以廢食用油製造生質柴油之物質流分析

以廢食用油製造生質柴油之物質流分析

Waste cooking oil to biodiesel manufacturing of material flow analysis

*蔡仲騏 陳律言 國立聯合大學能源工程學系

摘要

全球石化燃料短缺且因應環保意識提升，因此各國開始致力於生質柴油的研究，國內也因應此趨勢開 始研發生質柴油。生質柴油製造原料總類眾多，廢食用油也屬於其中之一，且廢食用油屬於一般廢棄物， 故使用廢食用油製造生質柴油可降低環境負擔減少對地球之破壞。以廢食用油製造生質柴油最重要之課題 為原物料質之取得，因此若國內全面推動生質柴油所需之廢食用油來源成為了最需考量之因素，本研究針 對此議題探討國內廢食用油之產量，結果顯示國內廢食用油產量足以提供全面製造生質柴油。

關鍵字：廢食用油、生命週期評估、生質柴油、物質流分析、廢棄物管理

一、前言

世界石油存量逐漸減少，各國紛紛開始尋找替代能源，不單單僅有太陽能、風力，生質燃料也成為各 國研究項目之一。生質柴油是沒有毒性的燃料，且其排碳量較石化柴油低，對環境影響也相對較低[1,2,3]，

根據 Utlu 和 Kocak 2008 年所做的研究，使用生質柴油可以降低 CO2排放 14%、CO 排放 17.1%和排氣密度

22.5%[4,5]。全球生質柴油用量在 2008 年到 2010 年增加了十倍，預計到了 2012 年全球的生質柴油用量更 可達 21.8 億公升[6]。據估計，生質柴油可以替代歐洲柴油的用量 10%和東南亞的總燃料 5%[5]。 使用生質柴油優勢眾多，但原物料取得為製造生質柴油之重要課題，製造生質柴油可用原料有麻瘋樹、 向日葵、油桐花、油菜花等經濟作物的種子萃出油，或大豆油、葵花油等食用油和廢食用油[6,7]。然而在 眾多原物料中以經濟作物作為生質柴油原料逐漸引發爭議，以此料源製造生質柴油之成本將占總成本的 75%[3,5,7]，同時又會造成糧食短缺，這些問題在開發中國家特別嚴重[1]，使用廢食用油則較以經濟作物 製造生質柴油便宜 2-3 倍[5]，因此科學家開始使用廢棄的植物油、動物油等廢食用油製造生質柴油。借由 這些廢棄油類的使用可以使製造生質柴油的成本降低，同時也可以減少對環境的影響性[1;8]。 國內生質柴油發展自 2006 年開始地區性示範推廣，直到 2008 年正式宣布國內柴油全面添加 1%的生質 柴油(B1)，到了 2010 年更是近一步的宣布國內的生質柴油全面添加 2%的生質柴油(B2)。而在未來預計於 2015 年實施全面添加 5%的生質柴油(B5)，2025 年實施全面添加 20%的生質柴油(B20)[9.10,11]。 為確保此項政策能有效施行，確保生質柴油產量將是重要因素。由表 1 可以看到在 2008 年生質柴油 B1 化所需要的使用量為 45,000 公秉，而到了 2010 年 B2 化後，所需要的生質柴油為 100,000 公秉。為提 供所需的生質柴油，政府在 2008 年全面 B1 化的同時，開放各式原物料的使用[9]，使製造商不再需要使特 定的原料製造生質柴油，因此價格低廉、對環境影響較小同時不影響土地利用的前提下，廢食用油成為良 好的料源之一。

表 1_生質柴油推動目標 年度 2006 2007 2008 2010 2015 2025 推廣模式 環保車試行 綠色公務車 綠色城市 全面 B1 化 全面 B2 化 全面 B5 化 全面 B20 化 料源供應方式 指定料源 開放自由市場 料源種植目標(公 頃) 2,000 8,000 20,000 80,000 80,000 80,000 推廣量 (公秉) 650 6,500 45,000 100,000 NA NA 資料來源：周桂蘭 2009 台灣生質能產業發展現況與我國生質燃油推動對能源供需規劃及 CO2 排放影響分 析; 經濟部投資業務處 2007，台灣生質能產業發展現況(本研究整理) 註:2015 與 2025 兩年為展望量並非實際量 對廢食用油進行的研究有眾多，可分為(1)以廢食用油製造生質柴油之過程分析。(2)以廢食用油製造生 質柴油之特性分析。僅有少數論文有提到以廢食用油製造生質柴油過程中各項原物料的使用量及產量 [3,5,12]，國內除了環保署委託中興工程顧問公司研究的研究內有推估出國內的廢食用油總量，其餘研究大 都專注於製程以及特性的分析部分，並無研究有針對製造過程進行物質流分析。本研究主要工作在於對廢 食用油進行物質流分析，探討國內可用來製造生質柴油之廢食用油的產量及回收狀況，同時探討以廢食用 油製造生質柴油的其它原物料使用量，了解以廢食用油製造生質柴油製程之物質流動狀況。

二、 研究方法

本研究只針對廢食用油製成生質柴油的物質流分析，研究範疇設定在以國內年食用油使用量推算國內 年廢食用油產量，利用所推算之年廢食用油產量與國內環保署所統計資料對照，檢討出差異性，最後進行 以廢食用油製造生質柴油之物質流分析。本研究主要分為三大部分：(1)推算國內在民國 99 年家庭用戶、 政府機關及事業機構所產生之廢食用油總量。(2)比較廢食用油產量推估值與環保署回收總量實際值，檢討 差異成因。(3)進行以廢食用油製造生質柴油之物質流分析。 圖 1_系統邊界圖

1、 產量推估

料源供應對生質柴油製程相當重要，為使用廢食用油為生質柴油料源，必須先確定國內回收系統足以 持續供應足量之廢食用油。為確認我國廢食用油回收成效，本研究檢視我國之年度食用油使用量及廢食用 油年產生量。根據農委會於每年六月所提供的糧食供需年報得知道民國 98 年全國可使用動植物油總量約為 509,500 公噸[13]。 表 2_民國 98 年糧食平衡表 單位：千公噸 項目 國內產 量 國際貿易 存貨變 動 國內供 給 國內供給分配 進口 出口 飼料 加工 耗損 純糧食 植物油 332.3 210.3 20.7 -4.3 526.2 0 109.4 1.3 415.6 動物油 38.6 113.0 10.7 0 140.9 38.9 7.7 0.3 93.9 合計 370.9 323.3 31.4 -4.3 667.1 38.9 117.1 1.5 509.5 資料來源：農委會 98 年糧食供需年報(摘錄油脂類內容) http://www.coa.gov.tw/view.php?catid=21668 食用油可依油脂用途分為家庭用戶、政府機關與學校與民間事業機構三類。各種不同用途，食用油之 油炸率與廢棄率也有所不同。 表 3_各 用 途 別 之 油 炸 率 與 廢 棄 率 單位 油炸率 廢棄率 家庭用戶 50% 50% 政府機關 (中央、矯正機關、軍隊) 50% 50% 學校 50% 50% 事業機構 (食品製造) 40% 10% 事業機構 (住宿、餐飲、攤販) 70% 40% 資料來源：中興工程顧問公司 2009,廢食用油回收、PVC 管制及一般廢棄物清除 處理成本估算專案工作計畫(第二年)[14]

表 4_年食用油使用量與廢食用油產量計算公式 年食用油使用量 年廢食用油產量 (1) (2)=(1) ×油炸率×廢棄率 家庭用戶 (23,162,123 人 1 x255 g/人×月2×12 月/ 年)/1000000 ton/g 17,719.02 ton 中央部會 (340,106 人 3 x255 g/人×月×12 月/年)/1000000 ton/g 260.18 ton 矯正機關 (65,311 人 4 x255 g/人×月×12 月/年)/1000000 ton/g 49.96 ton 軍隊 (290,000 人 x255 g/人×月×12 月/年)/1000000 ton/g 221.85 ton 學校 (5,296,707 人 5 x255 g/人×月×12 月/年)/1000000 ton/g 3,376.65 ton 食品製造業 509,500 ton 6 ×48%14 8,982.4 ton 住宿業 (5,840 家 7 x40%11×4762 kg10)/1000 ton/kg 3,114.72 ton 餐飲業 (47,602 家 8 x70%12×4762 kg)/1000 ton/kg 44,429.42 ton 攤販業 (370,985 家 9 x10%13×4762 kg)/1000 ton/kg 49,465.66 ton 註: *1 民國99年國內總人口數[15] *2 民國95年嘉義縣試辦廢食用油回收統計國內每人每月平均食用油使用量為 255 g。[14] *3 民國 99 年國內公務人員總數(扣除教師人數)[16] *4 民國 99 年法務部所屬矯正機關人數[17] *5 民國 99 年國內學校總人數(含教職員)[18] *6 民國 98 年食品製造業分配用油量[13] *7 民國 99 年住宿業總家數[19] *8 民國 99 年餐飲業總家數[20] *9 民國 99 年攤販業推估總家數[21] *10 事業機構(住宿、餐飲及攤販)每店每年平均使用 4762 kg 食用油。[14] *11 住宿業自設廚房率 40%[14] *12 油炸類餐飲業占總餐飲業約 70%[14] *13 油炸類攤販業占總攤販業約 10%[14] *14 食品製造業製造用油率約 48%[14]

民國 95 年嘉義縣所推動廢食用油回收統計，八個月內共回收 8172 kg 之廢食用油，平均每人每月廢食 用油回收量為 1.8336 g，該研究同時指出日本人平均每人每月之食用油使用量為 255 g，平均每人每月廢食 用油回收量為 1.9125 g，台灣為日本參數之 96%，因此國內平均每人每月之食用油使用量也以 255 g 計算[14]。 住宿與餐飲業的部分，以星期五餐廳為例，廢食用油回收量為 100 kg/家×月[14]，以表 3 之油炸率與廢棄率 反推，其食用油使用量為 4,762 kg/家×月。攤販業部份由於沒有相關文獻資料，假設與住宿與餐飲業之廢食 用油回收量相同，固其食用油使用量為 4,762 kg/家×月。 假設國內近幾年來生活飲食情況不變，以上述參數進行計算，國內食用油使用量以食品製造業使用量 244,560 公 噸 最 大 ， 其 次 為 攤 販 業 176,663.06 公 噸 ， 但 根據表 4 國內廢食用油產量產源大宗為攤販 業 49,465.66 公 噸 ， 其 次 為 餐 飲 業 44,429.42 公 噸 ， 並 非 食 用 油 使 用 量 大 則 廢 食 用 油 產 量 大 ， 其 差 異 在 於 食 用 油 的 油 炸 率 以 及 廢 棄 率 的 不 同，造 成 所 推 估 廢 食 用 油 產 量 也 有 所 不 同，食 品 製 造 業 食 用 油 使 用 量 雖 為 最 大 量，但 其 油 炸 率 僅 有 40%廢 棄 率 更 是 只 有 10%，攤 販 業 之 油 炸 率 則 有 70% 廢 棄 率 40%， 因 此 得 到 食 用 油 使 用 量 最 大 並 非 等 於 廢 食 用 油 產 量 最 大 的 結 果 。

2、 回收成效

根據環保署廢管處所提供的廢食用油統計回收資料[22]，民國 96 年 9 月至民國 98 年 12 月各縣市及列 管事業機構年申報量合計分別為 2,335.29 公噸、5,140.07 公噸、8,534.67 公噸，由於環保署強制規定總資本 額超過 5000 萬元以上的西式速食店以及資本額超過 500 萬元以上且會產生廢食用油的食品製造業須向廢管 處申報廢食用油產量並回收[22]，由於現行法規只針對上述的業者進行規範，故此部分資訊所呈現回收廢 食用油量僅佔本研究所推估產量的極小部分。 表 5_環保署廢食用油年度回收量統計 單位：公噸 年度 96 年 6 月至 12 月 97 年 98 年 中央各部會及各縣市 機關 1,051 1,848 1,182 執行機關 101 232 1,425 列管事業機構 1,183.29 3,060.07 5,927.67 總計 2,335.29 5,140.07 8,534.67 民國 98 年環保署廢食用油回收統計量為 8,534.67 公噸，本研究推估民國 99 年廢食用油產量為 128,419.86 公噸，假設民國 99 年所產生之廢食用油較民國 98 年成長 10%，民國 98 年廢食用油產量應為 116,745.33 公噸，然而環保署於民國 98 年回收廢食用油總量僅有 8,534.67 公噸，其中差異在於目前國內針 對列管事業機關只限於公司總資本 5,000 萬元以上之西式連鎖速食業，及總資本額 500 萬元以上會產生廢 食用油之麵條、麵粉類食品製造業，同時政府並未強制規定家庭用戶所產生之廢食用油回收，加上廢食用 油有可能隨著飲食而進入人體，或是隨廚餘流失，因此無法將國內所製造之廢食用油全數回收，產生實際 回收量只占本研究推估量 7%的結果。以此回收量做為生質柴油原物料則勢必需要其他經濟作物的投入才可 達成，若要全面使用價格較低且環境影響較低的廢食用油做為料源則需要有更完善的回收系統才可達成。

3、

轉換效率

利用廢食用油提煉生質柴油的方式有眾多，而國內目前使用的方式是轉酯化法，轉酯化又分為鹼性製 程、酸性製程以及酵素轉化製程，依照現有技術，酵素轉化製程為花費最高的製程法，鹼性轉化製程則為 最穩定、效率高以及最便宜的製程方法，因此不論國內外各大廠大部分都使用鹼性轉化製程[23]。使用鹼 性轉化製程需使用非常精純且無水的反應物進行反應[24]，若是反應物內含有水分或油離脂肪酸時則需要 使用酸性轉化，若是採用酸性轉化製程則會使用較高的反應溫度以及較長的反應時間[25]。 表 6_製造生質柴油方法比較 鹼性轉酯化 酸性轉酯化 廢食用油(kg) 1,042.25 1,035.32 甲醇(kg) 126.8 214.45 NaOH(kg) 9.8 - H2SO4(kg) 0.15 149.09 H3PO4(kg) 7.95 - CaO(kg) 0.10 85.24 中壓蒸氣(250 o C) 935.30 933.24 低壓蒸氣(100 o C) 1,750.81 3,366.96 電力(kWh) 1.01 0.95 製造用水(kg) 48.65 39.44 冷卻用水(kg) 3143 5031 產出食用油(公噸) 1 1

資料來源Simulation and life cycle assessment of process design alternatives for biodiesel production from waste vegetable oils.[3]

由表 6 可知，以製造一公噸之生質柴油為例，若是單純使用鹼性轉酯化法其轉換效率為 95.9%，而單 純使用酸性轉酯化法其轉換效率為 96.6%，轉換效率雖高於鹼性轉酯化法，且不需要使用 NaOH 與 H3PO4， 但需投入大量之甲醇與 H3PO4，使用量遠大於鹼性轉酯化法，同時所使用之蒸汽也遠大於酸性轉酯化法， 因此在製造上不符合工廠之成本考量，因此研發出結合兩種轉化方式的製造法，先使用酸性轉化將油離脂 肪酸預酯化，在進行鹼性轉化，如此一來可結合兩種轉化製程的優點，提高轉換效率[25]，所使用物料也 僅有 H3PO4的使用量稍微提升。 圖4_二階段轉化法

根據表 7 可知，以廢食用油製造生質柴油除了文章前面所提到的廢食用油、催化劑、甲醇還需少許柴 油、硫酸、氫氧化鉀等物料加上電力與蒸氣的能量投入才可以製造出品質良好的生質柴油。其產物除生質 柴油外，還可得到甘油以及回收部分甲醇與水，皆可以利用於下一次的製造過程，有效的回收可以降低部 分成本，同時也僅產生有機廢棄物 0.0854 公噸，排碳量也僅有 0.0632 公噸，在製造出較低污染的情況下， 以廢食用油為料源成為了製造生質柴油的方式首選。 表 7_以廢食用油製造生質柴油所需物質投入與產出 使用量 產出量 廢食用油 1.1741 公噸 - 柴油 0.0201 公噸 - 水 0.0916 公噸 0.1557 公噸 甲醇 0.2587 公噸 0.1475 公噸 硫酸 0.0125 公噸 - 氫氧化鉀 0.0151 公噸 - 電 516.08 MJ - 蒸氣 642.00 MJ - 生質柴油 - 1 公噸 硫酸鉀 - 0.0222 公噸 甘油 - 0.0981 公噸 有機廢棄物 - 0.0854 公噸 排碳量 - 0.0632 公噸

資料來源: Life cycle assessment (LCA) and exergetic life cycle assessment(ELCA) of the production of biodiesel from used cooking oil (UCO) [26]

三、 結果與討論

不論以廢食用油或是經濟作物做為製造生質柴油之原物料，其製造方式大都採用轉酯化法，其差異性 在於使用經濟作物做為料源需先將其所含之油份搾取出，才可進行製造，而使用廢食用油則不需經過此步 驟，在不含有水分即游離脂肪酸時可直接利用，所產生之廢棄物與碳排放量接少於以經濟作物製造生質柴 油，若在製造過程中其餘投入之原物料皆相同的情況下，使用廢食用油製造生質柴油更能有效的減少對環 境的負擔。 國內所生產之廢食用油總量約有 40%至 50%製成其他產物[27]如肥皂原料、飼料添加物、工業原料(硬 脂酸)等[28,29]，因此使用廢食用油製造生質柴油之比例約為 50%至 60%。根據研究資料顯示國內廢食用油 產量足以提供製造生質柴油，但是在回收方面還有很大的障礙需要突破。以目前國內的情況看來，民國 98 年回收總量為 8,534.67 公噸，僅佔本研究推估之 7%，可見回收系統並非完全建立，在政府的推廣下，雖然 從 96 年至 98 年從回收 2,335.29 公噸成長至 8,534.67 公噸[22]，雖然有一定程度的廢食用油經由食物而被 人體所吸收，或是隨著廚餘而流失掉，但是對整體的影響不大，因此可以確定的是目前的回收機制還是有 著很大的改進空間。目前國內所回收的廢食用油僅立法針對總資本額超過 5000 萬元以上的西式速食店以及 資本額超過 500 萬元以上且會產生廢食用油的食品製造業進行列管[22]。對於一般家庭用戶、小型餐廳、 攤販、以及住宿業者並未列為管制對象，造成大多數的廢食用油未被回收，因此若要以廢食用油製造生質 柴油，建立起完善的廢食用油回收系統來回收國內所產生的廢食用油將是目前國內最應該執行的項目。 根據本研究所推估結果，國內廢食用油生產大宗為攤販業，對於小成本的攤販業毫無規範，因此造成 實際廢食用油回收量遠低於推估值，而家庭用戶部分也並無設立任何機制提供民眾回收廢食用油，因此可 採用隨垃圾車一併回收或定點回收政策，藉由垃圾車來回收廢食用油可以有效的回收廢食用油減少廢食用 油流入下水道造成汙染，長期的推廣以及小地方的實施，可以提升民眾對廢食用油回收的觀念，增加回收 總量。 在製造過程方面，除了投入廢食用油外，還需有甲醇、氫氧化鉀(氫氧化鈉)、硫酸等物料的投入，根 據表 7 可知，甲醇可在生質柴油的製造過程中回收再利用，可回收約 57%的甲醇，同時所使用的水資源只 要進行過濾之後即可繼續使用，而其他物料雖無法回收再利用，但其使用量僅占少部分，同時也容易取得， 因此綜合以上觀點，以廢食用油製造生質柴油最重大的考驗在於廢食用油的取得，在國內廢食用油產量充 足的情況下，建立良好的回收機制成為了以廢食用油製造生質柴油最關鍵的影響，有了良好的廢食用油回 收機制方可輕易的達成前述政策目標。

四、 結論

生質柴油的製程，選用廢食用油不需要占用到土地的利用能減少環境的負荷，在購買價格方面也較經 濟作物低廉。本研究推估出國內可回收之廢食用油總量為 127,619.86 公噸，以轉換效率 90%計算，若是全 面將國內回收之廢食用油製造成生質柴油，則可獲得 114,857.874 公噸之生質柴油，是政府推廣量的 114.85%， 在扣除製造肥皂、飼料添加物等其他物料所需要之廢食用油使用量後，可用來製造生質柴油之廢食用油還 有超過 110,000 公噸以上廢食用油可利用，由此可見在不影響國內土地利用的前提之下，確實有足夠的原 物料提供製造國內所需之生質柴油。 目前國內在利用廢食用油製造生質柴油所面臨到最重要的問就是回收不完全，國內目前廢食用油的回 收僅占本研究所推估之 7%，必須將廢食用油回收的觀念推廣至國內所有家庭用戶，並立法有效管理除現有 規定外之住宿、餐飲業等廢食用油回收，在有效率的回收國內之廢食用油後，配合目前現有技術將可以完 全不需要依賴經濟作物即可製造生質柴油，達成目前政策實際推廣量，減少 80,000 公頃之土地利用。到了 2015 年，只要推廣量不超越現有推廣量之 10%，則以廢食用油製造之生質柴油將持續足量供應製造生質柴 油。

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