浅谈两种绿色生态能源（王文轩，刘波）-浅谈两种绿色生态能

新能源产业浅谈两种绿色生态能源王文轩刘波　　自工业革命以来，人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，促使工业快速发展，世界经济也因此大幅度成长。然而毫无节制地开发与使用化石能源却逐渐引发各种问题，其中又以能源耗竭和温室效应最为严重。　　专家估计到2040年，全球大型油田将开采殆尽，而开发小型油田又会大幅提高油品的成本。此外，大量燃烧化石燃料所排放的二氧化碳会阻碍地面辐射热的散逸，造成温室效应，破坏全球生态的平衡。　　为了让人类在地球上能永续发展，寻求可行性的再生能源已成为重要且迫切的议题。目前专家们研究的范围包括风能、水力能、太阳能、生物能源等。根据国际能源总署统计，生物能源是目前最被广泛使用的再生能源，它是指由生物产生的有机物质，经由直接或转化技术所产生的可利用能源。　　生物能源是由植物利用太阳能把空气中的二氧化碳及土地中某些元素固定后所合成，因此只要有太阳和土地，就可以持续地种植作物，源源不绝地生产有机物质，再转化成永不耗竭的生物能源。由于植物在生长过程中会吸收二氧化碳再转化成生物能源，而生物能源使用后所排放的二氧化碳的量不会超过植物生长所吸收的二氧化碳，因此可达到碳循环的平衡。永不耗竭和碳循环平衡就是使用生物能源的两大优点。　　一、微藻　　微藻可利用光合作用把空气中的二氧化碳固定，转化生成油脂。专家们认为利用微藻做为生物柴油的来源，是可行的选择。　　（一）微藻油脂的生产　　目前生物柴油的大部分原料来自植物，如大豆油、油菜籽油、棕榈油等。由于这类油脂多是食用油，在供应量上有其限制，因此寻求永续且满足大量需求的稳定来源是必要的。专家们发现利用微藻做为生物柴油的来源，是可行的选择。　　如同其它植物，微藻利用光合作用把空气中的二氧化碳固定，转化生成油脂。一般来说，微藻生产油脂的速率比植物快，在经济与时间成本考量上是颇具竞争力的。微藻的含油量视不同属种而有差异，事实上很多微藻是不产油的。一般产油微藻的含油量约为藻体重量的20～50％，而某些特殊藻种甚至高达80％。因产油速率的快慢取决于微藻的生长速率，所以选择高产油速率的微藻是第一要务。　　（二）微藻培养系统　　微藻培养系统可分成开放式和密闭式两种，其选择需要考虑许多因素，如微藻的生物特性、气候状况、目标产物种类与土地、人工、能源、用水、营养源等各项成本。　　1、开放式微藻培养系统：开放式系统大致有4种型态，分别是大型池、开放式槽体、圆形培养池及跑道型培养池。每种类型各有其优缺点，必须依据相关条件做为选择培养方式的依据，以获得最大的经济效益。　　开放式系统是在户外利用阳光进行培养。这种培养方式在规模放大上容易，成本也较低，因此是量产的主要方式。开放式培养的缺点在于培养环境易受外界，如温度、天气、光照强度及光照周期变化的影响，也容易遭受其他藻种、细菌及原生动物的污染。因为开放式培养的环境因子较不容易控制，所以培养操作上有其困难度。　　2、密闭式微藻培养系统：密闭式系统可在发酵槽、培养袋，平板光生化反应器及管型光生化反应器内培养，应用不同，所需系统也不同。密闭式系统可用于自营、异营或混营培养，而且在户内或户外都可实施。其培养环境控制较容易，因此产率较高，品质较稳定，后续分离纯化所花费的成本也可减少。与前述系统相较，密闭式系统较不易被杂菌污染，且几乎各种微藻都可适用，但有设备成本过高，规模不易放大等缺点。　　（三）微藻培养技术　　由于微藻生长必须进行光合作用，因此最主要的生长限制因子就是光。二氧化碳是进行光合作用时不可或缺的物质，也很重要。此外，氧含量控制、温度控制、盐度、养分，酸碱值、混合效果等也都对微藻的生长有重大的影响。　　1、光：就自营生长的微藻来说，不论是培养于开放式系统或密闭式系统，光反应器设计的重点都在提高光的使用效率。目前在大规模培养藻类方面，开放式平面培养池仍是最普遍的系统。新能源产业　　一般在培养系统中，如果培养深度太深或微藻浓度太高，会造成光线分布不均，藻类无法有效吸收光能，致使培养效率降低。因此开发设备简单、成本低廉、易放大且高光使用效率的新型光生化反应器，是微藻培养技术发展的重要方向。　　2、二氧化碳：微藻体内含有40～50％的碳，生成1公斤的微藻细胞，需要1.5～2.0公斤的二氧化碳，碳对于微藻的重要性可见一斑。对自营微藻而言，本身能利用溶于水中的无机碳源，如CO2、H2CO3等进行生长。这些无机碳源的利用会因藻种和环境条件而异，例如螺旋藻可利用HCO3－当做碳源，CO2则是微藻最普遍也是最通用的碳源。　　CO2占空气中的0.03％（ν／ν），而且不易溶解于水中。在高浓度培养微藻时，所需碳源也会增加，因此在培养系统中，常会通入CO2与空气的混合气体以提供藻类充足的碳源。　　氧含量：当微藻行光合作用时，二氧化碳会被微藻吸收并转化为碳水化合物，且生成氧气，使得培养系统中的含氧量随之增加。研究报告指出，当氧含量过高时会抑制微藻的生长，因此降低培养环境中的含氧量有其必要性。　　3、温度：由于温度的高低对生物体内的酵素作用有极大的影响，会影响微藻生长的速率。一般而言，太高的培养温度会降低微藻光合作用的效率，把温度控制在最适宜的范围，有利于微藻的生长。　　4、盐度、养分与酸碱值：适宜的培养环境有助于微藻生长，因此供给足够的营养源与最佳的培养盐度及酸碱值是极为重要的。因为盐度、养分与酸碱值的变化会影响微藻的生长代谢与生成物生成，控制这些变量也有其必要性。　　5、混合效果：微藻培养系统中的混合援动程度，在生产高浓度微藻的程序中扮演着重要的角色。因为微藻在光照下进行光合作用，在无光照时则进行呼吸作用，所以光照的亮暗周期会改变光合作用和呼吸作用的比例，而影响微藻的生长。若提升培养系统的混合扰动程度，增加光照的亮暗频率，可使微藻细胞快速反复地来回光区与暗区，而提升微藻的光合效率。　　（四）微藻产油的现况与挑战　　利用微藻产油做为生物柴油来源的构想，早在1980年就有相关学者提出，但并未受到重视。直到近年来因原油价格的攀升，开发再生能源的意识逐渐提高，以微藻生产生物柴油的想法遂受到各界关注。目前许多产官学单位都已意识到，利用微藻生产生物柴油以取代目前的化石柴油是有其发展性的。　　相关研究指出，在1公顷的土地上培养微藻，油脂的年产量可高达100吨以上，远高于种植其它植物的年产油量，可见以微藻生产油脂的优势。虽然目前微藻生产的生物柴油每公升成本仍高于化石柴油，但若原油的价格持续上涨，且微藻的培养技术不断改善，则微藻生产的生物柴油将有取代化石柴油的潜力。　　总而言之，降低培养微藻生产生物油脂的成本，是发展生物能源的重要挑战。未来需要努力的方向是通过制程的改进及基因工程的利用，提高光生化反应器的性能及微藻的产油速率，期望达到目标，并进而建立一永续性与环保的再生能源。　　二、牛粪　　西藏人民对牛粪的利用由来已久，是将牛粪的功用发挥到淋漓尽致的民族，看到牛粪会高兴地赞叹，而且急着捡回家。牛粪作为西藏大多地区藏人的燃料，已有千年以上的历史，因为牛粪不需要花钱，可以盖成屋墙或粪饼堆长时间储存，而且燃烟少、耐烧且持久，还是藏人每日酥茶保温的必备品。在藏人的生活中，牛粪不但是能源的利用方式，甚至已经和医疗、艺术、文化紧密地结合，俨然成为藏人的信仰。　　现代人用电已成生活习惯，然而面对传统能源已经面临用磬的窘境，如何满足用电需求?近来生质能源的发展提供许多可能的解决方案，牛粪异军突起，成了新开发的能源，利用牛粪生产天然气与发电的时代已经来临。　　美国伊利诺伊州有农场利用牛粪发酵后的甲烷发电。据他们估计，大约5头乳牛的粪便，就能提供1个美国家庭1天的用电量；如果份量够多，5000加仑重的牛粪，不仅足够供应农场电力，还有剩余产能。印度政府则是在其拉吉斯坦省设立了印度第一座用牛粪、牛尿制造压缩天然气的工厂。目前每天可以生产24公斤的压缩天然气燃料，专供汽车使用。在欧洲，仅有2000人的卢森堡Beckerich市，农家利用牛粪及裁切下的废木屑，依照一定比例经厌氧消化产生沼气作为提供全市家户冬天所需的热能，不但解决牛粪处理问题，也是市民便宜的生质能源。牛粪发电不但使得粪便的异味，在提炼过程中分解，而且经过高温杀菌的干燥粪便，99%不含病原体，堆肥就是最好的副产品。牛粪在传统的建筑当中，也是重要的建材。台湾许多传统的老房子俗称土埆厝或是叫做牛结厝！怎么做呢?先用竹子将房子的骨架搭好，再拿一些稻草塞在竹架缝中，最后将牛粪抹进缝中与稻草及竹架纠缠一起，就大功告成了。墙面则须采用3日内的新鲜牛粪，依比例混合黏土、稻杆或稻壳，涂在竹筋上风干，坚固耐久，住在这样的牛粪厝而且不但不臭，而且冬暖夏凉，不像水泥，会过度吸热，造成都市的热岛效应。　　近年来，适当科技、干净能源与绿建筑等概念，慢慢地唤醒传统知识的其它可能性。斯里兰卡最近有许多商人，交换名片时会特别说句：我的名片是大象粪便做的!，象粪纸外销到欧、日，成为政商名流的重要包装品，象粪纸可能成为斯里兰卡的国宝了，随着森林愈来愈少，畜牧业又大量生产牛粪，牛粪的开发利用将为解决日益严峻的能源问题出一分力。