以稻草作為生質燃料之能源平衡評估－以台灣為例
Straw as a biomass fuel to the energy balance assessment - In Taiwan
*蔡旻翰 陳律言 國立聯合大學能源工程學系
台灣本島年平均每年約有 100 萬公噸的稻草產量，稻草乾重熱值 3618 kcal/kg 計算，台灣每年產
生之稻草即內含約 3.618×10
12kcal 之潛在可利用能量。本研究是將稻草作為生質燃料之應用，其中選
擇的處理方式有燃燒發電、稻草製成固態衍生燃料、稻草製成酒精，將這三種方法各自的流程做能量
平衡分析，目標是以稻草作為生質燃料之原料以生命周期評估其能量投入與估計淨能量值。目前台灣
若想從稻草取得更多的能量，可以在彰化和雲林蓋一座以稻草為燃料的火力發電廠，約可產生 190
GWh 和 180 GWh 的淨能量輸出。
關鍵詞：生質能、稻草、廢棄物處理
1. 前言
稻草內含能量為可利用生質能源之一，若能有效規劃 運用，將可兼顧生質能源利用及農業廢棄物處理之效益。94 到97 年間，台灣本島年平均每年約有100萬公噸的稻草產量， 稻草乾重熱值3618 kcal/kg計算，台灣每年產生之稻草即內 含約3.618×1012 kcal之潛在可利用能量。然而這些潛在可利 用之生質能因地不同而潛在的能量也不盡相同，相應之開發 應用仍需配合縝密規劃與執行。有鑑於此，本研究重點即在 評估我國可資利用之稻草生質能資源，及其有效率之利用方 式。
淨能(Net energy value ，NEV)評估通常是能源的內容扣 除生產階段時能源投入，以這種方式來看，稻草是否有作為 替代燃料之原料選擇的吸引力。一般而言，淨能量值為正的 話，則這個新燃料具使用潛力，其值為負則否。目前在各國 有用各種作物或原料進行生命周期(LCA)的研究。例如，［ Khatiwada 及 Silveira. 2009］在尼泊爾分析以製作蔗糖之副 產品蜜糖為原料製作乙醇的能源評價。［Prakash 等. 1998］ 在印度研究以糖蜜為原料製作乙醇的能源效率。［Nguyen 等. 2007］［Nguyen 等. 2008］完成了在泰國以番薯和糖蜜 為原料製作乙醇之能量分析。［Saga 等. 2010］在日本完成 水稻製成乙醇之兩種製作過程之能量分析。NEV是LCA研究 中的一部份，而且可用來判斷新生質能是否具可利用價值之 依據。 本研究是將稻草作為生質燃料之應用，其中選擇的處理 方式有燃燒發電、稻草製成固態衍生燃料（densified refuse derived fuel，d-RDF 或RDF-5）、稻草製成酒精，將這三種 方法各自的流程做能量平衡分析，目標是以稻草作為生質燃 料之原料以生命周期評估其能量投入與估計淨能量值。並依 照台灣情況來計算台灣有多少稻草可提供能源。本研究成果 可供給我國政府作為尋求本土化生質替代化石燃料與農業 廢棄物處理之政策評估參考。
2. 研究方法
本研究範疇如圖一所示，包含稻草收集、運輸、加工處 理、配送等部分之整體過程所涉及之能量投入及產出，但再 生能源方面之能量投入並不在研究範圍內。本研究假設是假 設稻草可被應用於三種用途：製成生質酒精、RDF，和作為 發電燃料。基於前述之三種用途，本研究評估台灣之稻草產 量及應用於各種用途時所涉及之能量投入與產出。 圖一、研究範圍 本研究主要分成三大部分：(1)收集及推算在本研究範 圍內之人為投入能量，其中在工廠製作及之後部分又將燃燒 發電、製成 RDF 和酒精分開推算。(2)收集將稻草燃燒發電、 製成 RDF 與酒精所需年消耗量之資料。（3）收集台灣各地 稻草年產量資料。 本研究所用數據之來源及計算方式可分述如下: (1) 運輸所需消耗之能量：依據經濟部能源局車輛耗能研
究之統計資料，公式：公升油當量＝公升油當量/延噸公 里×延噸公里。油當量 9000 Kcal/liter；延噸公里為貨車 所運送貨物之重量與其運程乘積之和。 (2) 能源平衡評估之淨能量值：NEV＝總再生能源產出之能 量-全部主要投入的能源。 當稻米收成之後，要將田中散佈之稻草收集成綑，由業 界人士提供之數據為 4 公升之柴油約可收集一分地之稻田。 而將整捆稻草運送至工廠之距離，假設以工廠平均 36 公里 之範圍(Wey 及 Hong. 2006) 本研究在工廠投入能量方面，由於無工廠直接提供資料 資料，故以目前已有人作過的部分或者用工廠流出數據計算 此部分。 根據工研院 2005 年《推動生質柴油及稻稈生質能處理 策略分析及成本效益》期末報告中提到再西班牙已有稻稈發 電廠之設立，而淨發電量為 25 MW，另提供 2.5 MW 之電 力作為系統本身電力需求。稻稈產生電力之效率為 160,000 噸稻稈，約產生 200 GWh 之電力。以此作為稻草發電計算 基準。 依據(馮彥碩 2007) 其中能源消耗較少的製作方式，當 90 cm、重量約 500 g 稻稈先經壓榨再烘烤消耗電力則為 3.33 度電，而將稻稈擠壓消耗電力約需耗費 0.024 度電，作為稻 草製成 RDF-5 之能量需求，以此計算一公斤稻稈製成 RDF-5 時消耗能量。 稻草製成酒精的能源消耗從(陳柏瑞 2008)中提到稻稈 纖維素與酒精轉換系數 5 tonne/kl，煉製 225000 噸稻稈過程 中的總用電量 153.3 億 kWh。
3. 研究結果與討論
3.1 稻草運送到工廠所需能量
稻米收割後稻草會排成一整排，將曝曬後用四公升柴油 由機械將一分地之稻草捲成一綑，故這段過程一公斤稻草約 消耗 362 kJ；將整綑稻草運送至工廠，平均運送 36 公里， 再依據運輸所需消耗之能量公式，計算後得到一公斤稻草運 送至工廠總消耗能量為 907 kJ。3.2 工廠製作所需能量
將稻草送入工廠製成 RDF-5、酒精和直接燃燒發電這三 種方式所需投入的能量、產品內含熱值、產品產率、能量產 率及一年所需稻草量之分析如表一。 表一、工廠製作製成 RDF-5、酒精和直接燃燒發電時所需能 量表。 處理 方式 計算 資料 直接發電 製造 RDF-5 製造酒精 人為投入 能量 432 kJ/1 公斤 稻草 24120 kJ/1 公斤稻草 245280 kJ/1 公斤稻草 輸出生質能 能量 4122 kJ/1 kg 稻草 16000 kJ/1 公斤稻草 4688 kJ/1 公 斤稻草 淨能 3690 kJ/1 kg 稻草 -8120 kJ/1 kg 稻草 -240592 kJ/1 kg 稻草 稻草年消耗 160000 公噸 21120 公噸 225000 公噸3.3 運送所需能量
根據 2009 年台灣電力公司資料顯示 2008 年電線損失 值 4.58％，由此可知一公斤的稻草發出的電約有 178 kJ 浪 費在電路上；假設一公斤 RDF 以大貨車運輸、而酒精以油 罐車運輸，由於並未假設目的地，故只經由車輛運輸能量消 耗公式分別算出一公里消耗之能量是 2.9 kJ 和 2.7 kJ。3.4 94 到 97 年台灣各地稻草年平均產量
台灣各地稻草產量由行政院農委會農糧署所公布的統 計數據資料，本研究將 2005 年到 2008 年之產量整理如表 二。其中台中、彰化、雲林、嘉義、台南這三個地區佔全台 68％的稻草產量，而彰化跟雲林佔全台 36％的產量。 表二：94 到 97 年台灣各地稻草年平均產量表 地區 稻草年平均產量 (公噸) 地區 稻草年平均產量 (公噸) 台北縣 2622.5 南投縣 21676 宜蘭縣 47296.25 雲林縣 209342 桃園縣 41959 嘉義縣 153036.3 新竹縣 32490 台南縣 110129.8 苗栗縣 47404.5 高雄縣 24843 台中縣 121174.5 屏東縣 34295.75 彰化縣 220003.8 台東縣 53689.15 花蓮縣 59314.75 利用稻草做為生質燃料原料，人為投入的能量與生產出量能源的過程如圖二，在工廠部分，RDF-5 跟酒精投入的能 量就已經大於生產之能量，而燃燒發電就算要扣到 178 kJ 的能量將一公斤稻草生產出來的電輸電到用戶端仍有剩餘， 故要利用稻草產生更多能源，燃燒發電是一個較佳的方法。 圖二、稻草製作成生質燃料之能量平衡圖 但以全台灣各地稻草產量來看，想用稻草直接燃燒發電 只有彰化、雲林達到年需求的量，RDF 製作工廠只有台北 未達到年需求，而各縣市是尚未有足夠製作酒精的年需求。 目前台灣若想從稻草取得更多的能量，可以在彰化和雲林蓋 一座以稻草為燃料的火力發電廠，約可產生 190 GWh 和 180 GWh 的淨能量輸出。
4. 結論
由於製作 RDF 時所需投入之稻草較少，在台灣除台北 地區，都可以直接在當地製作，但因淨能量值為負，故目前 尚未能完全運用這種方式；目前只有燃燒發電之方式淨能量 值為正，但稻草年需求量大只有中部地區有足夠的稻草做為 燃燒發電之原料，若能將全中部地區之稻草收集作燃燒發電 之用途，則能減少中部地區燃煤發電之需求；至於將稻草製 成酒精部分，因稻草需求量大，目前尚未有縣市能獨立提供 其所需。參考文獻
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