分享本文至 E-mail 信箱
學術引用格式
MLA
APA
EndNote(.enw)

生質能源的液態利用方式:生質酒精與生質柴油

液態生質燃料,是目前生質燃料(Biofuel)的主要使用方式,泛指經由生物或化學方法將生物質(Biomass)轉化而取得之液態燃料。生質酒精與生質柴油是目前最常見的液態生質燃料,可與汽油或柴油混合後直接使用於一般車輛。相較於傳統石油,生質燃料的溫室氣體排放量較低,而且爆震程度小,不易傷害引擎。接下來我們將逐一介紹生質酒精與生質柴油的製作方式與目前發展。

生質酒精

A. 生質酒精的特點
生質酒精最主要的優點是可直接與石化汽油混合,而且在低濃度(<10%)混合的情況下,一般車輛甚至無須修改引擎即可直接使用。另外,生質酒精的二氧化碳排放量較石化汽油少20%以上。然而由於酒精燃燒熱值相對低於石化汽油,使用混合酒精的汽油將會增加油耗。同時,因酒精吸水性較強,若酒精汽油混合比例過高,有可能造成車內管線腐蝕。(註1)

B. 生質酒精的原料與製程

生質酒精是透過酵母菌進行發酵,將原料中的醣分解為酒精,接著利用蒸餾法將水份與酒精分離,製成高濃度的無水酒精。生質酒精根據原料的不同可再細分為醣類酒精、澱粉酒精與纖維酒精三種。

醣類酒精:醣類酒精的原料為蔗糖、甜高粱或是甜菜等富含糖分的作物。將糖份自作物中榨取之後,便可經發酵處理製成酒精。巴西目前就是以蔗糖作為生質酒精的主要原料。

澱粉酒精:澱粉酒精的原料為玉米、木薯、甘薯或是稻米之類的高澱粉含量作物。值得注意的是澱粉為多醣分子,而酵母菌轉換多醣的能力較差,因此製作澱粉酒精的過程需額外增加水解步驟,將多醣分解為單醣分子後,再行發酵作用製成酒精。美國大部份生質酒精都是由玉米製成,至於台灣的台糖公司則是計畫推廣增種甘蔗面積並利用休耕地種植甘薯以取得足夠的原料供應台灣的酒精用量。

纖維酒精:纖維酒精的原料為木質纖維素,存在於各種草本與木本植物中,因此原料不再侷限於糧食作物,可以選擇生長期長或是適應力強的植物作為能源作物。另外也可將各種農業廢棄物如稻米桿、蔗渣與林木廢棄物轉化為酒精。這種利用方式一來避免了處理廢棄物的花費,二來取代汽油減少污染,三來不需與糧食競爭土地,是目前生質酒精熱門研究項目,台灣的成功大學也正發展將芒草製成纖維素酒精的研究。由於木質纖維素的結構非常堅固(圖1),需事先以物理或化學方式破壞外層細胞壁與木質纖維結構才能有效進行酵素水解,將纖維素與半纖維素分解為單醣類以供酵母菌製作酒精。目前纖維酒精的問題為前處理成本高昂(註2),若再加上原料價錢難以與石化燃料競爭,因此眾多科學家正投入前處理的研究以期研發出更低價的製程。

圖1. 纖維素、半纖維素與木質素互相纏繞,形成堅固結構

C. 生質酒精的發展及利用情形

生質酒精的推廣及使用首推美國及巴西。美國目前普遍使用參雜10%生質酒精的E10汽油(註3)。Ford、Chrysler、Toyota等汽車公司也推出了彈性燃料車(Flexible Fuel Vehicle),可自動偵測酒精與汽油混合比例,自行調整引擎內油料噴射系數與點火時間。美國部份加油站也有提供高酒精混合比例的E85汽油讓民眾選擇。巴西則是自1970年代開始發展酒精汽油至今。目前巴西全國加油站提供E22與E93酒精汽油,是現今世界上唯一不再使用純汽油的國家。台灣方面,自2007年起政府開始推動公務車使用E3汽油,至2009年為止在台北高雄已有13個加油站提供E3汽油。

生質柴油

A. 生質柴油的特點
傳統石化柴油與汽油事實上都是烴類(碳氫化合物)混合物的通稱。兩者的差別在於汽油所含烴類碳鏈長度在C4~C12之間,柴油所含烴類碳鏈長度在C10~C22之間。相對於汽油,柴油擁有較高燃燒熱值 (註4)、較低燃點與較高的黏稠度等特點。

生質柴油是利用化學轉酯化技術將動植物油脂轉化為物理及化學性質都與烴類化合物相當類似的脂肪酸酯。這個產物可直接使用於柴油引擎,且與石化柴油低濃度混合 (B5) 的情況下可作為引擎潤滑劑。生質柴油的熱值雖較傳統石化柴油少(純生質柴油(B100)的熱值約為石化柴油的八至九成),對於減輕環境污染卻有顯著的幫助。以B20為例,與傳統石化柴油相比可減少 12%微粒、20%碳氫化合物、12%一氧化碳排放量以及近乎零硫化物排放。

B. 生質柴油的原料與製程

生質柴油的製作過程其實並不算困難,硬體要求也不高,網路上甚至有許多教你在家DIY動手做生質柴油的影片。讀者可以試著自行以”Making Biodiesel”作為關鍵字來搜尋相關影片(註5)。上一段提到轉酯化技術,其目的是要讓油脂中的三酸甘油酯與醇類在鹼性環境中反應,分解為三條碳鏈(脂肪酸酯)與甘油,而其中的脂肪酸酯就是生質柴油。在分離甘油與脂肪酸酯之後,利用蒸餾水將脂肪酸酯中的皂類去除,即可得到純化後的生質柴油。在原料的部份,舉凡向日葵油、花生油、大豆油、椰子油、棕櫚油等植物油或是油炸過後的廢食用油都可作為生質柴油的原料。生質能源趨勢部落格之前的文章有提過美國公司結盟進行全國性廢食用油回收的例子,既可處理廢棄食用油的問題,又可製造生質柴油。

C. 生質柴油的發展及利用情形

目前生質柴油的全球產量由2001年的 962,690 公秉 (kiloliter) 增加至 2010年的 19.95 百萬公秉 (billion liter)。全球前五大生產國依序為:德國、美國(17.7%)、法國、阿根廷、巴西,共佔68.4%。亞太地區主要生產國為:澳洲、中國、印度。台灣目前有新日化、鴻潔能源等生質柴油煉製廠回收廢食用油以提煉生質柴油,惟因台灣廢食用油回收通路尚未完善,目前仍由東南亞一帶進口棕櫚油作為原料以供應國內需求。同時,政府也自 2006年開始推動綠色公務車計畫,指定部份公務車使用 B20 生質柴油,2009年全面推動 B1生質柴油,推估產量約 45,000公秉,今年(2011)的預計產量則為100,000公秉。

結語
在目前生質能源產業中,生質燃料相對來說獲得較多關注,其原因在於生質燃料相對於其他使用型態有以下幾點顯著的優勢。首先,相較於氣體燃料與固體燃料,生質燃料具有易於儲藏、運送的優點;其次,生質燃料的原料大部分為能源作物,種植能源作物一方面能夠活化休耕地,增加農村工作機會,另一方面也降低減輕進口油品仰賴度。最後,生質燃料的發展也助於農業廢棄物及廢棄食用油的處理。整體而言,因應國際油價上漲及存量減少,生質燃料的重要性在近期的未來應會愈加提昇。

註1. 車用管線中部份結構是以塑膠製成,而酒精對於塑膠累具有腐蝕性。另外,由於酒精吸水性強,在燃料中混和酒精會導致燃料含水率增加,容易讓酸或鹽溶於水中並進入燃料管線內,進而腐蝕管壁。
註2. 美國能源部預估製造每公升纖維酒精成本約 0.3-0.58美元(9.07-17.4新台幣)
註3. E10中的E代表酒精,10代表酒精與汽油混合比
註4. 柴油燃燒熱為 37.3 MJ/L,汽油燃燒熱為34.2 MJ/L。
註5. 以下這部影片是Make Magazine 所製作的生質柴油教學,建議有興趣的讀者觀看。

Weekend Project: Making Biodiesel

原文刊載於 BioEnergy Today 生質能源趨勢

你的行動知識好友泛讀已全面上線

每天有成千上百則內容透過社群與通訊軟體朝你湧來,要從混雜著偽科學、假消息、純八卦的資訊中過濾出一瓢知識解渴,在這時代似乎變得越來越難?

為了滿足更多跟我們一樣熱愛知識與學習的夥伴,現在我們很害羞也很驕傲地宣布,手機閱讀平台——泛讀 PanRead iOS 版和「泛讀」Android 版都上架啦!使用後有任何心得或建議,都歡迎與我們分享喔

立即下載 優質知識不漏接

 

 

 

關於作者

三個大學同學在畢業後各自步上不同的旅程,卻對於生質能源有著相同的興趣與期待,因此希望藉由寫作整理所知所學,並與全世界分享與討論。