特別企劃22 生質酒精汽油之發展工業技術研究院材料與化工研究所曾益民研究員 生質酒精是可再生燃料, 日本評估使用 E3( 在汽油中混合 3% 容積的 ) 酒精汽油比使用汽油之二氧化碳排放量減少 2.4% 巴西自 1931 年開始推廣酒精汽油, 經過數十年的發展, 石油進口依存度由 1973 年的 90% 達到目前 (2007 年 ) 能源自給自足, 成為全球最大的酒精出口國 巴西甘蔗酒精製程所需要之電力及熱源蒸汽由燃燒蔗渣之汽電共生系統供應, 使得能源效益係數高達 8.3 我國規劃 2007 年先行於台北市公務車使用 E3, 並推動在 2011 年全面供應 E3 酒精汽油 生質酒精之原料成本佔總成本之 73%, 我國在發展酒精汽油過程, 如何降低酒精原料成本, 將是不容忽視之重要課題 前言 生質是指由光合作用衍生的生物物質 歐盟 2005 年生質燃料佔運輸燃料的 2%,, 例如玉米 高梁 小麥等穀類, 甘蔗 2010 年將提高到 5.75% 巴西是世界上燃甜菜 糖漿 澱粉 糖等糖類, 以及纖維料生質酒精生和使用最成功的國家, 也素等 生質酒精是指由生物物質所製成之是世界上唯一不供應純汽油的國家 酒精 生質酒精與汽油混合之燃料即為生我國規劃 2007 年先行於台北市之公務質酒精汽油 生質酒精是可再生燃料, 發車使用 E3 須使用酒精共 770 公秉, 並推動展生質酒精汽油使用自能源可創造就業在 2011 年全面供應 E3 酒精汽油, 預估使用機會 增加能源來源多元化, 同時減少溫酒精 10 萬公秉 各國對生質酒精燃料的重 甘蔗酒精的發展歷程 16 世紀隨葡萄牙殖民巴西, 開始進行甘蔗栽培 砂糖生與砂糖出口 巴西甘蔗 ( 圖 1) 主要生期間在其中南部地區為 5 11 月, 東北部地區則為 9 3 月 由於甘蔗無法長期保存, 通常要在收穫後三天以內榨汁, 因此, 甘蔗收穫期與酒精生在同一個時期 巴西在 1931 年開始推廣酒精汽油, 由政府提示酒精燃料的普及政策 1932 年政府開始直接介入甘蔗 砂糖 酒精的事務, 例如生計畫 分配 價格 低利融資 補助等 1933 年開始在汽油中混合酒精 1973 年發生第一次石油危機, 當時石油進口依存度為 80 90%, 因此對外債務增加 1975 年制訂國家酒精燃料計畫 Proalcohol, 正式開始應用酒精燃料做為處理石油危機之對策, 實施與酒精生 流通相關的補助, 將的販售價格設定在汽油價格的 60% 70% 在政府的大力推動下, 積極進行甘蔗品種創新及栽培技術改良, 也使得 1975 年起糖及酒精量大幅度成長 1979 開始販賣 E100 燃料車 (Ethanol-run cars), 使得甘蔗 蔗糖 酒精量逐年增加 1981 年發生第二次石油危機, 巴西當時對石油的進口依存度為 78% 1989 年受到前一年新聯邦法制定的影響, 實施各種規定緩和措施, 但是, 有關砂糖 酒精相關的部分規定則保留繼續實施 1993 年巴西對石油的進口依存度降低到約 49% 1998 年發表五年以內公用車使用可再生燃料的意向, 設置燃料用酒精部會間委員會, 例如農業供給畜部 開發商工部等 2001 年制訂現行的汽油規格 2002 年制訂現行的及規格 ;2002 年巴西對石油的進口依存度約為 9% 2003 年開始販售彈性燃料汽車 (Flex Fuel Vehicle, 簡稱 FFV), 此種 FFV 新型車輛可以添加汽油 酒精, 或酒精與汽油任意比率混合的燃料 2006 年巴西的生質酒精燃料總量超過 160 億公升, 其中與約各佔 50%; 巴西國營石 ' 油公司 (Petrobras) 表示, 巴西實施使用 酒精汽油後, 能源已能自給自足 2006 年巴西所銷售之新車總量中,FFV 超過 70% 預估在 2010 年前, 巴西國內所有汽車將有超過三分之一是 FFV 巴西 FFV 均於車體之尾部標示 Flex, 由車體標示很容易可以判斷是否為 FFV, 如圖 2 所示 綠色能源專輯23 室氣體排放 視值得我們關注, 其發展經驗也可供我國 由於石油蘊藏量有限, 且國際原油價 投入使用生質酒精汽油參考 本文介紹甘 格不斷上漲, 研究開發替代能源的重要性 蔗酒精的發展歷程 生質酒精製程及能源 日益彰顯, 在眾多替代能源中, 生質酒精 效率 生質酒精之生成本 巴西燃料用 頗受全球矚目 2005 年美國國會通過可再 生質酒精之政策及利用概況 製 生燃料標準 (RFS), 要求在汽油加入特定數 程, 及生質酒精替代化石燃料對二氧化碳 量的可再生燃料, 近 50% 的汽油需添加酒精 排放影響 圖 1 巴西聖保羅甘蔗田 圖 2 巴西 FFV 於車體之尾部標示 Flex 曾益民攝影,Brazil,2007
特別企劃24 生質酒精製程及能源效率 巴西以甘蔗為原料之生質酒精及糖之 製造流程如圖 3 所示, 可分為蔗汁萃取區 蔗汁處理區 蔗糖生區 酒精生 區等 ; 主要製程單元包括碾碎 (Milling) 蒸發 (Evaporation) 乾燥 (Drying) 結晶 ( C r y s t a l l i z a t i o n ) 發酵 (Fermentation) 蒸餾 (Distillation) 酒精脫水 (Dehydration) 等 甘蔗進廠 前先經過糖度檢查, 合格之甘蔗碾碎榨汁 萃取出蔗汁 蔗汁一部份經蒸發 乾燥 結晶等程序後製成砂糖, 並生糖蜜 糖 蜜與其餘之蔗汁加入酵母發酵 酵母濃度 約為 13%, 發酵時間約 6 11 小時, 發酵溫 度約為 34-36ºC, 發酵最後所得之發酵醪 液含有接近 90wt% 水, 僅含有約 9vol% 的酒 精 發酵醪液經初步蒸餾得到約含 50wt% 酒精之粗酒精, 粗酒精的組成分包含水 酒精 甲醇 正丙醇 乙醛及其他雜 質等 粗酒精再進一步蒸餾純化得到約含 92.6wt% 酒精之, 再經脫水製得 酒精濃度大於 99.5wt% 之 甘蔗從栽培到收穫, 乃至於整個酒精 生之生命週期, 均需要投入能源, 將每 公噸的甘蔗變換成酒精所能得到的能源生 量, 除以每公噸甘蔗所需投入的能源量, 所得到的比值之能源係數作為能源效率指標, 表 1 所列以不同原料製生質酒精之能源效率均大於汽油者 ; 生質酒精中, 以巴西甘蔗酒精之能源係數高達 8.3 為最高, 其次為歐盟甜菜生質酒精之 1.9 巴西的製程同時有製糖及製酒精較為經濟, 糖廠兼酒精廠每一公噸甘蔗約可生 80 公升酒精 280 公斤蔗渣, 及 280 公斤甘蔗殘枝葉 (trash) 糖廠兼酒精廠視市場糖與酒精價格而調整生糖或酒精之比例, 調整幅度在 ( 糖 40%, 酒精 60%) 與 ( 酒精 60%, 糖 40%) 之間 製程所需要之電力及蒸發 蒸餾等程序所需要之熱源蒸汽由 西酒精生能源效益高的主要原因 巴西生質酒精之能量平衡如表 2 所示 生質酒精之生成本 巴西甘蔗技術研究中心 (CTC, Centro de Tecnologia Canavieira) 分析巴西 2004 年之生質酒精生成本, 如圖 4 所示, 生質酒精之總生成本包含甘蔗生 (Cane production) 成本及甘蔗加工 (Cane processing) 成本 總生成本每公升酒精約為美金 17 分 (US Cents/liter), 其中, 作為酒精原料之甘蔗生成本約為每公升酒精美金 12.5 分 (US Cents/liter), 約佔總生成本之 73%; 將甘蔗加工製成酒精之甘 燃燒蔗渣之汽電共生系統供應, 這也是巴 蔗加工成本約為每公升酒精美金 4.5 分 (US 表 1 生質酒精及汽油之能源生量與能源消耗量比較表 Ethanol Production & Energy Balance by Feedstock Cents/liter), 約佔總生成本之 27% 由成本分析可知生質酒精之原料甘蔗生成本是生酒精之最主要成本, 巴西 Feedstock Energy Output/Energy Input 除了改良甘蔗品種外, 其生模式是將糖 Sugar Cane (Brazil) 8.3 Sugar Beet (EU) 1.9 廠兼酒精廠建在廣大甘蔗田中, 降低甘蔗 Corn (USA) Wheat Gasoline 1.3~1.8 1.2 0.83 生之收割 運輸等成本, 使酒精具有競爭力 我國在發展酒精汽油過程, 如何降低酒精原料成本, 將是不容忽視之重要課 資料來源 :Alfred Szwarc, In-Session Workshop on 題 Mitigation, Buenos Aires, 2004 表 2 巴西生質酒精之能量平衡表 綠色能源專輯25 Average values 圖 3 巴西生質酒精及糖之製造流程資料來源 :Copersucar, 2006 Consumption (MJ/t) Production (MJ/t) Agriculture 202 - Industry 49 - Ethanol Produced - 1919 Excess Bagasse - 168 Total 251 2087 Production / Consumption 2087/251 = 8.3 資料來源 :CTC
特別企劃26 US Cents/liter Planting Harvesting Chemicals Rent 甘蔗生 Management Other costs Total cane production Labor Inputs Electricity Transport Management Maintenance 甘蔗加工 Other costs Storage Total cane production Total costs 1931 年 2 月 1966 年 9 月 1976 年 7 月 1977 年 1 月 1977 年 6 月 1977 年 6 月 1977 年 10 月 1978 年 2 月 1978 年 5 月 1978 年 8 月 1981 年 4 月 1981 年 10 月 1981 年 12 月 1982 年 1 月 1984 年 6 月 1989 年 3 月 1989 年 8 月 1989 年 9 月 1992 年 9 月 1998 年 5 月 1999 年 1 月 1999 年 12 月 圖 5 巴西酒精汽油之酒精濃度的變遷圖 資料來源 :UNICA,2004, 工研院酒精汽油計畫整理 2000 年 8 月 2001 年 5 月 2002 年 1 月 2002 年 6 月 2003 年 1 月 2003 年 5 月 圖 4 巴西 2004 年之生質酒精生成本 的經驗 臺灣菸酒股份有限公司 資料來源 :CTC 2007, 工研院酒精汽油計畫整理 於 1980 2001 年期間所販賣之即 巴西燃料用生質酒精之政策及利用概況 巴西政府對於生質酒精之主要方針是 降低石油進口依存度, 隨著酒精業成長, 由直接介入轉換成間接介入, 為使酒精 能有穩定供給需求而制訂的政策包括 : 酒 精混合比率的調整 戰略性的酒精備存 確保酒精生者的庫存所需的低利融資 基於砂糖及酒精供給需求的長期預測, 設 定生目標 目前 (2007 年 ) 巴西是採用 E23, 由礦能部 農業部 財政部所組成 的委特別員會根據油價及酒精市場供需決 定酒精的濃度 巴西酒精汽油酒精濃度變 遷如圖 5 所示 巴西訂位國內酒精價格基本原則是隨 汽油價格調整, 以汽油價格的 70% 為上限 作為原則 一般加油站供應汽油及純酒精 (E100) 燃料 其中,E100 指的是含水酒 精, 其酒精濃度為 92.6% 至 93.4%(v/v), 加油站之燃料酒精加油箱旁設置有酒精濃 度指示裝置, 該裝置利用酒精與水之比重 差異原理, 浮子指示未超越紅線標示屬合 格品, 超越紅線標示為不合格, 如圖 6 所 示 巴西所有加油站所販賣的汽油均摻配 有, 稱為酒精汽油 (gasohol), 圖 6 巴西加油站之酒精加油箱旁設置有 所謂是指酒精濃度至少在 99.3% v/v 以上之酒精 酒精濃度指示裝置 製程 調配酒精汽油時必須使用酒精濃度 99.5wt% 之, 我國過去已有製造 是國, 在該期間臺灣菸酒公司 向台糖購買, 再委託工業技術研 究院將脫水製造成 工 研院已建立之生技術及化工製 程分離技術, 有助於國內推動發展生質酒 精汽油燃料 純酒精之沸點為 78.5, 水的沸點為 100, 而酒精 - 水混合液組成為 95.6wt% 之共沸點則只有 78.2, 發酵醪液經一般 蒸餾純化只能得到共沸點之組成 95.6wt% 酒精之 因此, 欲得到酒精濃度 99.5wt% 之, 必須建立酒精脫水 技術 目前世界上商業化廠較常用之主要 酒精脫水技術為共沸蒸餾 (Azeotropic) 萃取蒸餾 (Extractive) 分子篩吸附 綠色能源專輯27
特別企劃28 (Molecular sieves) 及滲透汽化膜分離 (Pervaporation) 1. 共沸蒸餾及萃取蒸餾脫水 精濃度大於 99.5wt% 之由萃取蒸餾脫水塔塔頂出 部份氣體或 CO2 進行沖吹 (purge), 在真空下脫附再生, 脫附液是酒精與水之混合液, 經蒸餾塔分離脫水再回分子篩 酒精 水 離出, 塔頂得到, 稱為萃取蒸餾 酒精 - 水共沸蒸餾分離原理示意圖如圖 7 所示 利用蒸餾法使酒精脫水必須先破除 酒精 - 水共沸組成的限制, 最常用的方 法就是在酒精 - 水之二成分系統中再加入 第三種成分, 此第三種成分稱為夾帶劑 (entrainer), 夾帶劑改變原有酒精 - 水之 相對揮發度, 也就是破共沸 若是夾帶劑 與水形成具低沸點之共沸組成由蒸餾塔頂 蒸出, 塔底得到, 稱為共沸蒸餾 ; 若是夾帶劑具高沸點與水由蒸餾塔底分 + 共沸蒸餾 + 夾帶劑 2 萃取蒸餾 夾帶劑 1 圖 7 酒精 - 水共沸蒸餾分離原理示意圖 蒸餾塔頂 : 水 + 酒精 + 夾帶劑 1 蒸餾塔底 : 蒸餾塔頂 : 蒸餾塔底 : 水 + 夾帶劑 2 共沸劑 回收塔蒸餾回收酒精及共沸劑, 水由回收 塔塔底排出 ; 有機相含共沸劑 酒精及少 量水, 回流至脫水蒸餾塔 酒精濃度大於 99.5wt% 之由共沸蒸餾脫水塔塔 底出 有機層 圖 8 共沸蒸餾法酒精脫水流程圖 萃取蒸餾法脫水的流程圖如圖 9 所示, 萃取蒸餾的夾帶劑又稱為萃取劑, 為沸 點較高之溶劑, 例如乙醚 乙二醇 甘油 汽油 鹽類等, 常用之萃取劑為乙二醇 甘油 乙二醇 甘油等萃取劑在萃取蒸 餾脫水塔內夾帶水至塔底, 塔底之萃取劑 及水再送入回收塔回收萃取劑再利用 酒 2. 分子篩吸附脫水 分子篩吸附脫水的基本原理是利用分子篩具規則孔洞及高表面積特性, 使分子直徑較小的水吸附至孔洞內而與分子直徑較大的酒精分離, 達到脫水的目的 水分子直徑為 2.8A, 酒精分子直徑約 4.4A, 而分子篩 zeolite 3A 之規則孔洞為 3A, 適合作為酒精脫水吸附劑 分子篩吸附法酒精脫水流程圖如圖 10 所示, 以 A,B 兩塔交互進行吸附及脫附 發酵醪液經蒸餾純化後, 由蒸餾塔頂蒸出之經蒸汽過熱成約 150 及約 50psia 蒸汽, 進入分子篩 A 塔進行絕熱吸附, 酒精濃度大於 99.5wt% 之由塔底出 分子篩 A 塔吸附接近飽和時切換至分子篩 B 塔進行吸附 分子篩 A 塔則降壓並以 抽真空 塔吸附脫水 3. 滲透汽化膜分離脫水 滲透汽化膜分離技術 (Pervaporation) 是結合了滲透 ( p e r m e a t i o n ) 和汽化 (vaporization) 兩種不同的程序, 其基本原理是藉酒精 水與薄膜之親和力差異 擴散速率的不同, 並以壓力差為驅動力, 使水穿透薄膜汽化脫附, 而將酒精與水分離達到脫水目的 滲透汽化膜分離法酒精脫水流程之一如圖 11 所示, 酒精濃度約 95wt% 之進入膜組, 膜之另一端之透過側抽真空, 水被具親水基薄膜表面吸附, 藉擴散作 綠色能源專輯29 利用共沸蒸餾法脫水的流程 萃取劑 圖如圖 8 所示, 共沸蒸餾的夾帶劑又稱為 共沸劑, 為極性低之碳氫化合物, 例如苯 正戊烷 環己烷等 共沸劑與酒精 水 在共沸蒸餾脫水塔中形成三成分共沸組成, 從塔頂經冷凝液化進入分相槽分成水相 及有機相, 水相含共沸劑 酒精, 再送入 圖 9 萃取蒸餾法酒精脫水流程圖 圖 10 分子篩吸附法酒精脫水流程圖 Condenste Rcycle of Condenste 5wt5% Etoh 圖 11 滲透汽化膜分離法酒精脫水流程圖 資料來源 :J Chem Technol Biotechnol, 2005
特別企劃30 用滲透進入薄膜, 並穿過薄膜汽化脫附, 燃料消耗的整個過程所組成, 如圖 12 所 表 4 E3 酒精汽油 ( 辛烷值為 92) 生命週期下的 CO 2 排放量 透過薄膜之水汽約含 10 30wt% 酒精, 須 再回流脫水 ; 經膜組脫水之濃度 則大於 99.5wt% 生質酒精替代化石燃料對二氧化碳排放影響 根據日本環境省所公告之 2006 年酒精 燃料推進會議報告資料, 車用燃料的生命 週期是指由原料開採或生到原料運送 表 3 日本車用燃料 Well-to-Wheel 的二氧 汽油 化碳排放量試算表 自巴西進口酒精 酒精 ( 單位 :kgco 2 / GJ) 日本自纖維素酒精 平均條件惡劣條件平均條件惡劣條件 原料生 1.1 5.9 6.7 0.0 0.0 原料運送 1.0 1.3 1.3 1.9 3.8 燃料製造 9.7 0.3 0.3 7.4 17.7 燃料運送 0.0 8.0 8.9 0.4 1.3 燃料流通 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 燃燒 73.1 0.0 0.0 0.0 0.0 合計 85.3 15.9 17.5 10.1 23.1 示, 在車用燃料生命週期評估中, 將原料 的開採 / 生到燃料流通的過程範圍稱為 Well-to-Tank, 車輛的燃料消耗過程稱為 Tank-to-Wheel, 兩者合起來的整個生命 週期稱為 Well-to-Wheel 利用生質燃料替代石化燃料時, 在 Tank-to-Wheel 部分由於碳源來自於吸收 二氧化碳行光合作用衍生的生物物質, 碳 平衡 (carbon neutral) 使二氧化碳之淨 排放量等於零 日本評估其國內在車用生 質酒精的生命週期下, 比較自巴西進口生 質酒精 自纖維素酒精, 生質酒精與汽 油的 CO2 排放情形, 評估範圍涵蓋使用端 Tank-to-Wheel 及上游 Well-to-Tank 的整 個生命週期 Well-to-Wheel 的 CO2 減少效果, 包括汽油處理精煉過程中排出的廢棄物 所投入的能量等也要考慮, 評估結果如表 3 所示, 日本無論是用進口酒精或自酒 精替代汽油作為車用燃料, 均有減少二氧 化碳排放量的效果 日本也評估 E3 酒精汽油的生命週期下 的二氧化碳排放量 先調整混合汽油的基 材混合比例, 使其辛烷值為 92 之後, 再計 算出二氧化碳排放量 結果如表 4 所示, 使用 E3 酒精汽油比使用汽油之二氧化碳排 放量減少 2.4% 結語 生質酒精是可再生燃料, 日本評估無 論是用進口酒精或自酒精替代汽油作為 車用燃料, 均可減少二氧化碳溫室氣體排 放, 使用 E3 酒精汽油比使用汽油之二氧化 碳溫室氣體排放量減少 2.4%, 我國開始推 動使用 E3 酒精汽油, 善盡地球村一份子的 心力 汽油 原料生 原料運送 燃料製造 燃料運送 就酒精摻配汽油而言, 必須使用無水 酒精, 工研院於 1980 2001 年期間受臺灣 菸酒公司委託生, 已建立之無 水酒精生技術及化工製程分離技術, 有 助於國內推動發展生質酒精汽油燃料 由 ( 單位 :kgco 2 / GJ) 燃料流通 燃燒 Well-to- Tank Well-to- Wheel WTW 減少量 1.11 1.00 9.67 0.00 0.40 73.14 12.18 85.32 - - WTW 減少量 E3 1.26 1.01 9.58 0.24 0.4 70.80 12.49 83.29 2.03 2.4% 口依存度為 80 90%,1975 年制訂國家酒 精燃料計畫 Proalcohol, 正式開始應用酒 精燃料, 經過數十年的實施使用酒精汽油 發展後, 目前巴西能源已能自給自足 巴 西重視培育優良甘蔗品種, 也開發利用蔗 渣汽電共生之高能源效益酒精生技術, 並進行研究以蔗渣纖維素生 另外, 巴西酒精汽車製造技術也不容忽視,1979 年成功研製出首輛完全用 作燃料的酒精汽車,2003 年更推出汽油 酒精彈性燃料汽車 FFV 分析巴西之生質 酒精發展經驗, 可知其成功的主要因素在 於善用優勢資源, 並重視技術研究開發, 也因此使巴西利用其廣大國土成為世界第 一大甘蔗種植國, 也是全球最大的酒精出 口國 我國規劃 2007 年先行於台北市公務車 使用 E3, 並推動在 2011 年全面供應 E3 酒精 汽油, 國際上有關生質酒精的發展經驗可 供我國投入使用生質酒精汽油參考 我們 綠色能源專輯31 生質酒精成本分析可知原料成本佔總成本 也瞭解每個國家各有其資源特色及環境限 之 73%, 我國在發展酒精汽油過程, 如何 制, 不可能完全複製巴西的成功經驗 然 降低酒精原料成本, 將是不容忽視之重要 而, 巴西善用其特有資源的觀念, 及不間 課題 斷研發的精神, 卻是值得我們加以觀摩與 巴西自 1931 年開始推廣酒精汽油, 學習, 並發展出一套適用於我國的推動模 1973 年發生第一次石油危機, 當時石油進 式 圖 12 車用燃料的生命週期