩塊來看，一部分是大型車輛，一部分是小型乘用車輛。大型車輛的柴油車總數，與汽油車相比其變化應該是比較緩慢的，因為大型車本來就適合使用柴油。在這個市場推廣生質柴油應該比較容易，但考量進大型車是以重酬載為出發，使用B100所造成的馬力與扭力下降，短期內可能難以從技術上彌補，因此，B20是一個比較合理的目標。但在小型乘用車的市場，則可以預期柴油車總數會持續增加，因為隨著油價升高與越趨嚴格的廢氣排放標準，會使柴油車的優勢逐漸增加。隨著柴油車市佔率的增加，可將效能沒有顯著下降的B5生質柴油當作推廣目標，讓消費者逐步接納後，再推廣更高比例。下一篇文章將介紹我個人非常欣賞的技術：油電混合車。將複合動力與生質柴油或生質酒精結合，是更為節能與永續的做法，敬請期待。
註釋：
[註1]：汽油與柴油的主要成分都是碳氫化合物，嚴格說來是「以碳氫化合物為主的混合物」。一般而言，汽油內化合物的碳鏈長度大約在6到12左右，可記作C6~C12；柴油則是C12~C24左右，但這個範圍只是個粗糙的概念，實際上同是汽油或柴油的不同油品其成分可能會有顯著差異，不同文獻提供的範圍也不完全相同。我個人的記憶方法是把汽油記成C9、柴油記成C18。
相關文章：
汽車與生質燃料（一）美國汽油名稱的數值比較低？淺談汽油
汽車與生質燃料（二）我的車可否加酒精？彈性燃料車
汽車與生質燃料（三）什麼車可以加生質柴油？
汽車與生質燃料（四）油電混合車
汽車與生質燃料（五）丁醇車與瓦斯車
汽車與生質燃料（六）燃料電池車
汽車與生質燃料（七）結語
生質能源概論(七) 生質柴油
生質柴油的流動性問題
作者：歐陽孚 / 編輯：楊卓儒、郭致廷
在上一篇文章的最後我們談到了酒精汽油。一般車輛添加低濃度酒精汽油並不會有任何異狀，甚至許多地區加油站買到的汽油都已經混入了低濃度的酒精，例如美國為了擴大國內的酒精市場，其環保署(EPA) 早在30年前就批准加油站可以提供E10，也就是說一般在美國買的87汽油, 89汽油, 93汽油等，其實很多都已經混入了10%的酒精。美國政府在2010年更進一步允許加油站提供一般大眾E15，然而僅有2001年以後出廠的車輛才能夠使用E15的酒精汽油，原因是在此之前的車輛並沒有相應的設計，貿然添加可能會損害車體 。如果E15就可能會傷害一般車輛，那麼美國加油站的E85到底是給什麼車種使用的燃料呢？
彈性燃料車(Flexible Fuel Vehicle, FFV)
E85是專門給「彈性燃料車(Flexible Fuel Vehicle, FFV)」使用的燃料，也有人將這種車稱作「可變燃料車」、「靈活燃料車」。簡單來說，一般車輛原本是為汽油而設計，如果要加入酒精則需要作出適當改變；然而FFV是以酒精為設計軸心，汽油的存在是為了改善燃料的性能。在巴西，加油站提供E100給FFV，也就是車輛可以僅用酒精來驅動；然而在北美或是歐陸，因為考量車輛的綜合性能，供應給FFV的最佳燃料是E85，也因此在北美許多人直接稱呼FFV為「E85 vehicle」。為了避免引擎因低溫而無法發動的狀況，冬天時美國加油站提供的E85實際上是E70，用較多的汽油含量來改善燃料整體的低溫表現。正是因為酒精含量在燃料中並非定值，有些車種甚至宣稱酒精成分可以是0~100%的任意值，因此這種車的名稱裡才有個「Flexible」；但當前FFV的燃料主要成分還是酒精，同時「純酒精車」也逐漸式微，所以要稱FFV是「酒精車」也無妨。
針對酒精的特性，車輛引擎的壓縮比與每個工作週期(四個行程)使用的燃料量都需要調整，另外由於酒精具有腐蝕性，許多燃料供應線路上的零件需要使用不同的材質，早期的車輛還具有特殊的啟動系統以修正酒精在低溫發動引擎的困難。為了改善酒精車的引擎效能，當然還有更多的設計與修改可以努力，這也是許多車廠近年來努力的目標。
但是酒精車其實並不是什麼新玩意兒，1908年福特汽車發表的「Model T 」最早便是以酒精為燃料，也可以將酒精替換成汽油或煤油，亨利福特本人更提倡酒精是「未來的燃料」，但是隨著「黑金」的大量開採造成油價降低 ，以及美國在1920年到1933年間實施的「禁酒令」限制了酒精的流通，汽油最終成為市面上最為普及的燃料，並引導了迄今百餘年的車輛工業發展。然而，如果低價曾是汽油獲勝的關鍵之一，那麼當油價飆高時，人們再次想起酒精也就不足為奇了。
巴西的FFV與酒精產業
1973年，為了報復美國支持以色列進行「第四次以阿戰爭」，阿拉伯的石油輸出國家聯合實施禁運，讓油價從每桶3塊美金飆升到12塊美金，造成「第一次能源危機(1973 Oil Crisis) 」。有感於在能源方面的脆弱，巴西政府在1975年推動以酒精取代包括汽油在內的所有石油衍生燃料，這項計畫(Pró-álcool)利用他們價格低廉的甘蔗作為原料，刺激酒精工業發展提升酒精產量，並與汽油混和供一般車輛使用，1979年汽車公司飛雅特(Fiat)的Fiat 147問世，是近代第一輛採用E100的量產酒精車，這輛車雖然是「純酒精車」並不能混和汽油使用，但它是標誌著酒精重回汽車工業的里程碑。近年來巴西已完全停產「純酒精車」，全國新出廠的車輛逾七成都是FFV，舊型的純酒精車與FFV加起來大概佔現在所有車輛的一半之多，巴西酒精車的推廣成功由此可見一斑。
巴西從1976年開始強制對市售汽油添加酒精，從一開始的10%起，到現在的18%-25%，使得市面已無純汽油(E0)的蹤跡。值得一提的是，巴西政府會依據甘蔗收穫量來調整酒精汽油的混和比例，因此前述的添加值才會是一個範圍；此外，酒精並不是他們甘蔗產業的唯一產品，巴西在國際蔗糖市場也具有舉足輕重的地位，因此藉由調控酒精產量、蔗糖產量，還有市售汽油的酒精添加比例，巴西建構了一個非常健全與穩定的機制，可以降低國際油價與糖價波動帶來的負面影響。
其他國家的FFV
但是走出了巴西，FFV在其他國家的發展相形之下並不算成功。美國是FFV在巴西以外的最大市場，一部分原因是美國的生質燃料主打的是生質酒精，其龐大的玉米產業有三分之一的玉米收穫量是用來生產酒精，低濃度酒精汽油(E10)也已相當普遍。然而儘管如此，這麼多年下來，FFV大概只佔全部登記車輛的4%左右，其原因除了是美國人對汽油的莫名熱愛外(我的個人觀察)，根本還是在於美國僅有1.7%的加油站提供E85，不像巴西所有的加油站都供應E100，想要擁有一台車的原因有很多，一個重要因素是「便利」；美國能源署(DOE)的資料顯示 ：在美國目前有6個洲沒有提供E85，有12個州的E85加油站僅有個位數。如果不能在自家附近找到加油站，請問您會想買酒精車嗎？
美國暢銷的休旅車：Ford Escape，這台車既是FFV又是油電混和車，右邊中間的黃色油箱蓋是美國FFV的特色(2006年開始)。 (圖片來源)
普及率低的另一個原因是「價格」。由於每單位酒精的能量含量(energy content)較汽油低了約27%，要行駛相同里程，所需的E85燃料量會比一般汽油更多，就算E85的單位價格較低，以目前油價估計仍然沒有比較划算。美國能源署(DOE)有一個計算網頁 ，能依據消費者的車型、居住地油價、每年行駛里程等等，估算出一整年的油價花費，我嘗試了幾種不同車型，以每年行駛1萬5千英里計算，E85的燃料費要比普通汽油高出600美金上下。這樣看起來，FFV除了較低的二氧化碳排放量外，並沒有其他顯著的優點。
歐洲地區雖然也有FFV的蹤影，但最熱絡的瑞典也僅有4.7%的普及率。除了便利性與價格外的因素外，可能也和歐洲盛行的替代燃料是生質柴油有關，在本專欄之後的文章裡我們也會談到生質柴油車的發展情況。
FFV的未來
台灣目前連E3都推展的相當緩慢，國內的酒精產業也還算不上成熟，要談FFV是太早了些。至於在其他市場的發展，一個重大的關鍵還是在於原油價格，雖然我們並不樂見，但原油價格終究會持續上漲，當價格攀升到一定高度時便會刺激消費者轉向FFV，帶來更多加油站的設立並吸引更多FFV的使用者，因此我們也不用對於FFV的發展感到悲觀。維基百科上有一張FFV製造商與車種的清單，近幾年來越來越多車商投入，應該是認同這個市場發展潛力的證明。不過，FFV並不是唯一的替代燃料車，接下來的文章裡我們會再跟各位讀者談到生質柴油車、油電混和車以及電力車、丁醇車與瓦斯車、燃料電池車等，敬請期待。
相關文章
汽車與生質燃料（一）美國汽油名稱的數值比較低？淺談汽油
汽車與生質燃料（三）什麼車可以加生質柴油？
汽車與生質燃料（四）油電混合車
汽車與生質燃料（五）丁醇車與瓦斯車
汽車與生質燃料（六）燃料電池車
汽車與生質燃料（七）結語
原文為〈Seaweed may be beneficial source of biofuel for smaller countries〉於2011年1月27日發佈於《Daily Illini》網站，摘要如下：
1. 美國伊利諾大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的教授Dr. Yong-Su Jin目前正在進行以海草轉化為酒精的研究，他指出，如日本、韓國一類的島嶼形或半島形國家，不像大陸形國家擁有遼闊的土地可以利用玉米來生產酒精，因此在海中發展生質能源可能會是他們的良好選項。
2. 海草與玉米一樣可以利用「熱水解(Hydrolysis)」來生產酒精。玉米酒精的反應過程大致如下：玉米 → 葡萄糖( glucose) → 酒精；海草則是：海草 → 半乳糖(galactose) → 酒精。目前海草酒精的技術瓶頸在於由半乳糖到酒精這段反應的速度太慢，Dr. Jin的研究便是關於這一段發酵反應的改良。
3. 除了發酵技術以外，還有以下幾項考量與困難：一是在水中進行養殖與收穫比起傳統的陸耕要更為複雜；其二，颶風或颱風等自然災害可以中斷整個生產流程；第三，海草是魚或其他動物的食物來源，大規模種植與收穫會影響海洋生態。
評論：
1. 文章中提到的海草也算是藻類的一種，但它跟我們常提到的單細胞「微藻」不一樣，而是指海帶、紫菜一類的多細胞「巨藻」。
2. 延伸文中提到的機械化或是自動化收穫問題，進行大規模養殖時，肯定需要特定收穫機具以替代人力，然而目前似乎沒有滿足這樣需求的機具存在(至少就我所知)，也就是說機具開發的成本勢必會完全反應在先導試驗的養殖場上或是早期部署的養殖場上，因而降低海草酒精的效益。其二，就像微藻一樣，海草的含水量很高，除水勢必會是一大挑戰，就算是使用熱水解(hydrolysis)這種可以使用高含水量生物質的轉化方式，也會有產物雜質太多的缺點存在。
3. 然而拿任何一種新能源與石油相比，在建置後勤系統上的花費一定都很可觀，因為石油的後勤系統開發時間可追至工業革命時代，已經進行了百年以上。大家都知道如果我們將生質能源視為永續發展的目標，那麼建置後勤系統的成本其實不算是太高，然而就商業的角度來看，快速回收投資永遠是經營目標。這就是為什麼許多研究雖然做得很好，卻無法在商業上推展的原因。當然，我們希望海草生質酒精未來可以成功商業化，這對於台灣這樣地狹人稠的海島型國家將會是一大利多。
相關文章：
作者：郭致廷 / 編輯：歐陽孚、楊卓儒
在這個藻類生質燃料系列裡，我們介紹了整個藻類燃料產業的結構。從藻種選擇開始：挑選有潛力作為原料的藻種可以直接影響到最終燃料的產量。接下來我們討論了幾種藻類養殖技術：開放式與密閉式培養的選擇需要因地制宜，考慮空間大小和環境因子才能選出適合的培養方式。在培養出藻類生物質之後，如何將藻類從水中收集也是一大學問。目前最常用的方法為過濾法，但是過濾法仍須消耗許多能量使水通過濾膜，因此尚待技術上的改進來降低收穫的成本。最後在《藻類生質能源（五）燃料轉換方式》談到不同燃料的轉化方法，主要分為熱化學轉換法以及化學/生物轉換法。熱化學轉換法的優點為反應時間短、不需嚴格控制生物質成份，而化學/生物轉換法則有能量消耗較低以及成品價值較高的優點，須視生物質成份來選擇適當的轉化法。
在瞭解了藻類生質燃料的產業鏈之後，許多讀者都會有一樣的問題：到底還需要多久時間才能看見藻類燃料進入我們的生活？在回答這個問題之前，必須先瞭解目前藻類燃料的成本。根據加州理工州立大學( California Polytechnic State University) T.J. Lundquist 教授在2010年10月對藻類燃料產業提出的報告，目前製造一桶藻油成本大約300美金左右，相較於目前國際原油一桶約100美金的價格明顯缺乏競爭力。然而這是單純製造生質燃油的成本，若是計入利用藻類處理廢水的收益，一桶藻油的價錢就會降至美金28元，這麼一來便足以與石化燃料在市場上角逐。因此，目前在特定的情況下（例如有處理廢水、廢氣的收益、生產高價值副產品等…）藻類燃油可以在合理的成本下與石油競爭。但是這些條件可能會因廢水的總量有限，或是高價值副產品市場小…等變因而有規模限制，無法真正大規模量產藻類燃油。回到原本的問題，還要多久藻類燃油才能量產並且獲益？目前學界及業界（例如Shell 殼牌石油、Exxon Mobile 艾克森美孚）普遍的估計是需要十年左右的研究發展，藻類燃油的產業才會真正成熟。十年聽起來或許很長，但是以一個新科技從起步到成熟所需的時間來說，十年已是發展相對快速的時程。例如玉米，美國從以前開始便投入了許多經費研究如何提高產量，從1956年開始大約每20年產量才會加倍。現在生物科技與以前相比發達了許多，而且藻類最大的優點是生長速度超過其他植物的數倍，一個禮拜藻類的生物質產量就相當於玉米一年的產量，這些都讓我們相信藻類燃油有潛力可以在不遠的將來成為主要的替代能源。藻類生質燃料系列專欄到此告一段落，歡迎讀者們提出問題或是想法，我們一定會盡力答覆。
相關閱讀
藻類生質能源（一）序論
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
BioEnergyToday 生質能源趨勢 