篇名
化腐朽為能源
生質能源
作者
陳威凱 台中二中 二年十三班
壹. ●前言
隨著人們科技的日新月異、經濟的發展、人口的上升，地球上的能源不斷的被消 耗。尤其是不可再生的能源例如石油，總有一天一定會用完的。所以我們一定要 找出替代的能源，而且要不會造成環境污染、可永續利用的能源。而生質能源就 是目前可行的一種方法。近年來各國政府都在推行，甚至我們就可以從生活上的 廢棄物來製作能源！總之，生質能源是現在科學發展中重要的一環了，也是我們 今天要重視的問題。
貳. ●正文
一、什麼是生質能
生質能就是利用生質物經轉換所獲得的電與熱等可用的能源。生質物則泛指由生 物產生的有機物質，例如木材與林業廢棄物如木屑等；農作物與農業廢棄物如黃 豆莢、玉米穗軸、稻殼、蔗渣等；畜牧業廢棄物如動物屍體；廢水處理所產生的 沼氣；都市垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣；工業有機廢棄 物如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、造紙黑液等。
生質能是一種再生能源，與風能、太陽能一樣具有取之不盡、用之不竭的特性。
與其他再生能源比較，生質能的優勢包括技術較成熟、有商業化運轉能力、經濟 效益較高、且因使用材料為廢棄物，故兼具廢棄物的回收處理與能源生產的雙重 效益。而且，生質能可併用在傳統能源供應的架構中，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等。《註六》
二、生質能技術的種類
生質能利用的技術範圍相當廣泛，其轉換為能源的方式可概分為直接燃燒技術、
物理轉換技術、熱轉換技術與化學／生物轉換技術。
01. 直接燃燒技術是把廢棄物直接燃燒以產生熱能與電力，例如現有的大型垃圾 焚化廠，以焚化垃圾發電。
02. 物理轉換技術是把廢棄物經破碎、分選、乾燥、混合添加劑及成型等過程，
製成易於運輸及儲存的固態衍生燃料，作為鍋爐、水泥窯的燃料，例如紙廠把廢 棄物製成錠型的固態燃料，作為燃煤鍋爐的輔助燃料。
03. 熱轉換技術是指把廢棄物利用氣化與裂解（液化）等熱轉換程序產生合成燃 油或燃氣（瓦斯），作為燃燒與發電設備的燃料。
例如從廢保麗龍或廢塑膠可回收燃油作為鍋爐的燃料；又如稻殼、能源作物或廢 紙渣可產生合成燃氣，進行燃氣發電。
05. 化學／生物轉換技術，是指經醱酵、轉酯化等生物化學轉換程序以產生沼 氣、酒精、生質柴油、氫氣等，作為引擎、發電機與燃料電池的燃料。例如垃圾 掩埋場廢棄物、工業或畜牧廢水經醱酵產生的沼氣可以發電；又如廢食用油經轉 酯化反應可產製生質柴油，作為汽車的替代燃料等。
將生質物轉化為類似煤、油、天然氣的衍生燃料，易於儲運並可提高能源效率，
降低污染，同時可與資源回收系統結合，節省廢棄物處理成本，使生質能技術極 具市場競爭力。《註一》《註二》《註三》
三、 目前利用生質物發電較為成熟的各種技術
01. 固態衍生燃料技術
傳統的生質物／廢棄物能源利用多以直接燃燒或焚化產生熱量，再經由熱回收設 備產生蒸氣或熱水。然而新的生質物／廢物能源利用技術須考量廢棄物複雜的種 類及性質、廢棄物料源的穩定性、運輸與儲存的技術與經濟、相關法規的限制以 及整體系統的能源與環保效益等因素。因此，除性能提升與成本降低外，把生質 物／廢棄物轉化為不同形式的廢棄物衍生燃料（refuse derived fuel ，RDF ），乃 成為主要的趨勢。在轉化為不同衍生燃料時，屬物理轉換技術的固態衍生燃料技 術，即屬熱轉換技術的液化技術與氣化技術，被視為是高效率、低污染且可擴大 廢棄物利用範圍的新技術。
固態廢棄物衍生燃料是把生質物／廢棄物在熱轉換前先進行破碎、分選、乾燥、
混合添加劑及成型等過程，製成錠型燃料，再供燃燒、氣化、液化等利用。其主 要特性為顆粒大小一致、熱值均勻（大約是煤的三分之二）、在常溫下可儲存 6~12 個月而不會腐化、易於運輸及儲存、可直接應用於機械床式的鍋爐、流體化床鍋 爐及發電鍋爐等。現階段國外多以都市垃圾為固態衍生燃料的來源。固態衍生燃 料在應用上對環境、能源利用效率、污染防治費用等均優於直接焚化系統。
《註一》《註二》
02. 液化與氣化技術
液化程序是指由生質物／廢棄物經無氧熱裂解製成液態燃料。液態衍生燃料多以 分選過的廢塑膠或廢橡膠為料源，經過熱裂解產生油氣，再經過冷凝後成為合成 燃油與燃氣。這項技術的優點是產品易於儲存運輸且系統容量不大，具經濟性；
其缺點則在於因需維持燃油的產率，裂解溫度不能太高，大約是攝氏 300 ~500
度。另廢棄物中若含有重金屬與硫、氯等成分，會廢棄物中若雜質過多或成分複 雜，也會造成產品性質不穩定。就國內現況，納入資源回收的廢棄物與工廠下腳 料等種類較單純的廢塑橡膠，都是液化合成燃油的適合料源。
新近發展的快速裂解技術是在高溫、缺氧狀態下，快速加熱廢棄物，並快速 冷凝所產生的氣體，以獲得合成燃油，且其產品非僅限於能源產品，也可生產高 附加價值的特用化學品。快速裂解的操作溫度略高於傳統方法，約在攝氏 450
~600 度之間，停滯時間小於一秒。由於快速升溫、又迅速冷卻，避免了二次裂 解，因此可獲取約達 75 ％的最大液體產量，另伴隨有 15 ％的產氣及 10 ％焦 碳。根據國外的經驗，以廢棄木屑作為快速裂解進料時，液態產物產率可高達乾 基進料重量的 80 ％，而焦油與氣體則供應裂解系統運用，所以整個系統運作沒 有他廢棄物產生或污染排放。
氣化技術是指在高溫下進行非催化性的部分氧化反應，把含碳物質，如生質物／
廢棄物或煤炭等，轉換成以氣態燃料為主可供利用的能源。經氣化反應所產生的 可燃氣體包括一氧化碳、氫氣、甲烷等，可作為鍋爐與發電機組的燃料；另也有 部分燃料油、焦碳、焦油、灰份等產物，可供作其他用途；此外，氣化所生產的 燃氣，也可轉化為甲醇，使用在燃料電池中。
根據預測，在一九九九至二○○八年間，歐洲生質物／廢棄物氣化系統數量將占 全球 42％。歐洲氣化技術市場增加的主要原因是由於歐洲地區的廢塑膠、廢車 可燃物、廢電子產品可燃物等消費性廢棄物大量增加；另一方面，各工廠也希望 藉由銷售廢棄物能源以獲取更大的利潤，因此應用氣化反應技術乃成為各國在處 理廢棄物時不錯的選擇，同時也符合對環保的高度要求。以生質物氣化後的合成 燃氣作為鍋爐輔助燃料的混燒發電系統，其優點包括可處理廢棄物、可燒低熱值 氣體、不需淨化氣體的設備、可減少空氣污染物的排放、可節省燃料成本、原有 鍋爐改裝容易等。以荷蘭為例，現有的八座燃煤電廠已陸續增加生質物進行燒，
其他諸如美國、德國及中歐、北歐等國家也在積極發展中。
目前全球生質物與廢棄物氣化系統的發展正由示範階段跨入完全商業運轉段。現 階段全球以氣化混燒發電為主要發展目標，較受矚目的示範廠共有四座，
包括澳地利的 Z e l t w e g 、芬蘭的 Lahti 、荷蘭的 Amer 及美國的 Vermont。
03. 沼氣利用技術
沼氣的產生主要是藉由細菌把廢棄物中的有機物質分解以得到可燃性氣體，主要 成分是甲烷、二氧化碳及少量硫化氫。分解有機物的細菌可分為好氣菌與厭氣菌 兩種，當氧氣充足時，好氣菌會把有機物分解，所產生氣體大都是二氧化碳，之 為好氣發酵；相反地，若在缺氧狀態時，則由厭氣菌負責把有機物分解，產生沼 氣，稱之為厭氣發酵。
沼氣是一種相當好的能源，甲烷含量約在 50 ~80 ％之間，所含的熱值通常在
5,000 千卡／立方公尺以上，屬中熱值氣體，且有抗爆等特性，極適合於燃燒或 引擎的使用。目前台灣的沼氣來源以廢棄物為大宗，其種類包括畜牧廢水、家庭 污水、城鎮垃圾及各行業廢水等四大類，其中，畜牧廢水以豬隻糞尿廢水為大宗；
家庭污水以都市污水處理場為主；城鎮垃圾主要以垃圾掩埋場為主；各行業 廢水（物）則來自食品業、紡織業、膠帶業等。《註一》
04. 生質柴油技術
利用油脂作物或廢食用油與甲醇（或乙醇）進行轉酯化反應，可產生脂肪酸甲酯
（或乙酯）及甘油等產物；經分離甘油後，以蒸餾去除未反應完全的油脂，產生 與一般柴油品質相當的液態燃料，稱為生質柴油。反應後甲基酯化油產量約和料 相似，但增加副產物甘油，所有的成本主要來自廢食用油的費用，約占四分之三。
由於使用生質柴油的引擎排氣不含鉛、二氧化硫、鹵化物，並能大幅降低碳煙、
硫化物、未燃碳氫化合物、一氧化碳及二氧化碳，目前已成為世界各國積極發展 的生質能。自從一九八五年由奧地利在 Styria 建立首座轉酯化試驗工廠，成功 地應用於農業後，已將生質柴油推展至全世界。目前比利時、法國、德國、義大 利及美國等每年的生質柴油產量已超過十萬公噸，至於日本只有少量的生質柴油 是以廢食用油為原料生產。
依國外的經驗，生質柴油可直接作為柴油的替代燃料，或以不同比例摻配於市售 柴油中（一般建議摻配 20 ％）。若摻配 20 ％於市售柴油中可降低約 20 ％的二 氧化碳排放量；由於生質柴油中約含 11 ％重量比的氧，故在燃燒中會改善燃燒 效率。諸多文獻亦顯示，純生質柴油或添加生質柴油的油料，可大幅降低柴油引 擎所排放的黑煙、未燃碳氫化合物、一氧化碳、以及多環芳香烴等毒性物質。
《註三》
05. 有用的藻類
美國國家能源署在一九七八年開始進行一項由綠藻生產生化柴油的能源計畫，研 發出由綠藻萃取油脂轉化成生化柴油的製程。藻類可累積油脂高達菌體乾重的百 分之六十，且這些油脂大部分是三酸甘油脂，能夠藉由觸媒轉化成生化柴油。
藻類與細菌可說是地球上最古老的生物，早在距今三十一億年前即出現，靠其強 韌的生命力不斷繁衍至今。藻類是生態系食物鏈的起始點，可以直接以太陽能作 為能源，吸收環境中的碳源並釋出氧氣到水中。單細胞的藻類對太陽能的應用效 率較其他榖類植物來得高，而且生長迅速，這些優點使得藻類細胞在固定二氧化 碳與利用太陽能方面具有相當大的潛力。除藍綠藻外，藻類多屬於真核胞，擁有 葉綠素及細胞壁。一般藻類大多是幾微米大小的單細胞生物，使用顯微鏡即 可觀察到。綠藻的種類並不亞於細菌，目前已知全世界約有三萬多種藻類，然而
尚未發現的應在已發現的十倍以上。依據藻類形態、生長方式、色素等的不同，
可以分成藍綠藻、甲藻、綠藻、黃金藻、輪藻、褐藻、裸藻及紅藻等八個植物門。
《註一》《註二》
06. 藻類的油脂生產
綠藻具有使用太陽能及不與現有耕地競爭的優點，故有學者提出以綠藻生產三酸 甘油脂，作為生化柴油原料來源的構想。增加細胞累積三酸甘油脂程度的方法可 以分為二大類，分別是以環境營養源短缺，造成藻類累積大量三酸甘油脂，及以 基因調控方式，使藻類大量生產合成三酸甘油脂的酵素，大量累積三酸甘油脂。
未來除了開發新型的高效率培養系統外，將會同時朝這兩個方向研究。
《註四》《註五》
07. 植物油脂的作用
植物油脂在人類生活中扮演相當重要的角色，不僅供給人類營養、改善膳食口 感，更提供潤滑效果。一般「油脂」的主要成分是脂肪酸與甘油。脂肪酸具有一 長串的碳鏈，依碳數不同可將脂肪酸分為長、中與短鏈三種。一般碳數達 12 以 上，即可稱為長鏈脂肪酸。依碳鏈飽和度又可區分為飽和與不飽和脂肪酸。不飽 和脂肪酸若含有二個以上的不飽和雙鍵，則稱為多元不飽和脂肪酸。黃豆、油棕 櫚、油菜籽、向日葵籽、棉花籽與花生等六種作物的產油脂能力都很高，產量占 全世界植物油脂的百分之八十四。植物所產油脂約有百分之九十是供人類食用，
僅有約百分之十應用於非食用品。
雖然油脂作物含油脂量高，但由於可耕作土地及年收成次數有限，近年來紛紛改 以微生物生產油脂。《註四》《註五》
參●結論
在現今能源及資源逐漸枯竭與生態環境保護考量之下，生質能源的重要性已不言 可喻，生質能源的開發亦勢在必行。生質能符合永續經營的理念，並非僅以處理 為滿足，而是把生質物資源化與能源化，兼具能源與環保雙重貢獻。同時，生質 能的應用也極具經濟效益，可在政府適度的推動下，由民間業者投資經營，形成 一完整的體系，不僅可妥善解決地方的廢棄物問題，更能充分利用國內廢棄物資 源，轉換為可用的能源，提升國內發電容量，這對能源幾乎全仰賴進口的我國將 有極大的助益。
肆●引註資料
《註一》吳耿東、李宏台 「再生能源」。 《科學發展》第 383 期(2004 年 1 月)。民國 94 年 7 月 23 日。取自：
〈http://nr.stic.gov.tw/ejournal/Nscm/9311/9311-03.pdf 〉
《註二》陳志威、吳文騰 「生生不息的生質能源」。 《科學發展》第 359 期(2004 年 12 月)。民國 94 年 7 月 23 日。取自：
〈http://nr.stic.gov.tw/ejournal/Nscm/9111/9111-02.pdf〉
《註三》徐業良 「淺談生質柴油」。 民國 94 年 7 月 26 日。
〈http://designer.mech.yzu.edu.tw/〉
《註四》「環境生物技術」民國 94 年 7 月 26 日。
〈www.bio.ncue.edu.tw/~8523007/.htm〉
《註五》生技最前線 「生技產業大競賽」民國 94 年 7 月 26 日。
〈http://www.bionet.org.tw/innovation/new_19.html〉
《註六》《近代科學》 台北：貓頭鷹 民國 88 年。民國 94 年 7 月 26 日。
