2011/11/05
經濟部能源局
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▓撰文：林哲毅、蔡建雄、陳又嘉、林素汝 ▓圖片提供：國立屏東科技大學
植物於生長行光合作用，固定二氧化碳做為植物體碳源，尤其是生長快速的C3、C4植物，如甘蔗及牧草等，大規模種植C3、C4植物有助二氧化碳減量。根據2008年美國能源部（US DOE）研究指出，利用生質能源，有效降低二氧化碳，雖有利於空氣的碳中和（Carbon Neutural），但須注意生質能源伴隨而來的高糧價效應。
現國外皆以第1代生質能源為主，例如巴西的甘蔗酒精、美國的玉米酒精、黃豆生質柴油和東南亞之棕櫚生質柴油等成功案例。而低廉的料源成本，使得巴西的甘蔗酒精可與化石能源有競價優勢，其發展經驗可供我國參考。
巧婦難為無米之炊，缺乏充足料源是臺灣發展生質能源的窘況，近年來國內亦有2至3個生質能源之投資案，因無法解決料源供給問題而中止投資。根據國際能源總署（IEA）的生質能源發展規劃書揭櫫，生質能源產業需要考量料源、運輸、加工製造及成品物流等，且料源約占整體的40％以上的支出，運輸與物流約占35％，若能降低這些支出，除可降低整體成本，減少與化石能源的價差，對發展生質能源亦有幫助。
國立屏東科技大學（簡稱屏科大）多年來致力於農業相關研究，整合國外經驗及國內現況，結合校內農業及工程相關科系，發展出上下游整合生質能源產製系統。現今研究方向著重於第2代生質能源的開發，且相關的研究計畫屢獲國科會、能源局、農委會、核能所及台灣中油公司等單位支持，冀能對我國的能源安全、能源自主及節能減碳貢獻微薄之力。
生質能源料源研究
一、能源草種
習知草類除可做為庭園造景及運動草坪外，國外亦將草類資源做為明日之星，可做能源供給、水土保持、固定二氧化碳及降低地面熱輻射等功用，對減緩整體溫室效應與地球暖化亦有所助益。而行政院的永續能源政策綱領中，將輔導產業以「造林植草」取得減量額度，可見草類資源之重要性。能源草類生長過程中可固定二氧化碳，達到碳中和，部分能源草類如狼尾草（Pennisetum Alopecuroides）、芒草屬（Miscanthus spp.）等，每年每公頃之乾生質量（Dry Base Biomass）最高可達50～80公噸，生質量相當於部分林業資源每年每公頃之乾生質量，故能源草種確實具有開發做為料源作物之潛力。歐洲各國已大規模種植芒草，做為生質發電或鍋爐加熱之用。而美國新興研究以柳枝稷（Switchgrass）做為生質酒精的料源，經臺大農藝系引進種植，但在臺灣的環境下，其生長狀況不佳。
現今屏科大能源草種的研究方向，著重在割刈及施肥頻度與土壤碳庫關聯性，並分析不同處理模式，分析其熱值（Heat Value）、纖維素（Cellulose）、半纖維素（Hemi-Cellulose）及木質素（Lignin）的比率變化。木質纖維中半纖維素的含量高低，會影響纖維酒精之成本，半纖維素經酵素分解之後成為木醣（Xylose），但分解此五碳醣成為酒精之菌種（如Pichiastipitis等菌種）效率低，故半纖維素比率低之料源可降低整體纖維酒精之生產成本。研究團隊曾獲農委會經費補助，已收集並建立臺灣的禾本科原生草種的種源保存庫，致力開發草種之利用功能。目前經團隊實驗顯示，每公頃狼尾草每年可固定二氧化碳約73公噸。研究計畫中不同割刈及施肥頻度，除影響整體生質量（Biomass）之外，是否能增加熱值及二氧化碳固定量，可做為日後製造生質燃料磚或生質酒精之先驅研究。
二、痲瘋樹
在生質能源的產業中，製造生質柴油的技術較成熟，是利用油脂經過轉脂化流程產製而成，可直接被柴油引擎的交通工具利用，產業鏈之應用相較於生質酒精較為方便。第1代生質能源以大豆油或棕櫚油為主，但因此導致黃豆及棕櫚油的價格飆漲，而國內目前收集廢食用油經轉處理產製生質柴油，每公升成本約新臺幣34～36元，遠高於化石柴油，若非環保署空污基金的補助，生質柴油的政策將會受到阻力。
根據農委會林業試驗所的研究分析，除棕櫚樹每年每公頃可產生約5,000～6,000公斤油脂，痲瘋樹每年每公頃可產生約1,600公斤油脂，兩者皆遠高於大豆每年每公頃產生約400公斤及向日葵每年每公頃的800公斤油脂，皆是可被利用之料源。
而棕櫚油、大豆油及向日葵油可供食用及化工使用，但近年來轉製成生質柴油，衝擊其價格及生產，且需大面積種植油源作物，會排擠到土地使用，尋找非糧食作物之油源作物成為當務之急。
屏科大痲瘋樹研究團隊累積相當的經驗，曾獲國科會能源科技計畫經費補助進行痲瘋樹（Jatropha Curcus L.）高產能優質種苗生產之研究，收集自各地種源中，篩選出高產量與高含油量之優良母本，進行高產能之育種改良與優質種苗之生產，並將優良母本技術轉給民間廠商，並與台灣中油公司產學合作，進行痲瘋樹生產技術與育種之研發，做為日後將於東南亞大規模種植之準備。
三、生質廢料
生質廢料轉製能源因原料價格低，可降低整體成本，歐美一些生質廢料的產製能源技術，業已完成試驗階段，並進入實際商轉，如歐洲的Choren公司與福斯等公司合作開發利用農林廢料及汽化技術（Gasification），於24小時內可將廢料轉製為生質油（Bio-oil），可直接用於汽車；加拿大的Dynamotive公司利用熱裂解（Pyrolysis）技術產製生質原油（Crude-oil）。美國能源部認為這類利用不與人爭糧、不與農爭地的農業廢料之熱轉化技術，相較其他的生質能源技術較有未來發展性且爭議性也較低。
屏科大近年致力於農林廢棄物為生質能源料源之可能性研究，現已完成部分農林廢料之物質特性、元素成分及熱值等分析。並結合處理廢棄物的原理及技術，近年來也在國科會經費支持下，研究木質纖維素廢棄物資源化，做為生質能源及以利用快速熱裂解反應爐（Fast Pyrolysis Furnace），處理農業生質廢棄物，例如稻殼、椰子殼、稻草及蔗渣等原料熱轉換，研發生質燃料之技術開發，並輔導相關廠商進行生質產物之特性分析。
生質能源製造研究現況
一、進行木質纖維分解酵素研究
巴西為甘蔗酒精之生產大國，自1970年開始發展能源酒精，全國有70％的交通工具使用酒精做為能源。而美國為解決生產過剩的玉米，將玉米轉化為生質酒精。但2007年後大量的使用糧食作物產製酒精，導致糧價飆升。各國為因應生質能源所造成的負面衝擊，檢討推動生質能源政策的持續性，如我國農委會於2008年後不再補助生質能源的料源生產計畫，各國莫不找尋發展下一代生質能源的技術，轉而利用垂手可得的纖維素產製酒精。歐美各國皆採用纖維分解酵素（Cellulase）及酸處理，歐美公司掌握效果較佳的纖維分解酵素及處理技術，如美國普渡大學科學家Nancy Ho博士、加拿大Logen公司、美國BCI及丹麥Novozyme等公司。但纖維分解酵素（Cellulase）的效率不高，故纖維酒精的價格仍高於甘蔗酒精或玉米酒精，纖維酒精價格仍有改善空間。
屏科大菌種研究團隊歷年來自國科會、能源局及核能所等單位獲取研究經費，進行木質纖維分解酵素之研究。團隊從牛瘤胃真菌中取得水解酵素及厭氧真菌產製木質纖維分解酵素，並將其基因表現轉殖入大腸桿菌進行酵素生產，目前已獲得高活性聚木醣酶基因且具專一性，其所生產之酵素相較於類似產品活性較高，且可受酸鹼範圍更廣，未來應用於五碳醣的生成或提高纖維酵素處理效率等方面，深具開發潛力。
二、設計生質廢棄物的史特靈引擎發電機組
史特靈引擎（Stirling Engine）為外燃機的一種，不同於普遍使用內燃機，是高效率的能量轉換裝置。此引擎於1816年由史特靈牧師（Robert Stirling）發明，其原理利用熱讓活塞內空氣膨脹，帶動引擎運動產生電能。經過近200年的研究及發展，史特靈引擎發展出不同應用模組，但因無法穩定供給熱能，發展的狀況不如內燃機普遍。為獲得穩定的熱源供給，如美國的史特靈引擎公司，結合太陽熱電發展，利用日光追蹤系統，提供史特靈引擎穩定熱源，建構太陽熱電發電機組工廠。
屏科大研究團隊曾獲國科會經費補助，開發相關生質廢棄物資源及能源化先進技術開發與系統，參酌國外經驗，設計利用生質廢棄物的史特靈引擎發電機組。其系統操作原理，利用下流式（Down Flow）焚化爐燃燒農林廢棄物產生合成氣（Syn-gas），燃燒合成氣產生穩定熱源，可使史特靈引擎活塞運動而產電。此一原形機組，相較國外成熟的可連續操作機組，尚有改進之處，需投入更多經費，以利整體機組更加完臻。
展望未來生質能源
臺灣自國外進口99％能源，對於國家安全、能源戰略極具威脅。且經濟部希望我國在2020年再生能源的比率可提高到3～4％。除了發展太陽能及風力之外，特別是在碳中和上表現出色的生質能源，都是未來努力目標。而我國因政策、有限耕地及料源不足，使得生質能源產業遇到瓶頸。我國土地資源少，若能妥善利用近20萬公頃的休耕農地種植能源作物，提供產業所需，有助於臺灣整體節能減碳。
國內擁有超過70％的丘陵、台地及高山，遍布不少林木、高山芒草及河口高灘地的田根子草等，有不少的雜木及芒草等資源，因無妥善利用，造成資源浪費。根據屏科大團隊多年於山區採集高山植物的經驗，部分山區在數次的風災之後，交通中斷，能源供給不易且價格偏高，造成生活極度不方便，且能源局每年補助山區使用液化石油氣費用，若能提供經費研發小型生質能源機組，利用每年的雜木、疏林、高山芒草等廢棄資源，做為生質能源料源，進行模組化應用，可分散於偏遠村落供給電能。此一生質能源模組，除應用於日常發電，亦可利用於緊急救災用，此外可延伸至農林資源豐富之農村。考量上述因素及我國整體之永續發展、國土規劃及資源整合，應朝分散性替代能源製造技術（或機組）發展較佳。因相較於集中型的生質能源製造技術（及機組），即使20萬公頃的休耕地皆種植能源作物，亦無法滿足集中型發電機組所需，且機組無法滿載，反而浪費投資成本。
另外分散型的發電機組，亦可提供電動車產業所需，我國將電動車產業做為低碳產業發展的重點產業，但產業發展需取決於綿密的充電站網絡，倘若沒有架設足夠的充電站網絡，此產業將面臨嚴峻挑戰。而分散型的發電機組，可就地處理生質廢料產生電力，提供電動交通工具使用，以補足電動車產業所需。
結語
節能減碳現為世界潮流，屏科大亦開設相關的生質能源學程，將生質能源的觀念植入學生心中，並致力於農業生物科技的研發能量，近年來更針對生質能源未來發展可能性而努力，整合校內教授研發能量及經驗，參酌國外經驗及我國現況，思索如何降低整體生質能源成本，建構整體生質能源產業鏈，發展生質能源部分關鍵技術，冀能為永續的未來盡一份心力。（做者為國立屏東科技大學熱帶農業暨國際合作研究所博士生、車輛工程學系教授、生物科技系副教授、農園生產系助理教授）
關鍵字：生質能源,能源作物,產官學合作,能源自主,料源