Hvbrxo生质能技术-再生能源

秋风清，秋月明,落叶聚还散,寒鸦栖复惊。再生能源——生质能技术生质能暨生质燃料技术生质能（biomassenergy或bio-energy），系指利用生质物（biomass），经转换所获得之可用能源，如电与热。根据国际能源总署（InternationalEnergyAgency）的统计资料（IEA,2003）显示，目前生质能为全球第四大能源，仅次于石油、煤及天然气，供应了全球约11%的初级能源需求，同时也是目前最广泛使用的一种再生能源，约占世界所有再生能源应用的80%。截至2001年止，生质能供应约占世界所有再生能源利用的80%，依地区而分，其中亚洲（不含中国大陆）占34.2%，非洲占23.9%，中国大陆占20.5%，经济合作发展组织（OECD）会员国（含欧美澳日等30国）则占13%（IEA,2003）。估计至2050年时，生质能将提供全世界将近38%的燃料需求及17%的电力供给，约为206EJ（Hall,1997）。依据行政院「再生能源发展条例(草案)」（2002），我国生质能定义为「国内农林植物、沼气、一般废弃物与一般事业废弃物等直接利用或经处理所产生之能源」，因此生质物可泛指由生物产生的有机物质，例如木材与林业废弃物如木屑等；农作物与农业废弃物如黄豆、玉米、稻壳、蔗渣等；畜牧业废弃物如动物尸体、废水处理所产生的沼气；都市垃圾与垃圾掩埋场与下水道污泥处理厂所产生的沼气；工业有机废弃物如有机污泥、废塑橡胶、废纸、黑液等。由于广义的生质物的种类非常多，因此依据各种生质物的物理与化学性质、密集度、经济性的不同，在技术的分类上可依料源制备、转换与应用方式作区分如下：1.料源技术：泛指料源的制备技术，如固态衍生燃料技术、富油脂藻类养殖/采收技术及陆生能源作物耕收技术等。2.转换技术：(1)生物/化学转换（bio-/chemicalconversion）：如经发酵（fermentation）、酯化（esterification）等程序产生酒精汽油（gasohol）、沼气（biogas）或生质柴油；或利用生物菌种等方法产生氢气、甲醇等燃料。(2)热转换（thermalconversion）：如以气化（gasification）、裂解（pyrolysis）方式产生合成燃气（syngas）或燃油等。3.应用技术：如生质燃料用于车/船用引擎、发电内燃机、锅炉、燃料电池等，或进行合成燃料精炼技术，以生产精密化学品等。一、国内外技术发展现况(一)固态衍生燃料技术固态废弃物衍生燃料（RDF-5）系将生质物／废弃物经破碎、分选、干燥、混合添加剂及成型等过程而制成锭型燃料，其主要特性为大小、热值均匀（约为煤的三分之二）、易于运输及储存，在常温下可储存六至十二个月而不会腐化，因此十分便于利用，可将其直接应用于机械床式锅炉，流体化床锅炉及发电锅炉等作为主要燃料或与煤炭混烧，目前已成为全球生质能技术的主要发展趋势之一。目前国外发展以日本最为发达，已有十年以上之时间，主要以处理都市废弃物为主，自1988年第一座RDF-5厂落成后，每年皆有新的RDF-5厂完工运转，截至2002年底，已有53座RDF-5厂在运转中，预计在2005年将达62座，以处理都市废弃物为主，至于各厂之处理能力，由每日5t至300t不等，以处理量每日11t至30t所占之比例最高，其所产出之RDF-5可供作为水泥窑燃料，燃煤电厂辅助燃料，生产蒸汽或热水事业之燃料，集中发电利用等。RDF-5技术的发展，在欧洲也获相当之重视。目前欧联各国由都市垃圾所产生的RDF-5总量，至2001年时已达3,000kt(Gendebienetal,2003)，其中奥地利、芬兰、德国、意大利、荷兰及瑞典等国之RDF-5生产系统已建置完成；比利时及英国则处于发展中；丹麦及法国在过去曾生产RDF-5，但因经济因素而中断。欧洲现行或未来对由都市垃圾所制成RDF-5的主要应用方式包括用于现场（on-site）或远距（remote）的热利用设备（如固定床或流体化床之燃烧、气化及裂解）、用于燃煤锅炉、水泥旋窑中之混烧（co-firing），以及与燃煤或生质物混合气化（co-gasification）。我国则自1999年起开始研发RDF-5技术，在2001年建立了先导型实验工厂，并藉以完成多项废弃物制成RDF-5可行性试验。(二)富油脂藻类养殖/采收技术油脂性微生物系指能够在微生物细胞内，蓄积油脂质超过20%(w/w)生质体的微生物（Ratledge,1989）。应用微细藻体中油脂作为液态燃料的研究则首推美国能源部的燃料发展计画室自1978年至1996年间长期资助由藻类衍生可再生性运输燃料的计划，即水生物种计划(AquaticSpeciesProgram,ASP)，主要在进行含高脂质藻类经大量培养后再转制成生质柴油的研究，并探讨利用藻类固定火力发电厂排放的废二氧化碳气体之效率。在将近二十年的研究计划中，发展许多操控藻类成长的因素及其生长系统工程技术，可做为未来发展的参考(Sheehanetal.,1998)。根据水产试验所生物饵藻的研究成果显示，不同的藻种所含的脂肪酸也大有不同，其中东港株等鞭金藻，含有丰富的多元不饱和脂肪酸族之22碳6烯酸(4,7,10,13,16,19-docosahexaenoicacid,DHA)；而骨藻，俗称硅藻，则含有大量的20碳5烯酸(5,8,11,14,17-eicosapentaenoicacid,EPA)(苏素美，1999)。我国是一个海岛国家，地处亚热带，西部沿海地区气候适于藻类的养殖，除了再生燃料的取得外，附加固定废二氧化碳或处理废水，值得加以研究开发，在系统开发时，可先将高附加价值物质，如DHA、EPA不饱和脂肪酸分离出来，再将其余的油脂质作为生质柴油的原料，提高整体经济效益，促进产商投资意愿。(三)陆生能源作物(油酯类/醣类/淀粉类)耕收技术能源作物并无明确之定义，一般而言系指能快速生长、易于栽培与采收、高单位面积产量、且容易转化为发电燃料与运输用燃料之植物。农作物中所含的许多成分都可以开发成为生物能源，其中用量最多、用途最广的有油脂、糖、淀粉、蛋白质、纤维等。目前国际间以农产品做为可再生原料方面，最突出的领域当属能源作物（或称为生质作物），其范围广、数量大、效益显著。全世界对于种植能源作物作为能源燃料的发展，已有相当长的时间，主要的能源作物包括下列三大类，即淀粉及糖类作物、油脂作物与生产类似石油脂碳氢化合物植物。淀粉及糖类作物之生质可转换成酒精，发展最有名的国家如巴西及美国；油脂作物之油脂可用化学方法处理，制成生质柴油，如欧洲国家以油菜籽油、美国以黄豆油及马来西亚以棕榈油制造生质柴油；此外，生产类似石油脂碳氢化合物植物，可由其枝叶提炼出类似石油之碳氢化合物汁液。(四)木质纤维素衍生酒精燃料技术为了降低温室气体排放，酒精被视为有潜力取代汽油的运输燃料，为求商业化，生产成本必须降低俾能和化石燃料竞争。利用含糖和淀粉的原料(例如甘蔗和玉米)，原料成本约占酒精生产成本的40-70%(Claassenetal.,2002)；木质纤维素(lignocellulose)是地球上数量最多最丰富的生质物，若能将酒精酦酵技术扩展到利用木质纤维素做为原料，将能降低酒精生产成本和增加燃料酒精的使用。利用纤维素生产酒精主要可分为成四个阶段，包括前处理(pretrementment)，即将纤维素和半纤维素从与木质素结合的复合物中释放，使其容易进行下一步骤的化学或生物处理；第二阶段系将纤维素和半纤维素降解(degeneration)或水解(hydrolysis)以获得各类单糖(freesugars)；第三阶段则是将六碳糖和五碳糖的混合物酦酵产生酒精；最后为产品的回收与蒸馏。加拿大IogenCo.投入四千万美元以25年时间研究酵素法分解纤维素，目前已具有商业化规模(徐敬衡，2005)。澳大利亚研究使用甘蔗、小麦及玉米等作物生产，或由木材加工副产品等原料酿制酒精，预期可酿制酒精约4,400万加仑。我国对木质纤维素衍生酒精燃料技术则尚待开发。(五)厌氧酦酵／光合作用产氢技术生物产氢法使用的微生物包括藻类和光合细菌在内的光合微生物，以及兼性厌氧和绝对厌氧的酦酵产氢细菌。目前生物法产氢技术主要分为三类，包括暗酦酵法、光酦酵法与光合作用法(DasandVeziroglu,2001)。光合作用产氢是以藻类或蓝绿藻藉由光能进行之生物光解作用而产生氢气，因此不具有降解环境中有机物的功能。光酦酵与暗酦酵则是以有机物为电子提供者，经由酦酵作用将有机质分解，伴随产生的部份电子则藉由特定之电子传递系统与产氢酵素，将电子传递给水体中的质子(H+)而产生氢气。光合作用产氢之效率较差，且需要较大的操作面积，故不适用于地狭人稠的地区；酦酵产氢法可分解污染物同时产生氢气，因此较适合发展。暗酦酵产氢比光合作用和光酦酵产氢之代谢速率快，操作条件要求也较低；光合产氢研究虽多并已取得一定成果，但暗酦酵产氢是生物法中最具潜能技术者。美国产氢计划源自于1990年所通过的MastsunagaHydrogenResearch,DevelopmentandDemonstrationAct，1996年美国国会通过HydrogenFutureAct(HFA)，逐年提供1~4,000万美元给美国能源部专供氢能源开发的相关研究，而下一个五年度的HFA延长计划，申请经费更逐年扩增到4~6,000万美元(郑幸雄等，2001)。美国能源部部长并于2004年4月宣布，联邦政府将提供35,000万美元计划赠款，加上民间基金款项22,000万美元，将在五年内由加州州政府推动建造一条氢气高速公路，并辟建氢气加气站。日本国际贸易与工业部于1990年提供约30亿新台币的经费，进行光合菌产氢、产氢酵素及厌氧酦酵产氢等研究(郑幸雄等，2001)。目前欧盟第六架构计划中，亦有将近一亿欧元的经费支持16个氢能源利用及燃料电池的相关研究计划。中国自1990年开始，由国家自然科学基金支持进行生物产氢技术研究，其成果被评选为中国大陆2000年十大科技进展新闻。综观上述，足见国际上已大力推动氢气能源的研究与发展。(六)生质柴油制造技术依我国石油管理法规定，生质柴油（bio-diesel）系指以动植物油或废食用油脂，经转化技术后所产生之酯类，直接使用或混合市售柴油使用作为燃料者。100%纯生质柴油称之为B100，20vol%生质柴油混合80vol%市售柴油的燃料称之为B20，其制作的方式主要有四种，分别为直接混合使用（direstuseandblending）、微细乳化（microemulsions）、热分解（thermalcracking）和转酯化反应（transesterification），目前一般所使用的生产方式为利用转酯化反应。转酯化反应为醇与三酸甘油酯(triglycerides)间之化学反应，其原理为利用加入的醇类，将植物油中的成分(三酸甘油酯)中的醇类取代，故与酯类的水解反应相似，仅是醇类取代了水。转酯化反应依使用触媒种类可区分为化学触媒(chemicalcatalyst)与生物触媒(biocatalyst)两种。利用化学触媒生产生质柴油有流程复杂、需有醇类回收装置、酯化产物难回收、所产生之废碱液排放、耗能较高等问题，因此近年来逐渐发展以生物触媒催化转酯化方法制造生质柴油之技术。生物触媒使用方式与利用化学触媒相似，唯利用微生物分泌之脂解酵素(lipase)为生物触媒，生成酯类。此法于反应完成后利用溶解度不同或密度不同进行分离，经过分离处理之生质柴油之黏度与柴油接近，且其分子结构与十六烷值与化石柴油相似，因此可成为质量优良的柴油替代品，然而此法之缺点为转化率较低，触媒容易受短链醇类毒害而失活。目前全世界生质柴油产量超过150万吨，欧洲占80%以上，德国是生质柴油发展最成功的国家，产能超过110万吨/年；美国是欧洲以外的主要发展国家。现阶段商业化的生质柴油制程系以化学触媒的碱制程为主，在料源方面，欧洲主要以菜籽油为主，美国为大豆油，日本则以废食用油为原料，目前已有详细的引擎测试分