藻類燃料的發展和前景

作者/呂錫民(工研院能環所前研究員)

最近幾年,產業部門對海藻燃料的興趣一直在增加,並且將其視為一種永續的再生能源。基本上,藻類可構成一種獨特的原料,因為它們具有高成分的脂質和醣類,因此,可以不同的製程,讓不同的藻株分別成功地產出生質柴油和乙醇。此外,生產藻類燃料顯示出低環境足跡和高能量效率,與傳統油料作物(例如,油棕樹)相比,例如微藻(microalgae)的藻類每單位面積可多產出10~100倍的油類,同時生長速度也比食物作物快20~30倍。在淡水、高品質土壤、肥料中,藻類的產量可能比不上傳統作物,但是如果在海上培育,藻類根本不需要任何土地資源。而且,藻類燃料生命週期屬碳中和循環,也就是說,藻類在生長期間所吸收的二氧化碳總量,剛好等於燃燒過程中的二氧化碳排放量,就長期政策觀點來看,藻類燃料剛好可同時解決土地、食物和能源此三種問題。

本文就經濟、環境和政策此三個論點,分析和討論藻類燃料的最新研究與發展,目的在於解決藻類燃料技術近期在經濟性與商業化的障礙,內容涵蓋多項科學和產業相關研究與實驗之結果,希望能為此領域提供廣泛的趨勢與模式前景。

生質燃料市場上的機會

在2013年,臺灣石油產品消費量為4697萬公秉油當量(KLOE),其中燃料使用占43.22%,石油需求的成長、極少量石油的自產、油價的多變性和油類燃燒的溫室氣體排放等問題是觸發臺灣發展生質燃料的主要政策面向。但是在最近幾年裡,來自食物作物(如玉米、大豆、油菜)的傳統生質燃料,卻在食物∕物料和燃料生產之間,面臨難以轉圜的市場窘境,尤其是在2011年到2012年間,全球發生一連串原本所未預期的乾旱氣候。因此,來自纖維素植物材料(如柳枝稷,芒草)或油料植物(痲瘋樹,油棕樹)等先進生質燃料,皆成為前景看好的生質燃料原料,如果依據它們的低環境足跡、高能源效率和正面性的社會衝擊。雖然具有這些正面指標,但是纖維素生質燃料,卻未如預期地,達到生產∕消費階段。其原因包括許多技術性和生產上的瓶頸,但是最重要的是,有若干前景更看好的新技術出現在生質燃料市場當中,其中最重要的就是「藻基燃料(algae-based fuel)」。

在最近藻基燃料的調查研究裡,所謂的「藻類(algae)」一般係指「微藻(microalgae)」,而目前用於生質燃料生產的主要原料――微藻――是直徑小於0.016吋的單細胞生物,其等種類同時包括藍藻(cyanobacteria)或藍綠藻(bluegreen algae),也就是說微藻結合了細菌和藻類的特性,也因而具有光合作用和束縛二氧化碳等生長和再製的雙重功能,單就這點,我們可以說微藻在正向性環境足跡上,具有非常高的潛力。雖然藍藻具有可能是神經毒性的、不利於人類健康、擾亂湖泊生態平衡,以及生物多樣性負面衝擊等諸多負面衝擊,但是藍藻同時也是用於生質燃料生產的一種有價值,且具高效率的原料。藻類的另一族群為「大型海藻(macroalgae)」或「海草(seaweed)」,目前海藻在若干國家,例如中國、日本和智利,近海養殖計畫中實驗性生質燃料生產過程當中並不十分順利。與微藻相比,不利於大型海藻的大規模生質燃料生產限制有:過於複雜的結構、緩慢的生長速度和低的油含量。

基本上,藻基燃料技術可稱作一市場上的創新技術,因為其可以不同的製程,讓不同的藻株分別成功地生產生質柴油和乙醇。此主因在於有些藻類含有豐富的油脂(例如微藻),有些藻類含有豐富的醣類(例如大型海藻),其中,油脂可用於生質柴油的生產,而醣類則可用於乙醇的生產。

目前,用於乙醇生產的最有效率藻株為馬尾藻(Sargassum)、龍鬚(Glacilaria)、小定鞭金藻(Prymnesium parvum)和眼蟲(Euglena gracilis),因為它們是藻株中,碳水合物含量最高者。基本上,在從藻類細胞中萃取油脂之後,含有碳水化合物和蛋白質的剩餘物質,再經過發酵過程,可轉換成醣類,以及最後的乙醇,而且萃取之後的藻類,於發酵過程中所釋放的二氧化碳,可當作更多藻類生長的食物。

可行性與限制性

請參考表一,在目前所有可供應市場當中,微藻是提供最高脂質,具有非常快速生長速度的生質燃料,假設有適宜的氣候條件。其中,產油率是玉米的300倍、大豆的130倍、痲瘋樹的30倍、油棕樹的10倍,如果以每年每公頃土地產量為基礎。此外,微藻生長速度是普通食物作物的20~30倍,同時具有1~10天的成長期,可在非常短期限內,收成好幾次。藻株脂質生產效率主要與溫度及陽光曝曬有關。據美國桑迪亞國家實驗室透漏,微藻最有利的生長環境為:年平均日照小時數≧2800,年每日平均溫度≧55℉,年平均無凍天數≧200。依據美國現有狀況,假設以光生物反應器(photobioreactor)培育微藻,下列各州所能得到的最高脂質產量分別為:夏威夷(22~27m3/ha)、南加州和亞利桑那州(20~24m3/ha)、新墨西哥和德州(18~22m3/ha)。但是,值得一提的是,由於品種眾多,適合藻類生長的溫度範圍也很廣泛。所以,依據不同的藻株、不同的區域可提供不同的最佳生長環境。另外,上述各州數據與表一中的微藻產油率小很多的主要原因為:前者是使用假設與限制甚多的電腦模擬結果,而後者是依據實際實驗所得的結果。


生產藻基燃料(乙醇和生質柴油)以及其衍生產品的過程是十分複雜的,並且可區分為若干階段,如圖一所示。依據不同的藻株、應用技術、成分和生物轉換過程,最終產品(燃料和副產品)的成本也可能因此不同。


依據現有技術製程,從藻類生產乙醇是不成問題的,但是,依據最終產品的不同,藻類原料卻是很有競爭性的。請參考表二,與低價藻基燃料相比,微藻和海藻(例如,卡拉膠、洋菜)所衍生的副產品,價值卻是很高的,所以,經濟層面和利益最佳化可能成為決定藻類原料的最終使用,同時,也是藻基燃料市場之長期發展的主要因素。


經濟、環境、社會和政策面向

因為具有下列特性,使得藻類生質物,在生質燃料生產上,比其他生質燃料更具有優勢。

(一)環境優勢
針對每公克生質物的產生,藻類可吸收兩公克的二氧化碳。所以,不像大部分的原料和作物,在生產生質物時排放二氧化碳,藻類在生產生質物時是吸收二氧化碳的。依據學者分析,一噸二氧化碳可轉換為60~70加侖的藻基乙醇,所以,就以原料生產此第一階段而言,藻類對於溫室氣體減量,具有相當大的貢獻,基本上,藻基燃料可說是碳中和的,也就是說,其燃燒時所排放的二氧化碳量,係等於成長期間所吸收的二氧化碳量。根據這個理由,藻基燃料是一種最能因應氣候變化的最有效之永續燃料,也是能夠長期符合全球需求的唯一再生能源。

況且,藻基燃料生產更具有另外的增強性正面效應,目前,由於玉米乙醇生產過程中的發酵作用,大型玉米乙醇廠公認為二氧化碳主要排放者,亦即,每蒲式耳的玉米會排放19磅的二氧化碳,若干產業將玉米乙醇生產時所排放的二氧化碳,當作藻基燃料生產的主要原料,依據他們的評估,1億加侖的玉米乙醇廠所排放的二氧化碳,足以製造140000噸的藻類,所以,藻類生產可以彌補玉米乙醇生產的負面效應,因而,創造額外的社會價值。

在美國,玉米乙醇的年產量高達140億加侖,這代表需要48億蒲式耳的玉米原料,同時,在此玉米的乙醇製造過程中,總共排放43.2百萬噸的二氧化碳。另外,槓桿效益同時也為藻類在生質燃料市場中,締造二氧化碳排放交易機制。一家藻類燃料研發公司「Algenol」預估他們公司的二氧化碳交易獲利為30美元∕公噸二氧化碳,甚至以約等於澳大利亞碳稅的25美元/公噸二氧化碳計算,光以碳稅收入,就足以在美國生產21百萬公噸的藻類,如果假設藻類的最低脂質含量為30%,則這些藻類將可生產16億加侖的再生能源柴油或生質柴油。

更重要的一點是,藻類養殖不會消耗農業作物生長所需要的水資源,除了普通水之外,藻類更可以廢水培育,如此更增加了此原料的環境永續性。

(二)經濟優勢
藻類具有廣泛的可應用性,除了燃料之外,尚可提供其他部門所需要的副產品,基本上,有三種成分可從一藻類生質物當中提煉出來:脂質(油類)、碳水化合物和蛋白質。脂質和碳水化合物可應用在燃料的生產,例如,汽油、生質柴油、航空燃料、可再生碳氫化合物、酒精、沼氣等等,而蛋白質則可使用在其他用途,例如,動物∕魚類飼料、肥料、工業酵素、生化塑膠、表面活性劑等等。兩種藻株(小球藻和衣藻)具有生產生質柴油4000~6000加侖/公畝/年的潛力,如果提供額外的技術輔助,則生產生質柴油潛力可增加至10000加侖/公畝/年。與傳統作物,例如,油棕樹――目前含油量最高的傳統生質燃料原料――比較,藻類在相同養殖面積下,可多產出10~100倍的燃料,其他低產油率的原料更不在話下。

藻基燃料的另一項經濟效益是,藻株可在普通水資源和嚴苛環境(例如,非耕地)下生長,所以,藻類不會影響到傳統作物,對乾淨水資源和高品質土壤的需求,同時也不像其他生質燃料原料,需要用到土地、水或肥料,才能生長。美國能源部評估,如果要取代美國所有傳統汽油,則需要用到15000平方哩的土地,方能培育和生長出足夠的藻類燃料原料,此用地面積僅占美國國土面積的0.42%,也相當於2000年玉米耕種面積的七分之一,如果考慮海上或近海養殖,則藻類生產根本用不到任何土地資源。

在散布和行銷上,藻基原料也具有本身獨特的技術優勢,首先,它們可當作傳統燃料(例如汽油、航空燃料和柴油)的添加物,其次,就像傳統汽油一般,藻類燃料可以既有的基礎設備或設施來加以提煉與分配,所以,不像其他先進生質燃料,例如,纖維素乙醇,藻類燃料技術可馬上被應用,不需要額外的基礎設施成本或任何其他燃料成本的增加。

(三)社會和政策優勢
基本上,藻類燃料是傳統油品市場(柴油和汽油)和生質燃料(生質柴油和玉米乙醇)的可行替代方案,除了不受乾旱氣候影響之外,藻類燃料所創造的契機,亦可避免類似玉米乙醇所遭遇的食物生產與燃料供應的兩難窘境。

基本上,生質燃料是一種自產能源,如果藻類燃料配合其他先進生質燃料技術,例如柳枝稷、芒草、地溝油等,做大規模的生質柴油和乙醇生產,則臺灣就不需要大量進口原油,油品市場也不會受到國際油價變動而影響到民生經濟,達到真正的能源自主,另外更能培育其他再生能源領域的研發。

不像玉米、甘蔗或其他食物作物,藻類原料不會受到食品市場價格波動的影響,因而,提供消費者較高的燃料價格穩定性。

除了上述經濟效益之外,藻類燃料的發展與應用亦能帶來不少的社會效益,以美國最近的狀況為例,一項在2013年新藻類燃料的商業化,總共替佛羅里達州西南部帶來數千個新就業市場,其中,在有政府獎勵補助措施下,該藻類燃料的售價為1美元/加侖,雖然目前生產成本與此售價相去甚遠,但是如果能更大規模擴大產銷市場,則將使生產成本快速下降,讓實際價格更具有競爭性。

實際限制

雖然藻類燃料具有上述經濟、環境和社會優勢,但是目前藻類燃料仍然無法大規模的商業化量產,主要原因在於過高的生產成本所致。藻類生產所牽涉的複雜製程一直是此項技術多年來發展的主要障礙,例如,藻類生物學、特定培育、收成、脫水、萃取、分餾、燃料和副產品等高困難度,且成本昂貴的轉換製程。雖然,目前經過美國若干私人企業的投資,各主要障礙大概已經克服,並且有供應至軍方使用的案例。然而,在缺乏大規模量產商業化下,居高不下的成本價格,藻類燃料價格始終無法與傳統汽油價格相競爭。

基本上,生產技術的應用,攸關藻基燃料的最後價格變動,目前一般常用到的藻基燃料生產技術有光生物反應器、開放水池型或混合式系統,有學者研究發現,如果使用光生物反應器,唯有當石油價格來到800美元/桶天價時,其產出的藻類燃料價格方能與汽油價格具競爭性,另外,美國能源部預估在大量生產下,藻類燃料的價格可下降到8美元/加侖,約為大豆生質燃料的一倍,雖然目前相關的成本研究報告很多,但是其一般的結論皆認為藻基燃料價格有逐漸下降的趨勢,在過去30年當中,藻基燃料價格已由1982年的6.09美元/加侖,下降到1996年的2.41美元/加侖,這也證明了,由於技術的演進,將使得藻基燃料對傳統燃料越來越具有競爭性。

如圖二所示,在由美國Algenol所研發的「直接乙醇製造」方法裡,乙醇直接由藍藻製造,免除人工的收成和脫水程序,大幅降低乙醇生產成本。製程當中,藍藻培養在一低成本的可撓性塑膠薄膜光生物反應器當中,首先系統利用藍藻的光合作用,從二氧化碳和鹹水中產生丙酮酸(糖類),然後在細胞內自行進行發酵作用,以產生乙醇。


結論

在過去十年裡,產學界早將藻類視為一前途看好的生質燃料原料,但是由於大規模基礎設施與生產技術的欠缺,以及所引發的高單價成本,一直是阻礙該項技術快速發展的主要障礙。基本上,與其他生質燃料原料相比,藻類燃料具有較佳的環境指數與能源效率,更重要的是不會引發食物短缺危機,也不需要耗費土地與水利資源,這也是為什麼產學界持續進行藻類燃料生產技術之研發與改良的主要原因。

藻基燃料商業化的主要障礙在於高生產成本,但是最近發展的重要指標,是要將藻類燃料的加油站價格降至1.00~1.70美元/加侖。

由於產業部門的一致努力,若干技術已經推陳出新,準備加速藻類燃料生產技術的快速發展,其中最主要的創新機制是生產過程中輸入能源的減少,例如,在所謂的「擠奶藻類(milking algae)」裡,一改以前的依次收成和處理的間斷製程,藻類油品能夠被連續地產出;其他,亦有利用基因工程,增加藻類成長或細胞中脂質的生產;還有一種具有專利的乙醇直接生產法「direct-to-ethano®」能夠不須經過收成和脫水階段,直接從藍藻中生產乙醇,如圖二所示。最後是「混合式離岸系統」,除了具有風力和太陽能發電作用之外,尚且結合藻類的生產。

依據產業界對藻類技術在最近幾年的樂觀發展經驗看來,此類原料具有令人看好的未來,但是,要讓藻基燃料成為普遍使用的產品,除了研發與政策要加把勁之外,就如同其他新興能源的發展一般,也需要其他客觀因素予以推波助瀾,例如,高漲的油價與嚴苛的環境政策。

臺灣的海岸線,如果包含離島,總共有1566公里,加上西部海域屬於淺海,適合發展上述的藻類生質能。尤其是,臺灣近年來全力發展陸上人工漁業養殖,此利於近海藻類養殖的開發,此除了可確保臺灣能源自主與減碳政策之外,煉油剩下的殘渣亦可作成畜牧的養殖飼料,是一種具有多功能的能源開發與養殖事業。


延伸閱讀
1. Quinn, J. et al., Current large-scale US biofuel potential from microalgae cultivated in photobioreactors, Bioenergy Research, Vol.5: 49-60, 2012.
2. US DOE, National algal biofuels technology roadmap, Washington, 2010.
3. Ziolkowska, J. R. and Simon, L., Recent developments and prospects for algae-based fuels in the US, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 29: 847-853, 2014.

1 則留言:

  1. 你好本公司主要是從煙囪捕碳成為碳酸水.
    再拿來養殖微藻成為微藻營養源之一.可做生質油(植物油)及食品,飼料等….
    本公司採用式密閉式室外噸級養殖.在台灣及大陸常州有試範廠.
    從PM2.5煙囪捕碳到放養一條龍作業是本公司微藻減碳的一般簡介請參考
    聯絡人:呂進陽
    iw1547.ms17@msa.hinet.net
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