三月_生質能研析|何謂生質能及國際市場趨勢

Published On: 2023/03/29|Categories: 綠能|

近年來在綠能受到各界矚目的同時,已經在台灣發展許久的生質能產業雖不像離岸風電跟太陽能等焦點項目時時登上新聞版面,仍默默的為潔淨能源領域做出貢獻。『生質能』為來自生物代謝物經回收、處理再利用的能源,包括植物、樹木、動物、微生物等,通過燃燒、發酵、氣化等多種方式,重新轉化為生物燃料。此轉化過程除了減少用農業、林業、有機廢物,還能減少對化石燃料的依賴。此外,相較於風能和太陽能等再生能源,生質能另有獨特的優勢,風能和太陽能的發電具有間歇性,穩定性受到天氣、晝夜以及季節變化的影響,而生質能則透過物理或化學方式將能量轉為化學能的型式(如:生質柴油或生質乙醇)進行儲存,要發電時再拿出來使用,因此生質能對於環境變化的彈性較風力跟太陽能等再生能源來的大。然而,若從淨零碳排的角度出發,並不是所有的生質能都屬於再生能源範疇,根據『聯合國氣候變化綱要公約』定義,傳統的生質能源處理方式如直接燃燒木炭或動物糞便,由於並未經過〝處理〞減少碳排放量,被排除在再生能源之外,而根據台灣再生能源管理辦法之規定,生質能設備的定義為發電設備所使用燃料來源,應為百分之百農林植物、沼氣或經處理之有機廢棄物,可知道是否為生質能的分野在於其燃料來源是否經過〝處理〞,所以欲了解何謂生質能需要從其原料到處理及應用端細分討論。

生質能原料、產物、及相關應用

生質能從原物要到應用分為四個主要階段:『原料』、『轉換』、『生質燃料』和『應用』如圖一。

圖一 生質能

Source:智璞產業趨勢研究所 2023/06

1.『原料』:生質能的原料來源極其多元,包含來自農業、林業和工業等行業的有機廢物,甚至包括動物糞便、植物、樹木等,這些原料在收集和處理後第一種為動植物脂肪例如:油菜籽、大豆、藻油以及動物脂肪都可以被用來製造生質柴油,這些物質含有豐富的脂肪,透過轉化技術轉變為可燃燒的能源,這也是目前最被廣泛應用在工業及發電領域的生質能來源(產物為生質柴油)。其次是製糖類作物如甘蔗、玉米以及大麥等,這些作物含有豐富的碳水化合物,經過發酵等過程,可以轉化為生質甲醇或其他可燃燒的能源。第三種則是木質纖維,透過氣化及裂解將木材和稻草等含有豐富的纖維素的廢棄物加工處理後轉化為可燃燒的氣體或其他形式。最後則是藻類和細菌等光合自營微生物,這些微生物能夠透過光合作用將光能轉化為化學能,並儲存在生物體內轉化為生質沼氣甲烷等,用於發電或製造其他形式的能源。
2.『轉換』階段是將生質原料變成可用能源的過程,這些轉換過程包括燃燒、發酵、氣化等,依據轉換性質不同主要能分成物理轉換、化學轉換以及生物轉換三種。物理轉換是最基本的轉換過程,主要包括烘乾、水解和攪碎。在這一過程中,生物質的物理結構被改變,以便進行後續的處理;例如生物質可以被烘乾以去除多餘的水分,被攪碎以增加其表面積,或被水解以釋放出其中的化學成分。化學轉換是一種相對物理轉換更複雜的轉換過程,在化學轉換的時會運用到其他化合物、催化劑,使得生物質的化學結構改變以生產出生質材料,主要包括水解、發酵、氧化、裂解和光化學處理等,產生出可燃燒的氣體、液體或固體能源。例如,生物質可以通過發酵過程產生乙醇,或者通過氧化過程產生熱能。第三種則是微生物轉換,是利用微生物活性的轉換過程,主要包括厭氧消化和無氧分解;在這一過程中,生物質被微生物分解,產生出甲烷等可燃燒的氣體,例如生物質可以被投入厭氧消化反應器中,經過一段時間的厭氧消化,產生出可燃燒的甲烷氣。

3.『生質燃料』轉換過程完成後,產出的生質燃料包括固態、液態或氣態燃料,如圖二。

圖二 生質能三種型態

Source:Newjust

固態燃料:這類燃料主要包括木屑、木碳等,是最早被人類利用的生質燃料形式,固態燃料具有儲存方便、運輸成本低等優點,但在使用過程中可能會產生大量的固體廢物和氣體排放。2022年全球固態生質燃料市場為2217億美金,預計將以9.8%年均成長率在2027年達到4258億。歐洲為最大生產區域佔比約34%,其中瑞典與芬蘭等北歐國家因森林面積廣闊,將木製品廢棄物轉化為固態生質燃料應用在發電與供熱等領域。北美區域(加拿到跟美國)也因相同理由為固態生質燃料生產大國佔比約30%。
液態燃料:這類燃料主要包括生質柴油、生質酒精、纖維酒精和其他添加物等。液態燃料的主要優點在於能源密度高,而且能夠直接用於現有的內燃機和柴油發電機,但其製造過程可能會消耗大量的水和能源。全球液態生質能生產市場為810億美金,預計將以6.5%年均成長在2030年達到1265億美金,其中北美地區(主要是美國)因農業發達,大豆、小麥、玉米等生質燃料來源豐富加上生質能源政策發展較早,故成為液態生質能生產大國主要生產生質乙醇和生物柴油,佔比約為40%。巴西則是全球第二大的生質燃料生產國,以生產生質乙醇為主,原料來源則是以適合在熱帶地區的甘蔗為主。歐洲液態生質燃料約佔全球20%,主要生產國家為德國,利用菜籽油做為原料提煉生質柴油。而在亞洲區域,印尼和馬來西亞兩個東南亞國家是全球棕櫚油生產的領導者,因此利用棕櫚油生產後的廢棄物加工成生物柴油為這兩國的主要產出。
氣態燃料:這類燃料主要包括生質甲烷、生質沼氣、合成氣體等。這些燃料通常透過微生物發酵或氣化過程產生,具有較高的能源轉換效率和環境友善性(相較煤炭,甲烷等沼氣溫室氣體排放較低),但儲存和運輸的難度也較大,需要適合的設施和設備,全球氣態生質能市場在2022年為1077億美金,預計將以7.2%的年均成長率在2030年達到1873億美金。亞洲為氣態生質能市場主要區域佔比超過35%,當中以中國為領頭羊是最大的生質氣體燃料大國(包括生物質甲烷和其他氣體),其次為印度,這兩個國家因擁有大量的農業與畜牧業廢物,正在積極開發利用農業及生物排泄物資源來生產生物質氣體,由於中國十四五計畫中已訂定在2030年生質能發電應用須達到總體發電量的8%;預估中國在氣態職能市佔率上仍舊會持續維持領先。美洲區則以美國為主要國家,在生物質氣體的生產方面,包括生物質甲烷,有著積極的投資和政策支持,南美洲的巴西也利用畜牧業的廢棄物提煉生質沼氣。
4.『應用』:生質燃料的應用範疇廣泛,涵蓋了電力、熱力、交通燃料等多個領域。這些燃料可以被用於住宅、商業和工業的供熱和供電,或者作為汽車和飛機的燃料。而在發電領域,全世界生質能發電市場在2020年因疫情爆發而受到影響,全年的總發電裝置容量萎縮約3%來到133GW。但隨著疫情趨緩和各國政策推動,2021年生質能源的裝置容量已經回升至143GW,然而,儘管生質能源的裝置容量有所恢復,相較其他再生能源相比成長顯得緩慢。自2016年以來,生質能源的年均增長率只有4.2%,遠低於風能(14%)、太陽能(25%)等綠色能源的增長速度。這使得生質能源在再生能源市場的份额逐漸萎縮至2021年佔比剩下7%,如圖三。儘管如此,預計到2030年,整個生質能源產業的市值將以5.7%的年複合成長率,達到2100億美金。若以區域發展來看2021年全年生質能發電共約660TWh,亞洲區域佔比最高達43%(284TWh),當中國在生質能發電則是單一國家最高達146TWh,且規劃在2030年達到整體發電量的8%;歐洲第二佔約33%。

圖三 生質能發電容量

Source:智璞產業趨勢研究所 2023/06

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