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生物燃料 (Biofuel)
生物燃料、生質燃料或生態燃料,泛指由生物質組成或萃取固體、液體或氣體。所謂的生物質係指有機活體或者有機活體新陳代謝的產物,例如牛糞。不同於石油、煤炭、核能等傳統燃料,這新興的燃料是可再生燃料。生物燃料其中一種定義是「至少80%的體積,由十年內生產的有機活體物質所提煉出的燃料。」 如同煤炭與石油,生物燃料也是儲存太陽能的燃料。太陽的能量經過植物光合作用的轉化,以化學能的形式存於植物中。生物燃料其中一個優於大部分燃料的好處便是它可被生物分解,倘若不小心潑灑到自然環境,相較於其他燃料也較不容易造成環境污染。目前生物燃料最重要的意義是期望能減少二氧化碳排放.。 |
生物燃料 來源
專門培植為生物燃料原料的作物,有主要在美國出產的玉米和黃豆;主要在歐洲的亞麻籽和油菜籽;巴西的甘蔗;東南亞的椰子油。工業、農業、林業、一般家庭製造出可生物分解的產物都可以作為原料,例如:稻草、麥梗、稻糠、木材、糞便、廢水和廚餘……等。這些原料經由無氧消化轉換為生化氣體。製成燃料的生物質,其原料常常是一些未被充分使用的廢棄物,像稻秣與動物廢棄物。至於木材與草的品質並不直接影響能量產生的多寡。 現在有許多科學家開始研究使用藻類或藍菌做為另一種生物燃料的原料,應用的層面包括生質柴油、甲醇、乙醇、甲烷,甚至氫燃料。以大麻做為原料的研究也在增加,但大麻的研究還得面對法律方面的問題(為了避免毒品問題而對大麻種植的限制)。巨皇草收成快體積大,燃燒時與煤炭的能量比為5:3所以5噸可以取代3噸煤炭,另外該草不必像生物柴油一樣經過提煉過程為液態才能使用,簡單加工後可以直接燃燒,適用經濟較貧困的地區或低成本產業,所以巨皇草已經被列為尖端抗暖化措施在進行研究。 在一些工業化國家,例如德國,因為一般燃料的課稅比食物高,所以由每單位食物產生能量的價錢較用一般燃料便宜。 演進 早在發現火以來,人類就開始將生物燃料作取暖和煮飯用。當電被發現後,生物燃料原本將被大量用能源生產。然而石化燃料:煤炭、石油、天然氣被大量發現與其應用技術的發展,使得生物燃料在能源、交通運輸等方面的功能被世人所忽略。 液態生物燃料的應用始於早期的汽車工業。內燃機的發明者,德國的尼古拉斯•奧古斯特•奧圖,計畫用乙醇做為這項發明的燃料。柴油引擎的發明者,德國的魯道夫•迪塞爾,打算拿花生油做為它的燃料。由亨利•福特發明的T型福特,完全使用乙醇為燃料。但在賓州與德州的油田被發現後,石油變得很便宜也極易取得,於是汽車便開始改用石油或柴油。 難題 生產生物燃料的作物被生物質分解或者燒荒種地,導致需要數十年甚至數個世紀的生物燃料才能補償所排放的碳。為了生產生物燃料,許多土地被改為農地,尤其是開發新的農地會破壞生態。生物燃料的大量使用也造成糧食價格上漲,並威脅貧窮人口的生存。 為了製造及運輸生物燃料會產生污染、二氧化碳排放及使用水資源、化肥。在地生產使用生物燃料可以減少這些問題,但是就算在地生產,生物燃料在環保上可能還是不值得,甚至有些研究顯示、一些已經量產的生質酒精其實是高污染燃料,在經濟上也不值得,例如玉米酒精比化石燃料製造出更多的碳及污染排放。 用痲瘋樹(又名桐油樹)可用於生產生物燃料,這些作物可生長在不適於糧食作物生長的荒地、幾乎不需施肥,其種子亦不可食用,對糧食生產影響更小。但有些人認為還是要避免以下狀況:有些第三世界國家的農民,可能會為了賺錢,而把原本用來生產糧食作物的土地,拿來種植能源作物;就算能源作物本身不可食、也可以在不食之地種植,但是還是有減少糧食生產的危險性。 採用廢棄食用油來生產生質柴油不會佔用食物來源,被認為是目前真正值得推廣的生物燃料,但是廢油中含有許多無用物質,會增加生產問題。 纖維素乙醇是採用人體無法消化的部位,因此比較不會降低糧食生產,也可以減少新農地的需求,但是由於植物的細胞壁(纖維素主要存在的位置)構造相當複雜,且含有許多不同物質,因此以現在的技術來說,生產成本較高;此外,農業廢棄物同時也是一種良好而且重要的有機肥料,因此纖維素乙醇的大量使用也是有環保上的疑慮。 核能研究所為配合台灣能源政策,2006年起積極發展第二代生質燃料-纖維酒精之生產技術,以全球及亞洲地區產量最為豐富的農業廢棄物稻稈為研究起點,2007年建立國內第一座實驗型纖維酒精程序研發設施,2009年建置日處理1噸纖維原料之噸級測試廠,並設有電力、蒸汽及水處理等完整公用設施。此測試廠除作為國內、外開發纖維酒精製程、生物酵素與發酵菌株之平台外,其所發展之纖維酒精量產技術亦可為國內商轉廠設計、能源效益及生產成本評估之基礎。未來測試廠將由纖維酒精發展為生物精煉技術平台,成為台灣研究生質精煉之重鎮,並朝向石化產業高值化之發展邁進。(資料來源:核能研究所100年度-新能源與再生能源科技研究成果年報)。 未來發展 未來藻類(例如海藻) 來生產生質柴油會是發展方向之一,藻類生質燃料生產效率高,不需使用耕地也能減輕生質能源可能對農產品價格的影響。 不過,技術上還需一些突破,藻類生質燃料成本較高,部份藻類是基因改造品種,預防這類藻類混入生態系統也是個課題。 美軍已經決定大量採用藻類生質燃料取代部份航空煤油。 |
生物柴油 (Biodiesel)
生物柴油 (Biodiesel)又稱為生質柴油,是用未加工過的或者使用過的植物油以及動物脂肪通過不同的化學反應製備出來的一種被認為是環保的生質燃料。這種生物燃料可以像柴油一樣使用。生物柴油最普遍的製備方法是酯交換反應。由植物油和脂肪中佔主要成分的甘油三酯與醇(一般是甲醇)在催化劑存在下反應,生成脂肪酸酯。脂肪酸酯的物理和化學性質與柴油非常相近甚至更好。 生物柴油的原料 生產生物柴油的原料往往根據各地區可以得到的原料種類不同而不同。實際產油效率和技術不同。下面列出了一些國家所採用的主要原料: 美國:大豆、玉米、動物脂肪 歐洲:油菜籽、動物脂肪 日本:動物脂肪 馬來西亞:棕櫚油 中國:大豆、地溝油、棉花子 印度:桐油樹 台灣:蓖麻籽、痲瘋樹的果實 從原理上說,未經加工的植物油只能在柴油發動機裡短期直接使用。這是由於植物油含有飽和度不同的物質而會使柴油發動機上的潤滑油發生聚合。而且植物油和柴油分子結構不同,這也可能造成霧化不良、燃燒不完全、噴嘴堵塞等問題。 產油效率 原料每畝產油效率(收率)引向原料以後的工業化和市場化的可行性,因為產量必須能夠供應給整個國家或全世界。以下是現有技術所能夠出產的原料效率: 藻:每公頃16837升(每英畝1800加侖)(估計數據) 麻:每公頃9354升(每英畝1000加侖) 烏桕:每公頃4705-9073升(每英畝503-970加侖) 棕櫚油:每公頃4752升(每英畝508加侖) 椰子:每公頃2151升(每英畝230加侖) 油菜籽:每公頃954升(每英畝102加侖)[8] 大豆:每公頃554-922升(每英畝59.2-98.6加侖) 花生:每公頃842升(每英畝90加侖) 向日葵:每公頃767升(每英畝82加侖) 工藝技術 生產生物柴油最常用的是酯交換反應。此外還有氫化裂解、不使用催化劑的超臨界方法、e-柴油、高溫分解、微乳狀液等方法。酯交換反應是將植物油和甲醇或乙醇混合,生成脂肪酸酯,即生物柴油。催化劑可以是酸,也可以是鹼,但是由於鹼催化的轉化率更高(>98%),若要提高為98%轉化率必需二級反應以上,通常一級反應酯化率在98%以下,而且常壓反應,沒有中間步驟,對設備的要求也低,因此一般是採用鹼催化反應。 使用 生物柴油一般不是直接作為燃料使用;而是與普通柴油混合使用。一個公認的經驗值是調和20%生物柴油 (B20)。但是這個比例在使用有毒性成分的生質柴油時,可能會有爭議,例如非食品級的蓖麻油可能含有蓖麻毒素,如果燃燒不完全,可能導致安全性隱憂。因此在台灣採用98:2的低混合比。 生質柴油另一個環保優勢,是其可降低引擎廢氣排放。生物柴油幾乎沒有含硫化物,排放的廢氣自然也沒有硫化物。研究顯示如果用20%生質柴油的比例混合的話,柴油引擎NOx排放會增加2%,但微粒排放會降低12%,碳氫化合物排放會降低20%,一氧化碳的排放會降低12% 如果生質柴油的來源是回鍋油,可以減少餐廳換油成本,減少油炸用油的健康風險。 一般認為,生物柴油的優點在於可以減少一氧化碳等廢物的排放量,而且運輸也比普通柴油安全。此外,研究發現,生物柴油的潤滑性能很高。有趣的是,調和5%以內可以提高潤滑性能,但是如果高於5%,潤滑性能卻不再增強。 問題 雖然生物柴油的開發作為一種替代能源被業界看好,但是卻鮮有生產商業化的例子。這主要來自植物油的成本。植物油的採購、運輸、儲存以及提取佔了生物柴油生產的大部分成本。但是也有觀點認為,由於生產生物柴油,需要大量的植物油原料,因此勢必需要興建種植園,因而可以帶動相關的農業生產。 生物柴油也存在一些技術限制,不適應很多地區。由於它比普通柴油粘度高,因此在低溫下會降低可用性。如同雞湯、紅燒肉放到冰箱冷藏,油脂會凝結成白色黏稠狀,學術上的名詞就叫做「雲化(cloud)」,凝結的溫度則叫做「雲點(cloud point)」。石油基柴油的雲點大約在攝氏零下15度,而100%生質柴油B100在攝氏零度時便會開始雲化,低溫時很容易堵塞汽車油路。在冬天使用生物柴油必須加入添加劑或者其他的保溫措施。而在濕熱環境下,長期儲存生物柴油還需要考慮到抑制微生物和細菌的滋生。 生質柴油另一個劣勢,是(B100)的蘊含能量比石油基的柴油燃料低11%,最大馬力輸出大約會減少5~7%。但這個差距並不大,如果是使用5%生質柴油更幾乎沒有差別。反而是生質柴油的黏性大於石油基柴油,對燃噴射料系統和引擎元件能提供較好的潤滑性,延長引擎系統壽命。許多車主指定使用(B2)柴油,2%生質柴油,98%石油基柴油,目的就是在幫助潤滑引擎。而前面提到美國小學生乘坐的這些大豆動力車,則是使用(B5)到(B30)的柴油。 為協助生物柴油的開發,在不少國家(如:加拿大、南韓等)都會投入生物科技工業園的發展,透過把相關物料的生產和開發的過程放在一起,以減低生物柴油的開發成本。 道德及環保爭議性 生物柴油的大量使用會讓許多原本生產食品的農地改種植經濟作物,很可能造成糧價上漲,威脅貧窮人口:而開墾新的農地則會破壞生態,而一些研究顯示,開墾新農地所製造的二氧化碳可以提供這塊農地上的作物吸收數十年,換句話說就是在環保上不值得。 可能避免負面效應的方法是採用痲瘋樹提供油脂(痲瘋樹生產的油脂有毒、不可食用),痲瘋樹不但產油效率佳,而且可以在貧瘠缺水的環境生存,換句話說就是可以利用無法種植作物的土地。但有些人認為就算是採用具有類似痲瘋樹特性的植物生產生質柴油,還是有降低糧食生產的可能性,因為有些第三世界國家的農民會在經濟利益的驅使下,將原本用來種植作物的土地給拿來改種痲瘋樹。另一種可行方案是種植辣木。 利用廢棄物(例如廢油)生產生物柴油幾乎無環保及道德上的缺點;還可以減少商人使用回鍋油及地溝油的誘因。但是回收廢油及廢油內部不純物仍然是問題。 未來可能利用藻類(如海藻) 生產生質柴油,以增加生質能源效率,和減輕生質能源可能對農產品價格的影響。但除了技術上還需突破外,由於生產的藻類很可能是基因改造品種,因此預防這些藻類混入生態系統也是個課題。 |
生物柴油既環保又夠力
2011年04月29日(五) 香港陸續有商家加入生產生物柴油,有生物柴油公司去年在港生產近二百八十萬公升生物柴油,供本地柴油車及機器使用,減少因進口柴油跨境運輸時產生的碳排放近一百萬公斤,相等於植樹四萬六千棵。有環保團體指,經測試的生物柴油沒有影響汽車馬力。現時市面僅約百分之十五的廢食油轉化成生物柴油,發展空間很大。 泰榮環保科技執行董事蔡秀炎指,公司○七年起生產生物柴油,標榜本地生產,本地再用。現時有近一千間酒店及食肆提供廢食油,去年回收量近二百八十萬公升,循環再造成生物柴油B5(即將百分之五生物柴油,混入百分之九十五柴油),售價較柴油便宜約三成,現時的主要用家包括機場及馬會等,港府仍正研究廣泛使用。 僅15%廢食油轉化 發展潛力大 地球之友總幹事劉祉鋒稱,本港每年製造一萬五千公噸至二萬公噸廢食油,回收作循環再造的僅佔一成五,比例不高。據香港大學機械工程系的測試指,與普通歐五柴油比較,B5生物柴油令馬力增加百分之三,車主因此毋須大力踩油,減少產生溫室氣體;而噴出黑煙的濃度亦減六成八,有助改善空氣中污染物。 |
生物柴油 優點
(1)具有優良的環保特性:生物柴油和石化柴油相比含硫量低,使用後可使二氧化硫和硫化物排放大大減少。權威數據顯示,二氧化硫和硫化物的排放量可降低約30%。生物柴油不含對環境造成污染的芳香族化合物,燃燒尾氣對人體的損害低於石化柴油,同時具有良好的生物降解特性。和石化柴油相比,柴油車尾氣中有毒有機物排放量僅為10%,顆粒物為20%,二氧化碳和一氧化碳的排放量僅為10%,排放尾氣指標可達到歐洲Ⅱ號和Ⅲ號排放標準。 (2)低溫啟動性能:和石化柴油相比,生物柴油具有良好的發動機低溫啟動性能,冷濾點達到-20℃。 (3)生物柴油的潤滑性能比柴油好:可以降低發動機供油系統和缸套的摩擦損失,增加發動機的使用壽命,從而間接降低發動機的成本。 (4)具有良好的安全性能:生物柴油的閃點高於化石柴油,它不屬於危險燃料,在運輸、儲存、使用等方面的優點明顯。 (5)具有優良的燃燒性能:生物柴油的十六烷值比柴油高,因此燃料在使用時具有更好的燃燒抗暴性能,因此可以採用更高壓縮比的發動機以提高其熱效率。雖然生物柴油的熱值比柴油低,但由於生物柴油中所含的氧元素能促進燃料的燃燒,可以提高發動機的熱效率,這對功率的損失會有一定的彌補作用。 (6)具有可再生性:生物柴油是一種可再生能源,其資源不會像石油、煤炭那樣會枯竭。 (7)具有經濟性:使用生物柴油的系統投資少,原用柴油的引擎、加油設備、儲存設備和保養設備無需改動。 (8)可調和性:生物柴油可按一定的比例與化石柴油配合使用,可降低油耗,提高動力,降低尾氣污染。 (9)可降解性:生物柴油具有良好的生物降解性,在環境中容易被微生物分解利用。 生物柴油的優良性能使得採用生物柴油的發動機廢氣排放指標不僅滿足目前的歐洲II號標準,甚至滿足將在歐洲頒布實施的更加嚴格的歐洲Ⅲ號排放標準。而且由於生物柴油燃燒時排放的二氧化碳遠低於該植物生長過程中所吸收的二氧化碳,從而改善由於二氧化碳的排放而導致的全球變暖這一有害於人類的重大環境問題。因而生物柴油是一種真正的綠色柴油。 生物柴油 缺點 生物柴油做為石化柴油的替代品,本身沒有什麼缺點,只是在生產過程中有一些缺點: 一、在國家“不能與糧爭地”、“不能與人爭糧”、“不能與人爭油”、“不能污染環境”的“四不”政策下,提煉生物柴油的原料只能用油料作物或者地溝油,而地溝油的收集是一個難題。據統計,生物柴油製備成本的75%是原料成本。因此採用廉價原料及提高轉化從而降低成本,是生物柴油能否實用化的關鍵。 二、用酯交換方法合成生物柴油有以下缺點: (1)工藝複雜、醇必須過量,後續工藝必須有相應的醇回收裝置,能耗高,設備投入大; (2)色澤深,由於脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質; (3)酯化產物難於回收,回收成本高;生產過程有廢鹼液排放。 在這個問題上,直接裂解法不存在上述問題,可參考“動植物油料生產生物柴油的催化裂化方法”。 |
馬大經12年研究成功‧棕油廠污水變燃油
星洲日報 (吉隆坡22日訊) 2012-06-23 10:05 馬來亞大學工程學院化工系一群教授、講師與研究員經過12年研究,終於成功通過酶解過程把棕油廠污水(POME)轉換成超乾淨燃料——超級生物柴油 (Bio Pro Diesel)。 馬大校長丹斯里高爾比斯曼今日在科研管理與創新中心作出上述宣佈時說,這是我國首項技術,將棕油廠污水轉換成超乾淨燃料,及有助於解決工業問題。 比商用柴油多行駛6公里 他說,他們經已使用三菱風暴(Mitsubishi Storm)成功地進行測試,發現相比商用柴油,採用超級生物柴油可行駛多6公里;若以100公里來計算則節省了46%。他強調,有關超級生物柴油的生產成本非常便宜,且擁有潛在市場,若以我國現有的420家棕油廠,估計生產超級生物柴油及次產品可帶來一年400億令吉收益。 參與有關研究的教授、講師與研究員包括依斯尼莫哈末諾博士、峇魯莫哈末占博士、巴拉信斯阿里博士、瑪茜達哈山博士、拉瑪占德然教授、阿茲蘭胡申教授及聶瑪尼安蘇萊曼教授。 申請國際專利合作條約 峇魯莫哈末占在進行解說時指出,他們已於去年12月為超級生物柴油申請專利,當務之急,就是申請國際專利合作條約(PCT),以擴大覆蓋面。他重申,超級生物柴油的原料100%為棕油廠污水,是超乾淨柴油,素質比Euro2M及4M更好,可完全取代柴油,引擎也不需要改裝即可使用。他披露,他們把相關的測試短片上載至YouTube,並獲得良好的迴響,美國、日本、韓國等都表示關注。 “我們也曾向高教部長拿督斯里莫哈末卡立,展示超級生物柴油的燃燒效果顯示是無煙的,不會對環境造成影響。” 依斯尼:與投資者銀行洽談 盼明年推出市場 依斯尼莫哈末諾披露,他們目前正在與投資者及銀行洽談,希望明年可把超級生物柴油推出市場。 他說,他們暫時把設廠地點鎖定在巴生、新山或沙巴,預計設廠成本為1千200萬令吉,每天可生產25噸超級生物柴油。他指出,超級生物柴油的成本為每公升1令吉50仙,如今市場上的柴油在政府津貼下,售價為每公升1令吉80仙。 他相信超級生物柴油若獲得政府津貼,可以更便宜的價格售賣給消費者。他表示,通過在馬大化學工程系進行的超級生物柴油試驗工廠,他們不僅把棕油廠污水中轉換成超乾淨燃料,還有次產品如超級生物肥料及純水。 超級生物柴油可直接用在 ● 汽車● 機車● 卡車● 漁船● 拖拉機● 工廠● 巴士● 發電機● 發電廠 ● 重型機械 |
生物能源 (Bioenergy)
生物能源或生物質能是利用植物等有機物質,通過氣體收集、氣化、燃燒和消化作用等技術產生能源。只要適當地利用,生物能源也是一種寶貴的可再生能源,但也要視乎生物燃料是如何產生出來。 一些潛在生物能源包括: 1.甲烷氣(包括來自垃圾掩埋場和污水處理廠) 2.濕潤廢物(例如公共屠宰場、飼育場和食品加工廠) 3.乾的農業副產品(例如玉米和蔗糖棄渣) 4.城市廢物(例如家居垃圾和植物籬枝) 5.林業副產品(例如鋸木廠和林業運作的殘渣) 生物能源的優點 生物能源只要適當處理,是不會排放溫室氣體的。即使燃燒生物燃料會排放二氧化碳,由於種植新的生物燃料時會重新吸收,對氣候影響輕微。也有一些情況,溫室氣體可以在排放前被罩住和利用。例如當垃圾掩埋場的有機廢物分解,便會釋出比二氧化碳更強的溫室氣體--甲烷。留住甲烷並用作燃料,可以避免氣體進入大氣層,並從廢物產生電力。 生物能源的缺點 生物能源的最大問題是把食物當作燃料,影響全球糧食供應穩定。我們必須立即停止這種做法。現時,歐美各國定立了強制性生物燃料的發展目標,使肥沃的土地不再種植糧食,導致糧食供應緊張,及糧食價格不斷上漲。而窮國人民無法負擔,便會發生飢餓。 2007年,美國把5400萬噸玉米用於生產乙醇,而歐盟也把285萬公頃土地改種菜籽油和其他作物,生產生物燃料。如果同樣的土地用於種植食用玉米和小麥,估計可生產6800萬噸糧食,足夠供應28個非洲最不發達國家人口一年的糧食。相反,中國於2006年禁止玉米、小麥和稻米等主糧用作生物燃料,成為是全球唯一實施相關禁制措施的國家。 此外,生物燃料也可能造成環境污染。例如焚燒城市廢物產生能源,可產生二噁英等有毒物質,更會影響循環再造工業的發展。更甚者,有企業試圖破壞原始森林,種植生物燃料。綠色和平反對此舉,因為只會助長砍伐更多珍貴的原始森林。 總言之,開發生物能源時必須避免以下情況,才可真正達致可持續發展: 1.把糧食作為生物燃料,影響糧食供應及價格 2.破壞原始森林 3.產生二噁英等有毒物質 4.使用基因改造生物 5.大量使用化肥和農藥 6.表土流失 7.鹼性的增加和有毒物質排放 |