以生命週期探討養豬畜牧業之碳減排效益評估

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國立高雄大學土木與環境工程學系

碩士論文

以生命週期探討養豬畜牧業之碳減排效益評估

Assessment of carbon emission reduction of a swine farm by life cycle analysis

研究生：邱濬霆撰

指導教授：連興隆教授

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誌謝

回想當初我才剛從大學畢業來到實驗室，轉眼間即將要離開了，我要感謝我的指導教授連興隆教授。承蒙恩師在課業、研究與處事態度上耐心的指導及教誨，令學生受益良多。也要感謝在我這段求學期間給予我幫助的每一位授課老師對我無私的關心。口試期間，感謝甯蜀光教授和石門山有限公司莊昇勳博士，在論文內容上給予許多建議及指正，使學生的論文更加完備，在此由衷感謝。在研究所的這段日子裡，感謝實驗室學長姐、同學及學弟們。感謝岱霖學姊、冠宇、承諺、禮誌等實驗室的成員，謝謝大家這些日子的陪伴、包容與鼓勵；感謝乃寬和千逸在求學這段時間的扶持；特別感謝勇盛、美琦、思思一起來高雄求學的好夥伴，在我需要幫助的時候給予我鼓勵及協助，一起面對了許多難關；謝謝石門山公司辦公室的同事們，在我待在辦公室的期間教會了我許多與研究上相關的事情。最後感謝我最愛的家人和女朋友，感謝你們這些日子的付出與關愛，謝謝你們的支持與鼓勵讓我完成學業。在此向幫助、關心過我的人至上真誠的感謝與祝福

。

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圖目錄…... IV 表目錄………..VI 摘要……….. ... VIII ABSTRACT ... IX 第一章緒論 ... 1 1.1 研究緣起 ... 1 1.2 研究目的 ... 2 1.3 研究架構 ... 3 第二章文獻回顧 ... 4 2.1 生質能源發展背景 ... 4 2.2 排放係數(Emission Factor) ... 5 2.2.1 沼氣排放係數 ... 7 2.3 台灣沼氣發電發展與現況 ... 12 2.3.1 我國沼氣發電現況 ... 13 2.4 有機廢廢棄物厭氧消化反應 ... 14 2.5 沼氣發電 ... 18 2.5.1 脫硫設備 ... 19 2.5.2 脫水設備 ... 21 2.5.3 儲氣設備 ... 21

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2.6 土壤溫室氣體管理 ... 22 2.7 生命週期評估 ... 25 2.8 碳足跡(Carbon footprint, CFT) ... 30 2.8.1 碳足跡計算標準 ... 31 第三章研究方法 ... 35 3.1 生命週期評估 ... 35 3.2 生命週期碳足跡計算 ... 35 3.3 實場案例背景資料 ... 38 第四章結果與討論 ... 44 4.1 系統邊界設定 ... 45 4.1.1 範疇邊界的差異 ... 46 4.1.2 溫室氣體排放項目 ... 48 4.1.3 各系統排放計算 ... 49 4.2 以牧場的實際數據估算沼氣排放係數 ... 62 4.3 沼氣發電排放以排放係數估算排放量 ... 64 4.4 實場減碳評估 ... 66 4.4.1 沼氣發電之溫室氣體減量評估 ... 67 4.5 溫室氣體排放比較 ... 77 4.6 單位發電量比較 ... 79

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第五章結論 ... 82 參考文獻 85

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圖目錄 圖 1-1 研究架構流程 ... 3 圖 2-1 各類能源原始單位排放係數 ... 6 圖 2-2 IPCC 規範能源工業考慮之排放因子 ... 9 圖 2-3 能源產品單位熱值表 ... 11 圖 2-4 厭氧消化流程 ... 16 圖 2-5 微型渦輪發電機 ... 18 圖 2-6 沼氣發電流程 ... 19 圖 2-7 高壓鋼瓶沼氣儲槽 ... 22 圖 2-8 土壤生態系統溫室氣體示意圖 ... 22 圖 2-9 土壤有積碳模擬示意圖 (Thomas et al., 2017) ... 24 圖 2-10 生命週期評估的架構與應用方向 (CNS14040) ... 27 圖 2-11 生命週期評估之產品系統 ... 29 圖 3-1 沼氣生產溫室氣體排放計算流程 (Adam et al., 2015) ... 36 圖 3-2 牧場沼氣生產流程 ... 39 圖 3-3 沼氣純化流程圖 (改繪於經濟部能源局，2000) ... 41 圖 4-1 牧場生產沼氣系統流程圖 ... 44 圖 4-2 碳足跡搖籃大到門示意圖 ... 45 圖 4-3 碳足跡搖籃到墳墓示意圖 ... 45

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圖 4-4 沼氣洩漏比例量 ... 60 圖 4-5 沼氣洩漏對總排放量之敏感度分析 ... 60 圖 4-6 不同沼氣排放係數所造成碳排放量 ... 65 圖 4-7 不同情境下所造成之溫室氣排放量 ... 66 圖 4-8 四種計算方式碳排量比較 ... 71 圖 4-9 沼氣燃燒發電並取代火力發電(不考慮 LCA) ... 72 圖 4-10 溫室氣體減量情境 ... 74 圖 4-11 基線與專案之碳排放量 ... 75

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表目錄表 2-1 沼氣組成 (郭和蕭，2009) ... 5 表 2-2 環保署推動養豬場綠能發電年度目標 ... 13 表 2-3 台灣沼氣發電設備統計 ... 14 表 2-4 脫硫方式比較表 (農委會) ... 21 表 3-1 全球暖化潛勢值 ... 37 表 3-2 碳排放計算方式 ... 37 表 3-3 一、二、三期厭氧池容積與處理量 ... 40 表 3-4 2018 年牧場沼氣總產量 ... 40 表 3-5 2018 年牧場沼氣發電量 ... 42 表 3-6 沼液沼渣特性及成份分析表 ... 43 表 4-1 各文獻考慮不同邊界設定 (Esteves et al., 2019) ... 47 表 4-2 2018 年廢水處理設施外購電力使用量 ... 49 表 4-3 2018 年沼氣純化塔電力使用量 ... 55 表 4-4 2018 年沼氣發電系統電力使用量 ... 55 表 4-5 開放式消化產物儲槽之單位二氧化碳排放(Adams et al., 2015) 57 表 4-6 各系統之二氧化碳排放量 ... 61 表 4-7 能源局排放係數與實際數據估算排放係數 ... 63 表 4-8 情境設定 ... 67

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表 4-9 涵蓋電力取代效益之系統排放 ... 73 表 4-10 全球各碳排放權交易平均成交價錢 (ICAP., 2019) ... 77 表 4-11 溫室氣體排放比較 ... 77

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以生命週期碳足跡探討沼氣發電之碳排放效益評估

指導教授：連興隆博士國立高雄大學土木與環境工程學系學生：邱濬霆國立高雄大學土木與環境工程學系摘要沼氣依照我國再生能源發展條例中歸類為再生能源之一且具有溫室氣體減量效益的綠色能源。根據 IPCC 第五次評估報告將水力發電、太陽光電、風力發電、地熱發電等再生能源發電設備之發電過程排放係數規定為零，因發電過程未使用額外燃料，爰無溫室氣體排放。沼氣在發電過程因為經過燃燒而排放二氧化碳，且沼氣在燃燒與未燃燒的情形下所造成的全球暖化衝擊相差 25 倍，而沼氣電力排放係數尚未明確界定出來，若依照能源局所公告之原始能原單位排放係數，本研究沼氣發電所排放之二氧化碳當量為 925,858kg，電力碳足跡為 1.11 kg CO2 -eq_{/kwh ，若使用生命週期進行碳足跡盤查計算時，總二氧化碳當量排放為} 1,064~1,288 tons CO2-eq，本研究將消化產物做為肥料施做納入計算範疇，透過文獻數據的使用，土壤碳儲存初步計算為 224,264 kg CO2-eq的減排量，加總各系統之排放量，沼氣電力碳足跡為 1.279 kg CO2-eq/kwh。關鍵字：再生能源、沼氣發電、生命週期、碳足跡

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Assessment of carbon emission benefits of biogas power

generation by life cycle-based carbon footprint analysis

Advisors：Dr. Hsing-Lung Lien

Department of civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung

Student：Jyun-Ting Chiu

Department of civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung

ABSTRACT

Biogas is classified as one of renewable energy in Taiwan’s renewable energy development regulations and has green energy reduction benefits. According to the IPCC Fifth Assessment Report, the emission factor of the power generation process of hydroelectric power generation, solar photovoltaic, wind power generation, geothermal power generation and other renewable energy power generation equipment is set to zero, because no additional fuel is used in the power generation process, and no greenhouse gas emissions are emitted. Biogas emission the carbon dioxide during combustion , and biogas is 25 times worse than the global warming impact caused by burning and unburning, the emission factor of biogas has not been clearly defined. According to the original energy unit emission factor announced by the Bureau of Energy, the carbon dioxide equivalent emission by the research biogas power generation is 925,858kg. The carbon footprint was 1.11 kg CO2-eq / kWh, if used the life cycle assessment for

inventory , the total carbon dioxide equivalent emissions were 1,064 ~ 1,288 tons CO2 -eq_{and carbon sequestration was 224,264 kg CO}

2-eq. Final the biogas carbon footprint

was 1.279 kg CO2-eq/kw.

Keyword：Renewable energy, Biogas Power Generation, Life Cycle Assessment , Carbon footprint

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第一章

緒論

1.1 研究緣起

沼氣依照我國再生能源發展條例中歸類為再生能源之一且具有溫室氣體減量效益的綠色能源。根據 IPCC 第五次評估報告將水力發電、太陽光電、風力發電、地熱發電等再生能源發電設備之發電過程排放係數規定為零，因發電過程未使用上述燃料，爰無溫室氣體排放。沼氣在發電過程因為經過燃燒而排放二氧化碳，且沼氣在燃燒與未燃燒的情形下所造成的全球暖化衝擊相差 25 倍，且在排放係數上並未像電力排放係數一樣明確的界定出來，雖然在 2017 年度電力排放係數中附上了各類能源原始單位排放係數(能源局，2017)，但該排放係數在界定上並未明確，雖然在形式上可以統一套用於沼氣排放量的計算，但實際上沼氣發電排放量會因為各牧場之間不同系統之間的差異而有所不同，若依照能源局所公告之原始能原單位排放係數，本研究沼氣發電所排放之二氧化碳當量為 925.85 公噸，而實際上在以生命週期碳足跡計算時排放量卻高達 1,064 公噸，這是因為排放係數所計算的範疇只有燃燒這過程所排放的二氧化碳，而本研究透過生命週期評估加總各系統之間碳排放量，雖然消化產物施用於農地造成大量的碳儲存導致最終排放量大幅度下降，但是燃燒沼氣所造成的二氧化碳排放將總碳排放往上提升。

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1.2 研究目的

沼氣是藉由畜牧廢水透過三段式厭氧發酵系統發酵過後所產生的氣體，成份中以甲烷比例佔據最高，這些氣體若不經處理直接排放對於環境的衝擊是二氧化碳的 25 倍，若經過加工後送進發電機進行燃燒發電，而燃燒正是溫室氣體排放的來源，當甲烷透過燃燒變成二氧化碳時，對於環境的衝擊也減少了 25 倍，但即使減少了環境衝擊還是具有溫室氣體的排放，因此本研究目的藉由沼氣發電實場計算沼氣發電之電力碳足跡，確認沼氣發電過程中各系統之排放量，在沼液沼渣的投入所造成的土壤固碳可以減少因為化學肥料所造成的間接溫室氣體排放，根據國外一些相關文獻，這些固碳甚至使整個沼氣場的排放量達到負碳排。因此本研究透過沼氣實場計算碳足跡實將範疇含蓋了了土壤固碳所造成的二氧化碳減量，計算出最終整場的電力碳足跡。

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1.3 研究架構

本研究旨透過生命週平評估，藉由排放邊界設定來評估沼氣發電廠電力排放係數是否具有負值的可能性，其研究架構如下

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第二章

文獻回顧

2.1 生質能源發展背景

隨著社會進步以及經濟的發展，環境資源問題越來越重要，減緩氣候變化需要從化石能源轉向可再生能源，生物能源被認為是主要的

潛在資源之一（Bentsen and Møller., 2017 ），全世界都在尋找著可持續

性並且可以取代化石燃料的新型能源(Mao et al., 2018)。新能源和可再生能源的發展一直被視為促進工業發展的新趨勢，而近年幾年引起世界關注的生質能是一種可再生能源，他可以轉化天然氣、液體跟固體作為燃料使用( Ioelovich., 2015)。從這些來源獲得的生質能源可用於運輸，供熱和發電，逐漸取代化石燃料，透過生質能源的使用可以降低 CO2的排放，進而解決環境問題(全球暖化、氣候變遷)(Akorede et al., 2012)。生質物(Biomass)是指生物產生之有機物質，而該有機物質可作為燃料或工業用品。例如:農作物與農業廢棄物，如黃豆、玉米、稻殼與蔗渣等；畜牧業廢棄物，如動物屍體、家畜糞尿、污泥與廢水所處理產生之沼氣；垃圾、都市廢棄物、垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生之沼氣。生質物以農作物與農業廢棄物為最多數學者研究，因具備含硫量低、生命週期短與容易取得之優勢。

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有機物質經微生物在厭氧環境下分解而成，沼氣含有 48~65％的甲烷（CH4）、30-45％的二氧化碳（CO2）、17%以上的氮(N2)、微量的硫化氫(H2S)及水氣。豬糞尿產生之甲烷含量高於一般農場廢棄物，而畜牧業生產中體重 60kg 之豬肉每天每頭約可生產 0.23m3_{沼氣。沼氣成分} 含甲烷 65-70%、二氧化碳 25~40%、硫化氫 0.2~0.5%，每公克 COD 可產生 0.22~0.39L 的甲烷(郭和蕭，2009)，如表 2-1 所示。表 2-1 沼氣組成 (郭和蕭，2009) 氣體百分比(畜禽排泄物) 百分比(豬糞尿) 甲烷 54~70 60~80 二氧化碳 27~48 16-38 氫 1~10 1 氮 0.5~3 1~2 一氧化碳 0.1 - 氧 0.1 - 硫化氫 <0.1 0.2~0.5 水 - 0.2

2.2

排放係數(Emission Factor) 排放係數為排放量估計的基礎，藉由排放係數的建立，才使得萬般複雜的排放源之排放量估計，系統化為可操作的估計程序。對於排放係數，國內目前自行發展出者相當有限。 (環保署， 2018) 台灣電業供應主要為火力發電，在發電過程燃燒的煤、天然氣、重油及柴油所排放的溫室氣體不容小覷，因此為了

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確證發電過程所排放的溫室氣體，能源局每年定期公告國家電力排放係數，且以當年度公告上一年度之電力排放係數。其 107 年度之電力排放係數 0.533 公斤 CO2e q /度，其計算公式如下 : 綜合電業𝐺𝐻𝐺 +民營電業𝐺𝐻𝐺 +汽電共生𝐺𝐻𝐺 −線損𝐺𝐻𝐺 總售電量 (2.1) 台灣在 106 年對電力排放係數公告也提供了各類能源原始單位排放係數，該排放係數所提之單位燃料排放量是指發電瞬間時的排放量並不考慮沼氣製造過程，如圖 2-1 所示。圖 2-1 各類能源原始單位排放係數

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2.2.1 沼氣排放係數 能源局在 106 年提供了沼氣作為燃料燃燒時所排放的二氧化碳排放係數，其數值為 0.0010881ton CO2- e q/m3。本研究透過理想氣體定律假設沼氣濃度 60%，體積 1000L 進行試算，計算結果直與能源局數值近乎一致，其計算過程如下 : PV = nRT (2.2) 使用參數： P=60%、 V=1000L、 R=0.082、 T=298 0.6 ∗ 1000L = n ∗ 0.082 ∗ 298 600 = 24.436n n = 24.55 當燃燒濃度 60%的甲烷 1000L 時，甲烷的量為 24.55mole，其中甲烷與二氧化碳比為 1：1，因此在燃燒假設條件下的甲烷則會產生相等莫爾濃度的二氧化碳，其化學式如下： 1𝐶𝐻₄+ 2𝑂₂ → 1𝐶𝑂₂+ 2𝐻₂𝑂 前述式子計算出二氧化碳濃度為 24.55mole，並將其乘上二氧化碳分子量即為燃燒 1000L 甲烷濃度 60%的沼氣時所排出的二氧化碳量，計算式如下： 24.55𝐶𝑂₂𝑚𝑜𝑙𝑒/𝑚3∗ 44𝑔/𝑚𝑜𝑙𝑒 = 1080.2𝑔/𝑚3

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1080.2g/𝑚3 1000000 = 0.0010802 ton 𝐶𝑂2/𝑚 3 (2.3) 因此我們在後續計算牧場電力排放係數時也採用相同方法進行計算。排放係數也可以透過 IPCC 所提供之第一層部門方法計算，估算溫室氣體需要收集排放源類別燃燒量資訊及默認排放因子，其公式 (IPCC， 2006)如下：

Emission_{𝐺𝐻𝐺−𝑓𝑢𝑒𝑙} = Comsumption_fuel∗ Emission_GHG−fuel

(2.4) EmissionGH G - f u e l ：按燃料類型特定溫室氣體排放量 (kg GHG) Comsumptionsf u e l ：燃燒燃料量 (TJ) Emission FactorG H G , f u e l：溫室氣體的燃料類型 (kg-gas/TJ)的默認排放因子，並對於 CO2 包含碳氧化因子，假設為 1。 當能源工業燃燒生質能氣體燃料時應視為固定燃燒源，其排放因子應考慮二氧化碳、甲烷及一氧化二氮，默認排放係數二氧化碳：54,600kg-CO2/TJ、甲烷： 1kg-CH4/TJ 及一氧化二氮： 0.1kg-N2O/TJ，如圖 2-2 所示。

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圖 2-2 IPCC 規範能源工業考慮之排放因子經濟部能源局所出版的能源平衡表中於 2016 年新增了沼氣平均熱量氣，其沼氣的熱值為 4,941kcal/m3 _{如圖 2-3 所} 示。當排放源為氣態生質燃料固定排放源時這包含了掩埋場沼氣、污泥沼氣及其它生質燃料。在計算過程需要將默認排放因子單位 kg/TJ 轉換成 kg CO2/kcal，最後乘上沼氣熱值 4941 kcal/m3 和排放因子之全球暖化潛勢值 (GWP)可得到單一排放因子之單位排放量。在選用沼氣排放係數時，目前有上述能源局所公告之排放係數和 IPCC 第一層部門計算方式兩種方式來獲取沼氣排

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放係數，而本研究所使用排放係數是採用能源局所公告之排放係數及本研究透過理想氣體定律推算本研究實場的沼氣單位排放係數。

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2.3 台灣沼氣發電發展與現況

民國 70 年代開始，臺灣畜牧業逐漸規模化、企業化，糞尿水的產生量逐漸超過了週遭環境的承受力，加上民眾環保意識的抬頭，養豬廢水所造成的惡臭及環境污染也日漸受到大家重視，尤其是養豬場未經處理所排放的廢水，一度成為河川污染的主要原因之一，依照行政院環境保護署廢棄物清理法、水污染防治法等規範，畜禽糞尿屬事業廢棄物或廢水，應依規定清除、處理、再利用或排放，因臺灣地處亞熱帶，氣候炎熱，畜舍多為開放式建築，且為了維護地面清潔及協助動物降溫，農民多用大量的水沖洗畜舍，沖洗水也隨之進入糞尿處理池，因而擴增了糞尿水的處理量體。為使相關畜牧場做好污染防治以符合環保法規，行政院農業委員會、前臺灣省政府農林廳及畜產試驗所等相關機構，自民國 79 年，推動三段式廢水處理系統，透過固液分離、厭氧消化及耗氧處理畜牧廢水。這個過程提供了製成堆肥的糞渣、生產沼氣的厭氧消化步驟以及將廢水降至符合放流水標準耗氧處理。以往，畜牧糞尿水欲回歸農地使用雖可依水污法採土壤處理方式，但相關限制及門檻過高，畜牧場大多無法採用，為了讓畜牧糞尿成為可利用的資源，農委會自 100

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年起依廢清法第 39 條規定授權訂定之「農業事業廢棄物再利用管理辦法」，推動畜牧糞尿水施灌農作之個案再利用申請輔導。另環保署亦於 104 年修正水污法相關子法，將畜牧糞尿厭氧發酵後之沼液及沼渣視為資源，正式推動其回歸農地作為肥分使用。而畜牧糞尿水重新被環保單位認定為資源，不僅是因其含有豐富養分可以培養地力，更因為在厭氧處理的過程中，還會產生沼氣，其中 60％～ 80％為甲烷，透過燃燒的方式來發電可以減少甲烷造成溫室氣體的影響。 2.3.1 我國沼氣發電現況 環保署於 105 年開始推動養豬場綠能發電計畫，養豬場規模達 1500 頭皆可申請，並預期 109 年達成 250 萬頭具綠能及沼氣發電設施養豬場之在養豬隻總頭數，如表 2-2 所示，表 2-2 環保署推動養豬場綠能發電年度目標工作內容單位年度目標值 106 年 107 年 108 年 109 年推動養豬場綠能發電累計萬頭 100 145 200 250 資料來源 :環保署 2016 根據工研院 106 年底統計，台灣目前已裝設沼氣發電設備之養豬場共計 55 場，發電機裝置容量 3,895kW，推估年發

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電量達 280.4 萬度 /年，如表 2-3 所示，預估減碳量以 106 年能源局公告我國電力排放係數 0.533 kg CO2- e qkg/kwh 計算高達 1,492,613kg CO2- e q/年，計算如下： 2,800,400kw ∗ 0.533 kg 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞 = 1,492,613 𝑘𝑔 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞 (2.5) 表 2-3 台灣沼氣發電設備統計縣市已設置者預估至 106 年底新建置完成者合計場頭場頭場頭桃園市 1 1,800 1 3,356 2 5,156 台南市 5 30,320 5 22,710 10 53,030 高雄市 2 3,919 0 0 2 3,919 苗栗縣 4 13,867 0 0 4 13,867 南投縣 0 0 1 1,988 1 1,988 彰化縣 2 46,0 00 1 11,107 3 57,107 雲林縣 4 46,023 2 9,050 6 55,073 嘉義縣 3 44,100 3 29,410 6 73,510 屏東縣 17 153, 953 4 23,870 21 177,823 小計 38 339, 982 17 101,491 55 44,1473 發電機裝置容量 (kw) 2,585 1,310 3,895 推估發電量 (度 )/年 186.1 萬 94.3 萬 280.4 萬資料來源 :工研院， 2017

2.4 有機廢廢棄物厭氧消化反應

厭氧消化（Anaerobic Digestion）技術的應用已經超過 100 年的歷史，最初主要應用在處理污泥問題，然而近 30 年來普遍使用在處理農業廢水排放問題（例如：豬糞尿排放），以及處理工業產生高濃度有機廢水排放等，美國最早研究以厭氧消化技術處理都市固體廢棄

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物（Municipal Solid Waste）問題，而在 1970 年發生能源危機，厭氧消化技術的應用被列入考慮替代能源選擇之一，產生的生物氣體可轉換成熱能與電力，在 1990 年厭氧消化技術的研究則偏重在歐洲方面，並且已有經濟性商業化的經營，一般而言都市固體廢棄物組成 50%為有機質。厭氧技術是在無氧的條件下，利用兼氧菌和專性厭氧菌進行厭氧反應，將有機物轉換成有機酸、甲烷、二氧化碳及氫氣過程。其作用可分為三個階段，第一階段為水解作用(hydrolysis)，將碳水化合物、蛋白質和脂肪等高分子物質，水解消化成單醣、氨基酸、脂肪酸及甘油等。第二階段為酸解作用(acidogenesis)，將第一階段產物轉化成氫、二氧化碳和乙酸。第三階段為甲烷化作用(methanogenesis)，將氫和二氧化碳轉化成甲烷，將乙酸脫羧產生甲烷，流程如圖 2-4 所示(蕭士斌，2015 ; 邱素芳，2007)。

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圖 2-4 厭氧消化流程 1. 水解階段

水解過程是一個很複雜的階段，Guerrero and Omil（1999）指出，複雜的有機物在水解菌 (Hydrolytic bacteria) 的作用下，分解轉化為小塊或小分子有機物質的過程。其水解過程是利用水解菌分泌細胞外酵素 (extracellular enzymes)將大分子物質溶解為小分子物質，以利將有機物質輸入細菌體內進行代謝作用。水解菌適合生長的 pH 在 6~8(近中性)，影響水解速率的有 pH、溫度、微生物量、基質形式、顆粒大小及難分解顆粒的殘餘量，而高濃度的水解產物亦能抑制水解酵素。Sawayama et al. (1997) 研究發現微生物在進行水解作用時會消

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耗能源，這些能源來自於水解作用後的較小分子所分解反應所獲得，而此階段反應的微生物並不會產生甲烷。 2. 發酵階段酸生成菌利用水解後的產物進行此反應。氫還原菌及醋酸菌參與此反應。氫還原菌在低氫分壓下可將有機酸及醇反應成乙酸與氫氣；醋酸菌則可利用有機酸及醇反應產生乙酸，包括氫生成醋酸菌，可將氫氣與二氧化碳轉變為乙酸（陳玫佐，2010）。上述的酸化菌一般適合生長 pH 在 5 ~ 7（偏酸性），如果厭氧程序控制不當（尤其是 pH），則酸生成菌可以持續產生酸而導致不利於甲烷生成菌的環境。 3. 甲烷生產階段此階段甲烷生成菌于晏氧環境下將甲酸、乙酸、甲醇、二氧化碳與氫氣轉化為甲烷。其中 pH 環境為 6-8 (Yamada et al.,1997)。一個穩定的反應操作需要維持甲烷生成菌群於低氫分壓平衡與避免醋酸的累積。在厭氧反應中從醋酸鹽去碳酸基作用所獲得的甲烷約有 70%，所以醋酸鹽在產甲烷過程中士主要的前驅物(Gujer and Zehnder., 1983 ; Boone., 1982)。

甲烷菌利用酸生成相之產物分解成甲烷及二氧化碳等之反應式如下:

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(2) 甲酸 4HCOOH → CH4 + 2H2O + 3CO2 (2.7) (3) 乙酸 CH3COOH → CH4 + CO2 (2.8) (4) 甲醇 4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O (2.9) (5) 乙醇 2C2H5OH → 3CH4 + CO2 (2.10)

2.5 沼氣發電

沼氣發電其原理是利用沼氣作為原料與適量空氣混合後注入引擎，再由火星塞點火燃燒而產生動力，藉以帶動發電機轉動而產生電力以供給各設備用電，圖 2-5 為微型氣渦輪發電機。圖 2-5 微型渦輪發電機國內沼氣發電於民國 80 年左右開始推動，當時由農委會輔導養豬場進行沼氣再利用與沼氣發電，但當時因脫硫問題與沼氣供應不穩定，導致沼氣發電機產生故障與停擺。為避免前述情形發生，沼氣生

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成後需要進行脫硫、脫水與穩壓處理後送入發電機，可確保發電機穩定運轉，如圖 2-6 沼氣發電流程。圖 2-6 沼氣發電流程 2.5.1 脫硫設備 豬糞尿我製成的沼氣中除含約 60-80%甲烷、16-38%二氧化碳外，尚含有約 0.2-0.5%硫化氫，沼氣必須經過脫硫程序才能加以利用。沼氣中硫化氫濃度範圍在 3,500-8,000ppm，冬天沼氣中硫化氫甚至超過 10,000 ppm。目前三種主要之沼氣純化方法 (Kapdi et al., 2005)包括： (1) 乾式氧化法： a、固體吸收法：利用氧化鐵充當吸附劑以去除硫化氫，其效率為 100 公克氧化鐵僅能吸附 20 公克硫化氫，使用後之吸附劑再生成本高(Kapdi et al., 2005)。 b、使用空氣與氧氣導入沼氣系統：2H S + O →2S0_{+ H} _{O (氧氣}

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濃度在 6-12%)。 (2) 液體吸收法： a、物理高壓吸收法：沼氣+水→壓縮(60-70 公斤/平方公分)→使 CO2與 H2S 溶於水中。 b、物理低壓吸收法：沼氣 → 液態鹼性溶液 (NaOH)→ 吸收 CO2+H2S c、化學吸收法：沼氣→FeCl3直接加入污泥中→吸收 H2S。 (3) 生物脫硫法(Syed et al., 2006)： a、生物洗滌槽(Bio-scrubber)

b、生物濾床(Bio-filter) (Su et al., 2008) c、生物滴濾塔(Bio-trickling filter)。廢水在厭氣生物處理過程中所產生之硫化氫，其主要來自因為生物分解所懺產生之含硫蛋白物質或硫酸根經過脫硫所產生。糞便發酵所產生之沼氣其硫化氫濃度約在2,000~6,000 ppm。國外有研究利用生物脫硫方式去除沼氣中之硫化氫，將Thiobacillus spp.菌株以細胞固定化方式置入除硫反應槽內，配合循環沖洗液之操作，可有效降低沼氣中之硫化氫至100 ppm以下(Schieder et al., 2003)。國內沼氣之純化以水洗方式之洗滌塔（即液體吸收法）最為普遍，經過多次水洗吸附後，水中之硫化氫呈現飽和，再以空氣強迫將硫化氫驅出，其缺點為需要耗費大量的自來水，同時耗

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費電力能源以驅動兩個循環水馬達及一個送風機，表2-4為脫硫方式比較表。表 2-4 脫硫方式比較表 (農委會) 吸附材料 固體吸收式 液體吸收式 生物吸收式 原理氧化鐵、石灰可與硫化氫進行氧化反應，去除硫化氫。利用硫化氫可溶於水之特性，進行硫化氫去除。硫氧化菌可將硫化氫轉化為固體硫或是硫酸根，將沼氣中硫化氫去除。 成本比較低 中高優點建置成本低廉、操作簡便脫硫效果穩定生物處理環保且無額外廢棄物產生缺點需定期更換氧化鐵以維持脫硫品質鹼液進行酸鹼中和的過程產生鹽類易堵塞管路脫硫效果受溫度影響 2.5.2 脫水設備 由於沼氣自厭氣槽中生成，因此富含水分，加上厭氧發酵過程中會產生熱，使得沼氣溫度高於室溫，夾帶更多水氣，若未對沼氣進行脫水，沼氣中的水氣將造成點火失敗與燃燒不完全，導致發電機產生震動及效能下降。目前脫水設備主要採用冷凝的方式將沼氣中的水分去除，一般常見方法為：冷媒加壓冷卻法與乾燥劑吸附法。 2.5.3 儲氣設備 每台發電機對於燃料供應壓力皆有要求，當壓力不穩定時發電機會產生劇烈震動、輸出功率不足等問題；當沼氣壓力低於壓力下限，發電機將會停機，容易導致引擎磨損。儲氣設備的目的在於儲存沼氣，並提供發電機穩定壓力的氣源，可依照空間狀況與發電機需求，採用

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高壓鋼瓶或高分子膠皮袋進行儲氣，圖 2-7。 圖 2-7 高壓鋼瓶沼氣儲槽

2.6 土壤溫室氣體管理

農業促進溫室氣體和減緩氣候變遷是通過一種被稱為碳封存的過程。在溫室氣體緩解的情況下，碳封存需要去除空氣中的 CO2並將其儲存在其它地方，從而減少大氣中二氧化碳的濃度，圖 2-8 顯示生態系統中溫室氣體排放與儲存的途徑。

圖片來源: IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories 圖 2-8 土壤生態系統溫室氣體示意圖

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而碳封存有多種途徑(Paustian., 2014)，其中如下: 1. 從排放源捕獲二氧化碳，將捕獲二氧化碳注入較深地質層（稱為碳捕獲或碳存儲）。 2. 增強植物對二氧化碳的吸收，包括植被和土壤。第二種方法利用通過植物光合作用從大氣中吸收 CO 2 然後增加土壤中固定碳的儲存，被稱為土壤碳封存。農業土壤的碳含量會隨氣候、土壤特性、排水和其它生物物理因素的變化而發生變化。大多數農業土壤碳含量在土壤表面下 10-20 公分內約 0.5-5%，而碳含量通常隨深度下降而減少。雖然最高濃度和活性較高的碳儲存在土壤的頂部 20-30 公分，但在植物根區及其下方整個深度都可以發現大量的土壤有機碳（SOC）。這是因為在缺氧條件下植物凋落物分解減少，並在排水受到限制的形況下（因而易於淹水）形成的土壤可以具有更高的碳含量。其中大部分是由有機物質（即泥炭和淤泥土壤）組成的土壤且含蓋了特殊的土壤(有機土壤)，這類土壤含有大量的碳。除了有機碳以外，部分土壤含有大量的碳酸鹽礦物（Ca / MgCO3）形式的無機碳，而土壤中的無機碳化合物也具有高含碳量，包括碳酸鹽母質（如石灰岩）以及乾旱和半乾旱環境中的土壤形成的物質。然而，在大多數情況下，土壤無機碳庫的變化很慢，不適合傳統的土壤溫室氣體管理(Paustian., 2014)。

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減少土壤 CO2排放通常涉及增加 SOC 儲存，可以透過增加生物碳對土壤的投入或降低土壤分解速率來實現(CAST., 2011)。土壤中的有機碳含量主要取決於分解過程中 CO2排放（即異營性呼吸）與作為植物殘留物和糞肥添加到土壤中的碳量之間的平衡。其他過程如分解有機碳影響土壤碳平衡，但在大多土壤腐蝕是一個碳損失的過程，通過從土壤表面去除土壤質量（包括相關的有機物質），土壤腐蝕還可以對固定位置的碳儲量產生顯著影響(Paustian., 2014)。國外相關文獻表明將消化殘餘物回收做為取代化學肥料減少 N、 P 的使用，而土地利用變化中溫室氣體排放量以 N2O 為主要排放原。透過厭氧消化系統將消化產物作為增加土壤有機碳的來源增加土壤中二氧化碳的封存，圖 2-9 所示。圖 2-9 土壤有積碳模擬示意圖 (Thomas et al., 2017) Thomas et al (2017)利用一年生作物相互取代生長空窗期，透過消化液的回收使用提高了土壤有機碳的含量，土壤淨排放由原本-803 kg

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CO2-eq/ ha . a 提升至-2592 kg CO2-eq/ ha . a，總溫室氣體排放量比原始種植模式減少 0.9 公噸二氧化碳。Wicke et al (2012)證明了土地利用變化相關溫室氣體排放的巨大差異; 根據種植玉米製成乙醇的報告指出，溫室氣體排放在-60 至+100 克 CO2eq MJ-1之間。小麥製成乙醇溫室氣體落在-80 至+ 25g CO2eq MJ-1之間。Andreas et al (2012)玉米產量的總 CO 2足跡約 3100 kg CO2-eq / ha，但施用消化物作為肥料的效果

增加了-880 kg CO 2-eq / ha，玉米產量碳足跡則降至 2200 kg CO 2-eq /

ha。

使用能源作物所生產的沼氣系統可以實現減少的生命週期 CO 2

足跡，包括負生命週期二氧化碳足跡，這是由於通過種植作物累積土壤有機碳（SOC）(Pal et al., 2015)。

2.7 生命週期評估

生命週期評估(Life cycle assessment , LCA)屬於系統分析方法之一，其為「對產品系統自原物料的取得到最終處置的生命週期中，投入和產出及潛在環境衝擊之彙整與評估。」ISO14040 (2006)在這所謂

「產品系統」，不僅包括實體產品，亦包括服務系統。而需考量之環

境衝擊通常包括資源使用、人體健康及生態影響等。

生命週期評估的概念應用於環境管理上，可追溯至1969年，美國可口可樂公司委託中西部研究所(Midwest research institute, MRI)

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可口可樂公司（Coca-Cola）評估是否自行生產飲料容器，以及是否改用玻璃瓶取代鐵罐等材料，考量容器材料在原料取得、製造、運輸、產品使用及丟棄回收等各階段對環境造成的衝擊。

生命週期評估（Life Cycle Assessment, LCA）包含原料取得、製造、運輸、產品使用以及丟棄回收等過程，產品從搖籃到墳墓（Cradle-to-Grave）對環境造成的影響與潛在環境衝擊評估。國際標準ISO 14040 規範，生命週期評估可分為以下四個單元：目標與範疇界定（Goal and Scope Definition）、生命週期盤查分析（Life Cycle Inventory Analysis, LCI）、生命週期衝擊評估（Life Cycle Impact Assessment, LCIA）及生命週期闡釋（Life Cycle Interpretation）等單元。目標與範疇界定主要為界定作業目標與作業範疇，生命週期盤查分析主要包含數據收集與計算並量化系統投入與產出項，生命週期衝擊評估主要評估產品在環境面的衝擊程度，生命週期闡釋主要闡釋盤查分析與衝擊評估整合的結果，提供結論與建議給決策者作為決策參考。其關連性如圖2-10所示：

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圖 2-10 生命週期評估的架構與應用方向 (CNS14040)

生命週期評估四個單元簡要說明如下：

一、目標與範疇界定（Goal and Scope Definition）

主要為界定作業目標與作業範疇，使評估流程易於掌握，評估效果能有效應用，ISO 14040 內容規定作業目標對於預期應用、目的、溝通對象須有明確的說明，而範疇必須描述研究系統的分析模式並確實廣泛定義與其評估目的相同，對於系統界限、資源分配、假設項目都須透明化。在目標與範疇界定階段需設定其功能與功能單位（Functional Unit），功能為該作業系統的功能而功能單位為對生命週期評估的結果提供一致化標準參數（例如：油漆的功能單位定義為遮蓋一平方米牆壁 20 年所需之油漆量，遮蓋一平方米牆壁 20 年為功能，而所需油漆量為單位也可以為重量單位）。

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二、生命週期盤查分析（Life Cycle Inventory Analysis, LCI）主要內容包含數據收集與計算，為了量化系統投入與產出（Input/Output），這些投入與產出須包括資源的使用與系統相關的污染排放，盤查分析又可分成四個要件，分別為產品系統、單元過程、資料分類以及產品系統分析模式建立，簡要描述如下： 1. 產品系統：產品系統為數個中間產物流連結而成，可以是多個單元過程的組合，包含基本流、進出系統的製造流以及系統界限內的中間產物流如圖 2-11 所示。 2. 單元過程：每個單元過程可以是單一的或者部分單元製成，單元過程為蒐集產品資料的最小單位而單元間由中間產流連結，前一個單元製成的輸出可能為另一單元製成的入。 3. 資料分類：單元過程間的輸出、輸入資料經由蒐集與計算所得，資料分類為原料、能源的輸入；廢棄物、產出物質的輸出；對環境有影響的污染物排放。 4. 產品系統分析模式建立：藉由分析模式建立來描述產品系統與環境系統。

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圖 2-11 生命週期評估之產品系統

三、生命週期衝擊評估（Life Cycle Impact Assessment, LCIA）

生命週期衝其評估主要應用於生命週期盤查分析後的結果，量化盤查分析輸入的資料數據並且加總輸出的環境衝擊指數，用以評估產品生命週期的衝擊程度，而描述環境衝擊的架構可分為特徵化、常態化、評價及標示指數等四個步驟，特徵化為物質含量對環境衝擊項目所占百比，常態化為物質實際含量對環境衝擊項目所占比例，評價為輸出物質乘以對環境影響的權重，而標示指數為各物質在評價階段對環境衝擊項目影響總和。

四、生命週期闡釋（Life Cycle Interpretation）

主要闡釋盤查分析與衝擊評估合併的結果，或者將盤查分析結果與目標範疇的界定整合成一致階段，達成結論與建議提供給決策者，

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選擇低污染原料、改善生產流程、提升產品設計等決策作為參考。

2.8 碳足跡(Carbon footprint, CFT)

碳足跡(Carbon Footprint)被定義為與一項活動(Activity)或產品的整個生命週期過程所直接與間接產生的溫室氣體排放量，係以二氧化碳當量 CO2-eq 為單位。企業及產業溫室氣體的排放一般是指製造部分相關的排放，但產品碳足跡排放尚須包含產品原物料的開採與製造、組裝、運輸、一直到使用及廢棄處理或回收時所產生的溫室氣體排放量(環境資訊中心， 2018)，而國內過去對於畜牧業生產過程中對於環境影響之生命週期評估研究較少，大多數集中在製造業及 3C 產品研究方面，尚無有系統性整合研究畜牧業生產過程對於環境衝擊之影響相關研究。近年來，企業重視氣候變遷之議題並重視發展減緩氣候變遷之產品，產品碳足跡評估已廣泛成為各國政府及企業界達成目標之方式，也成為一種新的產品溝通媒介，為因應需求，各國政府與國際組織先後積極發展碳足跡評估標準與計算工具，提供一致性之評估方法。現今許多國家/組織建置碳足跡制度主要依循之碳足跡計算標準係由英國標準協會(BSI) 2008 年 10 月所制定公告之 PAS2050 產品和服務生命週期溫室氣體排放評估規範(Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emissions of goods and services)。

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碳足跡是以生命週期為架構，係指產品某階段島某階段所產出之溫室氣體的排放量，包括從原料到製程、運輸、產品銷售、使用及廢棄物處理等，所消耗能資源排放所產生之溫室氣體總量，並考量已經量化之製程、製程系統或產品階段之溫室氣體盤放參數，以量化溫室效應之潛在影響。其目的可供包括個別產品碳足跡評估、組織內之活甕比較性評估、商業交易需求之評估、溫室氣體減量減量評估以及為預期使用者準備。 2.8.1 碳足跡計算標準 目前碳足跡計算方式標準甚多如 ( 一 ) 英國標準協會 (British Standards Institution, BSI) 商品和服務生命週期溫室氣體排放評估規範 PAS 2050(2011)；(二)日本標準協會(Japanese Standards Association) 訂 TS Q0010(2009);(三)世界資源研究所(World Resources Institute, WRI) 與世界永續企業發展協會 (The World Business Council for Sustainable Development, WBCSD)訂定溫室氣體盤查議定書之產品與供應鏈標準 GHG Protocol Product and Supply Chain Standards)(2011)； (四)國際標準組織訂定產品碳足跡計算標準 ISO 14067(2013); ISO 14067(2013)；(五)行政院環境保護署以引用 CNS14040、CNS14044、 CNS14064-1、CNS14025 與 PAS2050 所建置的產品與服務碳足跡計算指引等方法(鄭景隆，2011)。ISO14067 已於 2013 年正式發布，未

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來各國家及企業將統一以 ISO 14067 為碳足跡計算方法(行政院環境保護署，2014)。氣候變遷議題被各界關注，使得量化溫室氣體的碳足跡(Carbon Footprint)計算更受重視，國內外也開始倡導於產品外標示碳標籤；其目的是希望消費者能以碳足跡為比較基礎，做出減緩溫室效應衝擊等有利於環境的選擇(魏佩如，2010)。不論是 IPCC、ISO 14064、PAS 2050、GHG Protocol 或是任何一種計算準則，都是採用同樣的計算方式，如下: 溫室氣體排放量(𝐂𝐎_𝟐−𝐞𝐪)＝活動強度 ∗ 排放係數 ∗ 全球暖化潛勢 英國標準協會(BSl)為評估產品生命週期所產生的溫室氣體排放量，聯合碳信託機構 (Carbon Trust)和英國環境、食品和鄉村事務部 (Defra)發布一套公眾可取得的標準：「產品與服務生命週期階段之溫室氣體評估標準簡稱 PAS 2050」，該標準引用的計算原則與 ISO14067 為引導指標性準則，其符合五項基本原則：相關性、完整性、一致性、透明度及準確性。組織在建立產品碳足跡初期，可參考 PAS2050 產品碳足跡評估指南(PAS2050:2008 Guide)，依循該指南提供之評估流程實施。產品碳足跡計算步驟可以分為五項，如下(PAS2050:2008 Guide) (1) 建立製程流程圖

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確認產品生產期間所投入原料與各製程等，進行供應鏈分析與功能單位確認。 (2) 排放邊界設立依照 ISO 14064 所規範，確定製程各階段之排放源，在按照實質性與優先順序進行分析。 (3) 數據蒐集依照 PAS 2050 之數據品質規則要求，須符合活動數據盤查五大原則，如下: a、相關性 : 選擇合適預期使用者需求之溫室氣體來源、溫室氣體匯、溫室氣體庫存、數據及方法。 b、完整性 : 納入所有相關的溫室氣體排放與移除。 c、一致性 : 使溫室氣體相關資訊能有意義的比較。 d、準確性 : 盡可能依據實務減少偏差與不確定性。 e、透明度 : 充分接露且適當的溫室氣體相關資訊，使預期使用者作出合理可性之決策。 (4) 量化碳足跡係指活動或產品之整個生命週期過程中直接或間接排放之溫室氣體量，謝名雅(2013)將碳足跡分為原料開採與提煉、運輸、製造使用集最終處理階段進行碳足跡的計算最後加以總和，如公式所

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示。而在計算過程需要考慮合理分配原則，其溫室氣體除了京都議定書內容之六項氣體，亦包含蒙特婁議定書所管制之物質。 C𝑓 = M + T + P + U + E Cf : 碳足跡(Carbon footprint) M : 原料開採與提煉階段(Material) T : 運輸階段(Transport) P : 製造階段(Processing) U : 使用階段(Using) E : 終端處理階段(End of life) (5) 不確定性分析用以評估機算結果之準確性，雖然並非必要步驟，為了計算數據準確性，以不確定性分析來減少數據偏差。

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第三章

研究方法

3.1 生命週期評估 本研究以 ISO14040 系列做為生命週期評估之架構，包括生命週期評估流程及生命週期碳足跡盤查。以畜牧業沼氣發電廠及土壤碳封存之溫室氣體排放做為生命週期評估系統範疇，探討沼氣發電之原料收集、運輸、加工以及終端處理之所有過程，透過實場案例來論證沼液沼渣的回收使用可以促進溫室氣體的儲存，減少對環境的衝擊之影響。本研究以台灣某畜牧業沼氣發電之生命週期評估進行沼氣發電之電力排放係數探討，其系統範疇可分為原料收集、運輸、加工製造、沼液沼渣回收使用以及使用生命週期末端處理階段。根據 ISO14040 系列標準內容，生命週期作業流程依序為系統範疇與功能與單位界定、系統盤查、衝擊模式選定與評估，最後則是生命週期結果闡述，以下將說明實場系統範疇、盤查清單說明、採用環境衝擊評估模式說明與闡述結果。 3.2 生命週期碳足跡計算 Paul et al (2015) 將沼氣生產分為原料生產、運輸、製造及使用等階段，如圖 3-1 所示。其中涵蓋了生物碳的儲存與排放，而黑色粗箭頭為能源額外的投入，包含了原料蒐集所使用的額外電力、運輸及用

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水，灰色箭頭為額外的投入柴油電力及水、製造和輸送過程所造成的損失、消化液取代化學肥料灌溉所引起的碳封存等發生碳排放的邊界位置。

圖 3-1 沼氣生產溫室氣體排放計算流程 (Adam et al., 2015) 估算碳足跡時，使用的方法為排放係數估算法(環保署，2017)。

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碳足跡是根據 ISO10467;2013 標準內容，是以溫室氣體 100 年為評估基底，作為溫室氣體排放之全球暖化潛勢(GWP)特徵值。其特徵化係數以二氧化碳為特徵化係數 1 為基準，與其他溫室氣體加成總和。引用版本為 IPCC2007 版本，相關特徵化值如表所 3-1 示。

表 3-1 全球暖化潛勢值

Greenhouse Gas 20-years 100-years 500-years

Unit Kg CO2-eq CO2 1 1 1 CH4 72 25 7.6 N2O 289 298 153 資料來源 IPCC (B),2007 其計算公式如下: 活動碳足跡=活動數據*排放係數*GWP 並分別針對各邊界所投入之電力、機具使用及土壤碳儲存所造成的碳排放與儲存，如表 3-2 所示。表 3-2 碳排放計算方式項目計算方式參考文獻電力 Σ(各設備用電度數*電力排放係數) 環保署，2017 土壤 GHG 假設消化液乾物質(Dry Matter, DM)為 2.9%，估計碳含量達 40%，保守估計消化液會造成 4.4kg CO2/ton 的碳儲存。

(Lantz and Börjesson., 2014)

透過相關電力分攤資訊可以使用額外投入的能源乘上排放係數獲得沼氣製造過程所排放的溫室氣體。而廢水處理設施製建造排放由

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於年限過於久遠，相關營建原物料資訊不易取得，因此透過文獻回顧的方式估算營建過程所排放之溫室氣體。土壤溫室氣體排放則藉由文獻回顧取得相關種植相關作物之土壤單位排放係數乘上作物面積獲得土壤溫室氣體排放量。 3.3 實場案例背景資料 本研究藉由實場案例探討沼氣電力排放係數，使用生命週期評估標準方法劃分排放邊界，藉由產品碳足跡闡述及論證沼氣發電具有淨負值的減排效益。此次研究由台灣某畜牧場提供相關沼氣發電相關資料，該牧場內豬頭數達 40,000 頭，沼氣發電機裝置容量達 195kw(65kw*3)年估計發電量達 138.2 萬度，圖 3-2 為牧場生產沼氣流程圖。

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圖 3-2 牧場沼氣生產流程該牧場使用清洗豬眷之豬糞尿液作為沼氣發酵原料，透過固液分離設備將其固體與液體分開，而豬糞由於有機質含量極高，因此送往堆肥場進行堆肥處理製成肥料、太空包等。而液體則會先經過三段式廢水處理設備處理完成沼氣生產。一、污水處理系統牧場養豬數量將近 40,000 頭，該牧場設置了三期污水處理設施對養豬廢水進行處理，其中第 3 期於 2018 年度新建完成。廢水經第一階段處理完送至厭氧槽進行消化，豬糞尿廢水進到消化槽停留時間為 7 天，三座厭氧消化池單日總處理量為 850 噸，厭氧消化槽總容積

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為 19,400 噸廢水量，表 3-3 所示。表 3-3 一、二、三期厭氧池容積與處理量厭氧池容積(噸) 單日處理量(噸) 第一期 6,400 150-200 第二期 3,000 150-200 第三期 10,000 500 根據牧場提供沼氣產量資料，一月份至十二月份沼氣產量 850,895m3_{，如表 3-4 所示。} 表 3-4 2018 年牧場沼氣總產量沼氣總產量月份沼氣產量 m3 1 67,690 2 56,628 3 77,596 4 72,514 5 75,390 6 67,202 7 56,141 8 23,910 9 61,941 10 91,431 11 96,850 12 103,602 總計 850,895

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二、沼氣純化系統牧場所使用之純化系統為水洗式沼氣純化塔，由於沼氣中含有 0.2-0.5%的硫化氫氣體，該物質會造成引擎內部零件腐蝕導致設備損壞。硫化氫本身有易溶於水的特性，當沼氣送進純化塔內時，會透過噴水以及濾料來增加沼氣與水的接觸面積，讓沼氣中硫化氫溶於水中加以處理，當水中硫化氫飽和時，在通入空氣以氣提法將流化氫去除，其缺點需要消耗大量水資源及電力，溶於水之流化氫會導致循環水 pH 下降成強酸 (黃，2007)，因此循環水需定期更換處理。圖 3-3 為沼氣純化系統流程。圖 3-3 沼氣純化流程圖 (改繪於經濟部能源局，2000) 三、沼氣發電系統

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牧場所使用的發電機是由漢翔製造的 65kW 渦輪式發電機三台，總裝置容量 195kW，依據牧場所提供發電數據一月分至十二月份共發電 5,288 小時，總發電度數為 832,320 度，而沼氣發電過程中純化塔以及機組的耗電量分別為 82,103 度及 50,590 度，因此總淨發電量為 342,657 度，如表 3-5 所示。表 3-5 2018 年牧場沼氣發電量月份機組輸出(度) 台電計量(度) 機組耗電量(度) 純化塔耗電量(度) 淨發電量(度) 運轉時數(H) 1 11,020 10,320 1,090 1,885 7,345 72.5 2 6,400 6,200 670 1,118 4,412 43 3 43,600 41,920 4,130 7,228 30,562 278 4 76,600 73,630 7,210 12,558 53,862 483 5 86,800 83,480 8,690 14,326 60,464 551 6 91,600 88,200 8,790 15,262 64,148 587 7 73,500 70,720 7,320 12,618 50,782 468 8 24,900 23,960 3,790 3,926 16,244 151 9 80,000 76,920 8,900 13,182 54,838 507 10 114,600 110,220 10,310 19,032 80,878 732 11 111,700 107,640 9,870 18,616 79,154 716 12 11,600 107,520 9,560 18,174 79,786 699 總計 832,320 800,730 80,300 137,925 582,475 5288 四、牧草農地該研究牧場在豬舍旁設立一塊面積約 3.2 公頃農地，該農地種植了由農委會畜產所所培育之狼尾草三號及六號，狼尾草於涼季生長週期約為 80 天，熱季生長週期約為 40 天，每次於狼尾草收割後 10 天

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進行施灌，每年共施灌 6 次，每次施灌量為 1,312.2 公噸，施灌深度約 4.08 公分。該牧草使用經驗氧發酵支柱糞尿廢水以管線將沼液沼渣送到施灌地，以溝灌方式進行沼渣農地肥份使用。該沼液沼渣特性如下表 3-6 所示。表 3-6 沼液沼渣特性及成份分析表項目 pH EC TN TP Cu Zn NH4+-N 單位 - μS/cm mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L 檢測值 7.4 8750 376 55.5 0.44 1.96 322 資料來源:牧場自行提供狼尾草是國內主要多年生國產牧草之一，從種植到採收狼尾草需要 8-10 週生長週期，其植物體內總碳含量平均約為 41.8%，全年每公頃碳固定量分別為 15.4-18.8mt/ha。狼尾草 30cm 以上土壤碳存量為 35-45mt/ha，1m 以上土壤碳存量分別為 45-50 mt/ha(畜產所，2015) 。

Lantz and Börjesson (2014)使用豬糞尿消化液做為肥料，假設消化液 DM 為 2.9%，估計碳含量達 40%，因此保守估計消化液施肥於農

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第四章

結果與討論

本研究以台灣某畜牧場做實場生命週期碳足跡研究，根據 ISO14067 (2018)範疇邊界搖籃到大門，這是因為在發電的前端生產經過源料的蒐集、沼氣的生產、廢水的處理、升級最終進到發電，而牧場範疇邊界最終階段含蓋了送入國家電網及場內純化及發電系統自用並未含蓋廢棄處理階段，因此從原料蒐集到發電分為廢水處理系統、沼氣生產系統及發電系統三個主系統，如圖 4-1 所示。其中廢水系統包括了廢水蒐集、厭氧消化及消化產物的施作，沼氣生產系統包含去除沼氣中硫化氫的沼氣純化，發電系統則是含概發電機相關設備的使用，最後計算結果以 kg CO2/kW 為最小功能單位進行數據闡述。圖 4-1 牧場生產沼氣系統流程圖

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4.1 系統邊界設定

本研究以生命週期概念對某牧場 2018 年執行一整年度沼氣發電碳足跡盤查計算，在執行碳足跡計算時，一般可分為從搖籃到大門 (cradle to gate)及從搖籃到墳墓(cradle to grave)。搖籃到大門是指源料的蒐集到完成生產使用階段所造成的排放量計算，而搖籃到墳墓則增加了產品使用階段後的廢棄回收使用所造成的二氧化碳排放，如圖 4-2、4-3 所示：

圖 4-2 碳足跡搖籃大到門示意圖

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在實場案例的研究上大多數的研究是以一整年度的數據或特定原料進行盤查計算，例如 Ishikawa et al, (2006) 和 Lantz et al, (2014)等進行實場案例探討都是以單一年份進行數據彙整，針對各系統進行碳排放計算。而本研究實場在整個發電的過程是從原料的蒐集作為邊界的搖籃，發電送上電網作為邊界的大門，因此在邊界設定上選用了搖籃到大門(cradle to gate)的設定進行盤查計算。 4.1.1 範疇邊界的差異系統邊界主要是分析生產過程的各個單元所造成的環境影響，沼氣的生產可以從糞便管理開始，而糞便處理過程中所產生的消化物和沼氣系統邊界可以擴展至發電的階段（沼氣發電、熱電聯產）或升級（生物甲烷）以用作燃料，其中包括前一階段的額外過程，如動物飼養場，飼料種植和土地利用變化等(Esteves et al., 2019)。透過文獻回顧整理國外相關實場案例所界定的邊界發現，許多實場案例文獻因為地理位置和缺乏數據所以界定了不同的系統邊界，如下表 4-1 所示。表 4-1 所統整的文獻可以了解沼氣在生產的過程，彙整的相關文獻大多數以糞便管理做為生命週期中的起點居多，而 Cherubini et al.( 2015)在消化產物的回收取代了化學肥料的施作則以土地利用變化為。

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表 4-1 各文獻考慮不同邊界設定 (Esteves et al., 2019) LUC1 飼料儲存 MMS 2 _運輸 _建設3 能源作物消化儲存熱電聯產沼氣升級 Power and Murph （2009） ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ Hamelin et al. (2014) ˇ ˇ ˇ ˇ Agostini et al. (2015) ˇ ˇ ˇ Cherubini et al. (2015) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ Fusi et al. (2016) ˇ ˇ ˇ ˇ Van Stappen et al. (2016) ˇ ˇ ˇ Lijó et al. (2017) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ Taylan et al. (2017) ˇ ˇ ˇ Ramírez-Arpide et al. (2018) ˇ ˇ ˇ *本研究 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 註解：LUC：土地利用變化、MMS：糞便管理、建設：消化工廠營建運輸距離在沼氣工廠的能源和環境績效中發揮著重要作用（Hamelin et al., 2014），在不同的地理條件下運輸過程中可以考慮三個運輸步驟： 1. 將消化產物運輸到農地

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3. 消化運輸以供最終使用而表 4-1 所提到的文獻中，有半數沼氣場因為農牧場與沼氣場相差甚遠，則需要依靠卡車來進行原物料、消化產物及沼氣分配的輸送，剩餘則是透過管線進行輸送避免運輸過程中的排放。 4.1.2 溫室氣體排放項目 在計算各系統碳排放量的過程，需要先行了解各排放邊界所需要投入額外能源、營建用料、消化產物的使用及甲烷洩漏，以下針各系統邊界做說明。1. 額外能源的投入是指原料的蒐集到最終的發電階段過程中所使用的設備用電、車用柴油等，這些能源的投入在計算過程中會依據不同能源所對應之溫室氣體排放係數進行二氧化碳的轉換計算。2. 營建用料排放是指設備在生產的過程所使用的鋼筋、水泥、運輸、焊接氣體、各類金屬材料水電的使用所產生的溫是體排放，各材料需要探討生產過程所有的溫室氣體排放。然而營建排放在大多數文獻中均不納入考量，這是因為在建料數據的蒐集不易或是產生的排放對環境衝擊較小，因此在範疇的界定上會將其邊界排除在外(Fusi et al, 2016)。3. 肥料的使用是指消化產物或化學肥料在投入農地中所造成的溫室氣體排放及儲存，任何一種肥料的投入均會造成氮化合物的直接與間接的溫室氣體排放，但是消化產物因為有機質含量較高在施做於土壤中會提高土壤中有機碳的濃度造成碳儲存的發生。4. 沼氣

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的洩漏指的是在任何一個系統過程中，皆會有甲烷氣體的直接逸散到大氣中，在製造的系統過程源料的蒐集、鋼筋水泥的龜裂、沼氣的管線輸送以及發電機燃燒的過程皆是洩漏來源。本研究在評估排放項目時將營建原物料排放排除在邊界外，這是因為廢水處理場設施建置年份久遠，營建過程所使用的原物料牧場無法提供相關的使用明細，唯一可以明確界定出來的指有營建過程所使用的外購電力，因此在營建原物料邊界內只將能源的使用納入計算。放以下針對各系統進行詳細計算說明。 4.1.3 各系統排放計算 一、系統 A: 1. 廢水處理系統牧場共設置三期的污水處理設施，在執行碳足跡盤查時理論應將廢水處理設施使用與建造過程一並納入盤查。營建建材的使用由於三期污水處理設施中一、二期年份老舊，牧場未能提供當初建造之使用材料及相關數量，第三期建在建造過程並沒有統計營建材料量，因此進行污水廠營建材料溫室氣體排放計算時，除了電力的使用外其它均不納入計算邊界。表 4-2 2018 年廢水處理設施外購電力使用量

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廢水處理階段採用生物處理方式，因此廢水處理過程並無投入相關藥品進入廢水理系統，在評估最終階段考慮了外購電力進行碳足跡之盤查使用。在三個期別污水處理廠總用電量如表 4-2 所示。在第二期污水廠整年度使用的外購電力達 92,600 度，這包含了污水廠運轉過程中所需要的鼓風機、固液分離機及基本維護用電。第三期在 2018 年完成建造後開始運轉，在營建過程所使用的電力則是從第一期污水廠引電作為施工用電，因此兩期污水廠電力在該年度是合併紀錄。在年度用電總結上由於施工期間用電量較大，導致第一、三期整年度用電量比起第二期用電量高出 234,880 度，根據台灣電力排放計算：活動數據 *電力排放係數，計算式如下：月份 1+3 期 2 期總用電量 (度) 碳排量(kg) 用電量(度) 1 22,720 7,240 2 21,320 6,320 3 23,280 7,400 4 22,640 8,120 5 24,760 8,400 6 26,680 8,120 7 27,080 7,800 8 26,400 8,160 9 34,160 7,960 10 37,600 8,000 11 33,520 7,600 12 27,320 7,480 總計 327,480 92,600 420,080 223,903

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420,080 度 ∗ 0.533kg 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞/kwh = 223,903 kg 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞 (4.1) 畜牧糞尿經過厭氧消化後生成之水溶性物質為沼液固體產物則為沼渣 (通稱消化產物 )。畜牧糞尿中含有較高量的有機質及氮磷為作物的肥分基礎，在經厭氧發酵後消化產物做為農地肥分，可提高植物的抗病蟲害能力，有助於作物吸收、產量增加。而畜牧糞尿資源化利用有三種途徑： 1. 厭氧發酵沼氣用來發電，消化產物作為農地肥分使用。 2. 畜牧糞尿依農業事業廢棄物再利用管理辦法進行再利用。 3. 經處理至符合放流水標準，放流水作為澆灌之水資源利用。環保署亦於 104 年修正水污法相關子法，將畜牧糞尿厭氧發酵後之消化產物視為資源，正式推動其回歸農地作為肥分使用。牧場於 105 年向環保署申請消化產物的回收使用，這些由厭氧消化完成後所剩餘的消化產物回收使用替代了化學肥料的投入種植牧草。Paul (2018)也指出氮肥是土壤溫室氣體排放中最大的排放項目，以消化產物取代原先使用的化學肥料可以減少化學肥料所造成的間接性溫室氣體的排放，而且由於消化產物中的有機碳含量及高，在投入農地進行牧草灌溉可以提高土壤中有機碳的含量。而本研究在土壤溫室氣體排放中，由於氮化合物的排放估算會因為當地氣候條件、

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牧場管理模式而造成極大的誤差(Brentrup et al., 2000)，因此在盤查的過程只考慮了消化產物及種植作物對土壤固碳的所造成影響。牧場在此區塊種植狼尾草，種植面積達 3.2 公頃。根據土壤溫室氣體管理的文獻回顧，計算土壤固碳的方法，以下整理了三種： 1、 Gelfand et al (2013)提出以土壤有機碳(SOC)變化作為碳儲存的估算，由於該方法在實際執行上需要耗費更多的時間執行土壤採樣分析，透過採集土壤表層向下 30 公分處的土讓作為樣品進行有機碳的濃度檢測，根據第一年的基準值與的二年有機碳農度變化做比較，透過二氧化碳分子量的轉換計算出土壤碳存量，因此最後決定不採納此方式進行碳儲存的計算，其中 X1 是目標系統的當前土壤碳含量（以 kg / m2_為單位）_，X 2是原始土壤碳含量，X3 是碳累積量（當年度和基線年度的碳含量差異），公式如下: (𝑋₁−𝑋₂)kgC (𝑚3∗𝑋₃)year

∗

44kg𝐶𝑂₂ 12𝑘𝑔𝐶

∗

103𝑔𝐶𝑂₂ 1𝑘𝑔𝐶𝑂₂

=

CO

2 -eq

_kg(SOC)

(4.2)

2、畜產所(2015)提供的狼尾草種植對土壤造成碳儲存的實驗數據引用 1m 以上土壤碳存量分別為 45-50mt/ha，在本研究中則是以每公頃最大固碳量進行估算，這是因為從 IPCCa (2006)指出濃度和活性較高的有機碳大多數儲存在土壤的頂部 20-30 公分，但在植

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物根區因為在缺氧條件下植物凋落物分解減少並在排水受到限制的形況下所形成的土壤，這些土壤具有更高的碳含量，因此可以在其下方整個深度都可以發現大量的有機碳。

3、 Lantz and Börjesson (2014)假設豬糞消化產物 DM 為 2.9%，估計碳含量高達 40%，施作於土壤消化產物碳含量為 12kg / t，消化產物施作於土壤中會造成 4.4kg CO2/ton 的碳儲存量。在上述三種計算方式中以第一種方式來估算土壤碳儲存比起第二和第三來的精確，這是因為有實際的土壤檢測數據來換算土壤中有機碳的變化，但在最終討論結果並不採納，因為採集樣本進行土壤有機碳進行碳存量的計算需要長達兩年的時間來執行數據比較，這過程含蓋了採樣佈點判斷分析和土壤檢測，而方法二與方法三則是以文獻的經驗計算碳存量，因此在三種方法中可以定義為：方法 2 + 方法 3 = 方法 1 (4.3) 牧場區造成土壤碳封存量包含了狼尾草對土壤造成的固碳，而畜產所(2015)及 Lantz and Börjesson (2014)所估算出來的結果包含了第一項文獻的結果，將狼尾草對土壤造成的碳儲存與施做消化產物對土壤造成的碳儲存分別計算後加總與 Gelfand et al (2013)方法結果概念相似，其計算過程如下：

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種植狼尾草對土壤所造成的固碳量估算為： 3.8ha ∗50mt ha = 190,000 kg 𝐶𝑂2−𝑒𝑞 (4.4) 消化產物對土所造成的固碳量以每公噸消化產物造成 4.4kg CO2 -eq_{，每次施作 1312.2 ton 消化產物於土壤且一整年度共計施作 6 次進} 行計算如下: 1312.2ton ∗ 6 ∗4.4kg ton = 34,642 kg 𝐶𝑂2−𝑒𝑞 (4.5) 在投入消化產物及種植狼尾草對土壤所造成的固碳總量計為： 190,000 kg 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞 + 34,642kg 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞 = 224,642 kg 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞 (4.6) 224,642kg 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞 ≅ 224 ton 𝐶𝑂₂−𝑒𝑞 (4.7) 二、系統 B：沼氣純化系統牧場共設置了 2 座水洗式沼氣純化塔，主要由兩個塔槽為主體，一個為吸收塔(Absorption)，另一個脫除塔(Desorption oe Stripping Tower)。利用硫化氫溶於水特性，將硫化氫溶於水中，達到除去之目的。在純化的過程中抽水馬達必須將水抽至塔頂，以噴灑的方式將水注入塔內與沼氣大面積接觸，因此沼氣純化塔運轉過程以抽水馬達 24 小時運作消耗大量電力，從牧場所提供之用電數據，1 月份至 12 月

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份純化塔所消耗電量 137,925 度，表 4-3 所示。純化塔所使用之電力來自發電系統所發出的電力，當發電過程所消耗的自發電力所造成的二氧化碳排放小於使用沼氣電力所造成的減排效益時，該系統所造成的二氧化碳可界定為 0 碳排。表 4-3 2018 年沼氣純化塔電力使用量月份耗電量(度) 月份耗電量(度) 1 1,885 7 12,618 2 1,118 8 3,926 3 7,228 9 13,182 4 12,558 10 19,032 5 14,326 11 18,616 6 15,262 12 18,174 總計 137,925 度三、系統 C：沼氣發電系統牧場所使用之沼氣發電機共計 3 台(每台 65kW)，該機組設備從沼氣送入需經過空氣壓縮及冷凍乾燥程序，且發電機啟動時需要投入額外電力驅使引擎啟動，因此電力為此系統最大宗之排放項目，而前述壓縮、冷凍乾燥及發電機相關設備在大多數的文獻中並沒有特別去做源物料的溫室氣體排放計算，因此本研究在此部分只探討了外購電力。根據牧場提供數據顯示，1 月份至 12 月份機組所消耗電量達 80,300 度，如下表 4-4 所示：表 4-4 2018 年沼氣發電系統電力使用量

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月份耗電量(度) 月份耗電量(度) 1 1,090 7 7,320 2 670 8 3,790 3 4,130 9 8,900 4 7,210 10 10,310 5 8,690 11 9,870 6 8,790 12 9,560 總計 80,300 度由於發電設備所使用電力與沼氣純化系統一樣皆來自場內發電自用，在計算結果與純化系統界定一致，將電力排放與最終電力使用所造成的減排效益合併計算，因此在此階段二氧化碳排界定為 0。四、甲烷洩漏甲烷洩漏是沼氣發電廠的常常發生問題，沼氣生產目前並沒有計算洩漏的標準方法(Liebetrau et al., 2010)，洩漏所造成的影響程度取決於沼氣場的運作模式（Boulamantiet al., 2013；Liebetrau et al., 2010；

Thrän et al., 2014 ）。在生產沼氣的過程中包含源料的蒐集、厭氧消化的過程、純化過程和發電過程中所產生的生物甲烷都會發生甲烷洩漏排放。Buratti et al (2013)也提出了 1% (0.2 g CH4/MJ)的甲烷洩漏可能佔了總排放量的 20%甚至更多的假設。消化產物儲存與作物生長季節是有關聯的，由於作物在生長期間才需要投入消化產物進行施肥，因此在作物尚未種植時，消化產物會儲存在開放或封閉式的槽體內，而封閉式的儲存槽體在多數實廠案例