專題報導 再生能源 生質能源 -...
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生質能源
專題報導 再生能源
生質能是利用生質物,
經轉換所獲得的電與熱等可用的能源,
是一種兼顧環保並可永續經營的能量來源。
■吳耿東 李宏台
化腐朽為能源
生質能源
什麼是生質能
近年來由於二氧化碳等會造成溫室效應的氣體排放遽增,引起全球暖化現象,使
得熱污染問題廣受重視,於是如何尋求新且潔淨的生質能(biomass energy)以供未來
使用,乃成為一個重要的議題。根據國際能源總署的統計,目前生質能是全球第四大
能源,僅次於石油、煤及天然氣。生質能供應全球約14%的初級能源需求,也提供了
開發中國家35%的能源,是目前最廣泛使用的再生能源。
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。
國外生質能應用現況
截至二○○一年止,生質能供應全球約 14%的初級能源,其中亞洲(不含中國大
陸)占34.2%,非洲占 23.9%,中國大陸占 20.5%,經濟合作發展組織會員國(含歐美
澳日等 20國)則占13%。生質能約占全世界再生能源利用的 80%。
以歐洲聯盟為例,至二○○一年歐盟生質能總產量占其再生能源的63%,由於歐
盟國家森林資源豐富,加上政府不斷投入經費發展生質能發電的技術,預期至二○一
○年,生質能源占再生能源的比率將增加至 74 %。利用生質物發電的電量亦將由一九
九五年的 22.5 TWh(109千瓦小時)增加至二○一○年的 230 TWh,占再生能源發電的
26.4%。另據統計至二○五○年時,全世界將有90%的人口仍多居住在開發中國家,
因此生質能的需求將大幅增加,預計至二○五○年時,生質能將提供全世界將近 38%
的燃料需求及17%的電力供應。
22 科學發展 2004年11月,383期
為燃煤鍋爐的輔助燃料。
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製合成燃氣,
進行燃氣發電。
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。以下就介紹
目前利用生質物發電較為成熟的各種技術。
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
國內生質能應用現況
如同其他國家,生質能也是我國最主要的再
生能源,其中又以廢棄物能源為主,包括都市垃
圾、一般事業廢棄物、石油焦、廢輪胎、廢溶
劑、有機廢液、油泥、污泥、黑液、廢紙排渣、
廢輪胎、蔗渣、稻殼、裂解油、石油焦、以及垃
圾掩埋場與厭氧廢水處理廠的沼氣等。目前國內
每年六百萬噸的有機廢棄物,將扮演生質能應用
的關鍵角色。因此,我國生質能應用應以廢棄物
能源利用為推廣的主要目標。
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。
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。
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
二○○一年全
球初級能源供
應分布
天然氣
21.2%
油
35%
煤炭
23.4%
核能
6.9%
再生能源
13.5%
其他
0.5%潮汐
0.004%
風能
0.026%
太陽能
0.039%
地熱
0.442%
註:依據國際能源總署的定義,可燃性再生物質及廢棄物(即一般所稱的生質物)包括固態生質物、動物產出物、由生質
物產出的氣液態燃料、農工業廢棄物與都市垃圾
水力
2.2%
可燃性再生能源
及廢棄物
(CRW)10.8%
資料來源:國際能源總署
23科學發展 2004年11月,383期
專題報導
再生能源
(a)廢紙排渣固態衍生燃料樣品(工研院製)(直徑一公分,長五公分;熱值
約6,200千卡/公斤)(b)花蓮縣豐濱鄉都市廢棄物固態衍生燃料製造示範廠
外觀。(c)示範廠內部機組裝置。
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。目前歐盟各國所產製的固態衍生燃料總量
已達每年三百萬噸。日本的發展也已有十年以
上,自一九八八年第一座固態衍生燃料製造廠
落成後,每年都有新的製造廠完工運轉,截至
二○○二年底,已有 53座固態衍生燃料製造廠
在運轉中,預計至二○○五年將達 62座。
在國內,工研院能資所已成功開發固態衍生
燃料製造技術,並移轉給業者;同時,能資所在
經濟部能源委員會的支持下也與花蓮縣政府合
作,在豐濱鄉建造了國內第一座都市廢棄物固態
衍生燃料製造示範廠,進行示範運轉。
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,
(a)
(b)
(c)
工研院能資所提供
24 科學發展 2004年11月,383期
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
部分殘留在產品內,而限制產品的用途。同時
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%的焦碳。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
作沒有其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、廢汽車可燃物、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(a)工研院廢保麗龍液化合成燃料系統(b)工研院900 kW先導型循環式
流體化床氣化爐。
工研院能資所提供
工研院能資所提供
(b)
(a)
25科學發展 2004年11月,383期
專題報導
再生能源
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混燒,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
商業運轉階段。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。
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,稱之為好
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
(a)英國約克郡
ARBRE生質物氣
化發電廠(發電
容量9 MW)。
(b)芬蘭Lahti地區
結合生質物氣化
爐進行氣化混燒
發電的電廠。
圖片來源:英國F
irstR
enewables
Ltd.
工研院能資所提供
(a)
(b)
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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
產量約和原料相似,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
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。
(a)使用生質柴
油為燃料的巴
士。
(b)美國印地安
納州漢彌頓東南
地區學校的兒童
搭乘生質柴油校
車上學。
圖片來源:美國國家再生能源實驗室
圖片來源:美國印地安納州黃豆理事會
(b)
(a)
27科學發展 2004年11月,383期
測試,另外也正研擬生質柴油國家標準規範
中。
永續發展
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,也為台灣永續發展建立良好
的基礎。
吳耿東 李宏台工業技術研究院能源與資源研究所
專題報導
再生能源
□
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。
在國內,工研院能資所曾受美國黃豆協會
的委託,從事與生質柴油應用相關的計畫,並
與台北市政府環保局合作進行道路測試,探討
生質柴油對引擎及排放廢氣的影響。能資所亦
與業界進行合作,在嘉義興建 3,000 噸/年以
上產量的生質柴油示範系統,並進行道路示範
圖片來源:台北市政府環保局
台北市山豬窟掩
埋場沼氣發電系
統