能源危機與生質能源

一、能源危機

近百年來工業科技迅速的發展，人類的生活水準與科技的發展也不斷的提 高，使得人類對能源的需求有增無減，依賴程度也與日俱增。化石燃料為人類 目前最主要的使用能源，而目前使用的化石燃料主要有煤炭、石油及天然氣等 三項，合計占全球現在使用能源總量的85％以上，其中是以石油為最具代表性 的化石能源。然而地球的石油存量正在快速消耗中，尤其自1970 年代起，世界 更連續掀起了二次石油能源危機，造成全球性的經濟衰退，對人類發展產生重 大的衝擊及變化。

依據現有的資料估計，全球資源蘊藏量有限且地理分佈不均，預估石油可 開採 41 年、天然氣 67 年、煤 192 年(曲新生，2005)。而全球經濟仍持續的發 展，一方面導致能源需求逐年成長，使有限的化石能源將加速枯竭，對環境及 生態造成巨大的衝擊；另一方面，因為不斷的燃燒化石燃料，產生了大量的空 氣污染物質 (如二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等)當這些污染物質排放到大氣 中會造成酸雨、光化學煙霧等污染問題，更甚者，由於 CO2不斷增加，導致全 球氣候變遷加劇，帶來全球暖化的環境危機更是與日遽增。

二、再生能源(renewable energy)

再生能源理論上係指取之不盡、用之不竭的天然資源，並於利用這些資源 的過程中不會產生污染物破壞環境；再生能源主要包括：太陽能、風力、生質 能、水力、地熱及海洋能等(經濟部能源局，2005)。隨著京都議定書於 2005 年 俄羅斯簽署正式成為國際公約之後，工業化國家污染物排放量受到管制規範，

為了尋求替代能源，再生能源利用已被世界各國列為重要能源發展政策方向之 一。

近年來世界各國無不積極推動再生能源，於2002 年約翰尼斯堡地球高峰會 議中承諾，在 2010 年前全球之再生能源使用比例將達到 15.0％。而 2003 年國 內所舉辦之「2003 創新科技系列研討會」，在有關國內能源政策制訂及方向的 檢討中，確定我國政府未來的能源政策，並於 2020 年將再生能源容量提升至 12％；其中在「科技與能源政策」的建議中，更確立了努力推動再生能源發電 的目標，也加速了「再生能源法」之立法。

再生能源目前較具有開發潛力為太陽能、風力能、水力能及生質能，其中 水力能運用的較為廣泛，但建造水力發電廠對河川生態的影響甚鉅。目前在太 陽能的應用方面較多，大致可分為兩部分，分別是太陽熱能及太陽電能；太陽 熱能的使用，最顯著的例子就是太陽能熱水器；而在太陽電能方面則有集熱式 太陽能發電廠，藉著集中太陽能所產生的高熱來使水汽化產生蒸氣，推動渦輪 發電機產生電力。風力能的部分，因風力穩定性不佳，使得供電量難以預期及 操控，且有噪音量大及所需用地廣等許多問題需要去克服，施行區域仍有限。

而生質能是人類使用最早及最廣泛的能源，約占世界所有再生能源應用的 三分之二，其原因除了可產生能源外，尚可以利用廢棄有機物(如生物污泥、農 業廢棄物、工業有機廢棄物等)作為原料以產生生質能源，一方面可去除有機污 染物，另一方面則可達到廢棄物減量的目的。

三、生質能、氫能與甲烷

生質物在早期是指由生物衍生而來的有機物質，其分子式為(CH2O)n，主要 是植物將二氧化碳及水經光合作用而轉化成葡萄糖及氧氣。現在對生質物的定 義，已從過去以植物生質為主體的說法，轉變為範圍擴增至將生物系起源之有

好能源的來源。

生質能(Biomass energy)泛指由微生物所轉換產生之有機物質，如沼氣、稻 穀、有機污泥等農業、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(酒精汽油、生質柴油)、燃氣(沼氣、氫氣) 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，2006)。

將生質物轉換為燃料的過程，大致上可區分為生物轉換、熱化學轉換及直 接燃燒。一般以生物轉換與熱化學轉換為主要的研發方向，在應用方面則包含 直接燃燒、沼氣回收、生質柴油及生質乙醇等四大類。但由於不論是沼氣、生 質柴油或生質乙醇是利用生質物轉化而來的，雖不會增加碳平衡中二氧化碳的 含量，但因燃燒後均會排出二氧化碳，排放量及污染程度雖遠比化石燃料少，

但卻仍是溫室效應管制氣體之一。又根據國際能源總署(International Energy Agency, IEA)的統計資料顯示，目前生質能為全球第四大能源，僅次於石油、煤 及天然氣，供應了全球約11％的初級能源需求，同時也是目前最廣泛使用的一 種再生能源，約佔世界所有再生能源應用的80％。由於能夠生產生質能的物質 種類非常多，因此依據各種生質物的物理與化學性質、密集度、經濟性的不同，

在技術的分類上可依料源製備、轉換與應用方式作區分如下(經濟部能源局，

2006)：

(一) 料源技術：泛指料源的製備技術，如固態衍生燃料技術、富含油脂藻類 之養殖/採收技術及陸生能源作物耕收技術等。

(二) 轉換技術：

1. 生物/化學轉換：

(1) 以糖質及澱粉類作物如甘蔗、田高梁、甜菜、甘藷、玉米及榖類等經由 酵母醱酵或澱粉酶醱酵產生生質酒精；

(2) 以高油分含量植物，如：大豆、向日葵、油菜籽等炸油後，再經轉酯化 程序生成生質柴油。

(3) 或是利用微生物菌種在厭氧環境下產生氫氣、甲醇等沼氣燃料。

2. 熱轉換：如以氣化、裂解方式產生合成燃氣或燃油等。

自然界中的許多微生物如：藻類、藍綠細菌、根瘤菌、紫色不含硫菌等具 有固氮能力之微生物在固氮過程中，也會伴隨氫氣的產生。氫氣是屬於乾淨的 能源之一，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，因此氫氣可能是未來重要能源之一。

而全世界每年從生質物經未控制的甲烷醱酵而進入大氣的甲烷量約為 250×10⁹公斤，能量值每年約有為1.42×10¹⁸焦耳(劭信，1997)，該能量若以生質 燃料方式回收，則可取代部分的煤及石油。大氣中甲烷主要是由自然界的微生 物反應和人為設施所產生，各佔30 與 70％。美國於 1984 年建立第一座生物能 源示範廠，每天須處理 1,000 噸乾重生質物，產生 1,013 焦耳的能量，此系統 產生每百萬焦耳的甲烷費用為 6.7 美元。美國已有 400 座之都市廢水處理設備 採用厭氧醱酵進行處理並回收甲烷(Spiegel, Thorneloe, Trocciola & Preston, 1999)。

我國的甲烷來源係以各生質物及廢棄物為主，包括：畜牧廢水、家庭污水、

垃圾掩埋場及各行業廢水，其利用方式只侷限於直接燃燒與產生電力。甲烷氣 的發電，在提供電能也同時減少了大量有機廢棄物，減輕環境之負荷(吳耿東、

李宏台，2002)。

另外，利用微生物厭氧醱酵反應方面，係指在厭氧的環境下，微生物藉著 一連串水解、酸化、甲烷化反應等過程，將有機物先分解為揮發酸、氫氣等中

回收利用之生質能源。目前在利用方面，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所進行的厭氧 生物產能反應，主要分為醱酵產氫、甲烷化、光合產氫，其中所產生的生質能 有氫氣、甲烷及醇類等能源。

而厭氧醱酵產製甲烷技術則是利用微生物在厭氧狀態下，由三大細菌群如 水解菌、產酸菌以及甲烷形成菌，依序進行水解、酸化、甲烷化反應而得到甲 烷氣體，而表2-1 為產氫及產甲烷技術之 SWOT 分析，包括：產氫及產甲烷技 術在應用及商業運轉時，所可能遭遇之優勢(Strength)、弱勢(Weakness)、機會 (Opportunity)及威脅(Threat)(經濟部能源局，2006)。

因此，除了乾淨的氫能源可成為未來綠色能源的重點發展項目外，甲烷氣 體的回收再利用，也可以成為能源多樣化的項目之一。

表2-1 厭氧產氫及產甲烷技術之 SWOT 分析