能源問題與生質能源

一、能源危機

近年來地球的氣候產生很大變異，溫室氣體可以說是最主要的元兇。自工業 革命以來，人類文明快速進步，大量使用各種化石燃料的後果，讓大氣中的二氧 化碳濃度日益增加。人類在科技與經濟發展的推動下，都讓我們對能源的需求遠 遠超過其他的時代。而現今人類所使用的能源，在實際應用方面較為常見的有化 石燃料、太陽能、核能、火力發電及再生能源等。目前全世界利用的能源，大約 95 %是化石能源（如石油、煤炭及天然氣等）為最大的能源來源。但大量使用化 石燃料的結果，使得全球每年至少產生300 億噸CO₂、CO、SO₂、灰渣等，造成 空氣污染及酸雨。排放出大量溫室氣體造成全球暖化的結果，根據聯合國氣候變 化「政府間氣候變遷研究小組」（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）

第4 次評估報告（IPCC, 2007）顯示，全球帄均地表溫度在1990～2100年期間將 上升1.4～5.8 ℃，此暖化速率遠大於20 世紀之暖化速率（20世紀全球帄均地表溫 度上升0.6 ℃），而全球帄均海帄面在1990～2100 年期間預計將上升0.09～0.88 公尺，進而影響到人類的生存及生態環境之問題。

另一方面，由於大量使用化石燃料，燃燒後殘留在大氣中的二氧化碳的濃度 日益提高，造成溫室效應並引起全球性的氣候變遷，對環境產生可預見的衝擊々 全球氣候變遷，產生不正常暴雨及乾旱，衝擊水土資源、環境衛生及人類生命;

化石燃料的使用也會造成酸雨及落塵造成建築物、藝術品、金屬材料的腐蝕及大 氣環流的變化，衝擊農林漁牧、社經活動、全球生存環境等，使得地球生存環境 日益惡化。化石燃料在地球的蘊藏量有限，就全球能源蘊藏與供需而言，根據英 國石油公司2008 年預估世界石油蘊藏量只能再開採40 年，天然氣可再採60 年，煤炭可再採133 年。所以在化石能源日益減少的情況下，各國莫不積極尋求

「無碳」的能源利用，實有必要發展為乾淨、無污染且可獨立供應的再生能源

（Renewable energy）。

二、再生能源

依據能源教育資訊網，能源之多少（2004）所提到一般定義新能源為再生能 源與氫能等傳統化石能源以外之能源，而再生能源乃指符合環境永續發展，主要 包括〆太陽能、風能、生質能、水力、地熱、潮污能及海洋能等（經濟部能源局，

2005）。俄羅斯於2005 年簽署京都議定書正式成為國際公約，各附件一國家的 溫室氣體排放量受到管控，不得不趕緊尋求替代能源，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。

據世界銀行先前發布的一份題為「改善生活（Improving Live）」的有關再生 能源開發利用報告表示，近年來全球隊再生能源的利用發展十分迅速，淨潔能源 技術已經成熟，2005 年全球隊再生能源的技術投資已達380 億美元。並且隨著 原油價格的上漲，可替代能源技術已變得更具競爭力（許峻賓，2007）。

三、生質能

生質能一般具有解決能源安全問題，其使用過程與傳統化石燃料相比可以減 少溫室氣體與污染氣體排放，為較乾淨之能源々同時在生質能的生產製造過程中 可增加當地農民就業機會，解決失業之社會問題（Sims, 2004）。

生質能涵蓋的領域相當廣泛，舉凡生產者將太陽能以化學能的型式暫存於生 物質量（Biomass）中，之後再經燃燒或腐化分解而將能量釋出之過程，就是所 謂的「生質能（Biomass energy）」。生物質量則泛指由生物產生的有機物質，

例如木材與林業廢棄物如木屑等々農作物與農業廢棄物如黃豆莢、玉米穗軸、稻 殼、花生殼、蔗渣等，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，經過 轉換所獲得的可用能源（工研院能資所，2006）。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 %。而生質能源中燃料酒 精、生質柴油及生質氣體回收則是目前最具有市場潛力。

（一）燃料酒精（Fuel ethanol）

一般而言，燃料酒精（乙醇）係指應用於燃料，而透過作物（如甘蔗、澱粉 類植物、纖維素）經過酵素發酵所得之酒精可歸類為生質燃料（Biofuel）之ㄧ種。

以生產燃料酒精之原料而言，又以甘蔗或甜菜等含六碳之作物提煉生質酒精之過 程最為簡單，因此生產生質酒精之國家多以此類作物生產為主。

燃料酒精之生產過程與工業酒精相比較為繁雜，需透過作物栽種、壓榨

（crush）、發酵/蒸餾（fermentation/Distillation）、純化（purify）等程序而成為 酒精濃度達98%以上之無水酒精（anhydrous ethanol）（IEA, 2004）。目前燃料酒 精主要應用為直接加入汽油混合成為酒精汽油（Ethanol-gasoline or gasohol），用 於點火式引擎（Spark ignition engine）之汽機車輛使用，並依其體積添加比例不 同而稱之，如添加比例為 5 %、10 %、20 %、30 % 等，則分別稱為 E5、E10、

E20、E30。酒精汽油添加比例在10 %以下無需更改現行機動車輛引擎即可使用，

因此大部份使用之酒精汽油多為E5或E10。而巴西推廣時間較久，同時自行研發 使用酒精汽油車（neat ethanol automobile），其酒精添加至汽油比例高達22~26%

（Moreira, 2000）。

（二）生質柴油（biodiesel）

生質柴油（biodiesel）係利用各種植物油脂做為生產原料，如〆大豆油（黃 豆 油 ） 、 玉 米 油 、 棕 櫚 油 或 動 物 油 脂 等 。 植 物 油 脂 係 由 90~95 % 的甘 油酯

（Glycerides）與脂肪酸（Fatty acid）組成，配合醇類（甲醇、乙醇）經轉酯化反 應（Transesterification Reaction）可生成直鏈酯類以製造生質柴油。

目前商業化生產生質柴油的方式是將動、植物油與甲醇混合經鹼（如NaOH 或 KOH）催化而得脂肪酸甲基酯（即生質柴油）。利用鹼催化生產生質柴油優

點為反應速率快、鹼價格便宜，如此在短時間內即可達相當高的產率。Lang et al.

（2001）以KOH 及 CH₃ONa 催化油菜籽油、葵花油等植物油，利用二階段（各 階段反應時間20分鐘）之批式反應，即於第一階段完成時分離反應產生的副產物 甘油，而後進行相同條件之第二階段反應，於25℃及甲醇/原料油莫耳比為6〆1 的條件下得到甲基酯95-97 %的高轉化率。Peterson et al.（1991）也在相同條件下，

於一階段反應1小時得到甲基酯98 %的高轉化率。生質柴油的規範開發，確實促 進生質柴油的商業化，在美國參照ASTM 石化柴油規範正在研議100 %生質柴油

（即純脂肪酸甲酯）的規格。然而生質柴油在美國通常係以20 %生質柴油與80 % 石化柴油的混合油，供為柴油引擎替代燃料，稱為B20。

（三）生質氣體

生物氣體或稱生化氣體，泛指包括糞肥、污水、都市固體廢物及其他生物可 降解的有機物質，在缺氧的環境下，經醱酵或無氧消化過程所產生的氣體，這些 氣體主要包含甲烷、氫氣及二氧化碳。

生質氣體的發展是相當被看好。目前主要回收的生質氣體有氫氣、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）。目前在基質利用方面，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 廢棄物為基質所進行的厭氧生物產能反應。

厭氧醱酵產製氫技術則是利用微生物在厭氧狀態下，由三大類細菌水解菌、

酸生成菌以及甲烷菌，依序進行水解、酸化、產氫反應而所得到之氫氣，而表2-1 為產氫技術SWOT 之技術分析。

表 2-1 厭氧產氫技術之 SWOT 分析

技術 厭氧醱酵/厭氧光合產氫技術

優勢(Strength) 1.無污染。

2.於常溫常壓下操作並不需提供額外能源，可消化廢棄物以減少 環境污染。

3.氫氣熱值相當高。

弱勢(Weakness) 技術仍在研發階段，未進入實用化階段，尚未有任何實廠化案例。

機會

(Opportunity)

1.能源工業中氫氣是極好的傳熱載體。

2.氫能可利用形式眾多。

3.物料來源豐富。

4.因應燃料電池動力的普及，氫能市場將有極大幅度的擴張。

5.台灣已有學術單位投入生物產氫的基礎研究，九年以上的深厚 基礎，在基礎技術開發上，台灣不遜於各先進國家。

威脅(Threat) 1.日本、歐盟、美國等國家皆已投入大量經費進行全面整合性之 研究。

2.各先進國家多已進入技術實用化開發階段，開始進行大規模戶 外生物產氫程序示範。受限於學術界研發規模有限，台灣在生 物產氫實用化上是較為落後的。