適合臺灣栽培之能源作物的研發方向
楊金興、林俊義、陳甘澍、賴瑞聲、劉新裕、賴永昌 行政院農業委員會農業試驗所
前 言
自從工業革命後，人類大量使用煤炭、天然瓦斯及石油等，造成空氣 污染，形成「溫室效應」，使全球氣候變遷，天然災害不斷，影響環境生 態致巨，威脅人類生存。有鑑於此，聯合國制訂『京都議定書』於 2005 年 2 月 16 日正式生效，限制全球溫室氣體排放量(尤其是 CO2)，第一階段 2008 年到 2012 年之間，受管制氣體的總排放量平均值，要比 1990 年減少 5.2%，已成為國際間重大環保課題。
臺灣溫室氣體排放量達全球百分之一，是世界第二十二位。為配合京 都議定書精神及因應未來的國際趨勢，我國於今年(2005)6 月 20 日舉行全 國能源會議，在具體結論中，CO2減量目標為2010 年要減少 2,300 萬公噸，
2015 年減少 7,100 萬公噸，2020 年減少 12,100 萬公噸。為達成目標， 2010 年將推廣再生能源佔總能源比率 3~5%，其中酒精汽油 2010 年要推廣 100~300 萬公秉，2015 年推廣 200~600 萬公秉，2020 年 300~900 萬公秉；
生質柴油2010 年目標 10 萬公秉，2020 年 15 萬公秉。
臺灣能源資源缺乏，進口能源所占98.0％；進口能源以石油占 51.1％
最高，總消費量達四千五百萬公秉。由於石油危機及地球蘊藏量有限，造 成油價節節高升，所以世界各國無不竭盡全力，設法提高能源的使用效 率，或積極開發可以取代石油的替代能源，我國也不例外。
能源作物利用太陽能及吸收空氣中CO2能進行光合作用，生產之生物 質(biomass)貯存化學能，在常溫常壓下即能進行，是一種極具希望與有效 率的能源生產方法，生物質可經過加工成燃料或直接燃燒生成熱能或電能 利用，而且CO2循環利用，不會增加大氣中CO2濃度。由於兼具能源與環 保雙重貢獻，是國際公認優良的再生能源或清潔能源，世界各國均積極開 發利用。
由於耕地面積有限，糧食安全與能源利用具競爭性，德國因石油價格 高，生產之油菜有 3/4 用於能源；一般而言，以休耕農地或開發休閒地生 產生質能源，日本農業生產情況與國內類似，也因進口廉價農產品，造成 約40 萬公頃休耕農地，估計如每公頃生產乾物量為 15 噸，每年可生產能 源約120 PJ，再加上開發 120 萬公頃栽培短期之第二期作物，可達每年 120
PJ 的能源量，約可提供 1%的總能源消耗量，如果種植適當的能源作物，
提高作物生產量，則可達到1. 44 EJ/年，約占 7% (Yamamoto et al., 2005)，
今(2006)年日本也立法通過積極開發利用生質能源，主要以甘蔗、甜菜、
米麥 (庫存米) 等生產生質乙醇。
國內每年約有二十幾萬公頃農田休耕或種植綠肥作物，如能充分利用 種植適當之能源作物，將對農業、環保及能源具有重大意義。
能源作物發展現況
能源作物生產之生物質 (biomass) 可經燃燒、裂解、發酵及氣化等技 術，做成燃料或發電利用，稱為生質能源，大致有直接燃燒、生質乙醇 (bioethanol) 、 生 質 柴 油 (biodisel) 、 生 質 沼 氣 (biogas) 、 生 質 甲 醇 (biomethanol)、生物質生成液體燃料 (biomass to liquid) 等。
由利用料源成份不同可分為固體燃料 (林木、作物莖葉等) 、醣類作 物、澱粉類作物、油料作物及纖維素等，目前以生產生質乙醇和生質柴油 用於運輸燃料 (與汽油或柴油參配使用) 為最大宗。
生質乙醇以糖質（如甘蔗、甜高梁、甜菜等）及澱粉類作物 (馬鈴薯、
木薯、甘藷、玉米及穀類等）經發酵生產為主，據研究評估，將來纖維素 生產生質乙醇較具發展性。
生質柴油以高油份含量植物 (如大豆、向日葵、花生、油菜籽、棉花 籽、胡麻、亞麻、蓖麻、橄欖、油棕、椰子、油桐等等) 之植物油經轉脂 化反應 (trans-esterification) 的程序製成的燃油，可作為燃料油，可替代柴 油利用，其副產物 (甘油) 具有各種商業用途 (如化粧品、醫藥品、牙膏 以及止咳糖漿等等) 。
巴西是利用生質乙醇最有名的國家為，主要利用蔗糖來製造；1973 年 開始推動生質乙醇燃料計畫，2004 年生產量達 1,510 萬公秉，成本只有約 6 元/公升。 2003 年推出汽油、酒精雙燃料車，2004 年銷售總量達 25 萬 輛以上；近年來因製糖甘蔗原料短缺，正加速進行利用甜高粱生產酒精的 研究。
其次為美國於 1978 年頒佈能源發展法案，為推動使用酒精來代替汽 油，訂定許多優惠稅法。主要作物為玉米及甜高梁等植物提煉。 2003 年 美國國會立法要求在未來10 年中，每年要在汽油中增加 50 億加侖的玉米 乙醇。2004 年生產 1,338 萬公秉，主要以玉米為主，成本只有約 10 元；
巴西及美國兩國產量約佔世界75% 以上。
歐盟於 1993 年大力推動乙醇汽油計劃，要求成員國在汽油燃料中添
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加5%的乙醇，訂定發展目標分別為 2005 年 370 萬噸，2010 年 970 萬噸，
2015 年 1,244 萬噸 (表一) 。英國、德國、法國、義大利等主要歐盟國家 都制訂了相應的替代能源計劃，以甜高梁及穀類作物作能源作物生產。
生質柴油目前全世界年產量已超過250 萬噸以上，其中歐洲占 80%以 上，德國是生質柴油發展最成功的國家，訂定發展目標 (表二) 為 2005 年 占柴油總量之 2.00%約共 70 萬噸，而產能達 150 萬噸，種植作物面積有 107 萬公頃；2006 年產量已達 200 萬公噸；2010 年目標為 5.75%，須 206 萬噸生質柴油，產能為200 萬噸，種植面積須 143 萬公頃；2015 年目標為 8%，須 275 萬噸，產能為 370 萬噸，栽培面積須 264 萬公噸。歐盟生質能 源發展目標 (表一) 為 2005 年 2.0%，2010 年 5.75%，2015 年 8.0%，其中 生質柴油需要量分別為2005 年 369 萬噸，2010 年 1,100 萬噸及 2015 年 1,670 萬噸。
由於德國大量生產生質柴油及獎勵措施，主要以冬油菜為主， 2004 年油菜平均產量約為3.8 t/ha ，含油率約 40~50%；2006 年可達 5.0t/ha，
此由於雜交種F1 的種植面積增加，種植面積從 1996/7 年的 3.3%，到 2003/4 年達49.1% (表三) 。所生產之油菜油約有 3/4 作為能源用。
國內 2005 年才開始進行能源作物之可行性評估， 2006 年示範推廣
2,000 公頃，2007 年預定目標為 6,000 公頃，2008 年達 20,000 萬公頃 (表四) 。為鼓勵農民利用休耕田種植能源作物，每公頃可獲補助達 6 萬元。
目前評估以生質乙醇為發展重點。
表一、歐盟生質能源發展目標
項 目 2005 年 2010 年 2015 年
占柴油及汽油總比率(%) 2.00 5.75 8.00
生質柴油(萬噸) 369 1100 1670
生質酒精(萬噸) 374 970 1244
(資料來源: Bockey, D. 2006.)
表二、德國生質柴油發展目標
項 目 2005 年 2010 年 2015 年 占總柴油比率(%) 2.00 5.75% 8.00
需要量(萬噸) 70 206 275
產能(萬噸) 150 200 370
(資料來源: Bockey, D. 2006.)
表三、德國油菜栽培面積及雜交種(F1)栽培面積比較 年 度 總面積
(千公頃)
雜交種(F1)面積 (千公頃)
雜交種(F1)所佔比率 (%)
1996/7 858 28 3.3
1997/8 959 50 5.2
1998/9 1150 92 8.0
1999/00 1046 160 15.3
2000/01 1116 215 19.3
2001/02 1276 430 33.7
2002/03 1218 570 46.8
2003/04 1262 620 49.1
(資料來源: Specht, M. 2004.)
表四、臺灣預定推廣能源作物面積及生質柴油產量
項 目 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年
推廣面積(公頃) 90 2,000 8,000 20,000 生質柴油產量(公秉) - 3,100 6,100 45,000
能源作物之特性
一般良好之能源作物有下列特點：一、生長快、生產力高、生育期間 短之作物；二、適應性大、容易栽培之作物，可密植栽培，粗放管理，且 提高栽培密度後，各株的生長率、生產量仍然很高；三、能源生產量高的 作物，高生產能源/投入能源之比例；四、生產成本低，搬運容易之作物；
五、機械化操作容易等。
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20-30 40-50 70-100 70-100 20-50
最適溫度 15-20°C 25-30°C 30-35°C 20-30°C 25-35°C 有效溫度 5-30°C 10-35°C 15-45°C 10-35°C 10-45°C 最大生長速率
(g m-2day-1)
20-30g 30-40g 30-60g 40-60g 20-30g 水分利用率
(g/g)
400-800 300-700 150-300 150-350 50-200
作物種類 馬鈴薯，燕
能源作物研究概況
種植能源作物除獲得最高之生質量外，最重要需考慮能源產出/投入比 要高，或獲得之淨能最高，且適合加工生產，以及對環境之效益 (例如減 少CO2排放量高) 。
一、篩選高生物質產量作物：
一般C4型作物有較高之生物質產量，尤其在高溫多濕地區產量更高，
乾物重可達64.8 噸／公頃， C3型只有33.6 噸／公頃（Bassham，1980）。
在德國以大麻，白楊樹，冬裸麥，柳樹等10 種植物及作物品種(籽)，在不 同氮肥 (0，75，150kg/ha) 下，為期 6 年篩選適合作為能源的植物，結果 以大麻，白楊樹及冬裸麥的乾物質產量最高，在高肥區可達 8~12 噸，白 楊樹在無肥區產量最高可達約 7 噸，估計 3 種植物可獲得能源約 120 GJ ha-1yr-1 以上，其中以白楊樹燃燒後空氣污染最少，可作為直接燃燒利用 ( Scholz and Ellerbrock, 2002) 。
二、篩選低成本、高能源產出/投入比之作物：
由於地區各環境氣候及生產條件不同，種植不同之能源作物投入之成 本、能源，必須審慎評估。Bastianoni, S. and N. Marchettini ( 1996) 研究分 析不同地區能源作物生產生質乙醇結果 (表六) ，相同作物不同地區其能 源產出/投入比有相當大之差異，在巴西為 4.35 倍，在美國為 3.38 及 1.23 倍，在美國及巴西種植甘蔗可獲得之淨能為正數，而義大利利用葡萄生產 生質乙醇其淨能為負數。在義大利比較甜高粱，纖維用高粱，高肥料小麥 及低肥料小麥的全株利用能源產出／投入比率，以甜高粱較高可達23 倍，
小麥約有12 倍 (Monti and Verturi, 2003) 。Gustavsson et al., ( 1995) 分析 不同之料源生產成本以木削、作物殘體、楊柳樹等較低，約低於油菜約3~4 倍。希臘以向日葵生產生質柴油所產出能量為 47.3 GJ/ha，投入的能源為 10.49 GJ/ha，其比率為 4.5:1 (Kallivroussis et al., 2002)。
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(資料來源: Bastianoni, S. and N. Marchettini, 1996) 則不適合，如果兩種作物非全株利用，則均不符合效益 (Monti and Verturi, 2003) 。估計酒精生產所需能源約 18.33 MJ/kg (Parisi, 1988) ，甜高粱消 耗能量為16 MJ/kg (Bonari et al., 1996) ，小麥穀粒消耗能量為 19.8 MJ/kg，麥稈消耗能量為 18.5 MJ/kg (Irarsson and Nilsson, 1988)。小麥酒精 轉換率約為28.6%，酒精產出能量為 26.8 GJ/t (Parisi, 1988)。甜高粱酒精轉 換率約4.7%，顯然偏低，渣為 29.4% (Venturi et al., 1993; Parisi, 1988)。 efficiency) 為作物生產每噸乾物重所須之能源。 Swanton 等人 (1996) 分 析比較1975 年及 1991 年玉米及大豆生產之能源效率，在 1975 年玉米每
生產1 噸乾重需要 87.95 公升柴油油當量，到 1991 年只要 44.16 公升，能 量而減產或因增加管理操作而增加能源。Monti and Verturi (2003) 在義大 利分析能源利用效率，以小麥較高在1-3.3 之間，甜高粱只有 0.96-0.85 之 間。
希臘以向日葵生產生質柴油產出能量為 47.3 GJ/ha，投入的能源為 10.49GJ/ha，其比率為 4.5:1，其投入能量以 N 肥的 42.4%最高，其次為油 料33.9%最高，再次為運輸 13.3% (Kallivroussis et al., 2002) 。美國玉米生 產以肥料所占比率最高 (71~74%)，大豆以肥料 33.3%及除草劑之 22.2 %
Bastianoni, S. and N. Marchettini (1996) 比較巴西及美國甘蔗生產生質 乙醇做為燃料之 CO2 排放量，以佛羅里達減少之 CO2 排放量最高 (表
(資料來源: Bastianoni, S. and N. Marchettini, 1996)
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一、適合生產生質酒精之作物：
（一）甘藷：
為葡匐地面生長習性的一年生或多年生草本植物。栽培種的染色體數 目，2n=90，起源予以墨西哥為中心的熱帶美洲，臺灣是在 17 世紀初期，
為葡匐地面生長習性的一年生或多年生草本植物。栽培種的染色體數 目，2n=90，起源予以墨西哥為中心的熱帶美洲，臺灣是在 17 世紀初期，