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癮科學:替代能源 -- 生質能

Andy Yang
2008 年 11 月 21 日, 下午 03:00
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在談生質能前,要先解釋一個很多人都搞不懂的問題:同樣是燒東西,同樣是排放二氧化碳,為什麼燒生質燃料就環保,燒石化燃料就不環保?其實這個原因很簡單,因為生質燃料裡的碳是植物從大氣中吸收進來後,固定在植物內的,而燃燒的過程只是把這些碳又再排進大氣裡,所以生質能理論上是碳中性的。

為什麼加上個「理論上」呢?因為生質燃料在整個生產過程中也需要大量的能量 -- 植物的種植、除草、除蟲、收割、運送、處理,做出來的燃料還要再運送到需要的地方。最後算下來,其實有不少能量浪費掉了,這也是為什麼不是每種植物都適合當生質燃料的原因。雖然把木材丟進壁爐裡也算在燒生質能,但一般談生質能的時候都是以汽油/柴油替代品的身份談論的,因此如何生產成份、功能類似於汽/柴油,又可以用現有的引擎燃燒的燃料,就成了研究的重點。

生質燃料分成四「代」,第一代是用傳統方法將常見的食物轉變成燃料。這類方法的技術最成熟,但是會發生燃料搶糧食的問題。第二代試著用糧食作物中沒有被用到的部份(像王米桿、麥桿)等內含的纖維質,是相當好的廢物利用方式。但是第二代技術效率還不是很高,要經濟地普及,還要一段時間。第三代是用綠藻等藻類快速而大量地產生生質,能夠更有效地利用本來就不能種植糧食作物的土地。這種技術還有待突破,雖然理論上是可行的,但技術上還有困難。第四代技術則是靠基因改良的細菌,直接將空氣中的二氧化碳轉換成燃料。自然,第四代技術還遙遠著...

所以這篇文章以第一代和第二代技術為主。

沙拉油

沙拉油是從各種植物中提煉出來的油類的通稱(沙拉油這個名字取得真好)。一般來說食用油並不會直接拿來當燃料燒,因此大部份的研究,是圍繞在如何將已經炸過東西的廢棄油過濾後拿來當柴替代品使用。

因為沙拉油的物理特性和柴油不完全一樣(主要是黏性的不同),柴油車在燒沙拉油前必須要先經過改裝,讓沙拉油先經過預熱後,再進入引擎。有些種類的柴油車可以不經改裝就直接燒沙拉油,但部份零件的耐用度會下降。

據估計如果美國所有的廢沙拉油(炸洋芋片時會產生一大堆)都能轉換成燃料的話,大約可以取代 1% 的燃料用石油需求。

生質柴油(Biodiesel)

生質柴油是將沙拉油之類的油類,經過某些神奇的化學作用(酯交換作用)轉換成性質類似於柴油的烷基酯。和沙拉油最大的不同,是柴用車不用經過任何改裝,就可以直接使用生質柴油。生質柴油也可以和普通柴油以任意的比例混合使用,但大部份看到的是 B20(20% 生質柴油、80% 普通柴油)和 B99(99% 生質柴油、1% 普通柴油)兩種。前者是因為這個比例是大部份的車廠願意提供保固的上限,後者則是因為加 1% 的普通柴油就足以毒死可能在生質柴油裡存活的微生物。

柴油車能燒生質柴油與否的條件不在引擎本身,而是在管路 -- 生質柴油對普通橡膠有侵蝕性,所以只有 1992 年之後生產,改用新種橡膠油管的中輛才能使用生質柴油。

生質柴油沒有特定的來源,只要從植物油轉化而來都可以,因此沒有必要和一般食物油搶原料。目前看起來最合算的選擇,是利用藻類來生產植物油,再轉化為生質柴油。這種方式理論上每公頃土地可以生產 2700 多公升的生質柴油,而且更重要的,藻類幾乎只要有陽光、有水就能生長,因此可以在沙漠之類不能種植作物的地方生產生質柴油,不會對糧食造成影響。

生質乙醇(Bioethanol)

生產生質乙醇(就是酒精啦)的過程人類已經做了好幾千年了:將醣份含量高的作物,無論是小麥還是玉米的澱粉,還是甘蔗、甜菜的糖類,經過酵母菌發酵後,就會產生酒精。只是現在酒精不是拿來喝,而是拿來燒而已。因為技術上並不困難,生質乙醇是目前最普及的生質燃料。

乙醇對現有引擎的零件侵蝕性相當高,因此大部份的汽油引擎不改裝的話,頂多只能使用 15% 乙醇加 85% 汽油的混合。另外一個問題乙醇的能量密度比汽油低,所以行走相同的距離,要花費更大體積的乙醇。換句話說,要嘛就是汽車要裝更大的油箱,要嘛就是要更常停下來加油。最後算下來,以行走相同的距離來說,乙醇還是比汽油貴的。

巴西是在使用乙醇燃料方面,最先進的國家,當地的汽車也都改裝成無論什麼比例的乙醇/汽油混合物,都能燃燒。不過要建立起一套完善的加乙醇站網路並不容易,要地方政府大力的支持才行啊...

第二代生質燃料

和以「食物」為原料的第一代生質燃料相比,第二代生質燃料是將目光放在了植物不能吃的部份 -- 和不能吃的植物。這部份並沒有特別指定的生產過程,或是最終產品,只是研究如何將纖維素轉換成燃料而已。

為了和現有的研究接軌,第二代生質燃料的最終產品,大概也不外乎就是生質柴油、生質乙醇或氫氣等,使用上的條件和限制也和上面說過的幾種燃料相同。

第二代生質燃料要求的是短時間內能大量增加纖維素的植物,所以雜草、長得快的樹木都是不錯的選擇,當然稻桿、麥桿、穀殼等食物生產過程中的廢棄物,也可以用來轉換。

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台灣其實有發展生質能源的條件。畢竟有一度台灣擁有世界第一的蔗糖生產量,連帶著副產品乙醇也是世界首屈一指的。如果台灣能重新將糖廠開設回來生產生質乙醇,相信可以取代不少對國外原油的依賴吧!即使乙醇目前看起來還是比汽油貴一點,但以保障能源的角度來看,這應該是個值得研究、追求的目標。