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生物燃料 老師：許藝菊 學生：張淵智 鄭皓文 梁家傑 目 錄 一、前言 二、生質柴油介紹與技術 三、生質汽油介紹與技術 四、結論與未來展望 一、前 言 什麼是生質能 ? 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。 未來 50 年，能源需求的增加與溫室效應 會嚴重影響世界經濟。要解決這些問題， 多樣化的科技選擇是必要的，其中生物科 技被認為會在未來的能源世界中扮演重要 角色。 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。 在學界與民間研究方面，2000 年因完成人體基因定 序而聲名大噪的科學家文特（J. Craig Venter）正 進行一項「合成基因體」的計畫，打算合成新的有機 體來製氫、分泌無污染的加熱燃料並分解溫室氣體。 計畫的第一步著重於製造產生「氫」與「乙醇」的生 物工廠。目前這項計畫所使用的基因來源主要是海洋 微生物，另外也會試驗一些哺乳類基因。 史丹佛大學也有研究團隊正在進行利用土壤微生物吸 收光能，來分解水製造氫的計畫。而麻州的「綠色燃 料科技公司」則研究以海藻做為「生物反應器」，在 吸收光能、水與含碳廢氣後，轉變為生質燃料。美國 基因體研究所也在 2005 年 11 月底發表了一篇關於 產氫菌的論文，他們發現這種細菌具有抗熱、抗壓、 抗輻射等潛能。這些研究新資訊都顯示以基因工程發 展生質能，是部分先進國家的研發風潮。 生質能技術的種類 直接燃燒技術 物理轉換技術 熱轉換技術 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。 二、生質柴油介紹與技術 何謂生質柴油 生質柴油（ Bio-Diesel ）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。 對現階段能源危機之幫助 隨著汽油價格節節生高，環保又省錢的生 物柴油變成當紅新燃油。 生質柴油的環保特性，可部份或直接取代 柴油，做為柴油引擎的燃料。 可有效改善柴油引擎的廢氣排放品質。 生質柴油由植物行光合作用而得，是符合 能源效益的再生能源。 隨著能源危機意識逐漸成型，生質柴油逐 漸成為日常生活中不可或缺的動力。 生質柴油的特性 其含硫量低，可減少約30%的二氧化硫和硫化物 的排放 。 具有較好的潤滑性能，可以降低噴油泵、發動機 缸體和連桿的磨損，延長其使用壽命 。 具有良好的燃料性能，而且在運輸、儲存、使用 等方面的安全性均好於普通柴油。 生物柴油是一種可再生能源，也是一種降解性較 高的能源。 生質柴油的特性 原材料的熱值與產品的熱值相近 製程耗能低 副產物可再利用 廢棄物為純化用的廢水 可直接替代傳統柴油或混合傳統柴油使用 再生性能源，可被生物分解 污染性低 生質柴油的環保特性 整體環境效益 減少二氧化碳排放 生產製造 低能量損失 低耗能 低廢棄物生成 空氣品質 低有害氣體排放 資源有效利用 創造回收油再利用價值 環境生態 帶動能源作物 維持綠色生態 生質柴油的應用 生質柴油的閃火點較柴油高，因此運送與 儲存的安全性較高。此外生質柴油燃燒更 完全，與柴油比較，可有效改善柴油引擎 的廢氣排放品質。台灣目前各縣市垃圾車 已普遍試用，並逐步推展至公車使用。 在生質柴油生產過程中，透過天然氣的合 成而產生的甘油，可應用於製藥工業、塑 膠與製漆工業的原料，也可以維持煙草的 保濕功能。 三、生質汽油介紹與技術 何謂生質汽油 美國能源部在GTL計畫的進程報告中特別指 出，以纖維素生產乙醇會是未來重點研究 項目。這裡所指的纖維素，還包括半纖維 素與木質素，這些都是構成植物細胞壁的 成分，存在於所有的植物中，因此數量多， 原料取得容易。然而纖維素是多醣聚合物， 又是細胞壁的主要成分，要分解它相對也 較困難，這也是以纖維素產製乙醇的最大 挑戰。 生質汽油介紹 現今美國的生質乙醇主要從澱粉轉換而來， 每年消耗量約 40 億加侖 ，替代了 2％ 的化石燃料用量，每年約可減少 1.8％ 的 二氧化碳排放。 發展由纖維素製造乙醇的短期目標，是希 望能用廢纖維素為原料，乙醇的產能便能 從澱粉原料的 14％ 增加為 37％，每年產 量約 200 億加侖，將可替代 10％ 的化石 燃料，減少 9％ 的二氧化碳排放。 生產原理 目前由纖維素製造乙醇，仍需許多科學研究的配 合，包括利用高效能的基因定序與運算尋找多樣 的纖維素酶；利用先進顯影技術了解纖維素酶與 纖維晶體之間的作用，以突破纖維素水解的障礙； 大規模生產纖維素酶、醣類運送蛋白質與其他蛋 白質的系統，改進目前的蛋白質生產與特性鑑定 方法；發展穩定且有效的菌落培養方法；整合相 關技術以決定哪種酵素在發酵時能有活性表現與 作用，並決定哪種新陳代謝分子會影響酵素的表 現；不同微生物對由纖維素製造乙醇有著不同的 優勢，藉由基因工程進行整合以發揮最大的效能。 需克服目標 歐盟也和美國一樣 ，用生技生產乙醇列為未來的 研究重點，並提出下列工作要點：發展利用大腸 桿菌、產酸克雷伯氏菌、運動發酵單胞菌等基改 生物體，進行木質纖維素的發酵，並訂定 90 ~ 95％ 轉換率是產製乙醇的經濟門檻 ；整合纖維 素水解過程，利用伊文氏植物病原桿菌大量生產， 或者把纖維素基因植入大腸桿菌以生產乙醇。近 程目標是希望研發出能去除副產品毒性的生物、 物理或化學反應，遠程目標則是藉由基因工程研 發容忍度高的菌種。 糖類與纖維素粗料來源的生物乙醇產出率比較 粗料類別 單位粗料之 乙醇生產率 (公升/公噸) 糖類 纖維 素 單位面積之 粗料生產率 (公噸/公頃) 單位耕地之 乙醇生產率 (公升/公頃) 甘蔗 80註 70 5,600 甜菜 100註 45 4,500 蔗渣 280 18 5,040 乾草 340 9 3,100 木材 300 12 3,500 註：指每噸甘蔗或甜菜所含糖類發酵生產之乙醇，不含纖維素轉化為糖類後的發酵生產 四、結論與未來展望 國內市場概況 目前各縣市垃圾車已普遍試用，並逐步推展至公車使用。 在台灣一年消耗約77萬公噸的動物油脂與蔬菜油，估計可 生產8.5萬公噸生質柴油。 台灣每年估計有10萬噸的潛在量。 能有效回收的為(1)食品廠加工(泡麵、麵筋) (2)速食店 (3)大型餐廳 (4)夜市攤販。 農委會計畫於2006年推廣種植能源作物2千公頃，可產製1 千公秉。2007年6至8千公頃。2008年2萬公頃，可產製1萬 公秉。 每年二期做休耕農田約22萬公頃。 生質柴油之能源作物以大豆、葵花、油菜為主。 政府補貼每公頃6萬元，工廠收購價每公頃約2萬餘元。 國外市場概況 全世界目前每年生質柴油的產油約250萬噸，其中德國就 佔了一半以上。在生質柴油發展上，德國政府硬性規定公 務車必須使用5%的生質柴油，限制一般柴油加油站的數目。 2004年美、歐、中、印、日等國柴油消耗量為 5.24億公 噸；2010年可望達6.18億公噸。 以歐洲為例，生質柴油於2005年之需求量為3.6百萬公噸； 2010年預計達10.7百萬公噸。 荷蘭預期在2006年生產0.45百萬公噸生質柴油，2009產量 提昇至3百萬公噸。 德國狀況 全世界生產製造生質柴油最多的國家 基於農業因素, 藉由歐洲規範(EN14214), 排除價格較 低的黃豆油，導入使用菜子油 政府補助農家每公頃300歐元(12,000台幣) 美國狀況 利用過剩的黃豆油 雖以黃豆油為主，但非唯一選項，其規範除高芥酸菜 子油不能用，其餘料源均可使用。 澳洲狀況 具潛力的國家 以價格較低的牛油/棕櫚油/回收油為料源，仍有相當 的利潤。 黃豆產量在澳洲不多，低芥酸菜子油通常為小麥的輪 作產物。 未來展望 生質柴油產製的研發重點，在於改造出優 質的藻類品種，以達到生產生質柴油的最 大效益。相關研發應由基礎科學著手，包 括宏觀的生態學到微觀的細胞機制，以了 解自然界中的機制為基礎，再發展電腦程 式模擬，最後應用生物技術生產大量且符 合成本效益的生質乙醇或生質柴油。 著眼於未來對生物精煉的整合，美國對於生質能 發展的基本架構，並不局限於由「最終產物」來 分割（如單純發展生質乙醇或生質柴油），而是 一套統整性的系統，依照生質能「轉換過程」來 建構研究機制。這麼一來可以節省許多研究資源， 共享各項基礎研究，提升研究效率，也不至於造 成能源研發上不必要的競爭。 舉例而言，生質柴油也需要乙醇來進行轉酯化反 應，雖然比率不高，但若提高乙醇生產效率，對 生質柴油與生質乙醇的發展都有益處。又例如纖 維素水解酵素的研究，不僅能提高生質乙醇的產 能，對光合產氫的研究也有幫助。 加拿大的Iogen公司的發展為例，該公司已經能利 用酵素，分解玉米桿的纖維素為糖類，再後續以 發酵方式生產生物乙醇。該公司在加拿大Ottawa 的試量產工廠，已經能以每加侖1.3美元的成本生 產纖維素乙醇，低於當前加拿大市場的汽油價格， 甚具市場競爭力。 沼氣利用技術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。