2012/10/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳曉薇、陳茂景、陳鳳惠 ▓圖片提供：台電公司綜合研究所
在全球氣候變遷衝擊及環保壓力下，節能減碳與發展綠色生態循環生產模式之永續主張，已成各國電業經營的共同發展目標。而近年來，藻類被視為極具潛力的生物燃料，養藻減碳技術可提供電力公司落實減碳，並帶動電業發展出新的循環經濟生產模式。
微藻是光合作用的微生物，所需要的成長元素包括：光、二氧化碳、氮、磷及鉀。因生長容易，微藻在短時間內可產生大量的脂質、蛋白質和碳水化合物，這些產品可以被加工成生物燃料和高價副產品（圖1），有利於藻類減碳工業的發展。
微藻減碳技術原理
以藻類養殖固定燃煤電廠排放的二氧化碳，屬於生物法的碳捕捉技術策略之一，原理是利用煙氣中的二氧化碳做為藻類生長所需的營養源，在煙氣的供應下，能加速藻類的分裂及生長，達到減少煙氣中二氧化碳的排放。
推展「微藻減碳」技術除了要考慮高效率碳捕捉的藻種外，也必須考量是否能適應電廠的特殊環境，包含高溫、煙氣條件（含有SOx、NOx）等。另外，光的供應、pH控制、O2的移除及設計良好的光合反應器（圖2），也會直接影響藻類養殖的濃度及整個流程的價值和成本。
「微藻減碳」再利用系統商業化的挑戰
近年來雖有大量的研究支持微藻減碳及生質燃料的發展，但是要將此項技術大規模商業化應用，仍存在著生產系統與生產過程需要克服的技術，以及生質能源及副產品產業發展的經濟面挑戰。因此，除了需針對相關研究進行策略性的規劃之外，進行風險評估將有助於鑑別流程中關鍵環節和影響因素，這樣才有機會解決目前存在的問題與挑戰。
美國能源部（DOE）自2010年起重新啟動藻類生質能源研究項目，除了包含技術層面的革新外，也加入技術經濟分析（Techno-economic modeling and analysis, TEA），使用地理資訊系統（Geographic Information System, GIS）的資源分析、環境面的生命週期分析（Life cycle assessment, LCA），以利未來因應區域的變化，並選擇最佳生產流程，以期有效的資源利用及對環境的影響最小。
技術的挑戰
根據2010年美國能源部（DOE）所提出的National Algal Biofuels Technology Roadmap報告，發展藻類生物燃料須克服的技術障礙包含以下3大方向：
一、微藻原料的供應
穩定的供應藻原料是生產生質燃料計畫中相當重要的環節，待克服的技術障礙包括：藻種篩選技術的建立、油脂累積代謝途徑、基因調控或育種技術的提升；藻類穩定快速培養及管理；收成和去水製程，以降低耗能與生產成本。
二、藻類再利用轉化
經由養殖系統所生產出的藻體經轉化可做為副產品及生物燃料，轉化過程中須包含萃取分離、燃料轉化及副產品生產等。在萃取分離方面，研究的策略主要為嘗試不同萃取方法以增加目標萃取物的產量，並能降低能耗及廢棄物的產生及克服擴大規模的障礙；在燃料的轉化方面，燃料的種類及轉化率都是現階段最熱門的議題；副產品生產則需評估其在市場上之經濟價值及安全性。
三、基礎設施的配合
養殖出的藻體需研究其分配及利用方式。目前，藻類分配及利用的技術瓶頸包含所有生產出的藻類、中間產物、生物燃料及副產品在不同儲存和運輸條件下的特性研究，如何優化設施選址中的能源及成本分配，並能評估藻類培養系統對各種天然關鍵資源的需求及限制模式。
技術經濟分析
透過技術經濟分析，可評估不同技術、生產系統的效益及投入產出比、整個系統的能量平衡關係、整體生產經濟成本及對環境的影響情形、從技術發展階段到大規模生產的限制因素等，提供決策者制定政策及指導研發投資方向參考（詳圖3）。實施方法包括：
一、地理資訊系統GIS評估
透過GIS的資訊分析，瞭解藻類在大規模生產中，各個單元在供應鏈中的分配，將大幅提升藻類生產及後續副產品與生物燃料轉換整合於現有環境的可行性及效益。例如：藻類生長需要二氧化碳，雖然二氧化碳供應需要成本，但是藻類吸收二氧化碳會帶來收益，因此成本與收益之間的平衡就會影響藻類再利用轉化的生產流程。
二、生命週期分析
生命週期分析常被應用於評估工業過程對於資源利用情形及對環境的影響，在技術經濟分析中扮演重要的角色，其分析涵蓋原料與能量的輸入，在系統界定的範圍內，凸顯不同藻類固定二氧化碳及再利用系統中溫室氣體排放及資源的利用情形。
結語
在全球氣候變遷急遽及能源日益短缺的背景下，溫室氣體減量議題及新潔淨能源的發展受到各國重視。藻類生物燃料可視為第3代生質能源，具有生產快速、土地需求量小、減少電廠二氧化碳排放、以及取代化石燃料使用的優勢。過去相關研究仍屬小規模實驗階段，因此仍須展開大量的研發工作，克服相關瓶頸，降低成本與風險，以達成大規模並符合經濟性之商業化應用。（作者任職於台電公司綜合研究所）
推展「微藻減碳」技術除了要考慮高效率碳捕捉的藻種外，也必須考量是否能適應電廠的特殊環境，包含高溫、煙氣條件等。
生命週期的含義，是指整個產品生產過程中的重要活動，從製造、使用、維護到最終丟棄，其中也包括原材料的生產製造過程。
關鍵字：微藻,光合反應器,二氧化碳,溫室氣體,生物燃料