(圖片來源:Envato Elements)

生質能(bioenergy)屬於再生能源之一,為藉由直接或轉化使用生質物(biomass)作為燃料產生熱、電或動力。相較於燃燒化石燃料產生額外之二氧化碳進入生態圈,除收集、運輸或製造過程中消耗能源產生碳排放外,燃燒生質燃料所產生之二氧化碳可藉由生態圈之生物固碳作用加以吸收,屬於碳中性燃料。生質燃料應用範圍廣泛,使用彈性大,可依需求直接做為燃料使用或轉化成其他形式。生質燃料可區分為固體生質燃料(木顆粒、棕櫚殼、生質炭、固體廢棄物衍生燃料等)、液體生質燃料(生質酒精、生質柴油、生質裂解油等)及氣體生質燃料(沼氣、生質合成氣等),可用來取代各種類型化石燃料。除低碳排放外,生質物之組成單純,其灰份低、可燃分中揮發份高燃燒完全、含硫量低,燃燒排放後之空氣物染物排放量亦遠低於化石燃料。

低溫室氣體排放

依據國際能源署(National Environment Agency, NEA)資料(NEA, 2012)(表1),使用生質能發電之單位平均溫室氣體排放量為45 g-CO2eq/kWh (相當於平均每度電排放45g二氧化碳當量之溫室氣體)遠低於燃煤 (888 g-CO2eq/kWh)與天然氣 (499 g-CO2eq/kWh)之溫室氣體排放量,亦低於同為再生能源之太陽光電(85 g-CO2eq/kWh)。歐盟國家與鄰近之日本、韓國都大量使用做為低碳清潔燃料,以達到減碳及取代燃煤或核能發電之目標。

生質燃料與化石燃料之比較

各種發電技術的溫室氣體排放量(OECD/NEA)
註:OECD為經濟合作暨發展組織(Organisation for Economic Co-operation and Development)之縮寫;NEA為國際能源署(National Environment Agency)之縮寫。
(資料來源:The Role of Nuclear Energy in a Low-carbon Energy Future, NEA, 2012)

生質燃料之永續性

生質燃料之主要來源為剩餘資材。以固體生質燃料為例,國際間大量使用的為木質顆粒燃料(wood pellet,以下簡稱木顆粒)與棕櫚殼(Palm Kernel Shell,以下簡稱PKS)皆採用產業剩餘資材作為燃料。液態燃料生質柴油亦可由廢食用油製造,國內主要生質柴油製造商承德油脂計以廢食用油為原料製造符合規範之生質柴油,並同時產生具經濟價值之硬酯酸,除可製造清潔燃料外,亦同時可解決廢棄物處理問題,增加產業經濟效益。

1. 木質顆粒燃料

2017年統計資料(Louisa Blair, 2017)顯示,2016年全球木顆粒每年供給量達28.6 百萬公噸,主要用途為工業用及家戶供暖。其中工業使用量於發電、供熱達13.4百萬公噸,佔46.85%,且仍持續增加。製造木顆粒之材料主要來源來自於林業、木業及造紙業的剩餘資材,如圖1所示。

(圖片來源:Seth Ginther (2017))
林木不同部位之用途


(圖片來源:Seth Ginther (2017))
木材不同部位之用途與價值

計畫植林砍伐產出之木料最高價為實木,可做為建築、木製品及傢俱之原料,較細之枝幹可做為造紙製漿之物料來源外,剩餘之枝條、邊材則可做為木顆粒或者是木片燃料之來源。另外,木材、傢俱、合板及紙漿廠之剩餘邊材(木塊、木片、鋸木屑)亦可做為木顆粒燃料原料來源。如此,可將木料充分利用,符合循環經濟模式,將生質材料充分利用。

傢俱廠剩餘邊材製造木顆粒燃料

利用乾燥、破碎及造粒技術將剩餘木材燃料化製成尺寸均一之顆粒,可用於工業用鍋爐、電廠發電機組、家用暖爐等,提升燃燒效率,降低污染排放。

2. 棕櫚殼

棕櫚殼亦稱為棕櫚核仁殼(palm kernel shell, PKS,以下依國際慣例統稱棕櫚殼),為棕櫚油提煉過程中所產生之副產品之一(圖5)。棕櫚果總共分為三層,由外至內分別為果肉、棕櫚殼(PKS,又稱棕櫚核仁殼)、棕櫚核仁。棕櫚殼為棕櫚果之核仁外殼,非棕櫚果之外殼。棕櫚果之果肉與核仁皆有極高油含量。棕櫚殼為棕櫚油之產油製成所產生之可再利用生質物之一。完整之棕櫚果榨油產製過程為先將棕櫚果與果串分離後,整顆棕櫚果(果肉含果核)一同投入攪碎(爛)機絞碎後,再投入螺旋壓榨機進行初榨,得到棕櫚原油與榨油殘渣(包含果肉纖維與果核)。其後再將果核與過肉纖維分離,在進行果核烘乾、破殼取得棕櫚核仁與分離出核仁殼(即棕櫚殼)。

註:FFB:新鮮果串(fresh fruit bunch); PO:棕櫚油(palm oil); PKO:棕櫚核仁油(palm kernel oil); PKC:棕櫚核仁渣(palm kernel); MF:棕櫚果肉纖維(mesocarp fiber); PKS:棕櫚殼(palm kernel shell); EFB:空果串(empty fruit bunch); POME:棕櫚油廢水(palm oil mill effluent); OPF:油棕葉(oil palm fronds); OPT:油棕枝幹(oil palm trunk)
(圖片來源:Yek & Ogawa (2017))
圖5  棕櫚產業之相關生質物種產出及應用

棕櫚殼外觀

棕櫚殼外觀呈現深褐色至黑色,為2.0 ~ 3.5 cm半球殼狀(圖6)。棕櫚殼之纖維素組成為50 wt%左右之木質素(lignin)、20-22 wt%之纖維素(纖-cellulose)與22-24 wt%之半纖維素(hemicellulose)。與燃煤相比其熱值約為其80%,硫份遠低於燃煤,氮含量亦較低,而灰份低、揮發份高、燃點低等特性,使其成為理想之鍋爐燃料。

生質燃料之低污染排放

生質物來源為天然之生物體,組成較化石燃料單純。以固態生質燃料為例,與燃煤相比,棕櫚殼與木顆粒等國際間常用的固態生質燃料之灰份低、可燃份高,揮發份佔為90%以上,硫含量僅約為煤的1/10 (如表2與表3所示)。依據文獻與實廠檢測結果,做為鍋爐燃料取代燃煤,空氣污染如硫氧化物、氮氧化物、粒狀物、戴奧辛、重金屬排放量遠低於燃煤與重油。

2  燃料特性註:1濕基測值;2乾基高位; 3棕櫚殼產地為印尼;4木顆粒產地為馬來西亞

3  燃料化學組成
註:1 3棕櫚殼產地為印尼;2木顆粒產地為馬來西亞

結論

相較於其他再生能源(風力、太陽能、水力、潮汐),生質燃料之供給量穩定,可直接用於火力發電之取代化石燃料,做為基載電力之燃料來源。我國能源仰賴進口,生質燃料之來源除進口外,亦可使用本土之料源。生質能源之使用除具有低碳、低污染排放及永續性外,更具有穩定性。政府應參考歐美日韓等先進國家之經驗,設定目標逐步提升生質能源之佔比,以達到減碳目標並同時減輕環境負載。

 

參考文獻

  1. Louisa Blair, Wood pellet market update, Nordic Baltic Bioenergy Conference, Helsinki, March 30, 2017.
  2. OECD/NEA (Organization for Economic Co-operation and Development/National Environment Agency), The Role of Nuclear Energy in a Low-carbon Energy Future, NEA No. 6887, 2012.
  3. Seth Ginther, US Wood Pellets-A Secure and Sustainable Fuel Supply to Help Asia Meet its Energy Needs, 8th Biomass Pellets Trade & Power Conference, Tokyo, Japan, May 15-18, 2017.
  4. Yek & Ogawa, Cost Efficiency of Oil Palm Biomass for Biomass Power, 8th Biomass Pellets Trade & Power Conference, Tokyo, Japan, May 15-18, 2017.

 

責任編輯:吳周燕

原文刊登於臺灣生質能技術發展協會 (Taiwan Bio-energy Technology Development Association)網站 (按此前往),BiomassDesk獲授權轉載。


張慶源 教授
生質能技術領域專家,擁有多年經驗,並有多項相關著作與專利,現為大學環工所特聘教授。

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