2010/06/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳芃
存在於自然界的沼氣，是免費的天然氣體燃料。傳統耕作方式中的堆肥，讓人類很早就已認知它的存在；自1950年代起，人類開始系統化的研究沼氣之製造、儲藏與使用，並以生質廢棄物來源充足的農村為基礎，進一步讓沼氣成為偏遠地區的輔助能源。隨著時代進步，垃圾掩埋場、大規模畜牧業的出現，讓零散使用的沼氣，開始集中化與大型化，更隨著生質能源發展的趨勢，逐漸併入電力系統，成為區域電力的供應者。
生質能源的發展愈來愈火熱，世界各國競相投入資源進行相關研究，同時紛紛以補貼政策，實際導入生質能源應用。然而，對於不具有優越天然資源、口袋深度與研發能力有限的開發中國家來說，無論是要付出可觀的成本建立生質燃料產業，或是跨足纖維素分解等相關高階技術，均存在著一道鴻溝，致使大多數開發中國家的生質能應用，絕大多數仍處於傳統的固態燃燒模式，效率低且無法達到減碳之目的。以下茲簡述沼氣及其應用與發展，供各界參採。
由厭氧環境形成的熱能提供者
沼氣來自於有機物質在厭氧環境下的發酵。簡單來說，在無氧的環境中，各式微生物將複雜的有機物（包括：蛋白質、脂肪、纖維素等）分解，再透過另一型態之微生物（甲烷菌），將分解後之有機物與二氧化碳形成甲烷（CH4），其與分解過程中生成的其他氣體如二氧化碳等，共同組成了沼氣。 v由於不同的溫度、濕度、酸鹼度、微生物菌種、發酵時間等因素，使得沼氣的成分不盡相同，但一般來說，沼氣以甲烷為主要成分，含量約在55～70％之間，其餘成分包括：可燃的硫化氫、一氧化碳等，以及二氧化碳（28～45％）、氮和氨等不可燃氣體。
天然氣（NG）是化石能源中最淨潔的燃料，其主要成分亦是甲烷。沼氣與天然氣相比，雖然甲烷含量較低，但其熱值亦有5,500～5,800千卡╱立方公尺，最高燃燒溫度達1,400℃，且其來自於生質廢棄物的特性，更是它的優勢所在。
甲烷也是溫室氣體
雖說甲烷是優質的燃料，但同時也是令人擔憂的溫室氣體，其在溫室氣體中排名第2，僅次於二氧化碳。與空氣相比，甲烷的重量是0.54，又不容易溶於水中，以致很容易逸散至大氣中。甲烷的全球升溫潛勢（GPW），以100年週期來計算為25，也就是相同單位二氧化碳的25倍；然而如以20年週期來計算，GPW則高達72！在全球升溫的議題上，甲烷排放是一個必須正視的問題，其嚴重程度並不亞於節能減碳。
自然界的甲烷排放可分為自然與人為兩種來源，根據美國環保署（EPA）的統計方式，甲烷的排放包括：濕地、森林大火、林地、腸道發酵、垃圾掩埋場、水稻栽培等。其中濕地與水稻田分屬自然與人為兩種因素，由此可以簡單看出沼氣厭氧的特性；至於腸道發酵這項議題則在近日沸沸揚揚，主因為世界觀察研究所（WWI）日前由Robert Goodland發表一篇報導，認為人類養殖的牲畜與其副產品，總二氧化碳排放當量達325.64億公噸，占全球總排放量的51％，而腸道發酵就是其中的大宗。該報告列舉許多被忽視的各式排放，包括動物的呼吸等，不過目前在科學上並未有所定論。
當然，沼氣只是甲烷排放的一環，兩者並不能劃上等號，不過卻對沼氣的使用做出了一些提醒：第一是必須注意人為製造的沼氣可能對環境帶來的問題，特別是逸散的問題，反而讓生質能節約碳排放的功能產生疑義；第二是針對現有的人為沼氣排放，可以有更多元的利用，例如垃圾掩埋場的沼氣處理發電，而牲畜養殖業也具有相當的能量；第三是沼氣儲存與使用的技術必須提升，以解決環境問題，此舉有助於跳脫單元獨立的操作，而能朝系統化發展。
潛在的沼氣應用被低估
根據IEA的資訊，2007年全球沼氣（原文為Biogas，中文版譯為沼氣）用於發電者有28,669GWh，用於熱能的數量為15,274TJ（10的12次方焦耳），兩者均遠低於固態再生能源（包含木炭）所提供的數量。事實上，沼氣的使用非常難以統計，除規模化的發電或熱能設施外，沼氣設備多數位於農村或偏遠地區，且多為家戶、社區型態的單一小型裝置，而這些裝置並未被列入統計之中。
最明顯的是，在2007年版的IEA能源統計中，就未能列入中國沼氣的生產狀態，而中國卻極有可能是全球最大的沼氣使用國家。自1970年代以來，中國就將沼氣定位為農村的民生主力熱源，至今仍然持續發展之中；在減碳的壓力下，中國的再生能源法亦加入發電的補貼政策，讓沼氣應用更上一層樓，朝向電力提供者的角色前進。
農村經驗推向世界
中國是典型的開發中國家利用沼氣之案例，在幅員廣大的農村中，能源基礎建設成本龐大且投資效益低，特別是氣體燃料，因其可由柴薪等替代，發展更顯緩慢。然而乾淨的氣體能源是現代化生活的基礎要求，同時農村中又有大量的生質廢棄物有待處理，沼氣裝置正是結合兩者的最佳解決方案。
發展沼氣初期，利用簡單的裝置即可使用多餘的有機廢棄物，加上氣體燃料的便利性與補貼政策，使得家戶用裝置在導入時的主要障礙獲得解決，早在1980年初期，中國即號稱有700萬戶裝置有沼氣設備。透過這些成功經驗，逐漸結合周邊力量，進步到集中生產，同時加入牲畜養殖等其他料源，形成區域的系統，並能逐漸擴大使用的力量。
目前中國的沼氣發展相當蓬勃，家戶普及率持續提升，同時技術上的進步也相當明顯，先進的小型汽電共生系統已經開始應用，在理想的情況下，其綜合熱效率可達80％，是一般發電的1倍以上。另一方面，中國持續以技術輸出者的角色，對亞洲、非洲等其他開發中國家推廣沼氣應用，前景可期。
未來發展仍有待多層面突破
沼氣的基礎應用其實就是一個發酵池的概念，將有機廢棄物放置其中，控制發酵環境即可產氣。在實際應用上，則有相當多需要注意的層面，例如其對環境的影響包括：甲烷逸散的問題、可能污染地下水、環境清潔與健康、安全性等，而如欲持續的產氣，對於料源的持續取得、發酵條件的控制，也必須有相當的技術與經驗累積。
使用沼氣是一個理想的迴圈，將有機廢棄物轉換成為能源，再利用能源生產作物或畜牧，而沼氣副產品又可成為肥料回歸大地，維持土地的承載力。在這些背後產生的經濟效益，更將對落後、偏遠的地區，形成實質的挹注。
惟實際上，沼氣的發展卻不是那樣的完美，要成為具有效率的機組，需要大量的土地、不間斷的料源，才能成為穩定的能源供給者。然而無論是農業或是畜牧廢棄物，均有運輸上的限制，而產率低、相對不穩定的供應，則是擴大沼氣應用的難題。
在尋找替代能源的過程中，沼氣的確有其地位與功效，因為針對農業、林業、畜牧、垃圾掩埋等所產生的有機廢棄物，本來有可能會轉變成人為的甲烷排放，而透過沼氣的應用，則可消弭部分的溫室氣體，並轉換成為再生能源。目前分散的小型沼氣裝置應用已趨成熟，未來大型系統的發展，除需具備天然資源的優勢外，整體運作模式的突破，也將是一大課題。（作者任職於工研院材化所）