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沼氣與合成氣

以氣態形式被利用的生質能源,最主要的兩項是沼氣(biogas, marsh gas)與合成氣(syngas),都是原本被認為是廢棄物或低價值的原料經化學作用後產生的可燃氣體,本文將針對這兩種產品進一步說明。


液面上的沼氣氣泡 (圖片來源)

沼氣最早是在沼澤地被發現的可燃氣體,這種氣體是由多種氣態分子構成的混合物,大部分是具有可燃性的甲烷(methane, CH4),在常溫環境中無色、無味、無毒,難溶於水,是非常好的氣體燃料。沼氣不只能由沼澤產生,事實上堆肥、汙水、家庭廢棄物…等都可以是沼氣的原料,因此許多垃圾掩埋場、畜牧場(例:養豬場),都將沼氣收集設備整合進設施內,以沼氣做為燃料生熱或是發電。

在過去利用技術還不成熟的年代,由於甲烷的存在會使得垃圾掩埋場有自燃的危險,需建造通氣孔將它由深處排放到大氣中。然而甲烷造成溫室效應的能力更勝二氧化碳數十倍,對環境有不小的負面影響。因此垃圾掩埋場的沼氣利用不但可以降低環境危害,還可以節省能源,是一舉兩得的策略。台灣目前已有多處利用沼氣發電的設施,規模較大者有台北市山豬窟與福德坑、台中市文山、高雄市西青埔四處垃圾掩埋場,都是因填滿關閉後,經數十年等待之後再鑿井開發成沼氣電廠,其中西青埔是目前沼氣蘊藏量最豐沛、所用設備最先進的一處,所生電力約可供給高雄市13,500戶家庭使用。


西青埔垃圾掩埋場(已改建為高雄都會公園二期園區)內的沼氣發電站 (圖片來源)

另外,畜牧業的動物排泄物也可以產生沼氣,常見作法是建立一個厭氧發酵槽(digester),其產物除了沼氣外,排出的液體也可以作為農業用肥料,比起傳統的水肥較無異味、病菌含量低、造成的水汙染較少、而供應的養份大部分不變,是一舉數得的應用方式。比較顯著的缺點是初期建置成本高,除了厭氧發酵槽外還需要沼氣收集與儲存的設備等等,處理後的水肥也需額外的儲存設施,對於業者而言會是一筆不小的開銷。

氣化技術(gasification)是一種在超過攝氏700度的高溫且低氧的環境中進行的化學反應,將煤炭、生質物(biomass)、廢棄物…等,轉換成數種可燃氣體的混合物,主要成分為一氧化碳與氫氣,另外也有甲烷、氮氣、二氧化碳…等,由於這種混合物不但可做為鍋爐與發電機組的燃料,也可以再被當作原料用以生產柴油、塑膠等其他產品,因此被稱為「合成氣(syngas)」。以煤炭生成的合成氣來照明、煮炊、供應暖氣已有多年歷史、世界上多處可見,目前正在發展中的以廢棄物為原料之技術,可以利用廢木材、廢塑膠、廢電子產品…等,與其直接將廢棄物掩埋或是焚化,氣化技術讓我們能進一步利用其中的能量。


位於奧地利Güssing的氣化電廠 (圖片來源)

合成氣與沼氣雖然都由化學反應而得,然而合成氣是透過外部供應能量(加熱)的方式達到最適合的反應條件,不用經過數十天、數個月、甚至是好幾年的等待時間。另外由於原料需經過分類與篩選,因此產物更加單純,做為其他物質的生產原料或是發電所需的後續處理較少,轉換效率也更高。以合成氣作為鍋爐輔助燃料的混燒發電系統,可以節省燃料成本、改善廢氣排放問題,並且以現有設備改裝的門檻低,荷蘭已有多座燃煤電廠採用,而美國、德國…等也正在發展中,目前全球的發展情況正由示範階段往商轉階段邁進。

合成氣與沼氣的原料數量與煤炭相比相當有限,難以做為發電網路的基載電力,然而我們不應由這樣的角度來批判。換個觀點來看,就像廢棄物衍生燃料(RDF-5)一樣,它們作為較進步的廢棄物處理方案,能大程度地降低汙染已有很重要的貢獻,再加上具備獨立供應能源或是與既有發電設施整合的優點,使得它們在環境的永續經營上有難以被取代的重要的價值。

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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。