生質能源(Part II) 生質柴油 生質酒精 能源造林 童淑珠 2019/2/28

6-3　生質柴油 生質柴油（biodiesel） 第一次能源危機發生後，70年代中期研究人員開始嘗試以其他物品作為石油替代品以用於內燃機。最初研究乃以純植物油作為石油基柴油之替代品，但所得結果不盡理想。之後，研究人員以動物及植物衍生的油脂進行「轉酯化（transesterification）」反應以降低油脂的黏度，且油的特性並未有明顯的改變。由於新產生的燃料為生物所衍生而出，且可作為柴油引擎之燃料，因此命名為生質柴油（biodiesel）。

7-3　生質柴油 生質柴油生成簡圖

各種常見油脂植物種子油收量表 種子油植物 kg 油/公頃 科 名生命期 玉米 (corn) 145 禾本科 1年生 棉（cotton） 7-3　生質柴油 各種常見油脂植物種子油收量表 種子油植物 kg 油/公頃 科 名生命期 玉米 (corn) 145 禾本科 1年生 棉（cotton） 273 錦葵科 大豆（soybean） 375 豆科 亞麻仁（linseed） 402 亞麻科 薺菜（camelina） 490 十字花科 芝麻（sesame） 585 胡麻科 紅花籽（safflower） 655 菊科 稻米（rice） 696 桐樹（tung tree） 790 大戟科 多年生 向日葵（sunflowers） 800 花生（peanuts） 890 油菜籽（rapeseed） 1000 蓖麻仁（caster beans） 1188 麻瘋樹（jatropha） 1590 巴西堅果（brazil nuts） 2010 玉蕊科 酪梨（avocado） 2217 樟科 烏柏（chinese tallow） 3950 油椰子（oil palm） 5000 棕櫚科

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過去滿山遍野的蓖麻，經濟價值有限，業者張木金發現蓖麻轉脂可成為生質柴油，他願意以契作方式鼓勵台東民眾栽種蓖麻。中央社記者盧太城台東攝 99年1月27日 2019/2/28

生質柴油的熱值較低，生質柴油的熱值較化石柴油低約10-15%，因此使用生質柴油，機動車的最大馬力輸出將會降低。 7-3　生質柴油 生質柴油的缺點 生質柴油的雲點約介於-3至11℃，甚高於化石柴油的-9.41至-17.71℃。因此使用生質柴油時，若氣溫過低時將造成汽車油路的阻塞，可在生質柴油內加入添加劑以降低雲點。 生質柴油的熱值較低，生質柴油的熱值較化石柴油低約10-15%，因此使用生質柴油，機動車的最大馬力輸出將會降低。 使用生質柴油，可明顯降低碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）及粒狀污染物的排放，但是氮氧化物（NOx）則提升5到13%左右。

7-3　生質柴油 生質柴油的使用現況 美國主要以黃豆油作為生質柴油的原料，而歐洲則以油菜籽作為原料，至於亞洲，日本主要以廢食用油作為以原料，馬來西亞則以棕櫚油為原料，印度目前正大力推動種植痲瘋樹。 在臺灣，2005年能源會議設定之生質柴油發展目標，為2010年10萬公秉、2020年15萬公秉，並循序漸進於一般柴油中添加2%至5%。目前規劃中，政府將在2008年8月1日起全面供應B1生質柴油（即化石柴油中加入1%的生質柴油），並不再販售原有的超級柴油，能源局更規劃從2010年起，全面升級供應B2柴油。

7-3　生質柴油 巴西全國生質柴油計畫 至於巴西政府，於2006年2月正式啟動了「全國生質柴油計畫」，該計畫規劃從2008年開始，在巴西銷售的柴油中必須添加2% 的生質柴油，添加比例至2013年將增加到5%。目前巴西全國已有1,500個提供生質柴油的加油站，其原料主要以蓖麻、油棕、大豆、葵花子及一些巴西特有的油料植物為主，估算約有21萬農戶參與這個生物柴油種植計畫。

 生物轉換技術

 沼氣利用技術

 沼氣利用技術 沼氣來源 畜牧廢水：豬隻糞尿廢水為大宗 家庭污水：都市污水處理場 城鎮垃圾：垃圾掩埋場為主 各行業廢水處理場：食品業、紡織業、膠帶業等

7-5　沼氣 沼氣 沼氣的生成是自然界物質代謝極重要的一環，當有機物質於厭氧環境中，在一定的溫度、濕度及酸鹼度條件下，通過微生物的厭氣發酵作用，即會產生「沼氣（biogas）」，其又稱為「消化氣（digester gas）」或「沼澤氣（swamp or marsh gas）」，沼氣也會出現在垃圾掩埋場中，故其也稱為「垃圾掩埋氣（landfill gas）」。 沼氣主要成分是甲烷 (methane, CH4) 和二氧化碳(CO2)，另外還含有少量一氧化碳、硫化氫 (H2S)、氫氣、氧氣和氮氣等氣體。

7-5　沼氣 沼氣 廚餘 (garbage)、畜禽排泄物(manure)、有機廢水 (organic wastewater)、污泥 (sludge)、農產廢棄物 (agricultural waste) 或都市廢棄物 (MSW) 可以做為原料，進行沼氣生成反應，而經厭氣發酵法處理，以產生沼氣作為能源之處理方式即稱為「甲烷化 (methanation)」。 沼氣可被用作燃料，因此在開發中國家（如中國、印度、尼泊爾、越南及哥斯大黎加等）其常被作為價廉的燃料以用於炊事。在廢棄物管理系統中，沼氣也可結合汽渦輪機以發電，因此其是再生能源開發中重要一環。沼氣若經濃縮及壓縮，亦可應用於交通運輸，作為機動車的燃料。

自厭氧發酵槽產生沼氣之主要氣體成分及體積百分比例（平均值） 7-5　沼氣 自厭氧發酵槽產生沼氣之主要氣體成分及體積百分比例（平均值） 氣體成分 體積百分（%，平均值） CH4 55-75 CO2 25-45 CO 0-0.3 N2 1-5 H2 0-3 H2S 0.1-0.5 Oxygen, O2 極稀

7-4　生質酒精 新興原料 藻類及纖維素是未來進一步開發生質酒精的新興原料。就藻類而言，其可生長在海水及廢水裡，僅需要一些陽光和二氧化碳就能生存。此外，藻類成長快速，在適當條件下，藻類的質量幾小時內就能增為兩倍。但目前為止，降低藻類燃料的成本，為艱鉅的挑戰。 纖維素源料可為農業殘餘物、林業廢棄物、地方性固態廢棄物、紙漿、速生牧草等。纖維原料中的纖維素及半纖維素，必須經過適當的處理轉化為糖質後，微生物才能行發酵作用產生酒精。由於糖質有葡萄糖、木糖、半乳糖、甘露糖及阿拉伯糖等多種糖類之分，因此未來將需仰賴基因工程的應用，透過基因序列的修改及DNA的剪接，若能培育出纖維轉化酒精所需菌株，生質酒精的開發及生產將可大幅邁進。

7-4　生質酒精 巴西乙醇計劃 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年啟動乙醇計畫。該計畫要求所有賣出的汽油必須滲入22% 由甘蔗所產生的乙醇，此即俗稱的「E22」。然而，由於後來石油價格的下降，使得該計畫難以維持，例如1997年所賣出的新車，不到1% 使用乙醇。 但是，由於該計畫能減少二氧化碳的排放，燃燒較乾淨、增加甘蔗工業的工作機會及減少石油的進口，且其價格僅有汽油的一半，因而目前乙醇計畫正逐漸復甦中。現今較新的嘗試作法是增產使用「E85（即85%乙醇+15%汽油）」的新汽車量，並逐年增加乙醇的出口。目前巴西佔有約全球50% 乙醇出口市場。

7-5　沼氣 厭氧發酵法 或稱為「厭氧消化（anaerobic digestion）」，係微生物在缺乏氧氣的狀態下，將構造複雜之有機物分解轉變為簡單之成分，最後產生甲烷和二氧化碳等氣體。此種厭氧發酵過程可分成二個主要階段：第一階段為酸生成階段之酸化期（acidification phase）；第二階段則為產生甲烷之甲烷發酵期（methane fermentation phase）。

7-5　沼氣 厭氧發酵槽 厭氧發酵槽或消化槽的設計有三種型式，其為 1.傳統處理法 2.厭氧接觸處理法 3.厭氧過濾處理法

7-5　沼氣 厭氧發酵槽

7-5　沼氣 厭氧發酵法 第一階段酸化期主要由兼性細菌和酸化細菌將蛋白質、碳水化合物、脂肪等轉化成以揮發性脂肪酸為主的中間產物。揮發性脂肪酸乃一短鏈之有機酸，在所有生成中間產物中以乙酸為主，其次為丙酸 ; 在此過程中，兼性細菌只將複雜的有機物轉化成揮發性脂肪酸，對於生化需氧量及化學需氧量之去除幾乎為零，但合成了一些新的菌群。 第二階段甲烷發酵期中，甲烷菌利用上述中間產物形成最終產物（甲烷及二氧化碳）。乙酸之甲烷化只需單一種類之甲烷菌，而丙酸必須有一部分先反應成乙酸及甲烷，再由乙酸反應產生甲烷。每一步驟均需由不同種類之甲烷菌促成，而幾乎有 85%之甲烷是經由乙酸和丙酸之代謝反應而生產。真正有機物之穩定化是在第二階段進行，而其生物污泥之含量也少。

7-5　沼氣 垃圾掩埋 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。

7-5　沼氣 沼氣的產生過程 Ⅰ：最初調整期、Ⅱ過渡期、Ⅲ酸化期、 Ⅳ甲烷醱酵期、Ⅴ成熟期

7-5　沼氣 沼氣發電 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豬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。

四座掩埋場所處理的沼氣量及產生的電力 ~2008年5月 開始商轉日 累計處理沼氣量(萬立方公尺) 累計綠色能源發電量(萬度) 7-5　沼氣 四座掩埋場所處理的沼氣量及產生的電力 ~2008年5月 開始商轉日 累計處理沼氣量(萬立方公尺) 累計綠色能源發電量(萬度) 相當於減少CH4排放量(公噸) 相當於減少CO2排放量(萬公噸) 高雄西青埔沼氣發電廠 2000年5月 14,838 23,741 52,942 139 台中文山沼氣發電廠 2001年7月 4,949 7,918 17,656 47 台北山豬窟沼氣發電廠 1999年11月 12,168 19,469 43,416 114 台北福德坑沼氣發電廠 2002年4月 5,191 8,305 18,521 49 註 1: 每度電相當於減少 0.223Kg CH4排放 註 2: 每度電相當於減少 5.783Kg CO2排放 註 3: 每度電相當於植樹面積 4.8平方公尺的CO2吸收量 資料來源：高雄西青埔沼氣發電廠

Example of Methane Production An anaerobic reactor, operated at 35℃, processes a wastewater stream with a flow of 3,000 m3/d and a COD concentration of 5,000 g/m3. At 95 percent COD removal and a net biomass synthesis yield of 0.04 gVSS/g COD used, what is the amount of methane produced in m3/d? 2019/2/28 環工生質能源

Solution Prepare a steady-state mass balance for COD to determine the amount of the influent COD converted to methane. 0 = Influent COD – portion of influent COD in effluent – influent COD converted to cell tissue – influent COD converted to methane CODin = CODeff + CODVSS + CODmethane 2019/2/28 環工生質能源

b. Determine the values of the individual mass balance terms b. Determine the values of the individual mass balance terms. CODin = (5,000 g/m3)(3000 m3/d) = 15,000,000 g/d CODeff = (5,000 g/m3)(3000 m3/d)(1-0.95) = 750,000 g/d CODVSS = (15,000,000 g/d)(0.95)(0.04 g VSS/g COD)(1.42 g COD/g VSS) = 809,400 g/d 2019/2/28 環工生質能源

c. solve the COD converted to methane CODmethane = 15,000,000 – 750,000 – 809,400 = 13,440,600 g/d 2019/2/28 環工生質能源

Determine the amount of methane produced at 35℃ a Determine the amount of methane produced at 35℃ a. Determine the volume of gas occupied by one mole of gas at 35℃ V/n = RT/P V/n =(0.082057 atm-L/mole-k) [(273.15 + 35)K]/1atm = 25.29 L/mole 2019/2/28 環工生質能源

b. The CH4 equivalent of COD converted under anaerobic conditions is (25.29 L/mole)(mole CH4/64g COD) = 0.40 L CH4/g COD c. Methane production CH4 production = 13,440,600 g COD/d) (0.40 L CH4/g COD)(1 m3/1000 L) = 5,376 m3/d 2019/2/28 環工生質能源

At 65 percent methane the total gas flow = 5,376 m3/d/0 At 65 percent methane the total gas flow = 5,376 m3/d/0.65 = 8,271 m3/d Comment It is important to determine the volume occupied by the gas at the actual operational temperature. 2019/2/28 環工生質能源

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 1 mole CH4 (16g) equal to 2 × 32 = 64 g COD i.e. 4 g COD/g CH4 2019/2/28 環工生質能源

Cells C5H7NO2 C5H7NO2 + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 113 g 5(32) = 160 g i.e. 1.42 g COD/g cells) 2019/2/28 環工生質能源

沼氣發電量計算 基本資料 豬隻COD 排放量：0.2 kg/頭-d 養豬頭數：20,000頭 厭氧消化COD去除率：90% 標準狀態(0℃，1 atm)甲烷熱值：8,900 kcal/m3 發電效率：25% 1kW-h=860 kcal 請計算 1.沼氣產量為何(m3/d at 1atm, 0℃) ？ 2.發電功率為多少kW？ 3.一個月可發幾度電(30天算一個月) ？ 2019/2/28 環工生質能源

生質酒精 2019/2/28

7-4　生質酒精 乙醇的產生 乙醇的產生則可由甘蔗、玉米及木材轉換而得。目前國際上乙醇的產生以巴西及美國為最大宗，巴西生產乙醇的原料以甘蔗為主，美國則以玉米及澱粉為主。 早在1970年代發生石油危機時，「酒精汽油 (gasohol)」用於汽車的使用量即逐漸增加並取代部分石油。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，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。 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。 以農作物生產酒精汽油的成本甚至可能高於從石油中產生汽油的成本。

7-4　生質酒精 玉米轉換成乙醇的流程圖

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 酒精汽油技術  酒精汽油與能源作物 巴西 : 1973年推動酒精燃料計畫 (以蔗糖為主原料) 1975年開始生產酒精 以20%以比例加入汽油 1985年全面以酒精為汽車替代能源 1995~1996年年產126億公升 美國 : 1992年能源政策法--10%酒精汽油可減貨物稅5.4美分/加侖 原料:以玉米為主佔90% 酒精汽油之酒精使用量:34億公升 酒精汽油之比例:12% 發展中之酒精車: E-85(85%酒精) E-90 E-95 E-100 E-93(93%酒精 5%甲醇 2%煤油) 1998年新替代能源---P系列燃料(乙醇 MTHF 丁烷 汽油) 其他 : 奧地利 --以過剩小麥為原料、南非-- 預期年產酒精1.4億加侖 澳大利亞 --預期酒精4.4億加侖、泰國--以過剩植物為原料 紐西蘭-- 2000年能源全為植物油 、菲律賓--以椰子油混合柴油

 酒精汽油技術 酒精汽油生產流程示意圖 纖維素與澱粉結構之差異

 酒精汽油技術  國外酒精汽油/甲醇推廣現況

7-4　生質酒精 生質酒精 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。　　

7-6　能源造林 能源造林 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。

能源牧場 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。 7-6　能源造林 能源牧場 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。