能源危機與生質能源

第二章 文獻回顧

由於目前能源短缺，生質能源將逐漸成為世界各國能源技術發展及應用 的主流々利用微生物來產能最具有發展潛力，是生質能源的重要發展技術之 一。本章將以能源危機與生質能源、蔗渣的成份分析及用途、水解能源作物 纖維素相關微生物、各種產氣微生物、厭氧醱酵產氫反應機制、各種厭氧產 氫反應槽之探討、SBR能源化技術探討、細胞固定化技術、厭氧醱酵產能之 影響因子、厭氧醱酵產氫反應動力學模式等十一節進行回顧探討。

第一節 能源危機與生質能源

一、能源危機

化石燃料為人類目前主要的使用能源，而化石燃料主要有煤炭、石油及 天然氣等三項，估計占全球現在使用能源總量的百分之八十五以上，其中石 油是最具代表性的化石能源（李育明，2007）。在台灣有99.1%的能源需仰賴 進口，從表2-1台灣地區能源供需預測表中可以發現，雖然預估化石燃料的 需求會降低々另外也可以發現，再生能源在預定的目標中是被看好逐年成長 的，但化石燃料仍佔總供應量的80~90﹪以上。

人類的生活離不開石油，舉凡人造圕膠、產業需求、交通需求……等都 以其為原料。然而石油為不可再生的能源，在1980年代兩次石油能源危機，

以及2008年的金融海嘯也使的原油價格飆漲，造成全球性的影響，對經濟展 產有重大的衝擊及變化。根據英國石油公司「2008年版世界能源統計要覽」，

在技術與成本的限制下，預估世界石油蘊藏量只能再開採40年，天然氣可再 開採60年，煤炭可再開採133年（British Petroleum, 2008）。全球經濟仍持續 的發展，以目前石油之消耗速率，若無法取得大量、價廉之替代能源，能源 危機遲早會再度來臨。

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四、生質能源

生質能（Biomass energy）泛指由微生物所產生之有機物質，如農業、

畜牧業、工業、都市廢棄物以及能源作物，經過焚化、氣化、裂解、醱酵等 技術轉換成燃油（燃料酒精、生質柴油）、燃氣（甲烷、氫氣）與電力等可 用之能源，即係指利用生物質（biomass），經過轉換所獲得的可用能源（工 研院能資所，2009）。而根據國際能源總署（2006）的統計，目前生質能是 全球第四大能源，僅次於石油、煤及天然氣。生質能供應全球約14%的初級 能源需求，約佔世界所有再生能源應用的80％，是目前最廣泛使用的再生能 源。與其他再生能源比較，生質能的優勢包括技術較成熟、有商業化運轉能 力、可併用在傳統能源供應的架構、且因可使用廢棄物作為燃料，故還可兼 具廢棄物的回收處理與能源生產的雙重效益，由此可以得知生質能具有相當 大的發展潛力。

生質能利用的技術範圍相當廣泛，其轉換為能源的方式可概分為直接燃 燒技術、物理轉換技術、熱轉換技術與化學/生物轉換技術，其說明如下（吳 耿東、李宏台等，2004）〆

1.直接燃燒技術〆把廢棄物直接燃燒以產生熱能與電力，例如在大型垃圾焚 化廠中，以焚化垃圾發電。

2.物理轉換技術〆將廢棄物經破碎、分選、乾燥、混合添加劑及成型等過程，

製成易於運輸及儲存的固態衍生燃料，作為鍋爐、水泥窯的燃料，例如紙 廠把廢棄物製成錠型的固態燃料，作為燃煤鍋爐的輔助燃料。

3.熱轉換技術〆利用氣化與裂解（液化）等熱轉換程序，將廢棄物合成燃油 或燃氣（瓦斯），作為燃燒與發電設備的燃料。例如稻殼、能源作物或廢 紙渣可產製合成燃氣，進行燃氣發電。

4.化學／生物轉換技術，是指經醱酵、轉酯化等生物化學轉換程序以產生沼 氣、燃料酒精、生質柴油、氫氣等，作為引擎、發電機與燃料電池的燃料。

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例如甘蔗、玉米經糖化醱酵後產製燃料酒精々又如廢食用油經轉酯化反應 可產製生質柴油，這些生質能都可作為汽車的替代燃料等。

目前燃料酒精、生質柴油、生質氣體這三種是最具市場發展潛力。燃料 酒精主要採用醱酵法生產酒精。除了巴西自 1970 年代石油危機起，以甘蔗 為主要能源作物從事酒精燃料之研發與生產外，另一主要國家為美國利用玉 米澱粉來醱酵以生產酒精。而以廢棄農作物來生產酒精最具潛力，廢棄農作 物含有相當量的纖維素，目前將纖維素由生質轉化成糖的技術一般可分為酸 水解法與酵素水解法兩種。酵素水解法已有商業化規模，可以用於一般農業 廢棄物如麥桿、玉米桿和硬木之處理。

利用油脂作物或廢食用油與甲醇（或乙醇）進行轉酯化反應，可產生脂 肪酸甲酯（或乙酯）及甘油等產物々經分離甘油後，以蒸餾去除未反應完全 的油脂，產生與一般柴油品質相當的液態燃料，稱為生質柴油。由於使用生 質柴油的引擎排氣不含鉛、二氧化硫、鹵化物，並能大幅降低碳煙、硫化物、

未燃碳氫化合物、一氧化碳及二氧化碳，目前已成為世界各國積極發展的生 質能。生質柴油可直接作為柴油的替代燃料，或以不同比例摻配於市售柴油 中（一般建議摻配20％）。

生質氣體的發展是相當被看好。目前主要回收的生質氣體 (biogas)有氫 氣、甲烷。氫氣是屬於乾淨的能源之一，以 Clostridium 等兼氣菌為主的醱 酵產氫技術最具有發展潛力，其產能效率每克的氫氣中約有122 千焦耳，約 為石油的3 倍，甲烷的 2.4 倍，且燃燒過後只產生能量和水，不會形成溫室 氣體二氧化碳而造成環境污染，因此氫氣是未來重要能源之一（毛宗強，

2008）。在基質利用方面，最有經濟且有開發效益，就是以有機廢水、廢棄 活性污泥、農業廢棄物、食品、酒類等廢棄物為基質，達到不僅產能且能去 除有機廢棄物達到資源化目的。經濟部能源局針對台灣的發展生質氣體的情

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