2016/10/05
經濟部能源局
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整理撰文／謝惠子
受訪／中油綠能科技研究所 黃冬梨所長
資料、圖片提供／中油綠能科技研究所
穿越20 億年的漫長歲月，古老的藻類不再只是單純的植物始祖，而是被賦予新任務：利用光合作用，將溫室氣體二氧化碳、再加上水，進行轉換為藻體（醣類），為二氧化碳減量及再利用，提供一條綠色路徑。
2015年COP21會議達成為地球降溫的共識，期望能限制溫升在2˚C以內及全球碳總量維持在1兆噸以下，並希望於2050年至2100年間達到溫室氣體零排放量。我國於2015年6月通過的《溫室氣體減量及管理法》，訂定排放目標為：2050年的二氧化碳排放量降至2005年的50％，約為1.22億噸，相當於回復到1991年的排放水準，因此，如何將二氧化碳有效減量及再利用，已是重要課題。
二氧化碳大變身：捕捉與再利用其來有自
「二氧化碳再利用可分為物理性、化學性與生物性等三個方向。」中油綠能科技研究所黃冬梨所長做了上述簡潔的說明。像是石油礦區在開採末期階段時，會將二氧化碳打入地層，再次擠壓出岩層縫隙間之儲油，這是石油增產（Enhanced Oil Recovery, EOR）常用的一種方式，也是二氧化碳的一種物理性應用方式。中油高雄煉油廠關廠前，曾將廠內氫氣工廠的尾氣（二氧化碳濃度高於95％），轉售給福宏公司精煉至CO2純度99％以上，以供鑄造、飲料及醫療等用途。聯華氣體於2015年完成氫氣工廠尾氣捕捉二氧化碳的工廠，年產1 萬噸高純度食品級二氧化碳。「整體來說，國內二氧化碳市場並不大，年需量約20萬噸左右，未來仍須創造需求，才可提高二氧化碳再利用的市場。」黃所長說。
在化學性利用方面，二氧化碳可藉由與氨進行反應生產尿素，每年全球的需求量可達到500萬至3,000萬公噸，是二氧化碳再利用的第2大市場。「至於生物性利用方面，就是綠色植物的角色，大氣中的二氧化碳平衡就靠它了。海中的各種藻類也是功不可沒！」黃所長解釋，植物能夠透過光合作用，將二氧化碳還原為生物質，其中微藻的光合作用效率為3～6％，遠高於陸上植物（1％），「所以在油價高漲時期，國內外有許多國家型計畫進行微藻固碳生產生質油料的研究，雖然微藻細胞分裂速度快，但囿於水中光線穿透力的限制，最終藻體濃度都是低於1公克／公升的，回收需耗費大量能源、且成本高，使得利用微藻生產生質油的經濟可行性較低。反之，若能鼓勵大家平日都食用藻類，將是普羅大眾亦能親力實踐減碳的好行為，畢竟養藻是一種有效的生物減碳方式。」
看藻類變魔術
「做為國內主要的油氣供應者，中油有義務投入這場減碳任務。」根據考證，石油是由史前的藻類遺跡經過地底下的高壓與高溫逐漸轉化而成，說來藻類和油公司是最早有淵源的，黃所長笑稱。
藻類是以陽光為能源，將二氧化碳轉變為藻體，而藻體的組成包含油脂、蛋白質、醣類等，具減碳效益。「因此，中油在2012年成立綠能科技研究所，二氧化碳再利用便為研究主軸之一，其中海藻養殖是最天然的方式，兼具生物減碳、及水質再淨化之氮、磷移除等效益，養殖後採收的藻體，可應用於食用、各種生技原料、檢驗試劑製造等多種高值化用途，故綠能所積極投入這個領域的研究。」
藻類培養學問多
若從藻類培養的方式來談，黃所長解說，可依照能量來源及碳源的不同來分，常見的有：光自營、異營及混營等三種培養方式。
光自營培養是指微藻利用陽光做為唯一能量來源，再以二氧化碳做為碳源，將太陽能轉變為藻體，進行二氧化碳的直接利用。
異營培養則意味著微藻僅以有機碳源做為能源和碳源。異營培養可消除自營培養時，光不足的不利因素，進行高密度培養。另外，如利用工業發酵系統進行異營式培養微藻，可克服微藻自營培養的諸多缺點，是提高微藻產量與產物產率的有效途徑之一，但已失去生物減碳的意義，因為不是以二氧化碳做為生長所需的碳源。
至於混營又稱兼營，是在利用光能和二氧化碳等無機碳源的同時，以有機碳做為補充碳源和能源的一種培養方法。微藻的混營培養過程包括：光能的吸收轉化、二氧化碳的吸收固定、有機物的同化等，是比較複雜的生化過程。
但是，並非所有藻種都可以適應異營或是混營培養，因此需要通過篩選找出適合異營或是混營生長的藻種。「藻類藉由光合作用的機制，將大氣中的二氧化碳轉為人類可利用的各種有機質，依目的不同，可篩選不同的藻種。進行藻體成分的分析，驗證其特殊功能。培養時由實驗室到戶外逐步放大測試，這是相當花時間的基礎工作。」黃所長表示，中油綠能所除自行研究外，亦曾積極參與第二期能源國家型科技計畫，進行「微藻二氧化碳固定及轉化生質燃料與化學品之再利用關鍵技術開發」研究，並於2014年與微藻團隊（成大、交大、金屬中心等組成）簽訂合作意願書，希望能夠加速產業相關應用的開發時程。
小小藻類用處大大
目前國內在微藻固碳研究方面，由經濟部能源局支持、工研院與台泥技術合作，投入微藻固碳與應用技術已有成果。其利用鈣迴路碳捕捉技術，可以使額外能源耗用小於20％，碳捕捉率高達90％以上，且每噸二氧化碳捕捉成本低於30美元。每年除了可望為台泥貢獻4,800公噸的減碳量，亦將所捕捉的二氧化碳用於微藻及雨生紅球藻培養，並從雨生紅球藻中提取蝦紅素，初期年產量約160公斤，產值約新臺幣4,096萬元，綠色循環經濟商機前景看好。
台電則是於1988年就開始進行微藻固碳的研究，2004年在高雄大林發電廠進行「微藻固定CO2整合研究計畫」，在培養溫室的屋頂設置薄膜式太陽能板，讓太陽光的紅光區帶能夠透入溫室，促進微藻生長，並儲存電力供應晚上LED以提供光照，使微藻可以在夜間持續生長。由於不是所有的藻類都適合戶外養殖，加上微藻放大養殖受限於土地面積及氣候等條件，所以台電研發出立體式光合反應器（28噸），克服了土地空間與一些外在條件的限制，估計減碳效益每年每公頃約74公噸。因為在大林電廠的實驗成果卓越，所以在林口電廠設置了第2座微藻固碳實驗養殖場，擴大實驗規模；未來將持續依據市場及經濟導向，開發微藻資源整合多元應用。
中油綠能所於2014年完成戶外微藻養殖試驗工場的籌建及運轉，至於今年（2016）的研究重點，則是以液化天然氣廠的冷排水，進行大型紅藻養殖。「中油液化天然氣接收站的冷排水，被暱稱為鑽石水，低溫、潔淨且量大，適合應用於養殖大型海藻。我們先在實驗室進行藻種培養，逐步放大，再接種至戶外養殖系統。」黃所長指出，目前室內養殖規模已可達1.5噸，能夠做為戶外放大10噸及20噸養殖池的藻種源，而且藉由冷排水低溫的優勢，讓適合於20～25℃生長的紅藻，在臺灣也可以生長良好且維持高品質。
因為所養的海藻為多細胞生物，肉眼即可見，故利用篩網過濾即可採收，相較於微藻需要高速離心或混凝劑，能夠節省更多採收成本。「就在今年底，我們的戶外紅藻水養殖試驗工廠將完成，此試驗場共有1個10噸及2個20噸養殖池，以冷排水做為水源，養殖大型海藻，這是國內首次利用冷排水於陸上養殖海藻的先例。」不過黃所長也不忘提醒，雖然此法可以捕捉二氧化碳，但數量仍是有限。若要能夠大量減碳，仍需開發二氧化碳的其他利用方法。二氧化碳是穩定的化合物，不容易進行進一步的反應，但觸媒的突破性發展讓嵌入二氧化碳的高分子合成，已能進入商業化期程。此類物質可取代現有來自石油碳氫化合物的高分子物質，由於使用量大，若經濟可行，將使二氧化碳的減量成效更為具體有效。
未來進行式：以微力融入世界
「或許大家不知道，30幾年前，臺灣曾是綠藻的重要生產國，全球有高達70％的綠藻（小球藻）就是在臺灣生產的，一般都採用開放式圓形養殖池來生產綠藻，用於製造保健食品、美容保養品等，這是大家較為熟知的。」黃所長說，目前中國大陸已躍居全球綠藻總產量的最大國家，而臺灣在品質上依舊領先中國大陸，高值化應用需持續開發，才能保有相對優勢。
「由於能源國家型科技計畫傳統上常由化工、化學背景學者專家主導，所以建議可邀請長期進行藻類養殖研究之生物背景學者專家、以及國內藻類生產廠商加入或諮詢，將有助於研究方向的掌握，使研究成果更具有商業化價值。」誠如雨果所言：「進步，意味著目標不斷前移、階段不斷更新。」唯有不斷地精進與突破，並廣納各方力量，才能開創更多的可能性！
關鍵字：藻類,二氧化碳,微藻,紅藻,冷排水