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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)

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2011/11/14 ・1492字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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。

文章難易度
生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
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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。

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發電量增加 25 倍卻還是不夠用!再生能源是人類未來的救星嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/18 ・1730字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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)。

在 2017 年的全球能源使用比例中,煤炭、石油和天然氣等化石燃料占了大約 80 %左右。圖/ Pixabay

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。

2017 年的能源消耗總量,顯示出不同能源的百分占比。圖/BP Statistical Review of World Energy, 2018; World Energy Council, Bioenergy, 2016

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力精煉燃料上。

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。

火力發電沒辦法 100% 轉換熱能變成電能,約有 60% 的損失。圖/envato

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。

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日出出版
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藻類生質燃料(一):前景與瓶頸
生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2012/07/30 ・2161字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 595 ・九年級

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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

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生物精煉概述(四)—結語
生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2012/06/19 ・912字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

圖片來源

終於來到這個系列的最後一篇文章。回顧這個系列,在第一篇文章我們先為各位解釋生物精煉及其產業的定義,同時由原料、製程、產物三方面來討論生物精煉與石化精煉產業的異同。接著利用兩篇文章的篇幅介紹生物精煉的類型與實際應用的例證。

在這系列文章的結語,首先我想再一次簡短地說明生物精煉的基本概念。所謂的生物精煉,即是將「經過前處理」的生物質(biomass)轉化成基本化學分子(base chemical),再將這些分子合成各種產品,生物精煉的程序可以以下圖概述:

如此,上至生物質的培育技術改良及製程中轉換技術的研發,下至最終產物(燃料、化工原料及食品飼料)的加工製造都可以算是生物精煉產業的產業鏈。目前,各國發展中的生物精煉產業雖仍以生質燃料的生產為主,但隨著製程技術的成熟、上下游產業鍊整合程度的提昇,以及商業活動本來就是不斷追求最大利潤的本質,相信未來生物精煉生產出來的多種產物會更均衡相關企業的收入來源。

目前大多數的民生用品諸如燃料、塑膠…等皆是石化精煉的產物,但石油的存量是有限的、是需要經過長時間變化而成的。相對而言,生物精煉則提供了將原料替換為可以短時間收成的生物質的選項,這是生物精煉產業值得被關注的原因。

總結《生物精煉概述》系列,有以下三個核心問題:

首先,什麼是生物精煉?生物精煉產業涵蓋了哪些部分?
其次,生物精煉產業與現在石化精煉產業相比,有什麼不同的地方?又有什麼相同的地方?
最後,生物精煉產業有什麼能夠和石化精煉產業競爭的優勢?面臨的挑戰又有哪些?

希望讀者在閱讀完這個系列之後,能對這三個問題有基本程度的認識及瞭解。《生質能源趨勢》下一個系列專欄將會介紹藻類生質能源,也請各位繼續給予支持並不吝指教。當然,若是您有任何意見都歡迎直接回覆於下方和我們討論,或是寄到我們的信箱:bioenergytoday@gmail.com,我們非常期待與讀者互相交流成長。

相關文章

《生物精煉概述(一)—生物精煉與石油精煉》
《生物精煉概述(二)—生物精煉的型態與實際例證(上)》
《生物精煉概述(三)—生物精煉的型態與實際例證(下)》

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