2012/10/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳曉薇、陳茂景、陳志聖、曹志明 ▓圖片提供：台電公司綜合研究所
微藻可將燃煤電廠排放的二氧化碳當作生長所需的碳源，達到減碳目的，台電公司已先後於大林電廠、林口電廠建置「微藻養殖試驗設備」，減碳效益已有初步成果。今（2012）年更因應大林電廠更新改建，將設置於大林電廠微藻養殖試驗設備遷至南部電廠，繼續進行微藻減碳相關研究工作，本文將介紹台電在微藻減碳技術上的發展。
台電發展微藻減碳的計畫，是規劃一套適合運用於火力發電廠的微藻養殖技術，利用電廠發電後所產生的煙氣及燃油集塵灰當作藻類生長所需的碳源及氮源，讓藻類在低耗能的養殖系統中轉化為大量的有機體以及氧氣。藻類經回收後，可將其中成分如多醣類、藻藍蛋白等活性物質萃取出來，再利用於機能食品、動物餌料或保養品等高經濟價值產品的生產，而剩餘的藻體，可做為生物燃料（Biofuel），當作發電系統的燃料使用，其生態循環生產模式如圖1所示。
電廠微藻生產技術：陽光、二氧化碳、營養源
在自然生長條件下，藻類需要陽光、二氧化碳、營養源，才能生長。商業化生產藻類，可以利用自然的太陽光做為能量來源，但是陽光會隨著日夜及季節變化有所限制，因此，對於藻類戶外養殖系統，光源是藻類生長的限制因子之一。
為解決前述限制，台電在先導試驗階段即額外增加人工照明（詳圖2），惟供應人工照明的能源來源為化石燃料，會提高系統的碳足跡，因此，如何選擇低耗能及高效率的人工光源有其重要性；另一方面，人工光源的應用也可強化藻類的輔助色素吸收光譜。
由於藻類生長所需的碳源，能從可溶性的碳酸鹽如碳酸鈉、碳酸氫鈉或電廠的煙氣供應，台電利用電廠發電後所產生的煙氣，進一步吸收處理後，可供應藻類生長使用。另外，其他營養源包括氮、磷、矽等元素，台電先將燃油集塵灰（詳圖3）置入適當的水溶液中，再將固體與溶液分離，提取出含鹽類與金屬物離子的溶液。該液相溶液約含有20～30％的無機鹽類，主要成分以銨鹽為主，除了可以做為培養藻類的氮源營養源，更能達到降低養殖成本的目的。
電廠微藻養殖實驗系統
雖然臺灣具有年均溫較高的氣候優勢，但由於土地面積有限，仍需思考以立體的模組化系統來克服未來大規模養殖的問題，因此現行微藻先導型生產多採用密閉式光生物反應器，和開放池相較之下，更能嚴格控制生產過程，進而增加生物質生產速率。
2007年，台電在大林電廠進行10噸開放式養殖池及28噸立體光合反應器實驗型養藻計畫，兩項設施占地同為0.01公頃，其1年實際減碳量（扣除運轉時實際所消耗的能源），開放式養殖池約為二氧化碳100.134kg-CO2e，光合反應器約為二氧化碳741.10kg-CO2e，顯示在相同面積比較下，光合反應器減碳效率約為前者的7.4倍。
2010年，台電另以特定LED光源比例供應藻類光源照明系統，進行減碳相關試驗，在同樣規模條件下，開放式養殖池1年實際固碳量可提升至138.21kg-CO2e，立體光合反應器為2,295.21kg-CO2e，經實驗結果推估，若以同樣1公頃面積養殖微藻，每年減碳量可達229.5ton-CO2e，是種樹植林減碳量16～25ton-CO2e的9～14倍。2012年，因應大林更新改建計畫，原設置於大林電廠28噸立體光合反應器遷移至南部火力電廠（圖4），繼續進行藻類減碳及生質燃料應用整合研發計畫。
藻類生物燃料資源的整合開發
因為全球經濟快速成長，驅動各國對於生物燃料資源的開發，以提升能源安全及減少溫室氣體排放量。第1代生物燃料生產主要是從糧食和油料作物萃取，由於存在與生產耕地的競爭、區域與市場結構的約束，目前世界上約有可耕地1％（1,400萬公頃）可用於生物燃料的生產，提供全球1％的運輸燃料，但是卻對世界糧食供應造成嚴重影響；第2代生物燃料以能源作物、農業殘留物、森林採伐殘留物或木材加工廢物為原料，然而，該技術還沒有達到可供大規模商業開發的水準。
第3代生物燃料則是微生物進行光合作用，快速將太陽能轉換為生質體，進而做為生物燃料，如藻類生質燃料，具有滿足能源需求和兼具環境效益的特點，所以台電將藻類經生物技術萃取特殊活性物質做高商業價值產品的開發，並繼續利用生質物焙燒（Torrefaction）技術，將藻類置於一大氣壓且缺氧的環境下進行低溫碳化，操作溫度介於200～350℃、升溫速率小於50℃╱min，最終的產出為固體之生質煤炭（Biocoal），即為焙燒生質物（Torrefied Biomass）如圖5，以及部分的液態焦油（Tar）、有機揮發物與少量的合成氣（Syngas），其所製備的生物碳可供作燃煤鍋爐混燒利用之燃料。
結語
二氧化碳減量議題為現階段電廠發展所面臨的主要問題之一，微藻減碳技術是除了種樹植林外，另一種對於環境友善處理溫室氣體的方法。台電透過現階段的研究，可將藻體轉化為生物燃料及藻藍蛋白等副產品，另外，也希望透過技術經濟分析，找出促成藻類減碳技術的整體價值鏈，並進行資金量化分析，期能協助藻類減碳計畫風險識別及做為未來商業化可行性的決策依據。（作者任職於台電公司綜合研究所化學與環境研究室）
關鍵字：微藻,生物固碳法,光合反應器,生物燃料,二氧化碳