生質能技術生質能技術

(1)

生質能技術

台大生機系台大生機系馮丁樹教授馮丁樹教授

(2)

3/17日作業題目

•1. 生質能之優點如何? •2. 生質能之項目有那些?

*請用A4紙作答

(3)

生物質能技術

• • 生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，一種以生物質為載體的能量，它可種能量形式，一種以生物質為載體的能量，它可直接或間接產生熱、作為燃料或發電。直接或間接產生熱、作為燃料或發電。 • • 生物能是第四大能源，而且遍佈世界各地，其蘊生物能是第四大能源，而且遍佈世界各地，其蘊藏量極大。據估計地球上每年植物光合作用固定藏量極大。據估計地球上每年植物光合作用固定的碳達的碳達2x10_2x101111_t_t_{，含能量達}_{，含能量達}_3x10_3x102121_J_J_{，因此每年通過}_{，因此每年通過} 光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當於全世界每年耗能量的相當於全世界每年耗能量的10₁₀倍倍

(4)

(5)

植物光合作用的過程

• • 與品種、生長週期、繁殖與種值方法、收穫方法、抗與品種、生長週期、繁殖與種值方法、收穫方法、抗病抗災性能、日照的時間與強度、環境的溫度與濕病抗災性能、日照的時間與強度、環境的溫度與濕度、雨量及土壤條件有關度、雨量及土壤條件有關 • • 光合作用的轉化率約為光合作用的轉化率約為0.5_0.5-_-5% _5% • • 整個生物圈的平均轉化率可達整個生物圈的平均轉化率可達3₃-_-5%。_5%。 • • 玉米之轉化率則達玉米之轉化率則達4%，自然生態系則較低，陸地為_4%，自然生態系則較低，陸地為 0.3% 0.3%，海洋為，海洋為0.06%_0.06%。。 • • 世界上約有廿五萬種生物，理想的環境與條件下，其世界上約有廿五萬種生物，理想的環境與條件下，其總光合效率可達總光合效率可達8₈--15%15%，一般平均則為，一般平均則為0.5%左右。_0.5%左右。

(6)

Bio

(7)

生質能之優點

• • 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統 • • 不含硫，故比化石燃料乾淨，不會污染環境不含硫，故比化石燃料乾淨，不會污染環境 • • 可用於熱、動力、發電，提供廉價能源可用於熱、動力、發電，提供廉價能源(₍於某些於某些條件下條件下₎₎ • • 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統，是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統，將有機物轉化成固體、液體及氣體性的燃料，可將有機物轉化成固體、液體及氣體性的燃料，可減少環境公害減少環境公害(₍例如，垃圾燃料例如，垃圾燃料)₎ • • 與其他非傳統性能源相比較，技術上的難題較與其他非傳統性能源相比較，技術上的難題較少。少。

(8)

生質能之缺點

• • 發熱量低，僅能小規模利用發熱量低，僅能小規模利用 • • 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物 • • 單位土地面的有機物能量偏低單位土地面的有機物能量偏低 • • 缺乏適合栽種植物的土地缺乏適合栽種植物的土地 • • 有機物的水分偏多有機物的水分偏多(50%_(50%∼∼95%)_95%) • • 其性質、形狀、大小等不均勻，體積膨其性質、形狀、大小等不均勻，體積膨鬆，其收集、堆積及搬運等作業均有困鬆，其收集、堆積及搬運等作業均有困難。難。

(9)

傳統之生物質

• • 1. 1. 家庭使用的薪柴和木炭；家庭使用的薪柴和木炭； • • 2. 2. 稻草，也包括稻殼；稻草，也包括稻殼； • • 3. 3. 其他的植物性廢棄物；其他的植物性廢棄物； • • 4. 4. 動物的糞便。動物的糞便。

(10)

新型式之生物質

• • 可以大規模用於代替常規能源亦即礦物類可以大規模用於代替常規能源亦即礦物類固體、液體和氣體燃料的各種生物能。巴固體、液體和氣體燃料的各種生物能。巴西、瑞典、美國的生物能計畫便是這類生西、瑞典、美國的生物能計畫便是這類生物能的例子。物能的例子。 • • 木質廢棄物（工業性的）、甘蔗渣（工業木質廢棄物（工業性的）、甘蔗渣（工業性的）、城市廢物、生物燃料（包括沼氣性的）、城市廢物、生物燃料（包括沼氣和能源型作物）。和能源型作物）。

(11)

能源作物之分類

藍珊瑚、薄荷、油加利、葡萄牙草藍珊瑚、薄荷、油加利、葡萄牙草石油植物石油植物甘藷、馬鈴薯、玉米甘藷、馬鈴薯、玉米澱粉作物澱粉作物甘蔗、甜菜、甜玉米、甜楓、甜椰甘蔗、甜菜、甜玉米、甜楓、甜椰糖料作物糖料作物玉米、菜籽、紅花、大豆、花生、胡麻、蓖麻、亞玉米、菜籽、紅花、大豆、花生、胡麻、蓖麻、亞麻、大麻、棉、橄欖、椰子、油椰、桐油、向日葵麻、大麻、棉、橄欖、椰子、油椰、桐油、向日葵油料作物油料作物 ( (田間田間))稻草、榖殼、蔗渣、蔬菜廢棄物稻草、榖殼、蔗渣、蔬菜廢棄物 ( (畜產畜產))豬糞尿、雞糞豬糞尿、雞糞 ( (林產林產))鋸木屑、木材殘角材鋸木屑、木材殘角材 ( (食品業食品業))果皮加工殘渣、廢液果皮加工殘渣、廢液農業殘留農業殘留代表例代表例種類種類

(12)

油料作物之能源含量

38.5 GJ/t 38.5 GJ/t 柴油柴油DieselDiesel 39.7 GJ/t 39.7 GJ/t 向日葵向日葵SunflowerSunflower 39.7 GJ/t 39.7 GJ/t 紅花紅花SafflowerSafflower 40.4 GJ/t 40.4 GJ/t 菜仔油菜仔油CanolaCanola Energy Content Energy Content Oil Crop Oil Crop

(13)

生質能之舉例

• • 農作物殘渣不可毫無限制地供作能源轉換，有大部份仍農作物殘渣不可毫無限制地供作能源轉換，有大部份仍需回歸田間。需回歸田間。 • • 牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能，但目前之處理牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能，但目前之處理均將糞便經過厭氧處理，會產生甲烷和可供肥料使用之均將糞便經過厭氧處理，會產生甲烷和可供肥料使用之淤渣。淤渣。 • • 製糖作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能。製糖作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能。其最大的優點，在於可直接發酵變成乙醇。其最大的優點，在於可直接發酵變成乙醇。 • • 水生藻類，主要包括海洋生的馬尾藻、巨藻、海帶等，水生藻類，主要包括海洋生的馬尾藻、巨藻、海帶等，淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等均可作為燃料，或製淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等均可作為燃料，或製成堆肥。成堆肥。 • • 城市垃圾直接燃燒可產生熱能城市垃圾直接燃燒可產生熱能,_,或是經過熱解體處理而製或是經過熱解體處理而製成燃料使用成燃料使用

(14)

生物能的開發和利用

• • 燃燒燃燒：直接燃燒生物質來產生熱能、蒸汽：直接燃燒生物質來產生熱能、蒸汽或電能或電能 • • 生產液體燃料生產液體燃料：快速成長作物樹木、糖與：快速成長作物樹木、糖與澱粉作物（供製造乙醇）、含有碳氧化的澱粉作物（供製造乙醇）、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。合作物、草本作物、水生植物。 • • 生產氣態燃料：生產氣態燃料：沼氣及各種堆肥過程中之沼氣及各種堆肥過程中之副產品。副產品。

(15)

生物燃料

(

₍

Biofuels

_Biofuels

)

₎

• • 生物柴油生物柴油₍₍_Biodiesel_Biodiesel₎₎ – – 一種酯類，可利用蔬菜油、動物脂肪、藻類或一種酯類，可利用蔬菜油、動物脂肪、藻類或廚餘油脂等提煉，可為柴油添加劑，以減少排廚餘油脂等提煉，可為柴油添加劑，以減少排氣污染。氣污染。 • • 乙醇乙醇 (Ethanol)_(Ethanol) – – 酒精，以高碳水化合物之生物質如玉米類進行酒精，以高碳水化合物之生物質如玉米類進行醱酵醱酵 • • 沼氣沼氣

(16)

能源植物

—

_—

能生產

“

綠色石油

”

的各類植物

• • 大戟科植物。樹脂海桐、油棕桐樹及油桐大戟科植物。樹脂海桐、油棕桐樹及油桐樹等樹等 • • 歐洲以菜籽油等為石油替代燃料歐洲以菜籽油等為石油替代燃料 • • 這些石油植物含有豐富的碳化氫，可以溶這些石油植物含有豐富的碳化氫，可以溶劑劑(₍丙酮、苯丙酮、苯)₎粹取碳化氫成分，如加利油、粹取碳化氫成分，如加利油、薄荷油的發熱量、辛烷值均高，可直接作薄荷油的發熱量、辛烷值均高，可直接作為燃料或與汽油混合使用，對汽油引擎的為燃料或與汽油混合使用，對汽油引擎的適應性高適應性高

(17)

碳化物作物之含量

(18)

氣化燃料

• • 沼氣：藉分解細菌將糞尿中之有機物轉換沼氣：藉分解細菌將糞尿中之有機物轉換為甲烷氣為甲烷氣 • • 甲烷氣含約甲烷氣含約60%_60%甲烷，可與都市瓦斯產生甲烷，可與都市瓦斯產生同等之熱量。沼氣每立方米為同等之熱量。沼氣每立方米為5500₅₅₀₀-_-5800₅₈₀₀大大卡卡

(19)

沼氣形成之條件：

•• 足够的沼氣發酵原料足够的沼氣發酵原料 • • 有一定量的厭氧活有一定量的厭氧活性污泥性污泥 • • 適宜的溫度、酸鹼適宜的溫度、酸鹼度度 • • 微生物生長所必需微生物生長所必需的營養質的營養質 • • 適當的攪拌適當的攪拌 • • 防止毒性物質防止毒性物質

(20)

熱化學變換

(21)

大型鋸木屑轉熱工廠之作業

(22)

都市廢棄物之焚化爐

(23)

堆肥製作

• • 生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率；碳率； • • 避免直接施用有機物，而在土壤中發酵產避免直接施用有機物，而在土壤中發酵產生有害氣體，危害植物；生有害氣體，危害植物； • • 堆肥化過程中高溫可殺死有害病菌、雜草堆肥化過程中高溫可殺死有害病菌、雜草種子；種子； • • 堆肥化後產品質地均勻，搬運方便，沒有堆肥化後產品質地均勻，搬運方便，沒有骯髒感；骯髒感； • • 施用堆肥可提供植物養分及改進土壤物理施用堆肥可提供植物養分及改進土壤物理性等。性等。

(24)

堆肥發酵的條件

• • 有養分、微生物、氧氣、水分、溫度、時有養分、微生物、氧氣、水分、溫度、時間等間等 • • 中溫菌（包括細菌、絲狀菌）、高溫菌中溫菌（包括細菌、絲狀菌）、高溫菌（包括細菌、絲狀菌及放線菌）參與有機（包括細菌、絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解物的分解 • • 堆肥原料碳氮比調整為約堆肥原料碳氮比調整為約20₂₀比比1₁，水份調整，水份調整為為65₆₅％左右％左右 • • 堆肥發酵初期為中溫期，中期為高溫期，堆肥發酵初期為中溫期，中期為高溫期，控制在良好的發酵條件下，發酵溫度可升控制在良好的發酵條件下，發酵溫度可升達達60₆₀∼∼70₇₀℃℃以上，末期則溫度降至中溫，以上，末期則溫度降至中溫，最後至常溫。最後至常溫。

(25)

腐熟度判定方法

• • 還原糖率判定法還原糖率判定法 • • CO2CO2產生量產生量 • • C/NC/N比例比例 • • 陽離子交換容量陽離子交換容量(CEC)_(CEC) • • 硝酸氮檢出。硝酸氮檢出。

(26)

本節結束

•