7-1 生質能

第 七 章 再 生 能 源（Ⅲ）

7-1 生質能

7-2 都市廢棄物

7-3 生質物轉換

7-4 能源造林

生質能係指生物所產生的生質物，經熱、化學或生 物方式轉換而獲得的有用能源。生質能與風能、太陽能 相同，都具有取之不盡、用之不竭的特性，因而生質能 為再生能源的一種。

生質能與化石燃料不同的地方在於化石燃料在地下 深處經長期的地質化學作用才形成的，一經開發後，無 法迅速再生。而生質能係由CO

₂

與H

₂

O經光合作用而成，

使用後又變回CO

₂

與H

₂

O，其僅靠簡單的生化作用便可重 覆再生，不需長期的地質作用。

生質能

7-1 生質能

生 質 能 係 由 CO

₂

與 H

₂

O 經 光 合 作 用 (photo­synthesis) 而成，使用後又變回CO

₂

與H

₂

O，其僅靠簡單的生化作用 便可重覆再生，不需長期的地質作用。

光合作用可以用以下簡單的反應式表示：

式中hν代表著光能的吸收，植物每生成一莫耳的

CH

₂

O，約需112 kcal的光能。以葡萄糖 (glucose) 生 成為例，其藉光合作用每合成一莫耳，需要674 kcal的 光能，而其反應式表示如下：

生質能

2 6

12 6 2

2 h C H O 6 O

O H 6 CO

6 + ⎯ ⎯ → ⎯ ν +

2 2

2 2

2 h CH O H O O

O H 2

CO + ⎯ ⎯ → ⎯ ν + +

7-1 生質能

據估計，當陽光入射至植被的地球表面時，所有波 長光線中約25% 的光能可被利用於光合作用，其中又約 60到70% 的能量被植物的葉片吸收，而葉片平均每吸收 15 eV的光能後，約轉換成含5 eV之碳水化合物，其能 量的效率約為35%。綜合上述各項因子，光能轉換成化 學能而儲存在生質物的效率約為6%(=0.25×0.70×0.35) 左右。

依統計，目前生質能為全球第四大能源，僅次於石 油、煤及天然氣，供應了全球15% 的初級能源需求，也 提供了開發中國家35% 的能源，為目前最廣泛使用的再 生能源，約佔世界所有再生能源應用的三分之二。

生質能

7-1 生質能

廣義而言，生質能包含了：

1. 木材與林業廢棄物 ( 如木屑 )。

2. 農作物與農業廢棄物 ( 如黃豆、玉米、稻穀、蔗 渣 )。

3. 畜牧業廢棄物 ( 如動物屍體、廢水處理所產生的沼 氣 )。

4. 工業有機廢棄物 ( 如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、

黑液 )。

5. 垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼 氣。

7-1 生質能

7-1 生質能

印度鄉間生質能－牛糞

與其他再生能源比較，生質能具有下列優勢：

1. 技術成熟，具有商業化運轉能力。

2. 經濟效益較高，使用廢棄物的生質能，更兼具處理 廢棄物與回收能源的雙重效益。

3. 生質能可利用傳統能源供應架構，例如生質柴油可 與市售柴油混合使用，氣化系統可與汽電共生或複 循環發電系統結合。

7-1 生質能

國 別 生質物總產量 (ktoe) 利用生質物發電之數量 (ktoe)

瑞 典 7,458 2,272

德 國 5,903 1,767

芬 蘭 5,698 1,350

法 國 10,473 1,159

荷 蘭 1,438 1,047

丹 麥 1,541 911

英 國 1,638 847

奧地利 3,508 772

西班牙 3,788 562

比利時 623 367

義大利 6,722 328

葡萄牙 2,406 153

愛爾蘭 162 22

希 臘 911 0

盧森堡 40 23

總 計 52,309 11,661

7-1 生質能

回顧過去百年以來，垃圾處理的方法主要有棄置於土 地上、丟棄於水體中、掩埋、廚餘餵猪、堆肥及焚化等。

台灣早期工業尚未發達之時，垃圾的處理以掩埋為主。但 隨著人口的增加，由於台灣地狹人稠，掩埋場日趨飽和，

加上民眾環保意識的抬頭，其所衍生的惡臭問題造成各地 民眾皆要求既有的掩埋場早日封閉，並反對設立新的掩埋 場。事實上，垃圾掩埋除有惡臭問題外，也涉及到滲出水 (leachate) 的管理。所謂滲出水係指液體滲經固體廢棄 物並萃取出溶解性及懸浮性物質，而大部份掩埋場的滲出 水是由外界進入的液體 ( 如表面排水及地下水等 ) 及廢 棄物分解產生的水份所組成。因此，以焚化方式處理都市 廢棄物乃成為近年來較佳的選擇。

7-2 都市廢棄物

都市廢棄物(Municipal Solid Waste, MSW)

焚化係創造一高溫及充足氧氣的環境，利用劇烈的氧化反 應將廢棄物燃燒破壞。焚化去除廢棄物的同時，也能夠 滿足

1. 減量化:一般而言，產生灰渣的體積僅有原來垃圾體積 的5%~10%。

2. 安定化:當垃圾經焚化後，高溫燃燒將能殺死各種微生 物並分解惡臭氣體。

3. 安全化:醫療廢棄物及其他有害的事業廢棄物經焚化後 由於分子重組而轉變成氣體及灰渣，因而達到無害化。

4. 資源化:焚化廠的設立常具有前處理單元，能將資源性 廢棄物先行回收。垃圾燃燒所產生的熱能將可作為能源 回收利用。

7-2 都市廢棄物

焚化 (Incineration)

焚化發電廠

7-2 都市廢棄物

由於垃圾的燃燒屬於放熱反應，其所產生的熱能將可作為能 源回收利用，例如製程蒸汽、空間加熱及汽電共生發電等。

因此焚化發電廠一般又稱為廢棄物轉化能源廠。

7-2 都市廢棄物

高雄市中區資源回收廠

7-2 都市廢棄物

7-2 都市廢棄物

由於廢棄物能源利用兼具能源與環保雙重貢獻，且使 用廢棄物能源可減少因使用煤炭、石油所產生的二氧 化碳排放量，因此世界各國皆將其納入再生能源範疇 中。雖然焚化具有上述各項的優點，但都市廢棄物經 過焚化後，原有物質所含的元素將重排而形成各類的 氣體及固體灰渣，其對環境仍有相當程度的衝擊。當 廢棄物與空氣中的氧氣完全反應，碳元素將與氧形成 二氧化碳，氫元素則形成水，因此廢氣中以二氧化碳 及水分子為主要的產物。但廢棄物中除了碳及氫元素 外，尚有硫、氯及氮元素等，這些原子經反應後則可 能形成硫氧化物、氯化氫及氮氧化物等空氣污染物。

7-2 都市廢棄物

至於都市廢棄物中所含有的重金屬成份如鉛、鎘、

汞、鋅及砷等，雖然焚化過程這些重金屬會揮發成氣 態，但當廢氣冷卻後，這些重金屬將凝結在飛灰上。

而較不易揮發的金屬成份如銅、鋁、錫、鉻及鎳等則 傾向於留在底灰中。當然，若燃燒條件控制不良時，

除了生成前述的空氣污染物及重金屬外，也有可能形 成其他有害的稀有物質如多環芳香烴化合物

(poly­cyclic Aromatic hydrocarbons, PAHs)、夫 喃 (furan)、甚至戴奧辛 (Dioxin)。因此焚化爐之 操作管理也是污染防治上極重要一環。

美國ASTM (American Society of Testing Materials) 將垃圾衍生燃料製品分類成7種：

1. RDF-1：以廢棄燃料型態使用之廢棄物。

2. RDF-2：前處理成一定粗粒徑之廢棄物。

3. RDF-3：將都市垃圾除去金屬、玻璃及其他無機物後 製成之燃料，95% 重量通過2英吋角篩之廢棄物。

4. RDF-4：粉碎加工，製成95% 重量能通過10號篩之廢 棄物。

5. RDF-5：壓縮成塊狀、棒狀等成型之可燃物。

6. RDF-6：加工成液態燃料之可燃物。

7. RDF-7：加工成氣體燃料之可燃物。

7-2 都市廢棄物

垃圾衍生燃料（RDF）

燃　料　等　級

能　源　效　率 RDF-1

重垃圾

RDF-2 粗粒徑燃料

RDF-3 中粒徑燃料

RDF-4 細粒徑燃料

RDF-5 塊狀 / 棒狀燃料

RDF-6 液態燃料

RDF-7 氣態燃料

7-2 都市廢棄物

整體而言，廢棄物前處理做 得越少，成本將越低，但是 燃料效率也越低。反之，燃 料等級隨數字越大而越高，

因此RDF-7等級最高，而其能 源效率也隨數字愈大而代表 能源效率愈高。一般而言，

RDF-1的能源效益小於15%，

而RDF-7氣體燃料的效率則大 於35%為最高。

7-2 都市廢棄物

RDF-5之外觀

生質物轉換為能源的方式

7-3 生質物轉換

一般而言，生質物轉換為能源的方式可概分為熱轉換 (thermal conversion)、化學轉換 (chemical conversion) 以及生物轉換 (biological

conversion) 三種。

1.熱轉換：如直接燃燒 (direct combustion) 以生 產蒸汽或熱能，例如前述之焚化及RDF之應用，或 以氣化 (gasification) 及裂解 (pyrolysis) 方 式產生合成燃氣或燃油。

2. 化學轉換：如經發酵 (fermentation)、脂化等化 學轉換程序產生酒精、汽油、沼氣或生質柴油。

3. 生物轉換：如利用生物菌種等方法產生沼氣、甲醇 及氫氣等燃料。

生質物轉換為能源的方式

7-3 生質物轉換

垃圾掩埋是都市廢棄物處理中極重要一環，而垃圾掩 埋場除了會產生臭味、爆炸及揮發性有機化合物的排 放問題外，也會製造出沼氣，而沼氣的主要氣體是甲 烷。以台灣而言，甲烷最重要的排放源即為垃圾掩埋 場。甲烷是溫室氣體之一，而其造成的溫室效應約為 二氧化碳的24.5倍。目前台灣地區衛生掩埋及堆置等 垃圾處理場約有300處左右，這些地方若不加規劃，任 其產生出的甲烷、惡臭飄散在空氣中，對於環境無疑 是一大傷害。相反地，倘若能自垃圾掩埋場回收沼氣 之甲烷，並將其資源化應用於發電，此舉不但能減少 溫室氣體的排放，更能為缺乏自產能源之台灣創造出 具經濟價值的綠色能源，因此沼氣發電堪稱為一舉數 得的再生能源。

7-3 生質物轉換

垃圾掩埋

7-3 生質物轉換

沼氣的產生過程

100 80 60 40

20 0

氣體成分，體積百分比％

相

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

H2

N2 CO²

CH4

N2

O2

O2

時間

Ⅰ：最初調整期、Ⅱ過渡期、Ⅲ酸化期、

Ⅳ甲烷醱酵期、Ⅴ成熟期

一般來說，沼氣的產量在掩埋場關閉後的5年達到最 高峰，而發電時間約可持續15至40年之久，但台灣因為 含水量加上空氣溼度較高等因素，所以沼氣的生成也較 國外掩埋場早。

台灣沼氣發電廠有台北市山猪窟及福德坑垃圾掩埋 場、高雄市之西青埔及台中市文山等四座掩埋場，皆已 設置沼氣發電廠。垃圾所產生的沼氣經過氣化處理後，

再進行發電截至2001年9月底止，累計處理的沼氣量為 7,770萬立方公尺，累計產生的綠色能源電力已高達 11,884萬度。

7-3 生質物轉換

沼氣發電

醇類產生

7-3 生質物轉換

由於將生質物轉換成酒精可做為汽油的替代品，因 而該技術近年來深受矚目。酒精裡最重要的二種成份是 甲醇及乙醇，甲醇及乙醇二者皆為無色的液體，前者的 沸點是65℃，而後者的沸點為78℃。

甲醇可從任何含碳物質中產生而得，而除了生質物 外，也可利用煤及天然氣作為甲醇產生的原料。對內燃 機而言，甲醇是優良的燃料，因而目前是賽車的燃料。

從天然氣轉換成甲醇是最便宜的方式，和汽油的製造成 本比較並沒有貴太多。而如果自煤或木材中轉換，成本 則約兩倍。使用甲醇作燃料的好處是可以減少管末空氣 污染物的排放，特別是氮氧化物，但在溫室氣體排放的 減量方面則沒有太大的貢獻 ( 和汽油比較 )。若甲醇滲 入汽油中使用，汽車並不需要太大的修正。

醇類產生

7-3 生質物轉換

乙醇的產生可由甘蔗、玉米及木材轉換而得。早在 1970年代發生石油危機時，汽油酒精 (gasohol，汽油中 含5% 到10% 的酒精 ) 用於汽車的使用量即逐漸增加並 取代部份石油。使用乙醇的好處是其能改善汽車的運轉 情形並減少污染物的排放，而如果自木材中轉換乙醇，

由於樹木成長時會自空氣中吸收CO2，因而乙醇的使用能 減少溫室氣體排放。但若自農作物如玉米中產生乙醇，

由於作物的耕種、施肥及收割等程序皆會使用大量的能 量，因而無助於能源的節省及溫室氣體的減量。而前述 汽油酒精產生的成本甚至可能高於從石油中產生汽油的 成本。

玉米轉換成乙醇的 流程圖

7-3 生質物轉換

巴西乙醇計劃

7-3 生質物轉換

巴西是西半球第三大能源消耗國，其亞馬遜

(Amazon) 雨林目前約佔全球熱帶雨林的30%。該國95%

的電力來自於水力，在石油方面有35% 仍仰賴進口。在 1973年第一次能源危機發生，致石油價格急遽增加後，

巴西在1975年啟動乙醇計劃。該計劃要求所有賣出的汽 油必須滲入22% 由甘蔗所產生的乙醇。然而，由於後來 石油價格的下降，使得該計劃難以維持，例如1997年所 賣出的新車，不到1% 使用乙醇。但是，由於該計劃能減 少二氧化碳的排放，產生較清淨的燃燒、增加甘蔗工業 的工作機會及減少石油的進口，因而目前乙醇計劃正逐 漸復甦中。現今較新的嘗試作法是逐年增產使用100% 乙 醇的新汽車量。目前巴西41% 的交通燃料是乙醇，然

而，現在乙醇的價格仍然偏高。

以能源觀點視之，生質物成長所提供的能量比非再 生燃料 (nonrenewable fuels) 具有更多的優點。例如 生質物能夠減少我們對化石燃料的依賴，從而減少燃料 進口所造成支出。藉由增加各式各樣農作物的產生將能 提高農業經濟，進而減少政府對農業的補貼。此外，生 質物的種植也能減少土壤損失、產生較佳的水質、提供 野生生物較佳的棲息地、增加新能源的工作機會及提高 環境科技等。

生質能造林係指致力於在農場上將太陽光轉換成能 源。當評估能源造林時，重要的考慮因子有產率、單位 質 量 的 能 源 含 量 、 種 植 的 難 易 度及 作物 的維 護需 求 ( 如氣候、水源及土壤條件等 )，而上述的產率係指農 場單位面積生質物的產出噸數。

7-4 能源造林

能源造林

希望藉由廣大的耕作土地，以黃豆及玉米分別作為 生質柴油及乙醇的產生基礎，進而取代部份需求龐大的 家庭用燃料油及柴油引擎用油。

7-4 能源造林

能源牧場