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藻類生質燃料,能源危機的解決方案?

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隨著人類文明進步、日新月異的科技發展,卻也伴隨著可觀的資源消耗,如何永續發展已成為全球當前的重要課題。為了降低排放大量溫室氣體的化石燃料使用量、增加能源供應多元化,無論是替代能源、再生能源或是綠色科技,皆是為了減緩環境氣候變遷,避免陷入能源危機的策略。

其中,生質燃料(biofuel)屬於再生能源中相當重要的一項,將生物質(包括有機活體及其代謝產物)轉化為可利用、具有能量的物質,稱之為生質燃料。甚至像牛糞、廚餘、稻草、麥梗等廢料,只要是可被生物分解的,幾乎都能拿來作為原料生產。目前最廣泛應用且已商業化的生質燃料類型,為利用植物油及動物脂肪進行酯交換反應(transesterification)所製成的「生質柴油」(biodiesel),以及利用糖類及澱粉進行發酵的「生質乙醇」。

環保的迷思:真的有完美的替代能源嗎?

然而,想快速且大量地生產生質燃料,勢必得增加作為原料的農作物產量,為了避免影響糧食供應,開墾新農地遂成為最有效率的選擇。許多荒地、林地也因此被改變為農地。但這不僅破壞生態,無形中也增加了碳排放量,而且製造、運輸等過程中也同樣消耗許多資源。所以,生質燃料真的能夠取代化石燃料,又能兼顧環保嗎?

根據上述問題,人們開始慎選生產原料,例如可以生長於荒地上的桐油樹、廚餘裡的廢棄食用油、利用纖維素來生產乙醇等等。可是不管哪個項目,都有各自要面臨的問題,沒有完美的選擇,無論是供應量、技術層面或生產成本,要開發一個穩定、產量足夠、成本低廉的生質燃料,簡直難如登天。

替代能源新希望──藻類的優勢與挑戰

近年來,使用藻類來生產生質燃料是相當熱門的研究方向。相較於原本用來提煉生質燃料的玉米、黃豆、油菜籽、甘蔗等作物,藻類擁有許多優勢,既不會占用可耕地,水資源用量也少,更不會消耗原本可以當作糧食的作物,而且生長速度極快,過程中亦會吸收自然界的二氧化碳,達到減碳效果,可說對環境十分友善。

用來生產生質燃料的藻類,大多使用微藻(microalgae)居多,因為微藻的含油脂量較高。由於其構造簡單、生長快速,佔地小且水資源耗用低,產油效率遠高於桐油樹、油棕樹及椰子等作物,性價比(CP 值)相當高。其生產原理為:將微藻中之油脂藉由甲醇的酯化催化作用,產生甘油及生質柴油原料,剩餘的碳水化合物則可以經由發酵製成生質酒精。

但目前以藻類生產生質燃料的成本依舊高昂,在生產過程中所需投入的能源也不容小覷。而經過基因改造的藻類,產油量雖然較高,卻得小心預防它們混入自然界,造成生態失衡。再者,養殖的方式也須慎選,開放式的培養多在室外水池或水道中養殖,雖然建造成本較低,卻容易受外在微生物汙染造成減產,環境控制上也較不理想。而密閉式的光反應器則需要投入許多資源於其中,可以掌握各種環境因子,提供藻類絕佳的生長環境,然這些優勢都反映在建造與生產成本上。此外,培養出大量藻類後,後續的收集、轉化都是一大學問,無論是常見的過濾法或離心法,皆須耗費許多能量。最後要將其轉化為可用燃料,更是技術上的考驗,目前的熱化學轉化法或微生物發酵都還有進步空間。

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運用藻類生產生質燃料,擁有下列優勢:

  1. 不與民爭糧,也不與糧爭地。
  2. 生長快速、產量高。
  3. 具有其他高經濟價值副產品,如 EPA、DHA 等脂肪酸。

值得注意的是,即使藻類生質燃料具有降低二氧化碳排放的效果,且能被生物降解,不會佔用原有農地,所需水資源亦非常少,相對於其他燃料對環境影響較低,仍有許多製程問題需進一步探究,才能確保綠色技術創新的同時,真正能兼顧永續發展。

還有提煉過程的成本也是當前的重要課題,至少要與國際原油價格打平,才能提生藻類生質燃料的競爭力。所以,如何量產並提高單位面積的藻類產油量?如何更有效地且低成本地提煉出可用燃料?是目前藻類生質燃料的兩大課題。

2017 年 7 月,全球能源業巨頭艾克森美孚(Exxon Mobil)向市場發表一項革新技術,能將藻類內部的燃油含量自 20% 提升至 40%,提升的幅度高達一倍多,為全球生質能源進程貢獻了一大步。Synthetic Genomics 與 Exxon Mobil 兩家公司更攜手合作,目標在 2025 年以具競爭力的價格,量產藻類生質燃料,並以基因改造的藻類,每日生產超過 10,000 桶生質柴油或航空燃油。

而究竟藻類燃油產業是否真能如他們所說,在未來 10 年內達到目標呢?相信藉由藻類驚人的生長速度,以及不斷進步的生物科技,藻類生質燃料的確是令人期待的明日之星,具有成為主要替代能源的潛力,可望為全球暖化及能源危機,提供兩全其美的解決方法。

文 / Biker

延伸閱讀:環境會影響基因! 環保義不容辭

參考資料:
1.Exxon-partnered biotech group confident of boom in algae fuel.《Financial Times》
2.https://www.greentechmedia.com/articles/read/lessons-from-the-great-algae-biofuel-bubble#gs.J7CgV1g
3.Yang, J., et al. Life-cycle analysis on biodiesel production from microalgae: Water footprint and nutrients balance. Bioresources Technology. 2010, 10: 1016.
4.Schlarb-Ridley B., et al. A UK Roadmap for Algal Technologies. Algal Bioenergy Special Interest Group (AB-SIG) Roadmapping Workshops, UK, 2013.

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