再 生 能 源 應 用 - 生 質 柴 油 壹 前 言 生 質 能 是 一 種 再 生 能 源, 與 風 能 太 陽 能 一 樣 具 有 取 之 不 盡 用 之 不 竭 的 特 性 與 其 他 再 生 能 源 比 較, 生 質 能 的 優 勢 包 括 技 術 較 成 熟 有 商 業 化 運 轉 能 力 經 濟 效 益 較 高 且 因 使 用 材 料 為 廢 棄 物, 故 兼 具 廢 棄 物 的 回 收 處 理 與 能 源 生 產 的 雙 重 效 益, 其 中 一 種 就 是 生 質 柴 油 技 術 圖 一 奧 地 利 格 拉 茲 回 收 餐 廳 和 家 庭 食 用 油, 變 成 生 質 柴 油 給 公 車 使 用 十 八 世 紀 中 已 經 利 用 酯 交 換 反 應, 從 動 植 物 油 製 取 甘 油 做 為 肥 皂 的 原 料, 這 種 反 應 的 副 產 品 即 為 生 質 柴 油 1898 年 Rudolph Diesel 在 巴 黎 世 界 博 覽 會 展 示 全 球 第 一 個 壓 縮 爆 炸 引 擎 時, 所 用 的 燃 料 就 是 花 生 油 製 成 的 生 質 柴 油 ; 直 到 1920 年 代 廉 價 的 石 油 製 品 2 號 燃 油 ( 柴 油 ) 出 現 後, 生 質 柴 油 才 退 出 車 用 燃 油 市 場 圖 二 壓 縮 爆 炸 引 擎
1970 年 代 曾 發 生 兩 度 全 球 性 能 源 危 機, 生 質 柴 油 才 重 新 受 到 關 注, 但 是 由 於 政 治 與 經 濟 的 因 素, 當 時 並 未 獲 得 重 視 與 推 廣 一 直 到 2000 年 後, 石 油 價 格 不 斷 上 漲, 環 保 議 題 日 益 沸 揚, 京 都 議 定 書 與 溫 室 氣 體 減 量 協 議 開 始 生 效, 迫 使 各 國 政 府 紛 紛 制 定 推 廣 目 標 與 政 策, 因 此 生 質 柴 油 的 應 用 與 推 廣 才 能 開 始 展 現 成 效 使 用 一 噸 的 生 質 柴 油 不 但 可 減 少 一 噸 石 油 的 進 口 需 求, 還 可 減 少 三 噸 CO 2 排 放 量, 且 可 降 低 空 氣 污 染 與 促 進 農 業 的 發 展, 因 此 各 國 政 府 利 用 減 稅 補 助 與 法 規 的 政 策 工 具, 推 動 生 質 柴 油 的 發 展 但 是 傳 統 生 質 柴 油 的 原 料 需 要 廣 大 的 土 地, 並 且 可 能 造 成 與 民 爭 食 的 窘 境, 這 是 大 量 生 產 必 然 面 臨 的 問 題, 目 前 國 際 食 用 油 價 格 不 斷 上 漲, 已 經 是 一 種 警 訊 圖 三 上 圖 是 在 美 國 從 2000-2006 年 的 生 質 柴 油 年 消 耗 量
圖 四 上 圖 是 在 美 國 從 2000-2006 年 的 生 質 柴 油 年 生 產 量 在 全 球 人 口 急 遽 增 加 下, 能 源 短 缺 問 題 日 漸 嚴 重, 生 質 柴 油 不 僅 有 助 於 解 決 廢 食 用 油 回 收 處 理 的 問 題, 也 可 以 保 障 一 般 消 費 者 免 除 回 鍋 油 對 身 體 健 康 的 困 擾, 對 能 源 幾 乎 完 全 進 口 的 我 國 更 提 供 極 大 助 益, 能 為 台 灣 永 續 發 展 建 立 良 好 的 基 礎 貳 正 文 一 生 質 柴 油 生 質 柴 油 不 含 石 油 和 各 種 石 化 柴 油 混 合 而 成 為 生 質 柴 油 混 合 燃 料, 是 由 動 植 物 油 或 廢 食 用 油 經 過 轉 酯 化 ( 一 般 是 指 醇 和 酸 作 用, 生 成 酯 和 水 的 一 種 有 機 化 學 反 應 ) 的 化 學 過 程 所 製 造 出 來, 一 是 脂 肪 酸 甲 酯 ( 脂 肪 酸 甲 基 而 成 ), 另 一 種 則 是 甘 油 ( 如 圖 五 ), 使 用 簡 便, 可 生 物 分 解, 無 毒 性, 不 含 硫 和 芳 香 族 化 學 物 質, 發 現 可 以 有 效 減 少 硫 化 物 粒 狀 污 染 物 黑 煙 一 氧 化 碳 碳 氫 化 合 物 等 污 染 物 的 排 放
圖 五 其 特 性 如 下 : ( 一 ) 生 質 柴 油 燃 燒 所 放 出 的 能 量 比 石 化 柴 油 少 10%, 因 為 生 質 柴 油 含 有 10% 的 氧, 因 含 氧 量 高 所 以 產 生 的 汙 染 物 較 石 化 柴 油 降 低 許 多 ( 二 ) 生 質 柴 油 為 再 生 能 源, 與 石 油 為 有 限 儲 量 不 同 ( 三 ) 生 質 柴 油 可 直 接 添 加 使 用, 不 需 要 更 改 柴 油 機, 使 用 方 式 與 石 化 柴 油 相 同 ( 四 ) 生 質 柴 油 可 降 低 油 耗, 與 石 化 柴 油 以 35% 的 混 合 使 用, 可 達 到 降 低 油 耗 的 功 能 二 製 作 過 程 生 質 柴 油 主 要 為 將 動 植 物 油 脂 或 廢 食 用 油 中 較 大 分 子 的 飽 和 或 不 飽 和 脂 肪 酸 類 轉 化 成 較 小 分 子 的 脂 肪 酸 酯, 使 其 性 質 和 柴 油 相 類 似, 以 改 善 上 述 的 問 題, 其 中 的 技 術 方 法 有 很 多 種, 較 常 被 提 及 的 有 微 乳 化 法 熱 裂 解 法 以 及 轉 酯 化 法 1. 微 乳 化 法 (Micro-emulsions): 以 機 械 攪 拌 或 化 學 方 法 將 甲 醇 與 植 物 油 脂 等 二 種 不 相 溶 液 體 混 合 成 均 勻 像 膠 狀 溶 液, 呈 現 微 乳 化 狀 態, 可 藉 由 微 爆 現 象 促 進 燃 燒 反 應 ( 如 圖 六 )
圖 六 2. 熱 解 法 (Pyrolysis): 利 用 高 溫 下 的 熱 量 將 具 有 大 分 子 長 鏈 的 植 物 油 脂 裂 解 為 短 鏈 分 子 所 組 合 之 生 質 柴 油 可 添 加 觸 媒 加 速 熱 裂 解 反 應, 所 得 成 份 大 多 為 低 碳 數 的 烷 類 或 烯 烴 類 碳 氫 化 合 物, 但 反 應 途 徑 和 生 成 物 難 以 掌 握 ( 如 圖 七 ) 圖 七 3. 轉 酯 化 法 (Transesterification): 指 動 植 物 油 脂 的 三 甘 油 酯 以 適 量 的 觸 媒 ( 如 NaOH 或 KOH), 與 醇 類 ( 甲 醇 乙 醇 ) 進 行 酯 化 反 應, 而 生 成 脂 肪 酸 甲 基 酯 或 脂 肪 酸 乙 基 酯 和 甘 油 (glycerol) 這 種 方 法 的 反 應 時 間 最 短, 卻 能 達 到 高 比 例 的 轉 化 效 果 轉 酯 化 法 是 使 用 甲 醇 與 KOH 溶 液, 在 反 應 槽 中 將 油 料 中 的 脂 肪 酸 轉 變 成 脂 肪 酸 甲 酯, 一 般 反 應 溫 度 為 65 C, 反 應 時 間 約 為 5 小 時, 使 用 電 動 攪 拌 機 進 行 攪 拌 反 應 完 成 後, 靜 置 以 分 離 沉 澱 於 下 層 的 甘 油, 此 種 副 產 品 為 粗 甘 油, 產 出 約 為 150-200 公 斤 / 噸 生 質 柴 油, 含 有 甘 油 約 50%, 皂 及 酯 類 20-30%, 甲 醇 20-30%, 所 以 必 須 再 加 以 提 煉 才 能 獲 得 純 甘 油 接 著 進 行 減 壓 蒸 餾 來 回 收 甲 醇, 產 出 5 公 斤 / 噸 生 質 柴 油 ; 然 後 利 用 醋 酸 進 行 酸 鹼 中 和, 再 靜 置 分 離 出 水 份 這
些 廢 水 的 產 出 量 約 為 800 公 斤 / 噸 生 質 柴 油, 含 微 量 的 脂 肪 酸 及 甘 油, 最 後 再 進 行 一 次 減 壓 蒸 餾, 即 可 獲 得 最 終 產 品 ( 如 圖 八 ) 生 質 柴 油 製 作 流 程 圖 圖 八 三 優 點 使 用 生 質 柴 油 有 許 多 很 好 的 理 由, 首 先 當 然 就 是 替 代 能 源 上 的 考 量, 石 油 蘊 藏 量 只 剩 下 大 約 四 十 年, 使 用 生 質 柴 油 可 以 減 少 對 石 油 燃 料 的 依 賴 以 下 是 生 質 柴 油 的 優 點 : 1. 可 降 低 油 耗 降 低 排 放 廢 氣 中 的 各 項 污 染 物, 尤 其 是 二 氧 化 碳 減 量 最 具 效 益, 且 燃 燒 時 不 含 硫, 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% 2. 經 濟 生 質 柴 油 可 說 是 汽 車 上 最 容 易 轉 換 最 容 易 實 現 的 替 代 能 源, 相 較 於 燃 料 電 池 太 陽 能 車 等 需 要 昂 貴 的 改 裝, 現 在 的 汽 車 柴 油 引 擎 幾 乎 不 需 要 改 裝, 便 可 使 用 生 質 柴 油 生 質 柴 油 可 以 用 任 何 比 例 和 石 油 基 柴 油 混 合 使 用, 加 油 站 等 基 礎 建 設 也 不 需 要 作 太 大 的 調 整 3. 可 再 生 利 用 從 生 產 製 造 程 序 來 看, 油 脂 作 物 如 大 豆 油 菜 籽 葵 花 籽.
等 等, 吸 收 太 陽 的 能 量 與 大 氣 中 的 二 氧 化 碳, 並 經 過 光 合 作 用, 產 生 了 有 用 的 油 脂 它 不 僅 製 作 成 飲 食 用 植 物 油, 也 可 以 透 過 簡 單 的 轉 酯 化 反 應 得 到 生 質 柴 油 只 要 有 充 足 的 陽 光 水 份 與 土 地, 這 些 油 脂 作 物 的 數 量 是 無 限 制 的, 可 再 生 利 用 的, 不 同 於 傳 統 的 石 化 柴 油, 用 完 就 消 失, 無 法 再 生 4. 安 全 生 質 柴 油 的 閃 火 點 ( 火 源 可 以 引 燃 溶 劑 汽 霧 的 溫 度 ) 比 石 化 柴 油 高, 運 送 及 儲 存 的 安 全 性 較 高 四 缺 點 生 物 柴 油 是 一 種 很 好 的 再 生 能 源, 但 它 也 存 在 一 些 技 術 限 制, 如 下 : 1. 低 溫 下 難 以 使 用 由 於 它 比 普 通 柴 油 粘 度 高, 因 此 在 低 溫 下 會 降 低 可 用 性 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 2. 蘊 含 的 能 量 稍 低 生 質 柴 油 蘊 含 的 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 五 應 用 經 濟 部 能 源 局 規 劃 的 Green CountyC 綠 色 城 鄉 應 用 推 廣 計 畫, 已 選 定 桃 園 縣 嘉 義 縣 嘉 義 市 為 示 範 區 域, 鼓 勵 柴 油 車 輛 使 用 生 質 柴 油, 能 源 局 表 示, 生 質 柴 油 的 推 動 策 略 是 以 開 發 自 產 能 源 與 扶 植 國 內 產 業 為 主, 能 源 局 強 調, 由 於 地 球 過 度 開 發, 造 成 氣 候 暖 化, 因 此 開 發 生 質 能 源 不 但 可 以 抗 暖 化, 更 是 未 來 能 源 的 新 趨 勢 ( 如 圖 九 )
圖 九 田 尾 鄉 添 加 生 質 柴 油 道 路 試 行 說 明 會 現 況 台 灣 目 前 有 兩 家 公 司 生 產 生 質 柴 油, 其 中 新 日 化 位 在 嘉 義 縣 民 雄 工 業 區, 是 2004 年 10 月, 由 經 濟 部 能 源 局 輔 導 支 持, 工 研 院 能 資 與 台 灣 新 日 化 公 司 共 同 建 立 的 台 灣 第 一 套 生 質 柴 油 示 範 工 廠 ; 此 座 示 範 廠 每 年 生 質 柴 油 最 大 產 量 約 3,000 公 噸, 主 要 以 動 植 物 油 脂 或 廢 食 用 油 為 原 料, 目 前 產 品 主 要 提 供 各 縣 市 政 府 柴 油 垃 圾 車 等 柴 油 車 輛 及 農 機 具 使 用 ; 而 另 一 家 積 勝 公 司, 生 質 柴 油 年 產 能 4,000 公 噸, 主 要 進 口 東 南 亞 地 區 的 棕 櫚 油 作 為 原 料 在 國 外 發 展 生 質 柴 油 的 最 新 情 況 中, 歐 洲 發 展 生 質 柴 油 選 定 菜 籽 油 為 原 料, 是 目 前 全 球 生 質 柴 油 主 要 的 生 產 地 區, 2005 年 全 球 生 質 柴 油 的 年 產 量 已 達 到 390 萬 公 秉, 歐 洲 佔 90% 以 上 的 產 量 德 國 是 生 質 柴 油 發 展 最 成 功 的 國 家, 年 產 能 達 到 190 萬 公 秉, 幾 乎 佔 全 球 生 質 柴 油 產 能 的 二 分 之 一 美 國 以 大 豆 油 作 為 生 質 柴 油 原 料, 是 歐 洲 以 外 的 主 要 發 展 國 家, 而 日 本 則 以 廢 食 用 油 為 原 料, 是 亞 洲 地 區 主 要 發 展 國 家
全 球 再 生 能 源 比 例 六 未 來 與 展 望 工 業 革 命 以 來, 人 類 排 放 到 大 氣 的 二 氧 化 碳 與 年 遞 增, 大 氣 的 二 氧 化 碳 濃 度, 已 由 工 業 革 命 前 的 280ppm, 大 幅 增 加 至 現 今 380ppm, 其 造 成 氣 候 的 變 遷 與 異 常 現 象 日 益 顯 著, 因 此 解 決 地 球 暖 化 問 題, 已 成 為 各 國 一 致 努 力 的 目 標 臺 灣 的 人 平 均 二 氧 化 碳 排 放 量, 是 世 界 平 均 值 的 三 倍, 因 此 降 低 二 氧 化 碳 排 放 的 需 求, 又 比 其 他 國 家 殷 切
台 灣 1990~2006 年 全 國 及 個 人 二 氧 化 碳 排 放 量 由 於 生 質 燃 料 的 原 料 是 吸 收 大 氣 中 二 氧 化 碳 所 產 生, 碳 的 循 環 只 需 1 至 10 年, 相 較 於 石 化 燃 料 的 百 萬 年 循 環, 對 環 境 的 衝 擊 可 以 大 幅 改 善, 而 且 目 前 仍 不 斷 的 開 發 高 產 率 的 能 源 作 物, 以 及 新 的 製 程 方 法, 透 過 這 些 技 術 的 發 展, 未 來 不 排 除 可 進 一 步 提 高 能 源 效 率 及 降 低 溫 室 氣 體 的 排 放 參 結 論 生 質 柴 油 有 許 多 很 好 的 理 由, 首 先 當 然 就 是 替 代 能 源 上 的 考 量, 石 油 蘊 藏 量 只 剩 下 大 約 四 十 年, 使 用 生 質 柴 油 可 以 減 少 對 石 油 基 燃 料 的 依 賴 除 了 替 代 能 源 外, 使 用 生 質 柴 油 第 二 個 好 理 由 就 是 環 保 生 質 柴 油 的 原 料 可 以 是 動 物 脂 肪 植 物 油 烹 飪 廢 油, 完 全 符 合 再 生 能 源 的 環 保 概 念, 而 生 質 柴 油 本 身 也 是 可 用 生 物 方 式 分 解 另 一 個 環 保 優 勢, 是 其 可 降 低 引 擎 廢 氣 排 放 生 質 柴 油 幾 乎 沒 有 含 硫 化 物, 排 放 的 廢 氣 自 然 也 沒 有 硫 化 物 總 體 而 言, 使 用 生 質 柴 油 引 擎 的 廢 氣 排 放 比 使 用 石 油 基 柴 油 要 乾 淨 許 多 第 三 個 理 由 是 經 濟 生 質 柴 油 的 經 濟 優 勢 也 有 兩 個 方 面, 一 是 生 質 柴 油 可 說 是 汽 車 上 最 容 易 轉 換 最 容 易 實 現 的 替 代 能 源, 相 較 於 燃 料 電 池 太 陽 能 車 等 需 要 昂 貴 的 改 裝, 現 在 的 汽 車 柴 油 引 擎 幾 乎 不 需 要 改 裝, 便 可 使 用 生 質 柴 油 更 重
要 的 經 濟 問 題, 是 生 質 柴 油 的 產 業 是 非 常 本 土 化 的, 本 地 的 廢 棄 物 本 地 回 收 本 地 使 用, 活 絡 本 土 產 業 和 就 業 機 會, 也 可 減 少 對 進 口 能 源 的 依 賴, 加 上 生 質 柴 油 生 產 對 其 他 本 土 性 的 產 業 像 是 農 業 也 有 幫 助 肆 引 註 資 料 1. 經 濟 部 能 源 局 http://www.moeaboe.gov.tw/news/newsdetail.aspx?no=03&serno=00316 2. 彰 化 縣 環 境 保 育 局 http://www.chepb.gov.tw/i/%e7%94%9f%e8%b3%aa%e6%9f%b4%e6%b2%b9 /link4.html 3. 生 質 柴 油 之 起 源 http://www.taifer.com.tw/search/047003/45.html 4. 生 質 能 源 化 腐 朽 為 能 源 http://web1.nsc.gov.tw/fp.aspx?ctnode=439&xitem=8119&mp=1 5. 微 柴 是 用 ~ 親 愛 的, 我 把 時 間 變 短 了!, 第 四 十 七 屆 中 小 學 科 學 展 覽 作 品 6. 吳 耿 東 李 洪 台, 工 研 院 資 源 研 究 所 - 生 質 能 源 - 化 腐 朽 為 能 源 7. 陳 正 宗 編 著, 生 物 化 學 指 引, 南 山 堂 出 版 社 出 版 8. 高 中 基 礎 化 學 課 本