林秋裕 逢甲大學綠色能源發展中心 2015/7/17 1
2 大綱 1. 厭氧消化之意義 ( 產氫與甲烷 ) 2. 廢棄物 / 廢水變氣態生質能源 3. 氣態生質能源的未來
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厭氧消化與醱酵之意義 厭氧消化 (anaerobic digestion) 強調有機廢棄物之分解 例 : 污泥消化 厭氧醱酵 (anaerobic/dark fermentation) 強調有機物分解之產物 例 : 甲烷醱酵 氫醱酵 丁醇醱酵 5
厭氧分解 自然界存在的! 複雜有機物 76% 4% 24% 4% 較大分子之有機酸 氫氣 28% 甲烷 20% 52% 乙酸 72% 水解作用 酸化與去氫作用 甲烷形成作用 ( 第一步 ) ( 第二步 ) ( 第三步 )
7 常被消化 / 醱酵的有機物 -- 生物質 (Biomass) 人類活動產生的有機物 污水下水道 : 水肥 污水處理廠污泥 一般廢棄物 : 廚餘 垃圾 農業廢棄物 : 禽畜糞尿 木材 稻殼及蔗渣等 工業廢棄物 : 有機污泥 廢塑橡膠及廢紙 生物質量 / 生物質 (biomass) 係指生態系中所有生物的總質量 泛指生態系中能做為生質能源料的有機物 2015/7/3
8 生質能定義 我國再生能源發展條例 (2009.7.8) 第三條 3.1 再生能源 : 指太陽能 生質能 地熱能 海洋能 風力 非抽蓄式水力 國內一般廢棄物與一般事業廢棄物等直接利用或經處理所產生之能源, 或其他經中央主管機關認定可永續利用之能源 3.2 生質能 : 指農林植物 沼氣及國內有機廢棄物直接利用或經處理所產生之能源 3.6 氫能 : 指以再生能源為能量來源, 分解水產生之氫氣, 或利用細菌 藻類等生物之分解或醱酵作用所產生之氫氣, 做為能源用途者 3.7 燃料電池 : 指藉由氫氣及氧氣產生電化學反應, 而將化學能轉換為電能之裝置 3.8 再生能源熱利用 : 指再生能源之利用型態非屬發電, 而屬熱能或燃料使用者
生質能 9
10 台灣各事業沼氣年產量潛能評估 家庭污水 28% 4x10 8 m 3 2x10 8 m 3 垃圾掩埋場 14% 工業廢水 14% 2x10 8 m 3 6x10 8 m 3 水肥 1% 1x10 7 m 3 畜牧場廢污水 43% 全台各事業每年生產沼氣潛能約 1.5 x 109 立方米, 若完全發電可產生 19 億度, 佔台灣總用電量 0.9~1.0%. Source: 曾慶平教授, 建立畜殖廢棄物沼氣發電系統與微藻減碳及產製藻油生質柴油
沼氣醱酵實績 - 八里污水處理廠 11 Source: YouTube 八里污水處理廠產生沼氣原理
12 屏東六塊厝厭氧醱酵系統處理流程 12
13 台灣每年經由各種管道所產 生的廢物量可高達 12 千萬噸
生質能 14
+ = 氫燃料電池水
永續的產氫程序 16 Solar Energy Heat Biomass Mechanical Energy Electricity Conversion Thermolysis Electrolysis Photolysis Hydrogen Source: Peter Lindblad, Photochemistry & Molecular Science Uppsala University, Sweden
逢甲大學 HyMeTek 產氫技術演進圖 17
厭氧產氫反應 18 H 2 CO 2 H 2 Acetate Propinate Butyrate VFAs Alcohol CO 2 Ethonal CO 2 H 2 H 2 CO 2 Butanol Vactate CO 2 Lactate H 2 Feedstock Feedstock Feedstock Feedstock
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製作固定化細胞 Mixed with AC and poly meric matrix 20 Introduced into a bioreactor Cells with high H 2 producing activity Making immobilized cells Bioreactor operation 2015/7/3 20
高速率厭氧生物反應槽 21 Granular Sludge carrier
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影響厭氧產氫 / 甲烷效率的主要因子 23 提升效率 水力停留時間 HRT ph 溫度 Temperature 料源 Substrate
24 The highest volumetric rate of H2 production (15L/L/h) in the literatures by FCU s HyMeTek Time 2004 2007 2008 Affiliations Victoria Univ., Canada Glamorgan Univ., UK Nanyang Technological Univ., Singapore Commentator Levin et al. Hawkes et al. Zhang et al. Journals International Journal of Hydrogen Energy Time 2011 2011 2012 Affiliations KAIST, Korea University Tunku Abdul Rahman, Malaysia Institute of Basic Biological Problems, Russian Academy of Sciences Commentator Shin et al. Show et al. Tekucheva and Tsygankov Journals 1 st world record in peer Journal Bioresource Technology revealed. International Journal of Hydrogen energy Applied Biochemistry and 24 Microbiology
逢甲大學生物產氫技術是國際少數可獲 得正能源回收者 25 Food processing WW Domestic WW In this study Raw: 0.97 kj/g COD Beer lees Co-digestion Thermal: 1.54 kj/g COD Cheese whey Corn stover Beer lees Raw, thermal After pretreatment: Net energy gain: + 0.57 kj/g COD But.. Thermal pretreatment Economic burden! Glucose We are here!! Sucrose Chemical WW Liquid organic wastes Particulate organic wastes Laminaria japonica - Utilization of waste heat - Post treatment system Perera K.R.J., 2010 25
HyMeTek and Microalgae CO2 Fixation H 2 CH 4 H 2 + CO 2 H 2 + CO 2 microalgae culture T-L101A T-L102A Gas T-L202 H 2 fermentation T-L501 T-L502 V-1 P-19 Liquid Buffer tank V-3 V-4 CH 4 + CO 2 T-L201 T-L301 T-L303 T-L101B T-L102B V-2 CH 4 fermentation MBR Effluent Effluent A001 A002 A003 A004 A005 A006
厭氧生物產氫模場 27 自動控制系統 產氫醱酵槽與氣液分離槽 料源與營養鹽混合槽 料源前處理系統 Length 7 m, Width 6 m, Height 5 m
綠色氫加氫站 28
Bio-H2 gas-fuel Station and mini-fuel Cell Car 2015/ 7/3
30 商業化氫能車與加氫站 2015/7/3 30
31 逢甲大學開發的低能耗射頻電漿氫氣重組器 Low energy consumption RF plasma-based H 2 reformer 型號 / 規格 H 2 reformer R1 可直接導入甲烷氣體重組 Compatible for current anaerobic digester 高甲烷轉化氫氣效率 High methane conversion rate 常溫操作低耗能設計 Operation at room temperature with low energy consumption 客製化設計 Customized design 31
逢甲大學是國際綠色氫能研究重鎮 32 15
生質能 33
逢甲大學 HyMeTek 技術之原理 ( 兩階段式產氫與甲烷 ) (Innovative Hydrogen and Methane Production Technology) 34
氫烷氣 (hythane) 之優點 35 何為 Hythane: 氫氣 10-60% (v/v) + 甲烷 [1] 加入內燃機燃燒比天然氣的優勢 增加燃燒效益 : 將氫氣與甲烷以不同之混合比例 (3:7 以內 ), 其燃燒效率可提高 20-30% 減少燃料消耗 顯著減少 CO, CO 2, 以及氮氧化物 [2] 目前 Hythane 均由天然氣經觸媒轉換而得 ( 效率低且非永續燃料 ) 厭氧醱酵產氫 + 甲烷是一個可以產出質量兼具 biofuel 的永續製程 (Bio-Hythane Process) [3,4] 因此, Bio-Hythane 是最具潛力的替代能源之一 目前文獻最佳的 Hythane 燃燒氣體組成為 : 甲烷 44.8%, CO 2 38.7%, 氫氣 16.5% [5] Bio-Hythane Process 可輕易達成 [1] Gattrell et al., Energy Convers. Mgmt. 2007, 48(4), 1255-1265. [2] Alavandi, S. and Agrawal, A., Int. J. Hydrogen Energy 2008, 33(4), 1407-1415. [3] Cavinato et al., Bioresour. Technol. 2010, 101(2), 545-550. [4] Lee et al., Bioresour. Technol 2010, 101(1S), 42-47. [5] Porpatham et al., Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32(12), 2057-2065. 35
36 HyMeTek 技術優點 高處理負荷 高 COD 降解效率 5-17.5 kg COD.m 3 /d COD 降解效率達 90% 降低設備成本 與傳統厭氧消化程序相較, 反應槽體積可減少 25% HyMeTek 提高能源效益 與傳統厭氧消化程序相較, 生質氣體產量可增加 40% 低污泥產出 與傳統厭氧消化程序相較, 減少 25% 的污泥排放 高水回收效率 與其他程序 ( 如 MBR 或 RO 等 ) 連接, 可達放流水回收標準
逢甲大學自製氫烷氣燃燒爐 37
逢甲開發的 HyMeTek Modules 產品 Mini BioH 2 /CH 4 Production System for Laboratory Module No./Specification HyMeTek T01 (52 cm*38 cm*30 cm) HyMeTek T01 (60 cm*60 cm*30 cm) BioH 2 /CH 4 Production System for Mobile Task Module No.: HyMeTek P35 Specification: Size: 6.0 m*2.4 m*2.6 m Capacity: 3.5 CMD Commercialized BioH 2 /CH 4 Production System Module No./Specification HyMeTek C1 (50 CMD) HyMeTek C6 (300 CMD) 1. HPR: 2.2 m3 H2/m3/d 2. Hydrogen Content 48% 3. Total COD RE: 90%
逢甲開發 氫氣 + 甲烷氣的移動型發電站 料源儲槽 Feedstock tank 產氫 ( 酸化 ) 槽 H 2 fermentor 甲烷醱酵槽 CH 4 fermentor 太陽能板 Solar Panel 自動控制系統 Auto Control System 沼氣純化系統 Purification system 沼氣儲氣袋 Biogas bag 薄膜生物反應槽 MBR 沼氣發電機 Biogas generator 39
2015/7/3 This system will test run in Beer and Paper Manufacturing Factories this year. 40
Most important stage to commercialize - Demo plant (H 2 = 2 m 3 ; CH 4 = 50 m 3 ) HyMeTek in Food Factory 41
HyMeTek system 能簡單的串接既有廢水處理系統 HyMeTek System CO 2 reuse H2 fermenter Separator Purification H 2 Fuel cell (Electricity) VFA Wastewater Equalization UASB Activated Sludge Sludge Sedimentation Effluent Thickening Conventional wastewater treatment process
http://www.seppo.net/cartoons/displayimage.php?pid=901 43
生質能源技術鍊 生質物料源 Biomass feedstock ( 固 液 ) (Solid/Liquid) 能源製造機 Reactor 氣態燃料 Gaseous Fuel 液態燃料 Liquid Fuel 固態燃料 Solid Fuel 能源利用轉化機 Generator 熱 Heat 電 Electricity 能源作物 Energy Crops 有機廢棄物 Organic wastes 藻類 Microalgae 萃油器 Oil Extractor 醱酵槽 Fermentor 造粒機 Granulating machine CH4 H2 乙醇 (Ethanol) 柴油 (Diesel) RDF 燃料電池 Fuel Cell 燃燒機 Burner 發電機 Generator 44
歡迎加入逢甲大學建立之生質能產業聯盟 45 上游料源供應 廢棄物 農林資材 有機污染 畜牧廢棄物 1. 鴻曜塑膠 2. 白歐生物科技 3. Biomar Industries SDN, BHD 4. 光宇電能 中游設廠規劃及設備供應 熱電轉換技術 焙燒器 生質煤 燃油轉換設備 燃料電池 焚化爐 醱酵反應槽 太陽能板 風力機 水力機 發電機 1. 鴻曜塑膠 2. 元寧企業 3. 夆潤科技 4. 白歐生物科技 5. 昌正科技 6. Biomar Industries SDN, BHD 7. 綠川工程顧問 8. 上展玻璃 9. 昱晶能源 10. 中國新能源 11. 厚德環境科 12. 石材暨資源研究中心 13. 聯曜實業 下游產品應用及銷售 貿易商 加電站 電池 系統整合商 1. 鴻曜塑膠 7. 綠川工程顧問 2. 元寧企業 8. 厚德環境科 3. 夆潤科技 9. 台灣神戶電池 4. 白歐生物科技 5. 昌正科技 6. Biomar Industries SDN, BHD
46 Video 逢甲的 Bio-H2 Utopia
結語 有機物產氫與甲烷是國際之環境與能源工程趨勢 台灣已有國際領先的生物產氫技術 善加利用厭氧消化技術來增加收益吧! 47
Links Research Center for Energy and Resources, RCER (Green Energy Development Center for, GEDC) http://www.greenenergy.fcu.edu.tw International Association for Hydrogen Energy (IAHE-Taiwan Chapter) http://www.iahe-taiwan.org Asia Bio-HyLinks http://www.asia-biohylinks.org APEC research center for advanced biohydrogen technology http://www.apec-bioh2.org
49 http://www.greenenergy.fcu.edu.tw E-mail: greenenergy@fcu.edu.tw