生質能源之綠色未來 吳榮宗 台灣中油公司綠能科技研究所 Green Technology Research Institute CPC Corporation,Taiwan 2013.07.29 ( 濃縮版 )
能源與生態環境之發展趨勢 (1/2) 地球暖化, 全球氣候變遷, 保護地球意識逐漸高漲 [ 大氣中 CO2 含量, 由工業革命前 280ppm 快速增加至 400ppm, 目前正以每年 2ppm 速度增加, 必須設法逐步回到 350ppm, 才能有效改善地球暖化現象 ] [ 京都議定書再延 8 年至 2020 年, 以免過去 20 年全世界的努力功虧一簣 ] 石油時代帶來全球人類經濟的發展與生活的改善, 但也使地球生態環境逐漸惡化 [ 為獲取經濟發展所需之能源, 過度燃燒化石燃料, 造成嚴重溫室效應 ] 化石能源將逐漸式微, 煉油業發展逐漸下滑, 再生能源比例逐漸提昇 [ 生質能 太陽能 氫能與風能等 ] 碳足跡碳稅與碳權交易將逐漸形成, 傳統商業模式將逐漸被改變 [ 歐盟已開始抽航空碳稅 ]
能源與生態環境之發展趨勢 (2/2) 因應後石油時代的來臨, 再生能源與生質化學品將是開發之重點 [ 尋求糧食 能源 石化 生態等之碳平衡 ] 未來欲達到環境碳平衡, 再生能源之開發目標須逐步邁向生質能 [ 內燃機用之生質汽 柴 航油等 ] 與零碳電能 [ 太陽能 風能 氫能 水能 熱能與核能等 ] 生質物將會是未來能源與石化之主要料源 [ 會由 Oil-refinery 逐步跨入 Bio-refiery] 環保與節能科技之開發亦是未來糧食 能源 石化與生態平衡中重要之一環 終極目標是讓地球持續成為適合人類居住的環境
綠色能源與零碳環境之展望 天然氣 石油 煤 化石能源 生質能 再生能源 ( 鍋爐 內燃機 ) ( 電能 熱能 ) 再生能源預期目標 生質能太陽能風能氫能 2020 年 > 15% 2030 年 > 30% 2050 年 > 50% [ 立足化石能源, 放眼再生能源 ] [ 立足石化產品, 放眼生質產品 ]
糧食能源石化與生態之碳平衡
全球生質能源發展趨勢 (1/3) 生質能為全球最大量之再生能源, 以生質物產製各式生質油品與化學品之潛力大 世界各國皆積極規劃發展生質油品相關技術, 並逐漸提高生質油品混摻比例, 預測 2030 年時會超過 5% 的車用燃料改採用生質燃料 D 表示生質柴油, G 表示汽油酒精, (`12) 表示 2012 年
全球生質能源發展趨勢 (2/3) 根據國際機構分析, 未來數十年化石燃料仍可維持穩定供應但不再成長, 因此未來增加之需求量皆由生質燃料取代, 預估生質燃料的需求量每 20 年有 5 倍的成長 再生能源未來會 快速成長!!
全球生質能源發展趨勢 (3/3) 第一代生質燃料以糧食作物為主, 開發技術為轉酯化 / 酯化反應與生物酵素法, 產物為生質柴油與生質乙醇 第二代生質燃料以纖維素生物質為主, 主要發展技術包含汽化 熱裂解與生物發酵技術, 其粗產物分別為合成氣 裂解油與沼氣 / 生質醇 糧食作物 ( 糖蜜 澱粉 植物油 ) 生質物 ( 纖維素, 木質素 )
生質燃料製程技術開發 原料生產技術產品 9 化學式 生物性油脂 大豆油 痲瘋樹油 動物性油脂 廢食用油 轉酯化反應 均相觸媒 固態觸媒 生物酵素 超臨界流體 生質柴油 R 1 COOR 2 R 1 : C11~C23 R 2 : C1~C2 加氫處理 綠色柴油 C12~C24 Paraffin 異構化反應選擇性裂解反應 生質航空燃油 C10~C16 Paraffin ( 固態 ) 生物質 稻桿 竹子 痲瘋樹廢棄物 熱裂解技術 生質燃料油 成分複雜含氧量高
Project Overview NATURAL TRIGLYCERIDES LOW TO MEDIUM FATTY ACID CONTAINING OILS MEDIUM TO HIGH FATTY ACID CONTAINING OILS GLYCEROL SPLITTING TO MAKE FATTY ACIDS GREEN DIESEL TRANS- ESTERIFICATION HYDROGENATION 15 mols H 2 /mol triglyceride Parrafinic Biodiesel DECARBOXYLATION 1 mol CO 2 removed/ mol fatty acid Parrafinic Biodiesel CATALYTIC DISTILLATION BIODIESEL/ BIOLUBRICANTS Fatty Acid Methyl Ester Biodiesel MILD HYDROCRACKING/ ISOMERIZATION Biojet Fuel BIODIESEL/ BIOLUBRICANTS Fatty Acid Methyl Ester Biodiesel
台灣生質柴油發展概況
生質醇生產技術開發 原料生產技術產品 12 化學式 非食用料源作物 稻稈 竹子 小油桐廢棄物 狼尾草 開發生質醇類生產製程 ( 稀酸酵素水解及發酵法 濃酸水解及發酵法 氣化發酵法等 ) 及購買製程技術等 生質酒精生質丁醇 C 2 H 5 OH C 4 H 9 OH 菌種篩選酵素開發酵素醣化醇類發酵 生質航空燃油生質多元醇 C10~C16 Paraffin C n H 2n (OH) 2 關鍵瓶頸 1. 國內第一代料源生產不足, 與民爭糧 2. 第二代非糧食料源或農產廢棄物收集運送問題 1. 第一代傳統發酵製程產率低 2. 第二代生產技術尚未成熟 3. 各種料源利用技術待建立 1. 生產成本高 2. 民眾對酒精汽油性能認識不足
生質物轉化成酒精之製程技術 (1/2)
生質物轉化成酒精之製程技術 (2/2)
藻種 + 自營性生長 1 藻種篩選 2 基因工程 異營性生長 原料土地生產技術產品 光源 陽光 LED 日光燈 碳源 煙道氣 (RFCC ROC 鍋爐 E3) 空氣 營養源 N P K 等 水 工業廢水 生活廢水 地下水 截流雨水 其他水源 微藻培育減碳與產油技術開發 + 水回收 ( 減碳 + 產油脂 ) ( 產油脂 ) 碳源 營養源及水 葡萄糖 木質纖維素水解液 粗甘油 有機廢水 其他低價碳源 光合作用 微藻 (Microalgae) 海藻 (Macroalgae) 藍綠藻 (Cyanobacteria) 開放式培養 密閉式培養 破壁及分離技術 離心 過濾 浮除 萃取 發酵作用 微藻 (Microalgae) 藍綠藻 (Cyanobacteria) 發酵槽高濃度培養 油脂 脂肪酸 蛋白質 碳水化合物 藻體 15 化學式 TAG R: C16~C18 RCOOH R: C16~C18 與微生物特性有關 與微生物特性有關 CO 0.48 H 1.83 N 0.11 P 0.01
[ 成大張嘉修教授 ]
微藻單位面積產油量與一般陸生能源作物比較 作物名稱產油量 ( 公升 / 公頃 / 年 ) 黃豆 450 亞麻 560 葵花油 955 痲瘋籽油 1,890 棕櫚油 5,940 微藻 3,800-50,800 2018 DOE goal 2,500 gal/acre/yr SRI raceway 32,000 公升 / 公頃 / 年 2022 DOE goal 5,000 gal/acre/yr SRI PBR 57,000 公升 / 公頃 / 年 Darzins et al., 2010 ( 微藻尚未用於大規模產油, 不確定性仍高 ) 3,800 公升 / 公頃 / 年 : 微藻生長率 10 g/m 2 /d, 油脂含量 15% 50,800 公升 / 公頃 / 年 : 微藻生長率 50 g/m 2 /d, 油脂含量 40% 17
快速裂解產製生質燃料油 (1/3) 快速裂解 (fast pyrolysis) 技術受國際重視, 因為可生產生質粗油 (bio-oil), 經改質加工可產製汽 / 柴油 提煉化學品或與原油混摻精煉 在快速裂解產油技術中, 在技術成熟度及市場優勢方面, 以流體化床技術優於其他裂解產油技術 流體化床技術用於生質物裂解產油, 優於其他技術 Source: 工研院
國外生質裂解油發展近況 Ensyn/UOP(Honeywell 集團 ) 2012 年 4 月 6 日發布消息, 以裂解製程所生產的生質粗油價格 $45/barrel (oil equivalent), 同時期之石油為 $101/barrel (NYMEX), $122/barrel (Brent crude) UOP 去年發布消息, 將開發生質物處理量 400 ton/day 之快速裂解產油工廠 加拿大 Dynamotive 公司開發生質物處理量 130 ton/day 快速裂解產油設備 裂解氣作為氣渦輪機燃料 裂解油作為鍋爐燃料 快速裂解產製生質燃料油 (2/3) 國內生質裂解油發展近況 國內以工研院技術為主, 開發生質物產油快篩設備, 用於快速篩選適合產油之生質物, 並建立裂解產油先導廠技術, 利於生質物分散產油, 能源集中應用 Source: 工研院
快速裂解產製生質燃料油 (3/3) 流體化床技術, 設備常壓操作 裂解反應溫度 450~550 產物 生質裂解油 : 依不同生質物進料, 產油率 50~65wt% 生質焦炭 : 產碳率 15~20wt% 裂解氣 : 產氣率 20~25wt%, 可作為流體化床循環氣體及作為裂解爐加熱燃料 Biomass Bio-fuel 50~65wt% Source: 工研院 Syn-gas 20~25wt% Bio-char15~20wt%
生質能零碳電能及生質化學品之綠色未來 生質柴油 綠色柴油 生質航油 生質化學品 Bio-polymer 熱能 家電用品 儲能電池 電動車 H 2 MeOH MeOAc H 2 H 2 生質油脂 LED 照明 廢食用油 麻瘋樹 / 微藻 Photo synthesis 太陽能 Solar cell 電能 風力水力發電 生質物 生質氫烷烴 沼氣 甲烷 Steam reforming CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Fuel Cell Water splitting 2H 2 O 2H 2 + O 2 Photo-catalysis 太陽能 生質醇 生質汽油 生質燃料油 生質化學品 Bio-polymer 化學品 MeOH, HOAc 氫氣 Fermentation 生質物
生質能之開發與應用 Development of Bio-energy Bio-hythane(H 2 /CH 4 /CO 2 ) (BH5) Bio-gasoline (E3, BG3) Bio-diesel (B2, B5, BD5) Bio-jet (BJ10) Bio-fuel (BF3) Bio-coal (BC5) 生質氫烷烴用來取代部分 Methane(H 2 /CH 4 /CO 2 )(BH5) 生質 DMF 或 ETBE 可用來取代汽油中之 EtOH (BG3) 生質 Green diesel 可用來取代 FAME (BD5) 生質燃料油 (Bio-crude 或 Crude glycerol 掺入燃料油中, 成為 Bio-fuel), 提高生質能之使用比例 (BF3) 生質焦碳 (Bio-char) 可用來取代部分化石煤碳 (BC5)
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