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再生能源應用- 再生能源應用-生質柴油 應用
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。

r />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 CO2 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 回鍋油對身體健康的

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 微乳化法 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 熱解法 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

:指動、植物油脂的三甘油酯以適量的觸媒 3.轉酯化法 轉酯化法(Transesterification) 轉酯化法 (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:

可降低油耗。 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 County 綠色城鄉應用推廣計畫 Green County 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 替代能源上的考量,石油蘊藏量 替代能源 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 環保。生質柴油的原料可 環保 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 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 經濟 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


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