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在全球暖化与石油耗竭的趋势之下,世界各国纷纷投入生质燃料技术发展与产业的建构,以减缓大气中温室气体上升的速度并降低对石油依赖。在世界发展的潮流下,台湾地区生质柴油的推广与产业建构已逐步展开。自2004年开始,台湾能源局与环保局陆续在台湾地区16个县市推动《生质柴油道路试行工作计划》,由环保清洁车辆率先试用。2007年1月,高雄市在《能源作物绿色公交车计划》规划下,公交车开始使用生质柴油。
何谓生质柴油
生质柴油是利用大豆油、菜籽油、棕桐油等植物油或动物脂肪油、废食用油为原料,与醇类(甲醇或乙醇)经过转酯化反应(Transesterification reaction)(图1)所合成出一种可再生的环保油品,其主成分为长链脂肪酸甲酯(FattyAcid Methyl Ester.FAME)。生质柴油具有良好的环境效益,因为它可以在大自然环境中被生物分解,若不小心泄漏时较不易污染地面和水体。此外,使用生质柴油,可以减少引擎所排放的污染物,特别是二氧化碳与硫氧化物等温室气体的排放。
生质柴油并非新的替代能源。早在1989年,柴油引擎发明人,德国工程师Dr.Rudolf Diesel,在巴黎博览会上展示的全世界第一台柴油引擎就是使用花生油作为燃料。Dr.Diesel所设计之柴油引擎的理念,即是希望能够使用植物油与矿物油等不同的油料作为燃料。他认为,若能大量使用农作物所提炼出来的油脂作为燃料,将有助于乡村经济的发展。然而,生质柴油的理念却因为无法面对石化燃料探勘与开采技术疾速发展所带来低价化石燃料(fossil fuel)的竞争,因此失去舞台。直到最近,全球暖化等环保诉求和居高不下的原油价格,生质柴油再度找到可以发挥的舞台。
生质柴油的环境效益与使用优点
根据美国环保署所做的研究显示,与石化柴油相比,使用生质柴油可以降低引擎尾气中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)与悬浮微粒(PM)等污染物的排放(图2)。此外,因为生质柴油主要使用能源作物和废油脂为原料,所以生质柴油中所含之硫的比例远低于石化柴油,因此可以有效降低燃烧废气中二氧化硫和硫化物的排放。
另外,从碳循环的角度来思考,生质柴油的制造与使用是存在于密闭的碳循环(Carbon Cycle)系统中(图3)。生质柴油燃烧后所产生的二氧化碳返回生态系统中,供能源作物行光合作用成长,可以避免大气中的二氧化碳浓度持续上升。
除了具有环境保护的效益外,生质柴油还具有下列的优点:
● 闪火点(Flash Point)较石化柴油高,具有较好的运输和储存安全性。
● 具有较好的润滑性能,可降低引擎系统磨损,延长使用寿命。
● 16烷值(Cetane Number)较高,具有容易起动、燃烧均匀等良好的燃料性能。
● 无须更改车辆引擎即可直接添加使用,加油站也无须更改储存与加油设备。
● 生质柴油以特定比例与石化柴油掺配使用,可以降低油耗、提高动力。
在种种的优势之下,生质柴油成为现有的燃料中,最具衔接传统石化燃料与尚未成熟的氢能等未来节净能源科技之间的最佳替代燃料。
生质柴油市场发展概况
鼠涨的原油价格是生质量柴油产业发展的重要推手
2001年以来,国际原油价格不断上涨,2006年原油年平均价格约为2001年2.5倍的惊人幅度上涨。而美国西德州中级原油(WTI)期货价格在2006年7月甚至一度上涨到77美元/桶的高价位,虽然2006年底一度降回60美元/桶附近,但2007年又再度升至70元/桶上下(图4),近3年始终在65美元/桶价位徘徊。
原油价格高居不下的情势使得替代能源再度受到瞩目,成为各国政府与企业资金投入的热门领域,在替代能源中,生质柴油与生质酒精(Bioethen01)等生质燃料(Biofuel),因为技术发展成熟,且具有可以直接取代现有能源系统中汽油、柴油使用的特性,产业发展十分快速。
综观近几年油价起伏情势可以发现,造成高油价的主因在于主要生产地区政治局势不稳定所造成的供给不稳定,以及中国与印度等新兴成长国家快速增加的需求,而造成市场供需失去平衡所致。另一方面,屡创新高的原油期货交易,也成为投资者牟利的金融工具。而油价走高的情势短期来看并不会改变。根据国际能源总署(IEA)在2007年7月的所发布的预测,未来几年原油需求的增加速度远高于供给,供给将日趋吃紧,高油价将会持续,未来继续上涨的可能性很大。这个局势,是生质柴油等替代能源产业得以持续发展的契机。
全球生质柴油产业快速成长
根据统计,2006年全球生质柴油总产量约为65亿公升,较2005年的39亿公升增长67%,连续两年成长率超过60%(图5),增长速度惊人,而近年来全球生质柴油产业发展之所以能快速发展,除了原油价格长期高居不下之外,在能源自主与环保等诉求的驱使下,各国政府政策强力支持为最主要的因素。这个因素促使生质柴油产业得以在全球吸引大量的资金投入基础建设,产能不断扩充;产量也在政策目标的需求刺激下快速增长。
欧洲,全世界最大市场所在
在现今的全球市场分布(图6)中,欧洲为生质柴油最主要的生产与消费地区,2006年全欧洲生质柴油总产量占全球总产量的85%,总产能56亿公升,较2005年成长67%。欧盟为了因应京都议定书中温室气体减量压力,在Directive 2003/30/EC(Promotion o{the use of biofuets orother renewable fuels for transport)设定要在2010年达到生质燃料使用占总燃料使用5.75%的目标。
为达成此目标,欧洲目前仍不断的扩充产能。根据EBB(European Biodiesel Board)的数据显示,截至2007年7月,全欧洲共有185座生质柴油厂在运作生产,另有58座厂在兴建中,预计2007年总产能可望达到116亿公升,生质柴油占欧洲地区总运输燃料市场中5.75%的目标,可望在2008年提前达成。
主要国家发展动向
德国位屠龙头
就国家而言,柴油引擎的发源地,德国,是目前全球最大的生质柴油生产与消费国。2006年总生产量约占全球的49%,总产能30亿公升,较2005年增长51%,连续4年都有将近50%以上的增长率。德国生质柴油产业之所以能持续成长,主要归因于国家政策长期的支持。
德国在1992年修订矿物油税法(Mineral oil tax Law),该法对纯的生质柴油提供免税的优惠;德国在2004年重新修 订优惠条件,将整个范围扩大到所有有掺配生质燃料的油品,此举成功的带动生质柴油产业发展。
德国长期的税赋优惠已经达到推动生质柴油产业建构的成效,目前整个产业已日趋成熟。着眼于此,德国政府也开始修改生质燃料免税优惠政策,自2006年8月开始对生质柴油征收部分的税额,未来也将逐步减少优惠措施。这一个政策虽然曾使生质柴油销售受到顿挫,但由于原油价格仍然居高不下,生质柴油仍具竞争力,因此并没有对整个产业造成重大的影响。短期来看,德国政府放手让生质柴油与传统化石燃料自由竞争的政策方向并不会改变。世界上有意推动生质柴油产业的国家,目前也都在持续观察德国生质柴油发展的状况,作为未来研拟发展政策的参考依据。
美国成长快速
美国近年来除了致力于生质酒精的发展(目前仅次子巴西,为全世界第二大生质酒精生产国)之外,对生质柴油的发展也颇为重视。不同于欧洲地区以油菜籽为主要料源,美国生质柴油主要以大豆为料源。
美国目前是全球第二大生质柴油生产国,2006年总生产量约占全球的1.5%,总产量将近10亿公升,较2005年增长2.3倍,在产能方面,增长也十分惊人。据NBB(NationBioDiesel Board)所做的统计,截至2007年1月,美国共有105家生质柴油制造厂正式运转,年产能约为33亿公升;另外尚有77家在建设中,预计2008年年中总产能将会大幅提升到64亿公升。
美国国会在2005年8月制定的EPACT 2005法案中,设定了要在2012年达到75亿加仑生质燃料的使用目标;而布什总统在2007年的国情咨文中也提到要在未来10年内将石油的总消耗量减少20%,由生质燃料来取代。这些政策目标使相关促进产业发展的法案和措施在各州纷纷立法通过;也带动了整个生质柴油产业的发展。整体而言,美国生质柴油产业还有很大的发展能量与空间。
新兴地区逐步发展
除了德国和美国之外,法国、英国与意大利等国家是目前较大的生质柴油生产国,总产量约占全球的24.1%。法国及意大利2006年的年产量分别为8.4及5.1亿公升,较2005年分别增长69%及154%。英国、西班牙、奥地利、捷克、丹麦等国家的产量也都有明显的增长。
在亚洲方面,马来西亚、印度尼西亚和泰国这三个全球棕桐油最主要的生产(总产量约占全球85%)和输出国,目前也都开始投入生质柴油产业的发展。这几个国家目前也都计划挟其掌握料源优势,朝向成为生质柴油输出国发展。这些新兴地区所占的产量比例在2006年达到9.4%,总产量约9.6亿公升,较2005年增长将近9倍。
未来4年市场仍将持续成长
根据据Global Industry Analysts所做的预估,2010年全球生质柴市场将成长至180亿公升,相较于2005年的65亿公升,成长幅度将近285%。造成市场成长的因素主要来自于政府奖励补助与强制掺配的相关法令与目标。以下将全球有生质柴油相关法令规划或计划的国家,针对其规划作概略的介绍与可能用量的推估。
目前,欧盟对于生质燃料推广的目标是在2010年达到总运输燃料市场中5.75%的占有率。要达到此目标,生质柴油将扮演极为重要的角色,估计约会有105亿公升的需求量。
在美洲方面,美国若要达成2017年以前减少汽油20%的使用量的目标,将会需要约1350亿公升的替代燃料,因此除了生质酒精之外,生质柴油也将扮演重要角色。
巴西政府除了发展生质酒精外,也对生质柴油的发展有相关的规划。根据目前的生质柴油计划,预计在2008年达成B2(将石化柴油混用2%的生质柴油,B代表Biodiesel,2代表2%)的掺配量,并在2013年达成B5,届时将有每年10亿公升的需求量。
在加拿大,生质柴油仍处于初期发展阶段,目前部份的巴士公司采用进口的B20生质柴油来试行,加拿大政府在环保的需求下,在“Climate Change Action PIan,”也订定了在2010前达成2%的掺配目标,估计会有5亿公升的需求量。若施行顺利,将在2015年前达到10亿公升的需求。
市场应用趋势
目前市场上的生质柴油产品仍以与石化柴油掺配为主,其掺配比例在各地方有不同规格,常见如欧洲与美国部份地区的B20。由于生质柴油与现有引擎兼容性高,其它如B50、B85、B100等产品,在欧盟等发展较成熟的市场也可看到。
生质柴油是以酯类为主的混合物,不过,由于其料源广泛(如豆油、菜籽油、废弃的食用油等多种高油脂粗料来源),不同料源所产出的产品差异性大;加上制程的不同,混和物成分比例往往有所差异。为此,多数使用生质柴油的国家也订定出生质柴油的特性、成分标准。目前,国际标准多半以由欧盟提出的EN 14214与美国的ASTM D6751(表1)为主。
技术发展概况
转酯化(Transesterification)技术具有高转化率、反应时间短、触媒成本低等优势,是目前生质柴油商业化制程中最常见的技术。转酯化技术所使用的催化剂可分为使用化学催化剂的碱制程和使用生物催化剂的酵素(生物)转化制程两种(表2)。
碱质程为目前最常见之商业化制程
在碱制程中,最常见的触媒包含碱金族氢氧化物(NaOH、KOH)、碱金族烷基氧化物(CH3ONa)、碳酸钠与碳酸钾等触媒。碱触媒制程反应快(少于1小时),且产率高(>98%),目前被广泛使用于商业化制程。
在这些触媒中,CH3ONa。可以在较短反应时间(30分钟)得到相当高的产率(>98%),但其缺点在于反应须在无水环境中进行,因此商业化生产时条件较为严苛;而NaOH和KOH虽然反应速率不及CH30Ne,但因为价格便宜,且在较高浓度(1~2mol%)也可以达到相同产率,因此适合商业化制程使用。然而碱制程虽然反应快、产率高,但是需要较高的能源消耗,也须要产品中碱液去除和碱液废水处理等繁杂的程序;还有甘油副产物回收较为困难的缺点。
发展中的酵素转化生物制程
酵素转化制程是以脂肪酵素(lipase)作为催化剂,将三酸甘油酯藉由酯基交换作用产生甘油和生质柴油。相较于碱制程,酵素转化制程具有较低耗能、无废水排放和适用于各种植物油,废食用油甚至动物油等广泛料源等优点。此外,所生产的生质柴油与其副产品甘油中没有碱液残存,可以减少产品纯化的程序。
酵素转化主要可以分为使用分离纯化过的胞外脂解酵素(extracellular lipase)和使用全细胞的胞内脂解酵素(intracellular lipase),经分离纯化的胞外酵素具有高活性,且反应单纯,反应速率和转化率较高,但由于纯化酵素目前仍属于高价商品,发展易于回收再生使用的酵素固定化技术是目前技术发展的重点。
相较于胞外脂解酵素需要经过分离纯化的程序,使用全细胞的胞内脂解酵素,具有不须对细胞进行繁杂处理、生物反应器容易放大、制程成本较胞外酵素低等优点,是具有潜力的生物转酯化制造技术,整体而言,生物转酯化技术在商业化使用前仍有酵素单价高,转化反应时间长、酵素使用寿命短等挑战需要克服。
避免与民争食争议,澡类生制柴油极具潜力
藻类油脂很早以前就被应用于化妆品工业,而其应用于燃料的研究发展起始于1978年美国能源部所支持,希望能从水藻中提炼出生物柴油的“水生植物计划”(AquaticSpecies Program.ASP)。不幸地,ASP计划在1996年时因为所生产的藻类生质柴油成本较当时石化柴油超出许多,没有市场竞争力,碍于研究资源的分配而被终止。
直到近年来生质柴油产业快速发展,大规模耕种植能源作物造成与农粮作物争地造成与民争食和森林资源破坏的争议之下,具有成长快速、单位面积产油量高的优势,并且可以培养在不适合耕作的土地上生产藻类,所以藻类生质柴油又逐渐受重视。
使用藻类来生产生质柴油的流程和一般能源作物类似,首先需将藻体中所含的油脂以溶剂(己烷或苯)萃取出。萃取出之粗油再经过脱胶,去除非中性脂肪之磷脂质,再经转酯化程序,转化为生质柴油。藻类总脂肪中的中性脂肪一三酸甘油脂,即为生质柴油之主要料源;而经油脂萃取后的剩余藻细胞,因含有蛋白质及碳水化合物,可以做为动物饲料之添加物。
由于藻油萃取后的制程与一般能源作物类似,藻类生质柴油技术的发展主要在于藻类品种筛选、培养、采收等层面。在能够商业化生产前,还有基因改良的藻种生产力无法提高、藻类之培养不稳定、微藻之采收、养殖池之设计问题以及光生物反应器造价昂贵且不实用等困难尚待克服。
何谓生质柴油
生质柴油是利用大豆油、菜籽油、棕桐油等植物油或动物脂肪油、废食用油为原料,与醇类(甲醇或乙醇)经过转酯化反应(Transesterification reaction)(图1)所合成出一种可再生的环保油品,其主成分为长链脂肪酸甲酯(FattyAcid Methyl Ester.FAME)。生质柴油具有良好的环境效益,因为它可以在大自然环境中被生物分解,若不小心泄漏时较不易污染地面和水体。此外,使用生质柴油,可以减少引擎所排放的污染物,特别是二氧化碳与硫氧化物等温室气体的排放。
生质柴油并非新的替代能源。早在1989年,柴油引擎发明人,德国工程师Dr.Rudolf Diesel,在巴黎博览会上展示的全世界第一台柴油引擎就是使用花生油作为燃料。Dr.Diesel所设计之柴油引擎的理念,即是希望能够使用植物油与矿物油等不同的油料作为燃料。他认为,若能大量使用农作物所提炼出来的油脂作为燃料,将有助于乡村经济的发展。然而,生质柴油的理念却因为无法面对石化燃料探勘与开采技术疾速发展所带来低价化石燃料(fossil fuel)的竞争,因此失去舞台。直到最近,全球暖化等环保诉求和居高不下的原油价格,生质柴油再度找到可以发挥的舞台。
生质柴油的环境效益与使用优点
根据美国环保署所做的研究显示,与石化柴油相比,使用生质柴油可以降低引擎尾气中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)与悬浮微粒(PM)等污染物的排放(图2)。此外,因为生质柴油主要使用能源作物和废油脂为原料,所以生质柴油中所含之硫的比例远低于石化柴油,因此可以有效降低燃烧废气中二氧化硫和硫化物的排放。
另外,从碳循环的角度来思考,生质柴油的制造与使用是存在于密闭的碳循环(Carbon Cycle)系统中(图3)。生质柴油燃烧后所产生的二氧化碳返回生态系统中,供能源作物行光合作用成长,可以避免大气中的二氧化碳浓度持续上升。
除了具有环境保护的效益外,生质柴油还具有下列的优点:
● 闪火点(Flash Point)较石化柴油高,具有较好的运输和储存安全性。
● 具有较好的润滑性能,可降低引擎系统磨损,延长使用寿命。
● 16烷值(Cetane Number)较高,具有容易起动、燃烧均匀等良好的燃料性能。
● 无须更改车辆引擎即可直接添加使用,加油站也无须更改储存与加油设备。
● 生质柴油以特定比例与石化柴油掺配使用,可以降低油耗、提高动力。
在种种的优势之下,生质柴油成为现有的燃料中,最具衔接传统石化燃料与尚未成熟的氢能等未来节净能源科技之间的最佳替代燃料。
生质柴油市场发展概况
鼠涨的原油价格是生质量柴油产业发展的重要推手
2001年以来,国际原油价格不断上涨,2006年原油年平均价格约为2001年2.5倍的惊人幅度上涨。而美国西德州中级原油(WTI)期货价格在2006年7月甚至一度上涨到77美元/桶的高价位,虽然2006年底一度降回60美元/桶附近,但2007年又再度升至70元/桶上下(图4),近3年始终在65美元/桶价位徘徊。
原油价格高居不下的情势使得替代能源再度受到瞩目,成为各国政府与企业资金投入的热门领域,在替代能源中,生质柴油与生质酒精(Bioethen01)等生质燃料(Biofuel),因为技术发展成熟,且具有可以直接取代现有能源系统中汽油、柴油使用的特性,产业发展十分快速。
综观近几年油价起伏情势可以发现,造成高油价的主因在于主要生产地区政治局势不稳定所造成的供给不稳定,以及中国与印度等新兴成长国家快速增加的需求,而造成市场供需失去平衡所致。另一方面,屡创新高的原油期货交易,也成为投资者牟利的金融工具。而油价走高的情势短期来看并不会改变。根据国际能源总署(IEA)在2007年7月的所发布的预测,未来几年原油需求的增加速度远高于供给,供给将日趋吃紧,高油价将会持续,未来继续上涨的可能性很大。这个局势,是生质柴油等替代能源产业得以持续发展的契机。
全球生质柴油产业快速成长
根据统计,2006年全球生质柴油总产量约为65亿公升,较2005年的39亿公升增长67%,连续两年成长率超过60%(图5),增长速度惊人,而近年来全球生质柴油产业发展之所以能快速发展,除了原油价格长期高居不下之外,在能源自主与环保等诉求的驱使下,各国政府政策强力支持为最主要的因素。这个因素促使生质柴油产业得以在全球吸引大量的资金投入基础建设,产能不断扩充;产量也在政策目标的需求刺激下快速增长。
欧洲,全世界最大市场所在
在现今的全球市场分布(图6)中,欧洲为生质柴油最主要的生产与消费地区,2006年全欧洲生质柴油总产量占全球总产量的85%,总产能56亿公升,较2005年成长67%。欧盟为了因应京都议定书中温室气体减量压力,在Directive 2003/30/EC(Promotion o{the use of biofuets orother renewable fuels for transport)设定要在2010年达到生质燃料使用占总燃料使用5.75%的目标。
为达成此目标,欧洲目前仍不断的扩充产能。根据EBB(European Biodiesel Board)的数据显示,截至2007年7月,全欧洲共有185座生质柴油厂在运作生产,另有58座厂在兴建中,预计2007年总产能可望达到116亿公升,生质柴油占欧洲地区总运输燃料市场中5.75%的目标,可望在2008年提前达成。
主要国家发展动向
德国位屠龙头
就国家而言,柴油引擎的发源地,德国,是目前全球最大的生质柴油生产与消费国。2006年总生产量约占全球的49%,总产能30亿公升,较2005年增长51%,连续4年都有将近50%以上的增长率。德国生质柴油产业之所以能持续成长,主要归因于国家政策长期的支持。
德国在1992年修订矿物油税法(Mineral oil tax Law),该法对纯的生质柴油提供免税的优惠;德国在2004年重新修 订优惠条件,将整个范围扩大到所有有掺配生质燃料的油品,此举成功的带动生质柴油产业发展。
德国长期的税赋优惠已经达到推动生质柴油产业建构的成效,目前整个产业已日趋成熟。着眼于此,德国政府也开始修改生质燃料免税优惠政策,自2006年8月开始对生质柴油征收部分的税额,未来也将逐步减少优惠措施。这一个政策虽然曾使生质柴油销售受到顿挫,但由于原油价格仍然居高不下,生质柴油仍具竞争力,因此并没有对整个产业造成重大的影响。短期来看,德国政府放手让生质柴油与传统化石燃料自由竞争的政策方向并不会改变。世界上有意推动生质柴油产业的国家,目前也都在持续观察德国生质柴油发展的状况,作为未来研拟发展政策的参考依据。
美国成长快速
美国近年来除了致力于生质酒精的发展(目前仅次子巴西,为全世界第二大生质酒精生产国)之外,对生质柴油的发展也颇为重视。不同于欧洲地区以油菜籽为主要料源,美国生质柴油主要以大豆为料源。
美国目前是全球第二大生质柴油生产国,2006年总生产量约占全球的1.5%,总产量将近10亿公升,较2005年增长2.3倍,在产能方面,增长也十分惊人。据NBB(NationBioDiesel Board)所做的统计,截至2007年1月,美国共有105家生质柴油制造厂正式运转,年产能约为33亿公升;另外尚有77家在建设中,预计2008年年中总产能将会大幅提升到64亿公升。
美国国会在2005年8月制定的EPACT 2005法案中,设定了要在2012年达到75亿加仑生质燃料的使用目标;而布什总统在2007年的国情咨文中也提到要在未来10年内将石油的总消耗量减少20%,由生质燃料来取代。这些政策目标使相关促进产业发展的法案和措施在各州纷纷立法通过;也带动了整个生质柴油产业的发展。整体而言,美国生质柴油产业还有很大的发展能量与空间。
新兴地区逐步发展
除了德国和美国之外,法国、英国与意大利等国家是目前较大的生质柴油生产国,总产量约占全球的24.1%。法国及意大利2006年的年产量分别为8.4及5.1亿公升,较2005年分别增长69%及154%。英国、西班牙、奥地利、捷克、丹麦等国家的产量也都有明显的增长。
在亚洲方面,马来西亚、印度尼西亚和泰国这三个全球棕桐油最主要的生产(总产量约占全球85%)和输出国,目前也都开始投入生质柴油产业的发展。这几个国家目前也都计划挟其掌握料源优势,朝向成为生质柴油输出国发展。这些新兴地区所占的产量比例在2006年达到9.4%,总产量约9.6亿公升,较2005年增长将近9倍。
未来4年市场仍将持续成长
根据据Global Industry Analysts所做的预估,2010年全球生质柴市场将成长至180亿公升,相较于2005年的65亿公升,成长幅度将近285%。造成市场成长的因素主要来自于政府奖励补助与强制掺配的相关法令与目标。以下将全球有生质柴油相关法令规划或计划的国家,针对其规划作概略的介绍与可能用量的推估。
目前,欧盟对于生质燃料推广的目标是在2010年达到总运输燃料市场中5.75%的占有率。要达到此目标,生质柴油将扮演极为重要的角色,估计约会有105亿公升的需求量。
在美洲方面,美国若要达成2017年以前减少汽油20%的使用量的目标,将会需要约1350亿公升的替代燃料,因此除了生质酒精之外,生质柴油也将扮演重要角色。
巴西政府除了发展生质酒精外,也对生质柴油的发展有相关的规划。根据目前的生质柴油计划,预计在2008年达成B2(将石化柴油混用2%的生质柴油,B代表Biodiesel,2代表2%)的掺配量,并在2013年达成B5,届时将有每年10亿公升的需求量。
在加拿大,生质柴油仍处于初期发展阶段,目前部份的巴士公司采用进口的B20生质柴油来试行,加拿大政府在环保的需求下,在“Climate Change Action PIan,”也订定了在2010前达成2%的掺配目标,估计会有5亿公升的需求量。若施行顺利,将在2015年前达到10亿公升的需求。
市场应用趋势
目前市场上的生质柴油产品仍以与石化柴油掺配为主,其掺配比例在各地方有不同规格,常见如欧洲与美国部份地区的B20。由于生质柴油与现有引擎兼容性高,其它如B50、B85、B100等产品,在欧盟等发展较成熟的市场也可看到。
生质柴油是以酯类为主的混合物,不过,由于其料源广泛(如豆油、菜籽油、废弃的食用油等多种高油脂粗料来源),不同料源所产出的产品差异性大;加上制程的不同,混和物成分比例往往有所差异。为此,多数使用生质柴油的国家也订定出生质柴油的特性、成分标准。目前,国际标准多半以由欧盟提出的EN 14214与美国的ASTM D6751(表1)为主。
技术发展概况
转酯化(Transesterification)技术具有高转化率、反应时间短、触媒成本低等优势,是目前生质柴油商业化制程中最常见的技术。转酯化技术所使用的催化剂可分为使用化学催化剂的碱制程和使用生物催化剂的酵素(生物)转化制程两种(表2)。
碱质程为目前最常见之商业化制程
在碱制程中,最常见的触媒包含碱金族氢氧化物(NaOH、KOH)、碱金族烷基氧化物(CH3ONa)、碳酸钠与碳酸钾等触媒。碱触媒制程反应快(少于1小时),且产率高(>98%),目前被广泛使用于商业化制程。
在这些触媒中,CH3ONa。可以在较短反应时间(30分钟)得到相当高的产率(>98%),但其缺点在于反应须在无水环境中进行,因此商业化生产时条件较为严苛;而NaOH和KOH虽然反应速率不及CH30Ne,但因为价格便宜,且在较高浓度(1~2mol%)也可以达到相同产率,因此适合商业化制程使用。然而碱制程虽然反应快、产率高,但是需要较高的能源消耗,也须要产品中碱液去除和碱液废水处理等繁杂的程序;还有甘油副产物回收较为困难的缺点。
发展中的酵素转化生物制程
酵素转化制程是以脂肪酵素(lipase)作为催化剂,将三酸甘油酯藉由酯基交换作用产生甘油和生质柴油。相较于碱制程,酵素转化制程具有较低耗能、无废水排放和适用于各种植物油,废食用油甚至动物油等广泛料源等优点。此外,所生产的生质柴油与其副产品甘油中没有碱液残存,可以减少产品纯化的程序。
酵素转化主要可以分为使用分离纯化过的胞外脂解酵素(extracellular lipase)和使用全细胞的胞内脂解酵素(intracellular lipase),经分离纯化的胞外酵素具有高活性,且反应单纯,反应速率和转化率较高,但由于纯化酵素目前仍属于高价商品,发展易于回收再生使用的酵素固定化技术是目前技术发展的重点。
相较于胞外脂解酵素需要经过分离纯化的程序,使用全细胞的胞内脂解酵素,具有不须对细胞进行繁杂处理、生物反应器容易放大、制程成本较胞外酵素低等优点,是具有潜力的生物转酯化制造技术,整体而言,生物转酯化技术在商业化使用前仍有酵素单价高,转化反应时间长、酵素使用寿命短等挑战需要克服。
避免与民争食争议,澡类生制柴油极具潜力
藻类油脂很早以前就被应用于化妆品工业,而其应用于燃料的研究发展起始于1978年美国能源部所支持,希望能从水藻中提炼出生物柴油的“水生植物计划”(AquaticSpecies Program.ASP)。不幸地,ASP计划在1996年时因为所生产的藻类生质柴油成本较当时石化柴油超出许多,没有市场竞争力,碍于研究资源的分配而被终止。
直到近年来生质柴油产业快速发展,大规模耕种植能源作物造成与农粮作物争地造成与民争食和森林资源破坏的争议之下,具有成长快速、单位面积产油量高的优势,并且可以培养在不适合耕作的土地上生产藻类,所以藻类生质柴油又逐渐受重视。
使用藻类来生产生质柴油的流程和一般能源作物类似,首先需将藻体中所含的油脂以溶剂(己烷或苯)萃取出。萃取出之粗油再经过脱胶,去除非中性脂肪之磷脂质,再经转酯化程序,转化为生质柴油。藻类总脂肪中的中性脂肪一三酸甘油脂,即为生质柴油之主要料源;而经油脂萃取后的剩余藻细胞,因含有蛋白质及碳水化合物,可以做为动物饲料之添加物。
由于藻油萃取后的制程与一般能源作物类似,藻类生质柴油技术的发展主要在于藻类品种筛选、培养、采收等层面。在能够商业化生产前,还有基因改良的藻种生产力无法提高、藻类之培养不稳定、微藻之采收、养殖池之设计问题以及光生物反应器造价昂贵且不实用等困难尚待克服。