2013/08/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳明德（工研院綠能所新能源組推廣經理） ▓圖片提供：陳明德、張家裕
原來一文不值還被冠上汙染臭名的豬隻排泄廢棄物，透過沼氣發電的技術，搖身一變成為潔淨能源的來源，到底，什麼是沼氣，沼氣又是如何發電的?
丹麥是眾所周知的養豬大國，不到6百萬的總人口卻養了2千多萬頭豬，為了處理豬隻可觀的排泄物，重視綠色永續的丹麥人很早就投入了沼氣發電的發展。其實，20多年前，行政院農委會亦曾引進沼氣發電系統，協助豬農利用豬糞尿發酵後的沼氣進行發電，然而，當時因為技術尚未純熟，各豬場的沼氣發電機漸漸地停止運轉。近來，經濟部能源局再度啟動沼氣發電系統推廣計畫，並於今年通過屏東縣和彰化縣政府之補助案，在中央與地方的攜手合作，以及沼氣前處理和引擎發電技術的大幅進步下，讓汙染變綠金的夢想，似乎指日可待。
沼氣熱值與天然氣相近
臺灣的沼氣來源除畜牧養豬廢水處理外，以家庭污水、城鎮垃圾（以垃圾掩埋場為主）及來自各製造業（如造紙、食品）的廢水（或有機污泥）為大宗，沼氣回收後，不但能產電自用節省電費支出、出售電力獲得報酬，更能減少溫室氣體的排放量。包括垃圾掩埋場、養豬業及食品業均已裝置沼氣發電設備，亦有業者將沼氣導入鍋爐直接當燃料產生蒸汽，供給廠區內的製程利用。
沼氣的產生是藉由有機廢棄物利用生物在厭氧（缺乏氧氣）的條件下進行有機物的分解而得，其主要成分包括甲烷（約占50％至80％）、二氧化碳（約占20％至50％）、硫化氫（約占0.1％至5％）與其他微量氣體，其中甲烷是提供熱能的要角。沼氣的熱值約為5,000至6,000 千卡/立方公尺，若經過純化將純度提高，熱值即與天然氣相當，可以取代天然氣。一般而言，除去每公斤化學需氧量（COD），可產生約0.395立方公尺的甲烷氣（有機物含量、溫度與濕度等將影響甲烷產生量），如以沼氣中甲烷含量50％至80％估算，則相對去除每公斤COD後，會產生沼氣量約0.8至0.5立方公尺。
沼氣產出後，接著就進入發電程序，首先會利用集氣袋收集儲存，經由純化前處理去除硫化氫等腐蝕性氣體後，再導入沼氣引擎發電機產生電力，並藉由控制盤輸出電力供給使用。以擁有1萬頭豬隻的養豬場為例，廢水處理廠每日約可產出900至1,000立方公尺的沼氣量，若甲烷量占50％至60％，沼氣發電裝置容量約在59至65瓩之間，則每日可產生1,400至1,550度電。
利用純化設施去除腐蝕性氣體
沼氣中的硫化氫，又臭又毒，燃燒還會產生二氧化硫，其腐蝕性對管線與機具造成了威脅，不但維護成本大增，更會導致設備損傷，透過沼氣純化處理，將硫化氫濃度降至350ppm以下，即可保護後端設備不被侵蝕。
目前沼氣純化依作用原理可概略分為物理、化學與生物等3種方法。利用硫化氫在水中溶解度較高的特性，以洗滌方式將沼氣中的硫化氫吸收，並用空氣將洗滌水再生的「水洗」，是臺灣養豬、食品與造紙業較常使用的物理方法。另外也有利用活性碳，將通入的硫化氫氣體與空氣中的氧反應產生硫磺後予以吸附，當活性碳達到飽合，續以蒸汽或惰性氣體再生的物理方法。至於比較特殊且昂貴的薄膜過濾法以及化學方法，現今則很少使用。
除了水洗脫硫外，國內亦有業者是利用微生物菌種，將硫化氫進行氧化作用轉換為元素硫，或再進一步轉化成硫酸的生物脫硫方式，例如屏東縣麟洛鄉的中央畜牧場，近期即建置了相關系統進行示範運行。
沼氣發電機組是產電關鍵
沼氣脫硫後，下一個步驟就是導入沼氣引擎，目前國內使用的沼氣引擎可再細分為一般沼氣引擎與微型渦輪發電機兩大類。採用沼氣作為燃料的沼氣引擎與一般燃油或天然氣引擎最大的不同之處在於其化油器、火星塞間隙及點火正時必須適當地修改，保養方式則與一般引擎無異，但基於安全考量，會加裝一組電磁閥，當緊急狀況發生時可以停止沼氣供應，避免危險的發生。而由國內代理商引進，再進行系統組裝與試運轉的微型渦輪發電機，則擁有技術創新、環保安全、操件簡單及維護便利等優點，例如台電公司停電時，機組會自動停機，不會逆送電力至併聯系統，為工作人員的安全提供了保障。
沼氣發電有兩大技術：同步併聯發電與感應發電。依據發電原理，同步併聯發電技術除了需要由原動機、感應發電機與併聯控制盤（含保護配電等單元）合組而成的發電機組外，尚需要同步併聯設備，以便將輸出電力與市電（也就是台電）併聯，因此，基於經濟效益的考量，該技術大部分運用於大規模沼氣量、發電規模可達百萬瓦（MW）以上之場所，例如都會區的垃圾掩埋場。至於感應發電技術則只需要發電機組，輸出電力之電壓及頻率與市電系統相同，不需同步併聯設備，多運用於養豬場、中小型工廠等小規模沼氣量的場所。
隨著沼氣發電技術的發展及政府獎勵措施，如沼氣發電系統每瓩最多補助3萬5千元、提供推廣宣導與督導費100萬元和3年示範運行管理費30萬元等的推廣，廢棄物質已不再是污染的象徵，而是產出綠色能源的理念。未來3年，在3.7億元的資金挹注下，這一股目標量為4,000 瓩的綠色power將持續發酵，預估每年約可產出2,628萬度電（約莫5,000戶住家用電容量），電力年產值約7,400萬元，並可年減二氧化碳排放量14,000公噸左右，相當於約15座大安森林公園可固定二碳化碳量。
關鍵字：沼氣,厭氧,沼氣純化,沼氣發電