生物质能(biomass

生物質能(Biomassenergy)生質能(Bio-energy)生質燃料(Biofuels)生物沼氣(Biogas)何謂沼氣？沼氣：顧名思義就是沼澤裏的氣體。在沼澤地、污水溝或糞池裏，有氣泡冒出來，如果點火，即可把它點燃，這就是自然界天然發生的沼氣。沼氣，即是各種有機物質在隔絕空氣(即無氧氣的還原條件)，並且在適宜的溫度、濕度下，經過微生物的發酵作用，所產生的一種可以燃燒氣體。沼氣的主要成分是甲烷，約占所產生的各種氣體的60%-80%。甲烷：是一種理想的氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合後即可燃燒。生(物)質能的定義生質能的廣泛定義即指所有有機物，經各式自然或人為化學反應後，再焠取其能量應用。例如由農村及都市地區產生的各種廢棄物，如牲畜糞便、農作物殘渣、城市垃圾、及工業廢水等，皆可經由直接燃燒應用，或由微生物的厭氧消化反應而產生沼氣後再行應用。Biomassresiduescanbeconvertedintovariousnon-solidfuelformsreferredasbiogasandliquidbiofuels.WhatisBiogas?Biogasisamixtureofmethane(CH4),carbondioxide(CO2),anddependingonthefeedstockused,tracegasessuchasnitrogen(N2),ammonia(NH3),sulfurdioxide(SO2),hydrogensulfide(H2S),andhydrogen(H2).Biogasisproducedwhencertainbacteriadecomposebiologicalmatterinananaerobic(nooxygenispresent,厭氧)environment.Thisprocessisreferredtoasanaerobicdigestion(AD).ADisaproventechnologyforeffectivelytreatingtheorganicfractionofwaste.ThetreatmentofwastethroughADhasmanybenefits;itleadsnotonlytoacleanerandhealthierenvironment,butalsoproducesarenewableenergysource,methane.何謂甲烷(Methane)？甲烷：為沼氣的主要成分，約占沼氣所產生之各種氣體的60%-80%。甲烷是一種理想的氣體燃料，它無色無味，與適量的空氣混合後，即可燃燒。純甲烷的發熱量為34000焦耳/米3(34kJ/m3)所以，沼氣的發熱量約為20.8－23.6kJ/m3。即1立方米沼氣完全燃燒後，能產生相當於0.7千克(700g)無煙煤所提供的熱量。Q(1m3沼氣)~Q(700g)無煙煤微生物在沼氣發電中所扮演的角色在千姿百態的生物世界中，存在一種我們肉眼看不見、摸不著的微生物，能為人類提供能源。提起微生物，往往會使人們想起它會使食物腐爛變質，也會使人感染上各種疾病。因此，對它們又害怕、又憎惡。但是，在微生物的家族中，因為種類不同，它們的作用也不盡相同，有的會給人類帶來災難，有的會給人類帶來幸福。微生物中，甲烷細菌和酵母菌能為人類提供能量，經過它們的發酵作用可以生產沼氣和酒精等燃燒氣體，進而直接作為燃料及發電用的燃料。沼氣轉變為燃料氣體的基本原理沼氣發生的詳細原理科學家目前尚未完全清楚中，但其形成的過程大致可分為兩個階段：(1)首先將各種複雜的有機物轉化為低級脂肪酸，例如丁酸、丙酸、乙酸；(2)然後再將上述各類產物繼續轉化為甲烷和二氧化碳等燃料氣體。廢棄的植物殘體或腐敗生物等複雜的有機物低級脂肪酸如丁酸、丙酸、乙酸甲烷和二氧化碳發酵發酵降解沼氣發生的基本原理目前已經將沼氣用作燃料和用於照明。用沼氣代替汽油、柴油，發動機器的效果也很好。作為農村的能源，具有許多優點。人、畜的糞便以及各種作物秸杆、雜草等，通過發酵後，既產生了沼氣，還可作為肥料，由於腐熟程度高使肥效更高。糞便等沼氣原料經過發酵後，絕大部分寄生蟲卵被殺死，故並可以改善農村衛生條件，減少疾病的傳染。譬如，修建一個平均每人1-1.5m2的發酵池，即可以解決農村一年四季所需的燃柴和照明等基本問題。現在，沼氣應用在各國農村受到大力地推廣，沼氣能源的開發和運用的普及等方面，已經有了不錯的成績。許多已開發的國家，已開始進行微生物厭氧消化農場廢物、生產甲烷的較大規模試驗。如英國建立了甲烷的自動化工廠。在厭氧消化器中有三個基本過程：第一階段的水解過程：是把不溶解的有機化合物和聚合物，通過酶法轉化為可溶解的有機物。第二階段為發酵過程：再將上一步轉化成的產物，如碳水化合物、蛋白質、脂肪類、醇等可溶的有機物發酵為有機酸。第三階段由有機酸發酵，並降解為產生甲烷。沼氣應用在英、美兩國的發展情形據估計在英國，利用人和動物的各種有機廢物，通過微生物厭氧消化所產生的甲烷，可以替代整個英國25％的煤氣消耗量。蘇格蘭已設計出一種小型甲烷發動機，可供村莊、農場或家庭使用。美國一牧場興建了一座工廠，主體是一個寬30米、長213米的密封池組成的甲烷發酵結構，它的任務是把牧場廄肥和其他有機廢物，由微生物轉變成甲烷、二氧化碳和乾燥肥料。這座工廠每天可處理1650噸廄肥，每日可為牧場提供11.3萬m3的甲烷，足夠1萬戶家庭使用。目前美國已擁有24處利用微生物發酵的能量轉化工程。從世界範圍看，利用各種微生物協同作用生產甲烷的研究和應用，正處於方興未艾的階段。沼氣應用在中國大陸的發展現況近年來，中國大陸沼氣事業亦發展地非常迅速，沼氣池總數已達到1000多萬個。在四川、浙江、江蘇、廣東、上海等省市農村，有些地方除用沼氣煮飯、點燈外，還建置了小型沼氣發電站，利用沼氣能源作動力進行脫粒、加工食料、飼料和制茶等，闖出了用“土”辦法解決農村電力問題的新路子。專家們認為，21世紀沼氣在農村之所以能夠成為主要能源之一，是因為它具有不可比擬的特點，特別是在廣大的農村地區，這些特點就更為顯著了。中國地廣人多，生物能資源豐富。研究表明，在21世紀無論在農村還是城鎮，都可以根據本地的實際情況，就地利用糞便、桔杆、雜草、廢渣、廢料等生產的沼氣來發電。沼氣發電的優點1.原料就地取材、節省開支：沼氣能源在大陸農村地區分佈廣泛，潛力很大，凡是有生物的地方都有可能獲得製取沼氣的原料，所以沼氣是一種取之不盡，用之不竭的再生能源。因可以就地取材，故節省開支，沼氣電站建在農村，發酵原料一般不必外求。2.設備和技術簡單、建置成本低廉：興辦一個小型沼氣動力站和發電站，設備和技術都比較簡單，管理和維修也很方便，大多數農村都能辦到。據調查對比，小型沼氣電站每千瓦投資只要400元左右，僅為小型水力電站的1/2－1/3，比風力、潮汐和太陽能發電低得多。3.建設週期短：小型沼氣電站只要幾個月時問就能投產使用，基本上不受自然條件變化的影響。採用沼氣與柴油混合燃燒，還可以節省17％的柴油。沼氣之技術背景（TechnicalBackgroundofBiogas）沼氣的形成：廢棄的植物殘體或腐敗生物，經長期堆放後，內部會因與空氣隔絕而產生缺氧狀態。此時內部物體經被微生物分解後，而形成沼氣。沼氣可由天然形成及人為分解方式產生。目前大量供給的沼氣依來源大略有下列五項。1.農業廢棄物(Agriculturalwaste)2.動物排泄物(Livestockexcreta)3.城鎮垃圾(Urbangarbage)4.都市污水(Urbansewage)5.工業廢水(Industrialeffluents)沼氣特性(CharacteristicsofBiogas)沼氣中主要含有甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)等化學成分。以甲烷成分最多，高居50％以上。甲烷有下列兩項優點：1.熱值高：沼氣的熱值依甲烷含量而定，一般約為5000kcal/m3以上，比煤氣瓦斯的標準熱值4500kcal/m3還高。2.具燃料特性：可作為引擎燃燒的燃料，引擎燃燒過程可使之更滑潤、減少排氣中有毒物質、低速運轉時可增加扭力。沼氣的燃燒特性(FuelCharacteristicsofBiogas)沼氣具燃料特性：作為引擎材料時，沼氣的燃燒特性可以使之在引擎內燃燒的過程中，更具下列優質特性：(1)更滑潤(2)減少排氣中有毒物質(3)低速運轉時可增加扭力掩埋場內氣體成份氣體化學式濃度(vol%)氣體化學式濃度(vol%)甲烷CH40-85硫化氫H2S0-70二氧化碳CO20-85乙醛CH3CHO150ppm一氧化碳CO2.8丙酮C2H6CO100ppm氨NH30-0.35苯C6H60.08氫H20-3.6氬Ar0.01氧O20-31.6庚烷C7H160.45氮N20-82.5甲苯C6H5CH30.09摘錄自行政院環境保護署89年度委辦計畫--封閉垃圾場復育綠美化執行成效評估(張添晉教授製)掩埋垃圾產氣組成與時間之變化掩埋時間(月)組成百分比（%）氮氣(N2)二氧化碳(CO2)甲烷(CH4)0～35.28853～63.876216～120.4652912～181.1524018～240.4534724～300.2524830～361.3465136～420.9504742～480.45148摘錄自行政院環境保護署八十九年度委辦計畫--封閉垃圾場復育綠美化執行成效評估(張添晉教授製)固體溶解性有機物複雜溶解性有機物水解作用溶解有機物醱酵作用硫酸鹽（SO4）硫化氫(H2S)醋酸鹽二氧化碳(CO2)脂肪酸+醇中間代謝產物硫酸鹽減少氫(H2)利用醋酸之甲烷菌利用氫之甲烷菌甲烷（CH4）甲烷形成系統中主要細菌族群及基質摘錄自行政院環境保護署89年度委辦計畫--封閉垃圾場復育綠美化執行成效評估，張添晉教授沼氣運用策略(StrategiesforBiogasutilization)利用廢棄物所產生沼氣除可作為替代能源使用外，同時也處理了大量垃圾的問題，對環保亦有助益。各國因應情況及需求不同，對沼氣利用也有所差異：1.以能源利用為主：積極推廣沼氣的生產技術及其利用方式。2.以環保為主：除了有效利用沼氣外，並積極發展(1)各種更有效率且符合環保標準的廢棄物處理系統，(2)提高經濟效益，(3)推廣商業化應用。and動物排泄物蔬果廢棄物沼氣廠處理維護環保市場潛力（MarketPotential）依經濟部能源委員會「能源發展技術－生質能源發展方向」的統計報告，國內每年產生的廢棄物達12000萬噸以上。環保意識逐漸當道，大宗廢棄物處理已受到相當程度注重，若在處理廢棄物亦可同時生造價值能源，將會是國家可行方針。台灣每年經由各種管道所產生的廢物量可高達12千萬噸適用範圍（ApplicationScopes）具高熱、燃燒特性良好的沼氣，其用途極為廣泛：1.直接燃燒：作為家庭爐具、照明及工廠鍋爐燃料。2.電力生產：經由引擎，帶動發電機發電。3.純化利用：經純化後直接輸入各管線，成為與瓦斯相似之高熱燃料。4.化學原料：作成為甲醇、化學肥料等。沼氣發電的經濟效益-台灣國內之情形(資料來源經濟部能源研究基金會)沼氣利用Application評估規模Scale成本Cost回收年限Yearofreturn沼氣作為發電使用Powergeneration飼養豬隻1000頭1,000headofpigs0.9元/度NT$0.9/kWhr4.12年沼氣純化利用Application飼養豬隻4000頭4,000headofpigs2.24元/立方米NT$2.24/m32.2年美國沼氣的經濟效益案例資料來源經濟部能源研究基金會評估個案農場飼育場酪農場廢棄生質7萬隻雞之糞便1萬頭牛之尿糞340頭牛之尿糞消化槽體積570立方米1200立方米370立方米系統費用148,000美元1,250,000美元125,000美元沼氣發電帶動80