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

藻類生質燃料(一):前景與瓶頸

美國歐巴馬政府表態堅決投入藻類生質能源研究(圖片來源:http://0rz.tw/fgIbi)

在今年二月中旬,美國總統歐巴馬在佛羅里達大學的演講中,公開表態支持發展天然氣與藻類生質能源,並宣稱藻類燃料能取代美國 17% 的石油進口。同一天稍晚,白宮宣佈投入 1400 萬美金(約台幣四億兩千萬元)協助研發藻類生質能。這樣的政策似乎顯示了歐巴馬政府發展潔淨能源的決心,然而也引來了許多質疑。當時為共和黨總統參選候選人之一的 Gingrich 就大力抨擊發展藻類能源政策,他認為藻類能源技術仍須 30 至 50 年的時間才會成熟,對美國的能源安全緩不濟急。兩方人馬各持己見,究~竟~誰才是正確的呢?

我們生質能源趨勢在立場上當然是支持歐巴馬政府發展藻類生質能源的政策,但是在現階段也不能否認藻類生質能源仍有成本過高的問題,要到什麼時候才能看到藻類生質燃料進入我們的生活中仍須端看研究人員何時能在技術上有所突破或是國際油價上漲至藻類燃料可以競爭的時刻。

目前最大的藻類生質燃油公司 Solazyme 很有信心能夠突破技術上的瓶頸。Solazyme 在 2011 年製造了約 8000 公秉藻類燃油供應給美國海軍與空軍作為測試,化學藥品公司 Dow 也與 Solazyme 簽訂合約將在 2013 年購買 76,000 公秉藻油、2015 年購買 760,000 公秉以上藻類燃油作為航空燃油之用。也許在五年左右的時間之內,我們乘坐飛機所使用的燃料就會有部分含有藻類燃油。

在接下來這個系列文章裡,我們希望能為讀者更進一步的介紹什麼是藻類、藻類生質能源相關的研究以及目前產業發展與瓶頸。讓讀者對藻類生質能源有更清晰的概念與瞭解。

圖片來源:http://0rz.tw/1dVAg

什麼是藻類?

究竟藻類是什麼呢?簡單地說,藻類就是可以行光合作用的微生物。它的種類繁多、分佈廣泛,可以在海洋、河川甚至陸地都可以發現藻類的身影。依照生長環境可將藻類分為海水藻(海藻)或是淡水藻。而依照大小又可分為巨藻以及微藻(單胞藻)。例如生活中常見的紫菜、海帶其實都是巨藻的一種。值得一提的是,雖然藻類體型與陸生植物相比之下顯得相當微小,然而藻類卻供應了世界上超過 80% 的氧氣,要是少了這些藻類,大氣層中的二氧化碳將會提高三倍以上。

為什麼要用藻類生質燃料?

我們常說的藻類生質燃料,主要使用的藻種為單細胞微藻,因為它的構造簡單,不需發展根、莖、葉等器官,因此生長速度較快,具有高產量的優點。並且不同微藻所含有的營養成份各有不同, 可應用於多方面不同產業,例如生質燃料、食品、飼料或是萃取高價值化合物。除此之外,因光合微藻生長時需要吸收二氧化碳以及氮、磷……等化合物,近年來也開始將藻類培養視為環境控制的方式之一,例如以微藻吸收工廠或發電廠排放的二氧化碳,或是像之前提過 Algaewheel 以微藻養殖池取代傳統廢水處理廠中的除氮步驟。這些例子都一再強調了微藻養殖的潛力。大體而言,藻類生質燃料與其他生質燃料相比有以下三點優點:

1. 產量高:藻類生長速度快,產量高於其他植物
2. 不與食物競爭:不需與民爭糧、與糧爭地
3. 具經濟潛力:富含高經濟價值副產品如 DHA、EPA 等脂肪酸可作為食品添加物或化學藥品

藻類生質燃料的研究

事實上,微藻養殖並非新興產業,早在 1960 年代,歐洲就已經有科學家提出藻類養殖的方式,1980 年代美國能源部(DOE)開始了藻類大型計畫(Aquatic Specie Program),計畫目的著重於篩選高含油量藻種、發展開放式養殖技術以及評估花費。 1988 年在美國科羅拉多州的太陽能研究室就嘗試以直徑 20 公尺的池子培養微藻,一年生產了 4 公噸的藻體並製成 300 多公升的燃油。然而此方法所產生的燃油成本遠高於當時油價(當時原油價格約為每桶 20 美元),1996 年時當局判斷藻類燃油無法與石油競爭因此中止了計畫。然而直到近年能源危機、油價飆漲 ,於是又開始尋找合適的替代能源,藻類培養又重獲大眾重視。

目前藻類培養方法可大致分為兩類:開放式培養與密閉式光反應器 。開放式培養系統通常是利用室外水池或水道作為養殖場地,部份養殖場地在水面上會覆蓋透明帆布以隔離外來微生物污染。開放式培養池的建造費用遠比密閉式光反應器低,然而因為較難控制溫度及二氧化碳濃度等環境因子,藻體產量不及密閉式反應器。除此之外,縱使覆蓋了透明帆布,外來微生物如輪蟲仍有可能侵入養殖池,造成藻體大量減少 。與之相對,密閉式光反應器可以妥善控制環境因子,提供最佳藻類生長環境,然而昂貴的造價與操作費用,使其培養出的藻類成本居高不下,難以應用於生質燃料。而藻類生質燃料至今仍未商業化的另一困難之處為不易收穫。縱使是高濃度藻液,其固體成份僅約 1% ,這意味著仍有 99% 的水分需去除。若利用傳統加熱烘乾或是離心法除水,投入的能源消耗恐怕大於能源產出。因此開發新的養殖或收集技術是推動生質燃料產業化勢在必行之舉。

在接下來藻類生質能源介紹系列文章裡,我們將分別介紹目前產業裡不同的海藻養殖方法、各種收穫方式以及各種燃油轉化技術,分析當下遭遇的瓶頸與可能的解決方式,期待 PanSci 臥虎藏龍的讀者們能從各自的專業角度切入,提供解決方法。生質能源趨勢也有介紹部分台灣藻類研究的文章,有興趣的讀者歡迎點閱以下連結。

台灣生質能源研究組織介紹 – 前言
水產試驗所東港生技研究中心 – 蘇惠美博士
國立台灣海洋大學食品科學系 潘崇良教授
台灣電力公司的微藻碳捕捉計劃

「空虛寂寞覺得冷會傳染嗎?」「為什麼人看到可愛的東西就想捏?」「為什麼蚊子喜歡叮穿深色衣服的人?」

科學從不只是冷冰冰的文字,而是存在世界各個角落熱騰騰的知識!不論是天馬行空的想像或日常生活的疑問,都可能從科學的角度來解釋。

本月的泛科選書 《不腦殘科學2》是泛科學作者編輯團隊嘔心瀝血的超級鉅獻!不只能滿足大人與小孩的好奇心,更將拓展你的視野,帶領大家發現一個嶄新的世界!

泛科限時優惠79折(含運),現在就帶一本回家

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。