BioEnergyToday 生質能源趨勢

2011 年 02 月 20 日 / ctkuo

［產業］墨西哥將加入藻類生質燃料的戰場

原文為〈Mexico Aims to Be Top Biofuel Producer With Algae Oil〉於2011年2月14日發佈於《TreeHugger》網站。

摘要：

來自美國洛杉磯的 OriginOil和墨西哥政府簽訂了合約：未來的5年中墨國的噴射機燃料將有1%以藻類生質燃料來取代，目標則是在十年之內讓藻類生質燃料的生產量成長到(整體噴射機燃料量的)20%。簽約的雙方也同時希望能夠藉此機會讓墨西哥成為全世界藻類生質燃料的供應大國之一。
他們將這個計畫稱為『墨西哥的曼哈頓計畫』。

這個計畫中的成員包含了OriginOil，Genesis以及Ensenada當地大學中的生質燃料研究學者。他們將先興建試驗點試產，若是效果令人滿意，他們將緊接著擴大生產的規模。事實上，去年OriginOil和澳洲的MBD Energy已經有類似的合作與成功經驗。OriginOil的發言人認為，Ensenada當地有充足的日照和海水資源，而這樣的環境條件非常適合從事藻類養殖。

圖片來源：http://www.autoevolution.com/news/the-mexican-manhattan-project-algae-biofuel-31275.html

補充與評論：
1. 關於Ensenada：Ensenada是墨西哥下加州的一個臨海城市，位置可參考下圖。除了三面環海之外，她同時也擁有下加州唯一的一個深海港口。

圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Ensenada,_Baja_California

2. 若是想要進一步瞭解OriginOil，可以參考該公司的官網，或是點這裡觀看影片。該影片的主講者是OriginOil的CEO，影片內容主要簡介OriginOil的專利技術和未來的發展方向，推薦讀者觀看。

3. 這則新聞表示墨西哥已經開始為投入能源戰場作準備。選擇Ensenada作為這項計畫的中心，除了自然條件相當適合之外，我想擁有深海港口也是其中一個因素。事實上，Ensenada港是國際航程中的一個重要港口，甚至和橫濱以及香港都有互通的航班。從計畫的名稱『曼哈頓計畫』來看，墨西哥對於這個計畫應是有著不小的盼望和期許，且讓我們持續關注這項計畫吧。

2011 年 02 月 13 日 / ctkuo

能源戰場的Sputnik moment

作者：歐陽孚

圖片來源：

http://en.wikipedia.org/wiki/2011_State_of_the_Union_Address

在正值美蘇冷戰的1957年，蘇聯成功發射一枚名為「史潑尼克(Sputnik)」的人造衛星進入地球軌道，強力撼動了西方世界，當時美國出現強烈的危機意識，了解到他們在科學界與工程界不再居於絕對的領導地位，因此大刀闊斧地進行建設、改革教育，終於在1969年送人登陸月球，贏得了太空競賽，也建立了美國人的自信心。

今年1月25日美國總統歐巴馬在發表國情咨文演說時(State Of The Union Address)時，向所有人發出警告：現在正是當代美國的「史潑尼克時刻(Sputnik moment)」，美國在很多科學與工程領域已經不是領導者；而另一方面，中國、印度等國家意識到他們只要對人才教育與科學研究進行投資，便有機會於新世界競爭。其中「能源」是重要的戰場，美國將需要當代的「阿波羅計畫」來追求突破。為此，歐巴馬提出以下幾個目標與作為：

1.) 利用生質燃料取代石化能源；

2.) 於2015年，有一百萬輛電動車上路；

3.) 停止對石油公司的補助，轉而投資替代能源；

4.) 於2035年，80%的國內電力供應來自潔淨能源(clean energy)。

關於這幾個目標，雖然似乎還沒有具體的行動方案與推進時程發佈，但不少投資與努力其實早已開始；對於能源業而言，此時此刻是一個大好機會，一個大舞台已在眼前，就拿上述第4項來說，目前美國的電力供應組成如下：69.17%來自石化燃料，核能20.20%、水力6.88%、風力發電1.79%、生質能源1.38%，再加上其餘來源的零星貢獻(資料來源：U.S. Energy Information Administration)，要在2035年達成80%潔淨電力的目標，等於是要取代掉40%至50%的石化能源，可以想見將會有多可觀的資金挹注、數不清的技術突破，同時也將有眾多的替代能源工作機會被創造出來。正如歐巴馬所言，要達到這項目標，需要各種替代方案，諸如：核能、風力、太陽能、天然氣、潔淨煤炭…等，而非一種或兩種選項就能滿足，當然，生質能源也會扮演其中要角。

有志於能源業的人，現在正是我們的時代，Let’s rock and roll。

補充：

國情咨文(State Of The Union Address)：美國總統於每年國會會議召開前，會率領內閣閣員到國會發表演說，並同步向全國轉播，報告國家狀況以及施政計畫，是政治界的年度大事。2011年歐巴馬國情咨文影片(含英文字幕)： http://www.whitehouse.gov/state-of-the-union-2011。

阿波羅計畫(Apollo program)：美國太空總署(NASA)在1961年至1972年間執行的一系列載人太空飛行任務，主要目標為月球探索，成功於1969年載送太空人(宇航員)登陸月球。總花費240億美金，迄今仍是NASA所執行過最龐大的任務。阿波羅計畫能夠獲得成功，龐大資金是不能忽略的關鍵。

天然氣(natural gas)與潔淨煤炭(clean coal)：這兩項能源無疑是石化燃料，然而它們燃燒時不像傳統燃煤會產生嚴重的空氣汙染，因此被視為潔淨能源選項之一。事實上以這兩項能源來降低傳統石化燃料的供應，與其他需要重新設計與建立硬體設施的方案相比，或許是較能立竿見影的方案。

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。

圖片來源:http://www.etftrends.com/2010/10/corn-etfs-powered-ethanol-shift/

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

http://www.autospectator.com/cars/topics/buick-lucerne

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。

2011 年 02 月 03 日 / ctkuo

生質能源概論 (五) ─ 沼氣與合成氣

作者：歐陽孚

以氣態形式被利用的生質能源，最主要的兩項應該是沼氣(biogas, marsh gas)與合成氣(syngas)，都是原料經化學作用後產生的可燃氣體，以下篇幅將針對這兩種產品進一步說明。

液面上的沼氣氣泡

圖片來源：

http://latimesblogs.latimes.com/greenspace/2008/05/

早期人們發現在沼澤地帶存在一種氣體具有可燃性，後來才逐漸明白有機物在特定溫度、濕度、酸鹼值的環境下，經過多種細菌厭氧發酵後，會由碳鏈較長、結構複雜的化合物(例：纖維素、蛋白質、脂肪…等)轉變成短鏈的分子，最後形成的氣態產物便被稱為沼氣。沼氣其實是由多種氣態分子構成的混合物，通常含有甲烷(methane, CH4)、硫化氫、一氧化碳、重烴等可燃成分，同時也包括二氧化碳、氮氣、氨氣等不可燃氣體。其中最主要的分子是佔全部成分達50%到75%的甲烷，在常溫環境中無色、無味、無毒，難溶於水，是非常好的氣體燃料。

沼氣不只能由沼澤產生，事實上堆肥、汙水、家庭廢棄物…等都可以是沼氣的原料，因此許多垃圾掩埋場、畜牧場(例：養豬場)，都將沼氣收集設備整合進設施內，以沼氣做為燃料生熱或是發電。另外，在過去利用技術還不成熟的年代，由於甲烷的可燃性，會使得垃圾掩埋場有自燃的危險，常需建造通氣孔將沼氣由深處排放出來進入大氣中。然而甲烷造成溫室效應的能力其實更勝二氧化碳數十倍，此舉對環境有不小的負面影響。因此沼氣利用不但可以處理危害物質，還可以節省能源，是一舉兩得的策略。台灣目前已有多項利用沼氣發電的設施，較大規模者來自於台北市山豬窟與福德坑、台中市文山、高雄市西青埔四處垃圾掩埋場，都是因填滿關閉後，經數十年等待再鑿井開發成沼氣電廠，其中西青埔是目前沼氣蘊藏量最豐沛的一處；並由於較晚開發之故，所用設備反而較其他諸廠先進，是抽氣成效與發電效率最高者，所生電力約可供給高雄市13,500戶家庭使用。

西青埔垃圾掩埋場(已改建為高雄都會公園二期園區)內的沼氣發電站

圖片來源：

http://w3.cpami.gov.tw/khmp/newsletter/50.htm

氣化技術(gasification)是一種在超過攝氏700度的高溫且低氧的環境中進行的化學反應，將煤炭、生質物(biomass)、廢棄物…等，轉換成數種可燃氣體的混合物，主要成分為一氧化碳與氫氣，另外也有甲烷、氮氣、二氧化碳…等，由於這種混合物不但可做為鍋爐與發電機組的燃料，也可以再被當作原料用以生產柴油、塑膠等其他產品，因此被稱為「合成氣(syngas)」。以煤炭生成的合成氣來照明、煮炊、供應暖氣已有多年歷史、世界上多處可見，目前正在發展中的以廢棄物原料之技術，可以利用廢木材、廢塑膠、廢電子產品…等，與其直接將廢棄物掩埋或是焚化，氣化技術讓我們能進一步利用其中的能量。

位於奧地利Güssing的氣化電廠

圖片來源：

http://en.wikipedia.org/wiki/Gasification

合成氣與沼氣雖然都由化學反應而得，然而合成氣是透過外部供應能量(加熱)的方式達到最適合的反應條件，不用經過數十年的等待時間。另外由於原料需經過分類與篩選，因此產物更加單純，做為其他物質的生產原料或是發電所需的後續處理較少，轉換效率也更高。以合成氣作為鍋爐輔助燃料的混燒發電系統，可以節省燃料成本、改善廢氣排放問題，並且以現有設備改裝的門檻低，荷蘭已有多座燃煤電廠採用，而美國、德國…等也正在發展中，目前全球的發展情況正由示範階段往商轉階段邁進。

合成氣與沼氣目前看來難以做為發電網路的基載電力，長期而言恐怕也不會以此做為發展目標，然而我們或許不應由此角度來批判。就像廢棄物衍生燃料(RDF-5)一樣，它們本質上可做為一種較進步的廢棄物處理方案，能大程度地降低汙染已有很重要的價值，再加上具備獨立供應能源或是與既有發電設施整合的優點，使得他們在自然環境永續經營策略中能夠有所貢獻。

2011 年 01 月 28 日 / ctkuo

生質能源概論 (四) ─ 固態廢棄物衍生燃料RDF-5

作者：歐陽孚 / 編輯：楊卓儒

自古以來，人類堆起木材點火燃燒，就是一種固態生質能源的利用方式，原料經過轉換以後，最終以熱能形式被利用。當代最重要的固態生質能源，應該算是固態廢棄物衍生燃料技術（densified refuse derived fuel, 或RDF-5），它指的是對原料進行物理前處理後，再將成品送入鍋爐燃燒發電，或是進一步與其他物質行氣化、裂解反應的能源利用方式。其原料可以是都市廢棄物(例：家庭垃圾)、農林廢棄物(例：廢木材)、一般事業廢棄物(例：廢紙漿)…等。圖1為造紙業廢料生成之RDF-5燃料錠。

圖1. 造紙廢料之RDF-5

有別於焚化爐處理的是經過粗略分類的一般垃圾(RDF-1)，RDF-5對於原料成分有更高的要求。廢棄物必須先經過破碎、選別、乾燥後，再加入添加劑，以製成外型與成分都符合特定規格，長度約數公分的錠型燃料。燃料若有一致的形狀及熱質，不但有助於運輸與保存，更有益於鍋爐內燃燒狀況的控管，進而提高發電效率，同時降低廢氣排放、減少戴奧辛汙染，因此RDF電廠發電效能優於一般焚化爐。RDF-5燃料除了可以做為主要的燃燒原料外，也可以搭配其他原料進行混燒(co-firing)，以調節鍋爐內的燃燒狀況。

目前日本在RDF-5全球發展上居於領先地位，從1988年至今已有60餘座RDF-5製造廠以及5座RDF-5發電廠設立，除了都市廢棄物外，也可處理紙業、水泥業的廢棄物。歐盟的發展也相當熱絡：奧地利、荷蘭、義大利、德國、芬蘭都已有RDF-5生產系統，比利時及英國目前也正在建設中。台灣雖然起步較晚，但目前已有一些應用案例，例如花蓮縣政府與工業技術研究院能資所合作，在豐濱鄉建立都市廢棄物的RDF-5製造示範廠；至於業界則有南投南崗工業區的高烽資源再生公司，投入將一般事業廢棄物製成 RDF-5燃料的事業；在造紙業有40餘年歷史的正隆公司，則是將RDF-5技術整合進製程中，將廢料製成RDF-5燃料錠，送入自己既有的汽電共生發電系統與煤炭混燒，可節省廢棄物處理費用以及煤炭採購成本共數億元台幣，成效相當卓著。

總的來說，利用RDF-5的方式可大可小，大型汽電廠可以用來取代或分擔焚化爐的工作量，改善空氣汙染問題以及垃圾處理效率；小型燃燒鍋爐則可以和廢棄物產出地點整合，就地處理廢棄物後直接生熱或發電，形成共生系統降低生產成本；甚至在歐洲已有使用RDF-5的家用暖爐問世。生質能源發展道路上的選項並不是只有生質柴油或生質酒精，若考量技術門檻、市場規模以及上下游供應鏈完整程度，RDF-5其實相較之下有許多優勢，值得生質能源從業朋友們思考。

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［產業］墨西哥將加入藻類生質燃料的戰場

能源戰場的Sputnik moment

生質能源概論 (六) ─ 生質酒精

生質能源概論 (五) ─ 沼氣與合成氣

生質能源概論 (四) ─ 固態廢棄物衍生燃料RDF-5

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