生物質能 (Biomass energy) 生質能 (Bio-energy) 生質燃料 (Biofuels) 生物沼氣 (Biogas)

1. 生物質能(Biomass energy)生質能(Bio-energy)生質燃料(Biofuels)生物沼氣(Biogas)

2. 生 (物)質能的定義 • 生質能的廣泛定義即指所有有機物，經各式自然或人為化學反應後，再焠取其能量應用。 • 例如由農村及都市地區產生的各種廢棄物，如牲畜糞便、農作物殘渣、城市垃圾、及工業廢水等，皆可經由直接燃燒應用，或由微生物的厭氧消化反應而產生沼氣後再行應用。 • Biomass residues can be converted into various non-solid fuel forms referred as biogas and liquid biofuels.

3. What is Biogas? • Biogas is a mixture of methane (CH4), carbon dioxide (CO2), and depending on the feedstock used, trace gases such as nitrogen (N2), ammonia (NH3), sulfur dioxide (SO2), hydrogen sulfide (H2S), and hydrogen (H2). • Biogas is produced when certain bacteria decompose biological matter in an anaerobic (no oxygen is present, 厭氧) environment. • This process is referred to as anaerobic digestion (AD). • AD is a proven technology for effectively treating the organic fraction of waste. • The treatment of waste through AD has many benefits; it leads not only to a cleaner and healthier environment, but also produces a renewable energy source, methane.

4. A Feasibility Study on Anaerobic Digestion Technology for Humboldt County Dairy Farms • In the spring of 2002 SERC began a yearlong biogas study funded by the State of California Community Development Block Grant # 01-EDBG-782. • The purpose of the study was to consider the feasibility of implementing anaerobic digestion (AD) technology as a means of dairy manure (肥料、糞肥) management on Humboldt County dairy farms. • Dairy cows at pasture on a Humboldt County dairy farm

5. Executive Summary • Current trends in milk production have forced dairies to intensify their operations. • The larger herd numbers required by today's dairy operators in order to stay in business have led directly to an increase in manure production. • The volume of manure has become a social and environmental issue. Dairies also consume significant amounts of energy in their daily operation. • Anaerobic digestion of manure is a promising technology that has been shown to effectively address many of the problems associated with manure management while providing a reliable energy resource. • AD technology has the ability to offer substantial benefits to dairy operators. In many cases, without the implementation of AD technology on U.S. farms, many farmers would have been forced to cease their operation.

6. 沼氣發電機組 江蘇省啟東市寶駒動力機械廠 http://www.biogas.com.cn/news/subnews.asp?ID=424&key=

7. 燃氣發電機組 • 江蘇省啟東市寶駒動力機械廠是中國生產各種燃氣發動機和各種燃氣發電機組的專業廠家，南通市的高新技術企業。具有十幾年的燃氣發動機研製生產經驗。 • 企業擁有自主燃氣內燃式發電技術，從根本上解決了國內外氣體燃料發動機排溫高、可靠性差、熱效率低、維護保養難等諸多缺陷，在燃氣動力領域顯示出旺盛的生命力。 • 成功開發中國第一台焦化煤氣發電機組、第一台大功率天然氣發電機組、第一台高爐煤氣發電機組；成功改造美國卡特彼勒的燃氣發電機組成為燃用煤礦瓦斯氣的煤層氣發電機組。工廠的燃氣機產品能適合各種燃氣作為動力：管道天然氣、油田伴生氣、液化天然氣、液化石油氣、焦化煤氣、煤層氣、煤田氣化氣、垃圾填埋和汙水處理等各種沼氣、生物質氣、甲醇氣、化工尾氣等等各種可燃氣體。 • 工廠即可提供燃氣動力產品，也可成套提供燃氣熱電聯供設備，最高效率地利用能源。工廠的產品已在新疆、山西、重慶、山東、大慶、華北油田等地廣泛使用，各項技術指標高於國內外其他產品。 • 本企業在為客戶創造良好的經濟效益的同時，也為國家的新能源利用，提高現有能源利用率，保護環境起到了積極的推廣作用。

8. 國內研發推廣與市場現況 • 台灣地區可生產沼氣之廢棄生質來源包括畜牧業、垃圾掩埋場、食品業、農產廢棄物、生活廢水及部份有機工業廢水等，潛能相當豐富，據估算達6-9x108 m3/年。 • 沼氣若末善加利用而任其排放，不但造成能源之浪費(沼氣熱值約5,000-5,500 Kcal/m3)，亦會對環境產生破壞(沼氣主要成份為甲烷，造成地球臭氧層破洞元素之一)，此值得加以重視並設法利用。 • 沼氣利用方面，畜產試驗所曾從事沼氣灶、沼氣燈、熱水器、剪草機、抽水機、小型搬運車、沼氣純化、沼氣壓縮裝瓶、汽車、發電等多項用途之研究及開發。 • 另外，工業技術研究院能源與資源研究所也曾從事沼氣發電工程研發、推廣併聯式沼氣發電機與建立水洗式沼氣純化應用技術，開發完成15HP、25HP及40HP三種小型併聯式沼氣發電機，並技術轉移給廠商，全省推廣350多台，發電容量達6500kW，目前則推廣100HP以上中型機組。

9. 國內研發推廣與市場現況 • 養豬業目前對沼氣大都用於養豬廠之輔助能源，例如沼氣發電用於飼料之加工、混合及廢水處理廠之操作、仔豬保溫燈、焚化爐和煮水等用途。 • 沼氣在垃圾掩埋廠之利用上，大都採用沼氣發電型式，如山豬窟垃圾掩埋廠，沼氣發電容量高達5000kW，除供應廠區用電外，並將多餘電力出售。 • 工業廢水沼氣在利用上，大都採用沼氣發電型式，由於供電量不足廠區需求，通常只視為輔助電力用途，例如亞洲化學、豐年公司等。

10. 國外研發推廣與市廠現況 • 有許多國家、地區，包括歐美先進國家與開發中國家：例如法國、英國、丹麥、荷蘭、德國、瑞士、美國、菲律賓、中國大陸、泰國、南韓、尼泊爾、、、等等均有各式各樣之厭氣發酵之研發與利用之研究， • 惟仍屬零星、散發各地，且由於油價低廉，沼氣在利用上仍受到許多環境條件之限制，惟因石化燃料日益短缺，這些所謂再生能源逐漸受到重視。 • 例如荷蘭在1970年代建立許多沼氣工廠，但因技術上之問題而在1980年代逐漸減少；由於有機農場之推廣，加上標準化與模組化之設計及能源誘因，使得厭氣發酵技術在德國得以推廣，近年來已有250座沼氣廠正在建造中。 • 丹麥則是朝向大型化、集中化方向來建造厭氧發酵廠，例如，從1996年起已有18個集中厭氧發酵廠，可以產生沼氣做為能源，目前則正建造一座全世界最大都市廢棄物厭氧發酵廠，年處理量可達23萬噸，所產生電力除可供應廠區使用外，另可將多餘電力1.2MW回饋至市電系統。 • 在開發中國家如中國大陸、尼泊爾，由於國民所得減少與自產能源不足，沼氣仍佔有重要地位，所以在這些國家之鄉村中，沼氣可提供村民作為炊煮、照明用途。1992－1998期間，尼泊爾總共裝置37000座小型沼氣池，供應20萬人使用，預計未來幾年將再裝置8萬座小型沼氣池座。

11. 台灣地區的生質能發電 目前有垃圾焚化發電及沼氣發電二大類， 一、垃圾焚化發電 • 以內湖焚化廠成效最好，目前已將其產生的部份剩餘電力回售 給台電公司連同其他垃圾焚化發電，總計裝置容量有54.76萬瓩。 • 此外，經濟部及環保署於民國85年中開始協助再生能源業者開發國內垃圾掩埋場沼氣發電計畫；迄今為止，已有台北之山豬窟、福德坑、台中文山、高雄西青埔等垃圾掩埋場之沼氣發電廠順利併聯發電，合計裝置容量2.18萬瓩，台電公司並配合購電，未來則視成效逐步擴展至其他縣市。 二、沼氣發電 • 在農委會及農林廳的輔助下，為豬糞尿厭氧消化處理研究首開其端，開發各種沼氣利用的途逕，包括烹調、發電及運輸。 • 較代表性例子有高雄立大農畜公司，建立200頭豬糞尿處理系統，產生的沼氣直接供燃燒及發電之用。 • 另在台糖公司竹南畜產研究所設立10,000頭豬糞尿處理系統，產生的沼氣做為170kVA雙燃料引擎的動力，提供養豬場的電力之需。

12. 台灣地區的生質能發電 目前有垃圾焚化發電及沼氣發電二大類： 一、垃圾焚化發電 • 以內湖焚化廠成效最好，目前已將其產生的部份剩餘電力回售 給台電公司連同其他垃圾焚化發電，總計裝置容量有54.76萬瓩。 • 此外，經濟部及環保署於民國85年中開始協助再生能源業者開發國內垃圾掩埋場沼氣發電計畫； • 迄今為止，已有台北之山豬窟、福德坑、台中文山、高雄西青埔等垃圾掩埋場之沼氣發電廠順利併聯發電，合計裝置容量2.18萬瓩，台電公司並配合購電，未來則視成效逐步擴展至其他縣市。

13. 台灣地區的生質能沼氣發電 二、沼氣發電 • 在農委會及農林廳的輔助下，為豬糞尿厭氧消化處理研究首開其端，開發各種沼氣利用的途逕，包括烹調、發電及運輸。 • 較代表性例子有高雄立大農畜公司，建立200頭豬糞尿處理系統，產生的沼氣直接供燃燒及發電之用。 • 另在台糖公司竹南畜產研究所設立10,000頭豬糞尿處理系統，產生的沼氣做為170kVA雙燃料引擎的動力，提供養豬場的電力之需。

14. 沼氣發電技術 工研院能源與資源研究所工程師 王振諧 http://www.ema.org.tw/she/issue/issue9/tec9_3.htm • 沼氣的生成是藉由細菌將有機物經分解而得。 • 主要成分為甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)及少量硫化氫(HS)等氣體。 • 台灣的沼氣來源係以生質及廢棄物的分解為大宗， 主要包括畜牧廢水、家庭污水、城鎮垃圾及各行業廢水(物)等4大類。 • 畜牧廢水：以豬隻糞尿廢水為主； • 家庭污水：以都市污水處理廠為主； • 城鎮垃圾：主要以垃圾掩埋場為主； • 各行業廢水(物)：則包括食品業、紡織業、膠帶業及 其他行業等需生物處理的廢水。

15. 沼氣中甲烷(CH4)的應用 • 沼氣中甲烷含量約在50～80﹪之間， • 所含的熱值通常在5,000 kcal/m3以上， • 適合用於燃燒或引擎的使用。 • 現行主要利用方式為： • 直接燃燒：做為廚房爐具、照明或廠區產生蒸氣及乾燥用。 • 產生電力：經由汽油或柴油引擎帶動發電機產生電力。 • 管線氣(Pipe-Line Gas)：經純化後產製管線氣，品質與天然氣類似，做為城鎮居民或工廠燃料等用途。 • 國內目前沼氣生產尚屬小型規模，無法變成管線氣，故利用方式只侷限於直接燃燒與產生電力。

16. 沼氣發電技術 可分為同步併聯發電技術與感應發電技術兩種。 • 同步併聯發電技術： • 除了需要發電機組外，還需同步併聯設備，以便將輸出電力與市電併聯， • 此外基於經濟效益的考量，此種技術大多運用於大規模沼氣量之場所，例如都會區之垃圾掩埋場，發電規模可達百萬瓦特(MW)以上。 • 感應發電技術： • 只需要發電機組，輸出電力之電壓與頻率與市電系統相同，不需同步併聯設備， • 多運用於小規模沼氣量之場所，如養豬場、中小型工廠。

17. 感應發電機與同步發電機特性比較

18. 感應發電機輸出電力模式有二種模式 • 應用在獨立系統的感應發電機：其電壓、頻率必需要調整與控制，方能穩定運轉； • 並聯於市電系統上的感應發電機：因此發電機的電壓、頻率將不用調整、控制。

19. 一、獨立自激感應發電機 • 應用在獨立系統的感應發電機 • 其電壓、頻率必需要調整與控制，方能穩定運轉； • 此電力模式無載電壓之建立，主要是利用電容自激現象。 • 如果選擇比較小的電容器，負載增大超過某一個臨界值，發電機便會進入不穩定的操作區，將導致已完成建立的電壓崩潰。 • 如果選擇比較大的電容器，可供給的負載臨界值相對的增大，但是大的電容值所產生的無載建立電壓太高，將使發電機操作在很高的飽和區域，因此將會增大磁化電流和無載損失。 • 另外，此種利用電容自激方式，其電壓調整率較差，無法隨著負載增減而連續、快速地提供或吸收虛功率，以應用於較大負載變動的場所。

20. 二、併聯式感應發電機 • 此模式是利用市電系統提供所需虛功率，並將所發出的實功率與市電系統併聯，提供廠區用電，如上圖所示。 • 此發電機最大的好處是操作與控制裝置非常簡單，無須複雜之併聯盤與同步裝置。 • 它只能向市電或電網輸出實功率P，而建立磁場所需之虛功率Q乃必須由市電或電網供應。 • 亦即感應發電機缺乏獨立激磁電路，無法產生所需之虛功率，所以感應發電機必須與市電系統連接，以提供所需之虛功率，維持定子之磁場。

21. 這種不需要特殊操作技巧與調整的特性，使得此型式發電對風力、熱能回收系統以及輔助電力設備而言，是一種良好的選擇。這種不需要特殊操作技巧與調整的特性，使得此型式發電對風力、熱能回收系統以及輔助電力設備而言，是一種良好的選擇。 • 在這些應用中，輸出電力之功率因數因無額外的激磁裝置而無法調整，但可以由電容器提供補償。 • 由市電或電網供應建立磁場所需之虛功率，這個外來的虛功率電源會控制發電機的端電壓，所以，感應發電機輸出的端電壓將與市電系統相同。 • 此機組唯一限制為，當市電系統發生當機，無法提供電源時，也就是無法維持定子激磁時，此種發電機就無法運轉。

22. 沼氣感應發電技術案例介紹 • 工研院能資所在經濟部能源基金資助下，已開發出沼氣感應發電技術，並將技術移轉給國內某大食品公司南部廠區示範推廣，完成兩套80 kW併聯感應發電系統。 • 該廠之生產線所製造的廢水以厭氣程序處理，其間所產生的沼氣量為1,500m3/天，沼氣組成為甲烷70%、二氧化碳30%及少量硫化氫。 • 沼氣先經過純化程序，去除硫化氫， • 再將已經過純化處理後之沼氣收集到儲袋， • 提供穩壓及緩衝功能，作為兩套80kW發電設備之燃料。 • 發電設備採用內燃引擎結合感應發電機之組合，內燃引擎係用國外沼氣專用之瓦斯引擎(Gas Engine)，感應發電技術則是工研院能資所已研發出之技術，相關流程可參考圖2。

23. 80kW併聯感應生物質能發電系統

24. 性能測試 • 先將沼氣發電機組啟動後，分別調節沼氣進口閥與空氣進口閥後，得到適當空燃比之後，逐步增大節流閥開度。 • 此時引擎轉速(R.P.M.)也增快，電力輸出(Output)也增加。 • 如圖3所示，例如，A點之數據為1804 rpm及32 KW，加大節流閥開度後，操作點由A點→B點→C點→D點→E點。 • 其中在D點之電力輸出最大(1812 R.P.M.及92.3KW)，超過此操作點之後如E點，即使轉速再增加，電力輸出卻減少。 • 亦即，輸出電力與節流閥開度並非線性關係，輸出電力有極限值，超過此最大值之後如圖中之D點，輸出電力與節流閥開度成反比關係。

25. 感應式沼氣發電機性能曲線 • 先將沼氣發電機組啟動後，分別調節沼氣進口閥與空氣進口閥後，得到適當空燃比之後，逐步增大節流閥開度。 • 此時引擎轉速(R.P.M.)也增快，電力輸出(Output)也增加。 • 輸出電力與節流閥開度並非線性關係，輸出電力有極限值，超過此最大值之後如圖中之D點，輸出電力與節流閥開度成反比關係。

26. 結論 • 因為沼氣熱值約5,000～6,000 kcal/m3，是瓦斯的2/3倍；且其主要成份為甲烷，其溫室效應影響為二氧化碳之24.5倍，為造成地球臭氧層破洞元兇之一。 • 若能將這些沼氣善加利用，在能源觀點上，不僅可以減少廠區之用電或降低燃料費用； • 在環保觀點上，既可減少石化燃料消耗，降低二氧化碳的排放，也可以阻止甲烷直接排放到大氣，對溫室氣體的抑制效益頗大。 • 目前，政府正制定相關獎勵措施，鼓勵業者設置再生能源(包括沼氣)系統，回收可用能源。因此，本系統相當值得業界引進應用。

27. Biogas: Name for any flammable biologically created gas.

28. Biogas Engines

29. Gobar Gas • 一

30. Dung power

31. French Biogas During both world wars, many farmers set up biogas plants. In 1852, there were over 1,000 plants in France, but most have now been abandoned.

32. Methane CH4(甲烷, 沼氣) • Sewage & all vegetable matter will decompose, giving off biogas, if it has no access to oxgen. • Biogas is about 70% methane and 30% carbon dioxide (natural gas is almost 100% methane)

33. Public Biogas • There London sewage works use anaerobk digestion (without air) to decompose the sewage of 6 million people. • The biogas produced (equivalent to 250,000 Galls of petrol per day) is used to heat the incoming sewage (this speeds up the process), or is simple flared off (burnt) on a tall chimney.

34. Indian Biogas • Indian Biogas

35. Perpetual Biogas • The Sludge output

36. Marsh Gas The bubbles of gas rising to the surface of stagnant ponds & marshes are biogas or “mash gas”. They can ignite spontaneously a phenomenon known as ‘will O’ the wisp.’

37. Two popular simple designs of digester • The two digesters have been developed; the digestion process is the same in both digesters but the gas collection method is different in each. • Chinese fixed dome digester: has a lower gas storage capacity and requires good sealing if gas leakage is to be prevented. • Indian floating cover biogas digester: the water sealed cover of the digester is capable of rising as gas is produced and acting as a storage chamber • Both have been designed for use with animal waste or dung.

38. 填埋氣體處理系統流程圖 • 填埋氣體處理：填埋氣體將處理到完全滿足燃氣發動機的要求，規格化的處理系統被安裝在國個完整的集裝箱內，以便於現場安裝和工廠。

39. 填埋氣體發電 • 填埋氣體收集處理後經淨化送入兩台燃氣輪機，就地發電並網，平行運行的每台燃氣輪機的技術參數如下： • 機械輸出：760 kW • Stanford 400V發電機：＞36kW • 發電機效率：39.05 ％ • 排放：NOX 500毫克/米3，CO2 955毫克/米3，VOC 150毫克/米3 • 能量輸入：1888幹瓦 • 燃氣發動機、發電機等被裝在集裝箱內，都有完整的潤滑油系統、冷卻系統、管路系統、排放消聲器、控制器、開關屏、用電配電系統、保護繼電器、通風設備、照明系統等。 • 主要技術經濟指標 填埋氣體回收利用上程設計壽命為20年，日回收氣體19131立方米，氣體熱值19500千焦，發電輸出電力1400千瓦，工作方式為24小時運行，運行時間占全年時問的95％。工程設計總投資2075萬元，項目年直接經濟效益為510.7萬元。

40. Fixed Dome Digester http://www.biogas.nl/

41. Fixed Dome Digester http://www.biogas.nl/

42. The waste is fed into the digester via the inlet pipe and undergoes digestion in the digestion chamber. • The temperature of the process is quite critical - methane producing bacteria operate most efficiently at temperatures between 30 - 40°C or 50 - 60°C - and in colder • climates heat may have to be added to the chamber to encourage the bacteria to carry out • their function. The product is a combination of methane and carbon dioxide, typically in the • ratio of 6:4. Digestion time ranges from a couple of weeks to a couple of months depending on • the feedstock and the digestion temperature. The residual slurry is removed at the outlet and • can be used as a fertiliser.

43. Floating Cover Digester • U Biogas has a variety of applications. Table 1 below shows some typical applications and for one cubic metre of biogas. Small-scale biogas digesters usually provide fuel for domestic lighting and cooking.

44. A variety of applications for Biogas • The table below shows some typical applications and for one cubic metre of biogas. • Small-scale biogas digesters usually provide fuel for domestic lighting and cooking.

45. 生質燃料的優點 • 減少溫室氣體的排放 • 提升去碳化效率 • 使能源供給多樣化 • 並能提供鄉村新的財源

46. 作者：許榮富博士　 現職：駐歐盟兼駐比利時代表處科技組組長 文章來源：駐歐盟兼駐比利時代表處科技組 發佈時間：95.04.06 歐盟的生質燃料政策介紹 • 交通運輸業占了歐洲年溫室氣體排放總量的21%，且比例仍持續上升當中。 • 為了因應京都議定書的決議，減緩地球暖化趨勢，歐盟針對運輸替代性能源提出了相應的策略。 • 有鑒於生質燃料對於減少溫室氣體的排放、提升去碳化效率、使能源供給多樣化，並能提供鄉村新的財源。 • 因此歐盟對於未來生質燃料的替代性進程，在2006年2月由歐洲執行委員會提出最新的歐盟生質燃料策略（EU Strategy for Biofuels）報告，其建立在三個主要目標上:

47. 最新歐盟生質燃料策略(EU Strategy for Biofuels)的三個主要策略目標 一、推廣生質燃料未來在歐洲與發展中國家的使用，確保使用的方式正確，並合乎環境保護要求。 二、提出成本控制計畫，包括原物料、燃料再生、垂直增加市場普及率，以及技術性障礙的排除。 三、援助發展中國家在生質燃料的技術使用，以及思考歐盟如何參與持續性生質燃料的出產。

48. 為了達到上述三個主要政策目的，歐盟提出了七大策略主軸為了達到上述三個主要政策目的，歐盟提出了七大策略主軸 • 刺激需求 • 環境保護 • 鼓勵生產 • 確保原料供給 • 活絡交易 • 技術支援發展中國家 • 鼓勵研究發展

49. (一)刺激生質燃料的市場需求 • 委員會強調應該提升市場量化的佔有率，並置入國家施政計畫中，藉以確保永續而穩定的生產生質燃料。 • 2003年歐盟所提出的生質燃料條例(Biofuels Directive)所訂定的目標，是必須提升生質燃料在歐洲市場之佔有率期望在2005年達到2%，並在2010年達到5.75%。 • 許多國家所採取的策略是減免燃料稅收，然而去年的數據顯示佔有率僅達1.4%，意味著效果並未彰顯。 • 因此，歐盟隨之推出生質燃料義務(biofuels obligation)的策略，要求燃料供應商的市售產品，必須有一定比例以上的生質燃料，以此做為減免能源稅收的配套措施。 • 同時，也敦促各成員國重視生質燃料二次生產的契機，加速歐洲議會與委員會在相關能源法源上的努力，鼓勵大眾在選購車輛時，將車輛是否使用生質燃料納入決策考量。

50. (二)重視環境效益 • 根據21紀汽車(CAR21)工業競爭規則高級專家小組的報告，目前在政策的推動上，仍缺乏對於不同生質燃料種類實際對於減少CO2排放量的貢獻比較。 • 因此，必須有相關研究投入，確實量化車輛在使用生質燃料對於溫室氣體抑制的效果，才能送出清楚地訊息給產業界，告訴生產者正確的方向； • 同時，也要將市場反應讓能源供應商即時掌握。 • 另外必須避免能源作物的量產，造成環境負荷加重，因此相關政策必須比較生質能源使用的外在成本支出， • 並確保生質燃料的使用不會對環境造成破壞，或是變相造成土地貧瘠。 • 委員會在報告中也提出，將會在2006年針對乙醇、乙醚與生質柴油提出總量限制的檢討。