生质能产业报告:简介植物性生质能篇(3)

作者: | 发布日期: 2010 年 06 月 21 日 16:40 | 分类: 分析评论

【能源作物类】

能源作物指专门种植供作生质燃料(酒精、柴油)原料,或作为「木柴」取代煤炭作为锅炉燃料,提供蒸气或发电者。
理论上全世界所有植物都可作为能源作物使用──所有植物均可供作薪柴燃烧──但实务上良好的能源作物有几个原则与条件:

1. 非粮食作物
当今生质能源产业最受世人詬病者即为「与人争粮」、「与粮争地」问题,而其中最常为人提出讨论者,就是美国政府鼓励种植玉米做为替代能源,从而影响全球食物与饲料价格。
「争粮」问题的核心其实在于「是否把人类或家畜可食用的农作物转为能源使用」以及「原本可种植粮食作物之农地是否转为耕种能源作物」两个问题。前者是目前一般媒体与公民团体最常提出的问题点,而后者排挤效应的影响事实上远较前者为广,但却常被论者所忽略。
粮食作物对生质能源的影响,事实上须要从三种不同最终产品的型式来看,才容易看出全貌:

● 酒精类

酒精类生质能源(如:甲醇、乙醇、丁醇等)是目前最为人所争议者,事实上酒精类生质能源是否会造成「争粮」问题,端视采用之工艺与原料。
酒精类生质能源包括三种工艺:糖发酵工艺、纤维素发酵工艺、化工工艺。

糖发酵工艺事实上就是传统的酿酒工业。千百年来酿酒业者以淀粉(如:米、高粱、玉米、马铃薯、大麦、燕麦、树薯等)或糖汁(如:甘蔗汁、各种果汁)为原料酿造各种食用酒精,在转换生产能源用酒精时其生产方式完全相同,唯一不同点在于产品的酒精浓度──食用酒中酒精浓度最高约80%上下,但燃料用酒精纯度要求须达到95%以上。
糖发酵工艺是所有生质能源利用中最简单的方式,但此工艺须使用富含淀粉或糖类之原料,因此论者所谓的「生质能源争粮」问题,其实就是指「糖发酵酒精使用太多原本作为粮食或饲料使用的农产品」。

纤维素发酵工艺就是为了回应批评者「争粮」论点所提出的方法之一。在自然界中所有的植物均富含两种碳水化合物──纤维素与木质素──这两种碳水化合物佔植物体总重量80%以上,但除了少数种类的细菌、真菌(菇类)外,都无法消化或利用此二种物质。动物界中的草食动物虽可以草木为食物,但草食动物要消化纤维素还是要靠肠胃中的微生物,自己无法主动进行消化;此外草食动物能利用的是纤维素,动物中唯一能利用木质素的是白蚁。

纤维素发酵工艺中,人们先利用来自细菌、真菌等微生物的酵素,将植物中的纤维素与木质素分解为糖类中的单糖或双糖,再以浓缩后的糖浆为原料进行酒精发酵得到酒精。纤维素水解后糖浆发酵的过程与传统糖发酵工艺大同小异。
以化工方式制造酒精时首先须在无氧环境下将草木加热,使碳水化合物在无法进行燃烧的情况下裂解产生一氧化碳(CO)与氢气(H2)5。
接着可利用两种方式来生产酒精:

Fischer–Tropsch法(费-洛合成法):
Fischer–Tropsch法是Franz Fischer Hans Tropsch两位德国化学家在1920年代发明的,常被称为「费-洛合成法」,在第二次世界大战期间纳粹德国因遭受英、美封锁无法自中东取得石油,便以此法以煤炭为原料生产所谓「人造石油」,产能达到数百万公吨之谱,使纳粹德国铁蹄获得足够燃料侵略欧洲各国。二次大战之后南非亦积极以此种方法,利用该国丰富天然气资源合成生产人造汽油。

Fischer–Tropsch法可利用煤炭、天然气、废塑胶或各种动植物为原料进行生产,而随着使用之触媒不同,产品可为汽油、柴油或甲醇、乙醇。

Fischer–Tropsch法应用于生质能源时,由于对原料几乎没有甚麼限制,因此无论是稻、麦、玉米秸桿、废木材废家具、树木落叶,还是动物尸体、粪便,都可以拿来以此法生产汽柴油及酒精。

一氧化碳发酵法:
Fischer–Tropsch法的进料范围广泛但缺点是成本较高,为同时擷取Fischer–Tropsch法观念上的优点,同时大幅降低生产成本,科学家发展出所谓「一氧化碳发酵法」。

在一氧化碳发酵法中,第一个步骤仍然是利用高温无氧环境,将动质物原料分解为一氧化碳与氢气。但相较于Fischer–Tropsch法第二步骤的高温热合成工艺,一氧化碳发酵法将此处得到的一氧化碳引入发酵槽中,以特殊的微生物进行酒精发酵。

传统上利用微生物进行酒精发酵是利用淀粉或糖等碳水化合物进行发酵,优点是效率高、产量高,缺点是原料成本高、有「争粮」疑虑。

在纤维素发酵工艺中,是利用来自微生物的特殊酵素先将植物体的纤维素分解,再以得到的糖浆进行酒精发酵。优点是使用无法食用的纤维素当作原料、无「争粮」疑虑,同时自然界中纤维素数量惊人,足以满足人类能源所须;缺点是在处理过程中须使用到大量酸硷等化学物,对环境影响较大,此外微生物酵素具有所谓的「专一性」──也就是某种微生物产生的酵素,对某种植物的纤维素分解、发酵效果特别好,但如果换成别的植物时,效率通常会大幅下降──此外微生物很难分解植物中的木质素,而木质素通常又佔植物体重量的40%上下,木质素部分若无法有效利用,也将造成生产者在成本上与废弃物处理上的难题。

一氧化碳发酵法是利用高温将动植物分解,甚至可以用塑胶等垃圾作为原料,完全没有纤维素发酵法中酵素专一性与木质素利用的问题,但缺点是一氧化碳发酵法投资金额高,同时此法目前全球发展最快者仅达到日产能数十公吨之预量产规模,离业界要求之日产量千公吨级的量产规模水准,还有相当一段道路要走。

综合以上各点可知,就「争粮」问题而言关键在于所使用工艺,采用「糖发酵」工艺时因原料为淀粉或糖,与日常所需之粮食、饲料间竞争关係大、「争粮」疑虑高,但若采用「纤维素发酵」或「化工」工艺时,因原料并非日常所需之粮食、饲料,「争粮」疑虑小。但无论采用哪种工艺,都难以摆脱潜在「争地」的疑虑。

● 柴油类

在目前生质能源发展潮流中,生质柴油是发展最快、最成熟的项目。生质柴油生产容易、工艺单纯,一般稍具化学观念者甚至可以自行在家中生产生质柴油,而且在精选原料时,产出之生质柴油品质、纯度均较石油工业产制之柴油为佳,在市场接受度与价格上均有较好的表现。

当前生产生质柴油的方法主要有两种:酯交换反应6、Fischer–Tropsch法。前者为世界各国生质柴油业者应用最广泛的方法,后者则仅在德国、奥地利、纽西兰及北美地区有少数业者。

在使用Fischer–Tropsch法时,其说明如前节所述,基本上无「争粮」疑虑。但却难以摆脱「争地」的疑虑。

当使用酯交换反应时,使用的原料可为废食用油或其他植物油。在使用废食用油时完全没有「争粮」、「争地」问题,但使用植物油时,无论是使用大豆、棕櫚等传统产油作物,或是当下时兴之痲疯树、辣木、麻等新兴能源作物,都难逃「争粮」、「争地」的疑虑。

能解决生质柴油原料问题的明日之星是藻类,藻类含油量高、可达重量的40-60%,同时可养殖在海中,对土地需求较小。但相对而言藻类也有许多待解决的技术问题,容后续专文再论。

作者:赖正庸, TrendForce研究团队
赖正庸先生亦为致理技术学院讲师

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