生質能源的固態利用方式：固態廢棄物衍生燃料RDF-5（densified refuse derived fuel, dRDF或RDF-5）

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

我們的能源從哪裡來、往哪裡去？

全球每年對能源的需求量相當巨大，若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字，因此改用「太瓦時」（TWh）來表示，太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年，全球約有 10 億人口，當時對能源的需求約為 6000 太瓦時；而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年，全球人口達到 76 億，發電量增加了 25 倍（156000 太瓦時）。

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能，其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力和精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求（final energy demand），是指用戶消耗掉的能源：每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10％ 是來自開發中國家傳統生質能的熱，22％ 來自電力，38％ 用於供熱（主要來自化石燃料） 30％ 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費？能量轉換效率大比拚！

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位，也就是一度電來測量，雖然電可以完全轉化為熱量，例如電烤箱，但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能，其他的必然會散失到周圍環境裡。

在火力發電廠中，存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱，產生蒸汽，蒸汽膨脹推動渦輪的葉片，轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力；其餘的熱量在蒸汽冷凝，完成循環時，就轉移到環境中，成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加，但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中，一般熱能轉化為電能的效率約為 40％。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組（combined cycle gas turbine，CCGT）裝置中，這個比例可提高到 60％。

同樣地，在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量（動能）；汽油車的一般平均效率為 25％，柴油車則是 30％，而柴油卡車和公車的效率約為 40％。

另一方面，電動馬達的效率約為 90％，因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例，這將有助於提供世界所需的能源。

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在二〇一八年時約占全世界發電量的 16％。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上，相對要晚得多，是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢，因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加，成本下降，它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5％ 上升到二〇一八年的 9.7％，包括水力發電在內，再生能源的總貢獻量為 26％。

不過，就全球能源的占比，而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看，再生能源僅占約 18％，而傳統生質能則提供約 10％ 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜，它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實，從現在開始，再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——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。

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。

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

生質能源的利用方式及種類很多，可由原料劃分，也可以依照加工程序歸類。為了方便讀者迅速地對目前現有的各種生質能源有概略性地瞭解，BET將以生質能源被利用時的型態，即固態、液態和氣態來作分類。

固態的部份主要是指的是固態廢棄物衍生燃料技術（densified refuse derived fuel, RDF-5）。液態生質能源基本上是生質燃料(biofuel)，包括生質酒精(bio-ethanol)及生質柴油(biodiesel)。氣態燃料的部份則有合成氣與沼氣。氣態燃料除了可以直接作為燃料用以發電，也能夠再進行轉化形成液態燃料與其他化學產品。值得一提的是，生質能源從原料到最終應用可能經過多次的相變化與化學程序，因此生質能源在此三態的應用並不是全然獨立的。

本篇文章將先介紹固態廢棄物衍生燃料技術（densified refuse derived fuel, RDF-5）。

RDF-5簡介

自古以來，人類堆起木材點火燃燒，就是一種固態生質能源的利用方式：其原料經過轉換以後，最終以熱能形式被利用。要談當代最重要的固態生質能源，一定要提到固態廢棄物衍生燃料技術（densified refuse derived fuel, dRDF或RDF-5），它指的是對原料進行物理前處理後，再將成品送入鍋爐燃燒發電，或是進一步與其他物質行氣化、裂解反應的能源利用方式。其原料可以是都市廢棄物(例：家庭垃圾)、農林廢棄物(例：廢木材)、一般事業廢棄物(例：廢紙漿)…等。圖1為造紙業廢料生成之RDF-5燃料錠。

讀者們看到RDF-5這個命名，多半會認為既然有RDF-5，那理應有RDF-6或是RDF-1。是的，根據美國試驗材料協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)的標準，廢棄物衍生燃料(refuse derived fuel, RDF)一共可以分為7類，詳見表1。然而從原料加工成這7類燃料的成本與困難程度差異頗大，再者燃燒效率有高下之分，其使用方式更是不盡相同。

考量成本、效率以及使用便利性，RDF-5脫穎而出成為最廣受討論與研究的對象。有別於焚化爐處理的是經過粗略分類的一般垃圾(RDF-1)，RDF-5對於原料成分有更高的要求。廢棄物必須先經過破碎、選別、乾燥後，再加入添加劑，以製成外型與成分都符合特定規格，長度約數公分的錠型燃料。燃料若有一致的形狀及熱質，不但有助於運輸與保存，更有益於鍋爐內燃燒狀況的控管，進而提高發電效率，同時降低廢氣排放、減少戴奧辛汙染，因此RDF電廠發電效能優於一般焚化爐。RDF-5燃料除了可以做為主要的燃燒原料外，也可以搭配其他原料進行混燒(co-firing)，以調節鍋爐內的燃燒狀況。

RDF-5利用現況

目前日本在RDF-5全球發展上居於領先地位，從1988年至今已有60餘座RDF-5製造廠以及5座RDF-5發電廠設立，上述的製造廠除了都市廢棄物外，也可處理紙業、水泥業的廢棄物。另外，歐盟的發展也相當熱絡：奧地利、荷蘭、義大利、德國、芬蘭都已有RDF-5生產系統，而比利時及英國目前也正在建設中。至於台灣的部份，雖然起步較晚，但目前已有一些應用案例，例如花蓮縣政府與工業技術研究院能資所合作，在豐濱鄉建立都市廢棄物的RDF-5製造示範廠；業界則有南投南崗工業區的高烽資源再生公司，投入將一般事業廢棄物製成 RDF-5燃料的事業；在造紙業有40餘年歷史的正隆公司，則是將RDF-5技術整合進製程中，將廢料製成RDF-5燃料錠，送入自己既有的汽電共生發電系統與煤炭混燒，可節省廢棄物處理費用以及煤炭採購成本共數億元台幣，成效相當卓著。

小結：

總的來說，利用RDF-5的方式可大可小，大至汽電廠可以用來取代或分擔焚化爐的工作量，改善空氣汙染問題以及垃圾處理效率；小至燃燒鍋爐則可以和廢棄物產出地點整合，就地處理廢棄物後直接生熱或發電，形成共生系統降低生產成本；其中在歐洲甚至已有使用RDF-5的家用暖爐問世。生質能源發展道路上的選項並不是只有生質柴油或生質酒精，若考量技術門檻、市場規模以及上下游供應鏈完整程度，RDF-5其實相較之下有許多優勢，值得生質能源從業朋友們思考。