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【圖解生質能】全球占比最大再生能源!廢棄物也能變能源,轉換途徑有哪些?

【圖解生質能】全球占比最大再生能源!廢棄物也能變能源,轉換途徑有哪些?
撰文: Reccessary/林柏宇     分類:其他綠能     圖檔來源:iStock 日期:2024-10-01

相對於風力及太陽能,生質能(Bioenergy)的關注度較少,卻是全球占比最大的再生能源,不但能當燃料,又能提供熱能、電力,甚至能結合碳捕集技術變化眾多,《RECCESSARY》先從最基本定義帶您了解。

生質能為何重要?

 

根據國際能源總署(IEA)網站,生質能是包含取自於植物的有機原料(或稱生物質,Biomass)所產生的能源,常見如植物纖維、植物油脂等,而且生質能是全球最大再生能源來源、占比達55%,在全球能源供應方面占比超過6%。

 

生質能屬於低碳能源。生物質透過燃燒產生的碳排,本就是植物經光合作用吸收的碳,也就是原本就存在於大氣中,沒有產生額外的碳排,具有環境碳中和優點,因此如果能取代化石燃料,則可減少溫室氣體排放。

 

相較於風電及光電有間歇性的缺點,生質能面對環境變化的彈性較大,根據《RECCESSARY》研究,多數實現100%綠電使用(RE100)的企業,會搭配10%至15%穩定性較高的再生能源,其中又以生質能為大宗。

 

生質能國內外定義不同

 

生質能普遍被認為是再生能源,但國內外定義不完全相同。IEA表明,利用傳統方式產生的生質能不具永續性(unsustainable),例如直接燃燒木柴或動物糞便等,使用低效能的明火、基礎爐灶,對健康與環境造成危害,因此無助於實現淨零,並希望全球減少使用,尤其是開發中與新興國家。

 

相對於傳統方式產生的生質能,現代生質能(modern bioenergy)包括用甘蔗渣製成液態生質燃料、透過厭氧發酵將殘渣轉換成沼氣、木質顆粒燃料(wood pellet fuel)等。現代生質能是當前重要再生能源來源,對整體產業終端能源需求的貢獻,是風力與太陽能總和的5倍。

 

對比IEA,台灣對於生質能的定義較寬鬆。根據《再生能源發展條例》,生質能指的是「農林植物、沼氣及國內有機廢棄物直接利用或經處理所產生之能源」,也就是生物質沒有經過處理、直接運用而產生的能源也可被視為再生能源。

 

生質能分為氣態、固態、液態3類應用

 

對應台電的分類,直接運用(無轉換)的方式,是把原料當成生質燃料,在燃燒過程中獲得熱能、電力及動能形式的再生能源(見圖一)。

 

圖一、無轉換生質能應用。圖片來源:台電

 

另一種是經過轉換程序,流程分成4大部分:原料、轉換途徑、能源載體、能源用途。除了在原料部分增加玉米、甘蔗等醣類與澱粉類作物以及微藻類與細菌外,也多了轉換途徑及能源載體,其中實線代表商業途徑,虛線代表還在發展中(見圖二)。

 

圖二、轉換生質能應用,流程分成4大部分:原料、轉換途徑、能源載體、能源用途。圖片來源:台電

 

轉換途徑應用的技術包括,熱轉化(燃燒、裂解、氣化)、生物轉化(厭氧發酵)、物理轉化(破碎、造粒、分選、烘乾、榨油)、化學性轉化(萃取、酯化、轉酯化)。

 

能源載體方面,如同一般物質有三態,生質能也有氣體、液體、固體。台電整理國內生質能技術及應用如下:

 

氣態:透過禽畜排泄物、有機污泥、廚餘轉化成燃料,或透過廢水、掩埋場厭氧發酵產生沼氣,都可進一步用於發電。

 

液態:以生質油、廢食用油轉製成生質柴油,作為蒸氣鍋爐的低碳燃料,或成為永續航空燃料(Sustainable Aviation Fuel, SAF),另外,有國內造紙業將木片蒸解洗淨後產生的黑液(black liquor)送至回收鍋爐燃燒產生蒸氣,再經汽電共生系統產生製程使用的蒸氣及電力。

 

固態:製造木質顆粒燃料、木屑(片)燃料,以供中小型蒸氣鍋爐使用;另外,也可透過城市垃圾分類,將其可燃物的部分作為固體再生燃料(Solid Recovered Fuel, SRF),以取代鍋爐或發電廠使用的燃煤,只是該類型被批評變相鼓勵製造垃圾。

 

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生質能助攻製造、運輸2大產業脫碳

 

IEA指出,「熱能」是製造業能源使用最重要的類型,而生物質可透過許多方式產生符合工業使用的熱能,例如直接燃燒、焙燒(torrefaction,一種裂解技術)、液化、氣化,這些生質燃料與目前常用的化學燃料類似,

 

因此,原則上生物質可以滿足工業用熱的需求,研究指出,70%的工業熱能需求位於150°C以上的中高溫範圍內,而這一範圍內就有許多生質能解決方案可供使用(見圖三)。

 

但不同地點的生物質及所需預處理(pretreatment)的成本差異大,須考量是否具有經濟效益。像是燃料,鋼鐵、水泥等大型製造業對於熱能需求相當龐大,無法完全用生質燃料取代,

 

除非融合碳捕集技術(Bioenergy with Carbon Capture and Storage, BECCS),才能有效減碳;而中小型製造業如食品、木業、造紙等,因為需求相對較小,就適合使用生質能。

 

圖三、工業能源需求中有74%屬於熱能的需求。資料來源:IEA。

 

其次,生質能在長途重型運輸方面占有舉足輕重的地位。尤其在氫能等其他低碳能源被廣泛運用前,生物質能部份取代化石燃料,例如液態生質燃料的體積及重量能量密度(volumetric and gravimetric energy density)與液態化石燃料相當,而氣態生質燃料經過壓縮、液化後,其能量密度也更高,足以為海運、航空及長途卡車運輸提供動力。

 

在航空業方面,目前多數溫室氣體減排主要來自改善飛機技術和操作,以及使用低碳強度的永續航空燃料(SAF),國際能源署指出,已經有數百架商用航班在使用最高混摻50%生物噴氣燃料(biojet fuels)在飛行,顯示其技術成熟足以在現實生活中應用。

 

而大型遠洋船隻使用燃燒引擎,可在不需要任何改造的情況下使用生質燃料,如生質甲烷、生質甲醇等;長途卡車的生物燃料選擇包括生物柴油(Fatty Acid Methyl Ester, FAME)、氫化植物燃料油(HVO)等,可以全部或部分混摻的方式呈現。

 

IEA預估2050年,生質燃料將占交通能源需求的16%,細分到船舶及航空領域則分別增至21%及45%,在電動車取代燃油引擎車的過程中,生質燃料的重心將從公路運輸轉向海運和航空,意味生質燃料有助於碳排大戶航空、海運實現脫碳。

 

隨著技術不斷進化,生質能的變化越來越多元,還可結合碳捕集科技,一邊提供再生能源,一邊進行碳移除,可望打開更大的市場,但其原料來自大自然,可能引發糧食、土地爭奪戰,而透過焚燒廢棄物產生能源也可能產生有毒物質,讓生質能發展增添了潛在環境挑戰。

 

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※本文授權自InfoLink Consulting, Reccessary,原文:「現代生質能」是什麼?終端能源需求是風光總合的5倍,神助攻2大產業脫碳

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