0

0
0

文字

分享

0
0
0

生質能源的液態利用方式:生質酒精與生質柴油

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2012/01/15 ・2675字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

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
文章難易度
生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
20 篇文章 ・ 2 位粉絲
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。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
【水獺媽媽專欄:從日常學永續】我也好想像太陽一樣,可以發光又發電!
PanSci_96
・2022/11/02 ・830字 ・閱讀時間約 1 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

「隨手關燈,節能減碳」這是在我們日常生活中,絕對會看見或聽見的標語!在家裡被爸爸媽媽隨時叮嚀、到學校被老師耳提面命、忘記關燈而被罵的記憶肯定不會少。

建立節能好習慣很重要,但我們現在還有哪些跟能源相關的永續行動呢?

台灣的發電來源,主要仰賴燃煤、燃氣等化石燃料,比重高達80%,但提供穩定電量讓人類使用的同時,卻也大量排放二氧化碳及空氣汙染物、加劇氣候變遷,灰濛濛的天空就是最直接的證據。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。

像是今年夏天,家長跟小朋友都很期待的「班班有冷氣」政策,除了讓大家可以舒適上課,也同步規劃「校校會發電」,降低對地球的負擔。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。圖/水獺媽媽提供

不過大家有發現,學校的發電設備裝在哪裡嗎?

原本烈日長期曝曬,又熱又空的學校頂樓,竟然可以搖身一變,成為設置太陽能板的最佳基地!而當地球最豐沛的資源——陽光,照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。

這些我們肉眼看不到的次原子粒子,卻悄悄在太陽能板中移動,而且發電的過程不會排放任何溫室氣體,也不會造成空氣汙染,非常不可思議!

陽光照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。圖/水獺媽媽提供

也許我們都沒想過,學校可以從原本「電的消費者」變成「電的供給者」,將能源轉型落實在校園中,那麼大家趕快找個時間,去看看自己的學校,有沒有用來發電的太陽能板吧!

隨手關燈,一起節能愛地球!圖/水獺媽媽提供
PanSci_96
1011 篇文章 ・ 1112 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

3
2

文字

分享

0
3
2
若風力、太陽能變成主要能源,如何不被無風陰天弄得全國大停電?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/20 ・3299字 ・閱讀時間約 6 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

電網:將電力輸送到各地的網路系統

在十九世紀,電力是在靠近電力需求的地方生產的,但到了二十世紀,規模經濟催生出集中式發電廠、長距離傳輸線和地方的變電站。現在,世界上大多數國家的電力都是透過電網來提供。

電網,就是用來傳輸電力的網路,像是電廠、變電廠、配電系統等等,都是電網的一環。圖/Pixabay

這套系統是為了滿足供電需求──最低需求稱為基本負載(baseload)──所設計的,由最便宜的發電機來滿足。

直到最近,發電方式通常是以燃煤為主(也有國家是以核電或水力發電為主),而且大部分的時間都在運作。會搭配其他發電廠(通常是循環燃氣渦輪發電機)來支援,以滿足每天的負載量變化,也會有可快速運作的小型燃氣渦輪或柴油發電機來應對激增的需求或是發電廠停擺等故障問題。

發電廠和變電站間的輸配電系統很重要,這可確保即使有單一線路或發電廠出現問題,仍舊能夠維持電力供應。電網有辦法將電力輸送到偏遠社區,也能獲得偏遠地區的發電。

再生能源進場後,該如何和傳統電廠互相配合?

現在,太陽光電場和風場在許多電網上提供的電力占比日益升高,這正在改變對發電廠的要求。在一般情況下,一天之中混合使用再生能源和傳統發電廠的發電方式最為經濟,而不是完全使用大型的傳統發電機。

風場和太陽光電場容易受到天氣的影響,現階段該如何讓再生能源電場與一般傳統電廠配合,也是能源議題中的一大考驗。圖/Pixabay

除了提供潔淨的電力外,風場和太陽光電場的營運成本最低──這稱為邊際成本(marginal costs)──因為它們沒有燃料成本,並且會首先調用。

為了讓風場和太陽光電場達到最大使用效能,最好是搭配能夠因應電力供需變化而快速反應的其他發電廠;而且理想上,這些電廠的運作也應該符合經濟效應,運作時消耗的用電量僅占其最大負載量的一小部分。

一般來說,燃煤電廠和核電廠的數量並不會有快速的增減,而燃氣和再生能源電廠則是更好的選項。根據地點的不同,水力發電、生質能、地熱和聚光太陽能(搭配蓄熱儲能)都可以擔任靈活發電的功能。

化石燃料發電廠可以儲存燃料並因應需求來提供電力。風場和太陽光電場與這些可以隨時供電──稱為可調度或固定供應──的發電廠不同,這兩者的運作都取決於天氣這項變數。

運用 AI 技術,擺脫「天氣」這個天生弱點!

儘管有時會出現風力弱和陰天的日子,然而,與一些人想像的剛好相反,擁有大量風力發電和太陽光電的電網其實能夠在需要時提供電力。

透過人工智慧(artificial intelligence,AI)來獲取良好的天氣預報,太陽光電場和風場的輸出變化通常是可以預期的,因此可得到最佳結果。

透過人工智慧的協助,可以更有效的運用電力。圖Envato Elements

當再生能源供應達到總電力需求的 30% 時,這些變化可以輕易透過裝配在電網上的快速反應發電廠來填補,以滿足供電需求的變化。

當一處 1000 兆瓦的大型發電廠意外跳電(可能是設備故障或過載),處理起來可能遠比風力發電或太陽光電的電力突然下降更具挑戰性。備用儲電站必須迅速上線,而風場和太陽光電場若是尚未達到滿載,還可以在有風和晴天的天氣迅速提高其發電量,提供額外的寶貴備用電。

再生能源成為主要來源後,怎麼讓電供保持穩定?

為了提供潔淨、安全和價格低廉的電力,並且在本世紀中葉大幅減少碳排放,避免氣候變遷演變到危及生靈的程度,全球的供電必須以再生能源為主。透過增加再生能源的輸出、地理分布以及與其他電網的連結,再生能源的供電占比將可望提高到電網的 50% 左右。

在一定程度上,增加這類綠電的發電能力可以彌補天氣條件惡劣的情況,而連接大範圍的太陽光電場和風場則可以提供更平穩可靠的電力。

在歐洲,丹麥已經與挪威、瑞典或德國等國進行電力交易,以此來平衡電力供需:在他們自己的風力發電量高時出口電力,而在發電量低時則進口電力。

然而,建立洲際再生電網並非易事。過去曾經有一項 DESERTEC(沙漠科技基金會)的提案,計畫要將北非的太陽能傳送到歐洲,但由於政治不穩定,再加上不同地區和國家對規畫中的電網各有所圖,產生相互衝突的反對意見,因此難以具體實現提案。

增加太陽能板的面積、建立跨國、洲際再生電網,都是維持電力供應穩定的做法。圖/Pixabay

此外,由於太陽能板的成本急劇下降,因此日照多的優勢變得不那麼重要,因為可以靠增加太陽能板的大小來彌補日照少的缺憾,這比支付長距離傳輸費用更為經濟。能夠在地方發電也等於是提供了一份供電的安全保障,不必依賴化石燃料進口。然而,廣泛架設的電網確實對於供需平衡有極大的幫助。

若是能配合供電來調整電力需求,就可降低對儲能廠的需求──這稱為「需量反應(demand response)」──或許可成為一個更便宜的選項,因為那些用來支援電力尖峰的快速反應發電廠的運作成本最高。

智慧電網:更聰明、更彈性的調整電力供應!

使用智慧電網可以讓電網營運商和用戶間進行雙向溝通,調整電力負載量,使其與供電端相等,這樣就能確定出需要從電網中取用的的需求量,或是添加量。

出現短時間停電或減少電力供應時,許多運作仍有可能繼續維持,好比那些具有熱慣性的操作──像是保持鐵或瀝青、熔融物或超市冰箱冷藏食物的溫度;或是建築物的溫度調節──或是在將零件組裝成產品前,先製造出充足的零件備量。

智慧電網最重要的就是雙向的溝通來進行調整。圖/Envato Elements

同樣地,可以透過啟動電爐、大型電解槽或海水淡化廠(以幫助應對氣候變遷造成的乾旱)來增加需求量。在數位化科技的推動下,我們正處於智慧電網革命的開端,這將會對電力負載量造成重大變化,將會讓邁向再生能源的這段過渡期更為容易,並且為客戶帶來更低的成本。

另外,可以用價格差異來鼓勵客戶改變他們的電力需求。在義大利,有推行一個簡單的計畫,是以固定費用(取決於所使用的最大功率)和每度電的價格來回收發電廠的資本和配電成本以及發電成本。

以限制電力需求的方式(讓消費端的電價變得更便宜),白天必須間隔使用電熱水壺、洗衣機和烤箱等電器;如果一次全部使用,就會跳電。

這樣便可降低發電成本中最高的尖峰用電。而在離峰期(例如夜間)提供便宜電價也是一種方式。不過要達到有效調整,需要同時使用智慧電網和智慧電錶。這樣用戶端可以看到他們的消費細節,並選擇僅在低電價或優惠價格時段才使用某些電器設備。

儲能設備對於提高再生能源的發電占比非常有幫助。以太陽光電場和風場這樣的組合來供應夜間用電,往往會有白天過度生產,導致電價下跌的情況。若是沒有儲能設備,必須盡可能出口過剩電力,或是以減少供電來降低損失。短期儲能可以將部分電力從下午轉移到晚上,因此小容量即可以滿足日常需求。

隨著電池成本的急劇下降,這種儲能的可用性變得越來越高,而且也開始取代那些用來補強綠電不足時的快速反應化石燃料電廠。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源:尋找未來新動能》,2022 年 6 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

日出出版
8 篇文章 ・ 4 位粉絲

0

2
1

文字

分享

0
2
1
每年有一千萬公頃的森林消失!把樹種回去,就可以解決問題了嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/19 ・1997字 ・閱讀時間約 4 分鐘

碳捕捉:把電廠排出來的二氧化碳再抓回去!

一九九〇年代,尚未開發出風能和太陽能,當時對氣候變遷的擔憂日益增加,因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳,如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再將其壓縮液化,泵入地下洞穴,例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術,不過前提是碳價要夠高,超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而,即使在龐大的歐盟市場,碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力,而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

碳捕捉將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再加工處理。圖/Envato

即使如此,捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法,在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣,這還能用於加熱和製造燃料電池,或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性:直接從空氣抓?多種一點樹?

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性,因為目前我們所面對的現實非常危險,即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法,但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐,用於種植大豆、棕櫚油和其他作物,以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

目前二氧化碳排放量下降的速度沒辦法使上升的溫度控制在 1.5°C 內,再加上樹木被大量的砍伐,導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。圖/Envato

此外,封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一,需要超過六年,甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟,每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10% 排放量。

而在成長期過後,還需要更換樹木,因為在建築中也會使用到木材。有人建議,可以燃燒林業的廢棄物來產生能量(熱或電),並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議,必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放,而不是增加碳的排放量。此外,這種方法尚在開發中,可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

多種樹,真的可以救地球嗎?事情可沒有我們想的那麼簡單!圖/Pixabay

不過,可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳,這種方法比生質能源更緻密、更可靠, 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司(Origen Power)正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合,這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法,是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀,形成碳酸鈣,然後將其加熱,釋放出二氧化碳,進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估,以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值,可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合(比方說以再生電力來電解水,製造出氫氣),這可用來合成低碳燃料,取代汽油、柴油或航空燃料,這樣一來,其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳,電力成本會增加約 60%,而使用再生能源來發電,成本則低得多。

然而,隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資,再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳,以及重新造林,預估到二〇五〇年時,碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10%。

到二〇五〇年,再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90%,透過碳捕捉,全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力,電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數,因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》,2022 年 6 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

日出出版
8 篇文章 ・ 4 位粉絲