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國內太陽光電能與 生質能源利用之推動

國內太陽光電能與 生質能源利用之推動. 陳文卿 財團法人環境與發展基金會. 中 華 民 國 99 年 1 月 28 日. 台灣再生能源發展進程. 新能源兆元產業產值推估 （新能源產業旗艦計畫）. 約 300MW 每 MW 7,000 萬元計. 約 2250MW 每 KW 20 萬元計. 國內風力與太陽光電能之推動目標與效益. (2008 年能源局資料 ). 太陽光電能 (photo-voltaic energy). 太陽光取之不盡用之不竭 直接轉換為直流電能，無轉動組件，無噪音，穩定性佳 無需燃料，無中間廢棄物，安全無污染 壽命可長達近 20 年

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國內太陽光電能與 生質能源利用之推動

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  1. 國內太陽光電能與生質能源利用之推動 陳文卿 財團法人環境與發展基金會 中 華 民 國 99 年 1 月28 日

  2. 台灣再生能源發展進程

  3. 新能源兆元產業產值推估（新能源產業旗艦計畫）新能源兆元產業產值推估（新能源產業旗艦計畫） 約300MW 每MW 7,000萬元計 約2250MW 每KW 20萬元計

  4. 國內風力與太陽光電能之推動目標與效益 (2008年能源局資料)

  5. 太陽光電能(photo-voltaic energy) • 太陽光取之不盡用之不竭 • 直接轉換為直流電能，無轉動組件，無噪音，穩定性佳 • 無需燃料，無中間廢棄物，安全無污染 • 壽命可長達近20年 • 輔助尖峰用電 • 使用方便，外型此寸可彈性變化(小至電計算機大至發電廠)： solar cell → module→electric system (10W~KW) (KW~MW)

  6. 太陽光電能(續) • 受環境與地理限制小，所以應用廣泛 • 太陽電池所發之電為直流電，一般電器皆使用交流電，需接電力轉換器(inverter)將直流電轉換成交流電使用，此為太陽電池發主要技術之一。 • 可作為建築構材(窗、外牆、屋頂)

  7. 用途

  8. 太陽電池的光電轉換原理 太陽電池(solar cell)是以半導體製程的製作方式做成的，其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上，使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的p型半導體及n型半導體使其產生電子(負極)及電洞(正極)，同時分離電子與電洞而形成電壓降，再經由導線傳輸至負載。 由於太陽電池產生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器，將直流電轉換成交流電，才能供電至家庭用電或工業用電。

  9. A→A + + e- e- e- e- h+ M +e- → M -

  10. 太陽電池之矽材料製作過程 矽砂原材料 多晶矽長晶爐 矽晶碇切割機 矽晶片線切割機 單晶矽拉晶製程 矽塊原材料、晶碇、 晶片 .

  11. 太陽電池的關聯產品 攜帶式電源 太陽電池模板 (PV Module) 單元太陽電池 (Unit Solar Cell) 太陽電池組列 (PV Array) 太陽光發電系統 蓄電池(Battery) 電力轉換器 (電力調節器) (Inverter、 Conditioner)

  12. 太陽電池種類 半導體材料 Cell轉換 效率 模組轉換效率 矽 結晶矽 非晶矽 3元素 CuInSe2(薄膜型) 10~12% 有機半導體 不同種類太陽電池效率發展狀況 單結晶(晶圓型) 15~20% 14~18% 結晶矽 矽 多結晶(晶圓型、薄膜型) 12~16% 10~14% 非晶矽 a-Si、a-SiC、a-SiGe 8~13% 6~9% III-V族 GaAs(晶圓,薄膜型) 18~30% 化合物 半導體 II-VI族 CdS、CdTe薄膜型 10~14% 多元 化合物 CuInSe2薄膜型 10~15% 有機物 TiO2/Dye 7 ~10 %

  13. 太陽能電池種類說明 非晶矽太陽電池外觀(可撓式) 多晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池外觀

  14. 矽太陽電池外觀與結構 單晶矽 (Single Crystalline Si) 多晶矽 (Poly Crystalline Si) 太陽電池典型結構例(單晶矽) 單晶矽，理論轉換效率23% 多晶矽，理論轉換效率20% 非晶矽 (Amorphous Si)

  15. 各式太陽電池模板 單晶矽模板 多晶矽模板 半透光型模板 非晶矽模板

  16. 結合太陽光電板與風力系統

  17. 單晶矽太陽電池 • Si crystal from molten silicone , and growing up through define direction. • 佔有率最高 • 所發電力與提供電壓範圍廣，1W至100W，0.5V至24V • 效率高，商業化產品元件效率13~15%；模板效率11~13% • 價格在某些應用範疇是可被接受的價位，一般保證可達15年

  18. 多晶矽太陽能電池的兩大重點 • 低廉價格的高純度矽原料 • 以半導體級超高純度矽(7N以上)生產廠家之不合格品(Off-Spec)作為原料貨源不穩定 • 單價 : 半導體級(U$35~40/kg)、太陽能電池級(U$20~25/kg) • 生產成本低廉(技術較為成熟、切片損失大) • 非傳統之直接晶圓片(Si Ribbon)提拉法 • 技術較不成熟、製程量率較低的晶圓(Wafer) • 鑄造(Ingot Casting)切塊(Cutting)晶圓切片(Slicing)晶圓

  19. 非晶矽太陽電池 • 應用非常廣泛 • 成本非常低廉，製程易量產化 • 可吸收任何可見光：在螢光照射下也可產生電力，適用於消費性產品 • 可成長在不同的基板上，如玻璃、高分子膜、不銹鋼、陶瓷…等，應用範圍廣 • 可製作成大面積；同一基板可串聯較多電池，並且形狀可任意設計，應用產品製作容易

  20. 太陽電池的關聯產品 攜帶式電源 太陽電池模板 (PV Module) 單元太陽電池 (Unit Solar Cell) 太陽電池組列 (PV Array) 太陽光發電系統 蓄電池(Battery) 電力轉換器 (電力調節器) (Inverter、 Conditioner)

  21. 我國太陽光電產業技術發展SWOT分析 資料來源：工研院太陽光電科技中心，2007年11月

  22. 我國與先進國家太陽電池技術水準比較 資料來源：工研院太陽光電科技中心，2007年11月

  23. 我國太陽光電技術發展Roadmap

  24. 我國太陽光電技術發展Roadmap(續) 資料來源：工研院太陽光電科技中心，2007年11月

  25. 生質能(biomass energy) 自生物性物質所獲取之能源稱為「生質能」 • 沼氣利用(經厭氧消化作用) • 養豬場廢污 • 垃圾掩埋場沼氣 • 水肥與下水道污泥 • 產業廢水、污泥厭氧消化 • 都市垃圾焚化發電 • 廢棄物氣化發電

  26. 厭氧消化之優點 • 有機廢棄物減量(60%以上 COD分解) • 適合台灣的天候條件 • 省動力,沼氣能源回收 • 資源/能源回收 • 技術成熟，操作簡單

  27. 有機物厭氧醱酵分解之程序 H2+ CO2 醣類、澱粉等… → C6H6O12→ → 6CH3CO2H CH4 + CO2 (約65%) 沼氣： CH4 + CO2 1M3沼氣約可發電1.5度

  28. 能源-資源永續循環 電能 廢熱回收 家庭或 工廠利用 工廠 發電機 沼氣 有機廢棄物 (乾燥熱能) 貯存槽 厭氧消化槽 農地灌溉 肥料利用 脫水

  29. 高濃度有機廢棄物生質能源回收 堆肥再利用 (約450 ton/d) 家戶收集 (約1800 ton/d) 廚餘 養豬再利用 (約1500 ton/d) 餐廳收集 (約1200 ton/d) 厭氧消化能源資源回收 高濃度有機廢棄物 (處理容量約16萬噸/年) 水肥處理廠 化糞池清除 水肥 下水道污水廠 水肥投入站 (產生量約5.0 Mton/y) 清運量約1.8 Mton/y 堆肥 糞渣 (55家禽畜糞堆肥場) 養豬場廢污 廢棄污泥 (土壤灌溉) 污泥消化廠 下水道污水廠 生活廢水污泥 建築物污水處理設施

  30. 甲烷回收系統 廢液處理或回送系統 黏土層 垃圾 地下水 觀測井 掩埋場 底部襯墊 廢液收集系統 地下水 垃圾掩埋產生沼氣設施

  31. 水肥 下水道污泥 廚 餘 註1 養豬污泥 豬隻攝食 既設 水肥場 污水廠已消化 污水廠未消化 適養豬廚餘 不適養豬 廚餘 既設 堆肥場 集中式厭氧消化設施 燃料化、材料化、肥料化 註2 • 既有設施 新建設施 • 技術面配套(增設前處理設備) • 行政面配合(與主管機關協調) • 分期開發 • 處理規模 • 優先設置示範廠 有機廢棄物集中處理生質能源利用 • 「利用既有設施擴充其性能」及「新建處理廠」兩種方式

  32. 厭氧醱酵之技術可行性分析

  33. 有機廢棄物(污泥)產生現況分析 • 廚餘 • 2012年廚餘回收目標為2,200 ton/d，2020年將成長至2,700 ton/d。 • 扣除70%養豬再利用外， 2020年將有約800噸須作堆肥及其他再利用。(現有堆肥場處理量僅約300 ton/d) • 水肥 • 既有處理設施嚴重不足(約440 ton/d)，部分縣市水肥無適當去處 • 養豬場廢污 • 缺乏適當處理，污泥在廢水場內部循環，嚴重影響處理性能 • 生活污水污泥 • 以下水道污泥為主，現行消化系統尚有餘裕空間可供利用

  34. 各類有機廢棄物之綜合比較 養豬廢水污泥 • 有機固體濃度：約1~2%(濃縮後) • 沼氣產生率：約0.3 L/g TVS • [問題]：水量大濃度低，清運費用偏高。 養豬場糞渣 • 有機固體濃度：約10%以上 • 沼氣轉換率：約0.5 L/g TVS • [問題]：纖維質高，顆粒大，須預經篩濾。目前以堆肥處理為主，可收集量不高。 廚餘 • 有機固體濃度：10%以上 • 沼氣轉換率：約0.7 L/g TVS • [問題]：含氮量低，纖維質、油脂高。顆粒大且不均勻，須預經篩分及破碎。 水肥、下水道污泥 • 有機固體濃度：約0.5% • 沼氣轉換率：約0.2 L/g TVS • [問題]：濃度低，砂質多，沼氣產生率偏低。

  35. 全國各種有機廢棄物 沼氣生質能源潛力預估(1/2) Ref.：Wen-Ching Chen(陳文卿),Wen-Chin Chen and Doong-Shur Geng(2008), The Strategy and Bioenergy Potential for Kitchen Waste Recycling in Taiwan. J. Environ. Eng. Manage., 18(4), 281-287

  36. 全國各種有機廢棄物 沼氣生質能源潛力預估(2/2) 一、全國養豬廢水處理場每年所產生的沼 氣量約可達2億立方米，可發電每年約 達3億度，相當於減少約20萬公噸CO2。二、沼氣若未收集利用而任意排放，卻等於 為1立方米將增加了10公斤的CO2當量。 亦就是增加200萬公噸CO2，約相當於全 國CO2排放量之0.9%!

  37. 全球再生能源利用比例

  38. Utilization of renewable energy in the EU Biomass 佔一半以上!!

  39. 台灣推動廚餘厭氧消化之關鍵課題 • 廚餘特性之掌握 • 生物可分解性高 • 沼氣潛能大 • 雜質高，易造成系統堵塞 • 宜先分離去雜質 • 粒徑不均勻 • 應先破碎及磨碎 • 油脂高 • 易產生浮渣，混合困難 • 沼氣產量高 • 水份高(相對於國外) • 宜採濕式醱酵 • 進料固體濃度設計建議：3%~6% • 反應槽攪拌很重要

  40. 台灣推動廚餘厭氧消化之關鍵課題(續) • 厭氧槽設計建造技術 • 高濃度(污泥)厭氧消化槽(反應槽型式之選擇) • 攪拌、循環 • 操作控制技術 • 有機負荷控制(濃度、停留時間) • 抑制因子 • 溫度控制 • 關鍵設備研發 • 油污分離 • 破碎設備 • 沼氣利用設備 • 其他相關課題 • 沼氣利用 • 污泥(殘渣)之再利用 • 醱酵放流液之再利用

  41. 廚餘厭氧醱酵模廠現場配置 3.7 0 0

  42. Munster(德國) Arhus(丹麥) Passau Compogas(德國) Atlantic(加拿大)

  43. 62 (日本COMPOGAS)

  44. CAMPO系統說明 • 一般垃圾 30T/D → 5T/D • 食品廢棄物 30~50T/D • 生垃圾一噸產生Biogas100~200m3 (TS 50%)=150~300kWH • 全廠每天產生沼氣約10,000m3, 可發電量約15,000度電 • 建廠費用：16.4億日圓=>每噸約1000萬NTD H2O 125T/D (TS 20%) 50T/D (TS 50%) Digester 發電利用 Biogas (310kw ×2 ) 1400m3×2 HRT:20~30day (55℃ )

  45. 八里污水處理廠 • 污水處理量： 每天7百萬立方米污水進流 • 污泥消化槽：6個蛋形槽，54,000 m3 of total capacity. • 設計污泥消化水力停留時間：HRT ：18天(3,000 m3 of sludge per day,in 3% of VSS). • 沼氣產生量： 27,000m3 /天 (污泥VSS濃度 3%)

  46. 廚餘與污水處理廠污泥混合處理--以八里污水處理廠為對象推估廚餘與污水處理廠污泥混合處理--以八里污水處理廠為對象推估 • 100 m3廚餘與下水道污泥混合(總污泥量之3%) • 總沼氣產生量：35,000 m3 (約增加30%) • 可發電：54,000KWh per day • 400 m3廚餘與下水道污泥混合(總污泥量之13%) • 總沼氣產生量： 54,0000 m3 Biogas約為目前之2倍! • 可發電： 83,000KWh per day.

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