生物柴油

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實驗室中通過轉酯化反應研製出的生物柴油
空間填充模型,亞油酸甲酯,一種產生於豆油或菜籽油和甲醇的常見的甲基酯
空間填充模型,乙酸乙酯,硬脂酸或硬脂酸乙基酯,一種產生於豆油或菜籽油和乙醇的乙基酯
一張貼在京都市營巴士車窗上的佈告,說明此車使用生物柴油作為燃料,並鼓勵大家踴躍回收炸天婦羅廢油作為原料
使用生物柴油運行的巴士

生物柴油Biodiesel)又稱為生質柴油,是用未加工過的或者使用過的植物油以及動物脂肪通過不同的化學反應製備出來的一種被認為是環保生質燃料。這種生物燃料可以像柴油一樣使用。[1][2]

生物柴油最普遍的製備方法是酯交換反應。由植物油和脂肪中佔主要成分的甘油三酯(一般是甲醇)在催化劑存在下反應,生成脂肪酸酯。脂肪酸酯的物理和化學性質與柴油非常相近甚至更好。

歷史[編輯]

1853年,兩個化學家E達菲(E. Duffy)和J.派屈克(J. Patrick),第一次試驗成功將植物油酯交換製造肥皂。[3]

西元1876年德國工程師魯道夫·狄塞爾(Rudolf Diesel)發明了柴油引擎,最初使用花生油當燃料,但花生油成本太貴,難以與汽油競爭,後來便使用石化柴油做為燃料。用油脂來做為現今柴油引擎的燃料會遇到一個問題,油脂的黏度太高難以噴成細霧狀使用,1990年後開始使用轉脂化技術將高黏度的油脂轉化為低黏度的單鏈脂肪酸甲酯,做為柴油引擎的原料使用,因此各國皆開始利用為加工過的油脂或者是廢棄的油脂經煉成生質柴油。[4][5][6]當時,為紀念該次活動,宣布8月10日為「國際生物柴油日」。[7][8]

原料[編輯]

生產生物柴油的原料往往根據各地區可以得到的原料種類不同而不同。實際產油效率和技術不同。下面列出了一些國家所採用的主要原料:

從原理上說,未經加工的植物油只能在柴油發動機裡短期直接使用。這是由於植物油含有飽和度不同的物質而會使柴油發動機上的潤滑油發生聚合。而且植物油和柴油分子結構不同,這也可能造成霧化不良、燃燒不完全、噴嘴英語Nozzle堵塞等問題。

產油效率[編輯]

原料每畝產油效率(收率)引向原料以後的工業化和市場化的可行性,因為產量必須能夠供應給整個國家或全世界。以下是現有技術所能夠出產的原料效率:

工藝[編輯]

生產生物柴油最常用的是酯交換反應。此外還有氫化裂解、不使用催化劑的超臨界方法、e-柴油、高溫分解、微乳狀液等方法。

酯交換反應是將植物油和甲醇乙醇混合,生成脂肪酸酯,即生物柴油。催化劑可以是,也可以是,但是由於鹼催化的轉化率更高(>98%),若要提高為98%轉化率必需二級反應以上,通常一級反應酯化率在98%以下,而且常壓反應,沒有中間步驟,對設備的要求也低,因此一般是採用鹼催化反應。

回鍋油、廢棄食用油轉化
  • 利用微波加熱,加入3~4%的甲醇做為催化劑,以固態氧化鍶為觸媒,將5公升廢食用油轉化成3公升生質柴油以及2公升甘油,耗電量僅0.3度,約1.2新台幣。至於氧化鍶觸媒為固態性質,可以重複使用,沒有二次污染問題。[17][18][19][20]

使用[編輯]

生物柴油一般不是直接作為燃料使用;而是與普通柴油混合使用。一個公認的經驗值是調和20%生物柴油(B20,參見B100。但是這個比例在使用有毒性成分的生質柴油時,可能會有爭議,例如非食品級的蓖麻油可能含有蓖麻毒素,如果燃燒不完全,可能導致安全性隱憂。因此在台灣採用98:2的低混合比[21]

生質柴油另一個環保優勢,是其可降低引擎廢氣排放。生物柴油幾乎「沒有含硫化物」,排放的廢氣自然也沒有硫化物。研究顯示如果用20%生質柴油的比例混合的話,柴油引擎NOx排放會增加2%,但微粒排放會降低12%,碳氫化合物排放會降低20%,一氧化碳的排放會降低12%

如果生質柴油的來源是「回鍋油[22],可以減少餐廳換油成本,減少油炸用油的健康風險。以臺灣為例,大統長基公司2013年問題油品約140萬瓶油品,後續分別有2680公噸作為生質柴油(B2合成燃料、39公噸作為馬路標線用料及機械潤滑油[23]

一般認為,生物柴油的優點在於可以減少「一氧化碳等廢物」的排放量,而且運輸也比普通柴油安全。此外,研究發現,生物柴油的潤滑性能很高。有趣的是,調和5%以內可以提高潤滑性能,但是如果高於5%,潤滑性能卻不再增強。

生質柴油在製作時必須將酸價給控制在0.50mgKOH/g以下,酸價過高會有腐蝕性。

一架位於蒙特婁的生物柴油巴士

問題[編輯]

燃料、食物生產互斥[編輯]

雖然生物柴油的開發作為一種替代能源被業界看好,但是卻鮮有生產商業化的例子。這主要來自植物油的成本。植物油的採購、運輸、儲存以及提取佔了生物柴油生產的大部分成本。但是也有觀點認為,由於生產生物柴油,需要大量的植物油原料,因此勢必需要興建種植園,因而可以帶動相關的農業生產。

黏滯係數[編輯]

生物柴油也存在一些技術限制,不適應很多地區。由於它比普通柴油粘度高,因此在低溫下會降低可用性。如同雞湯、紅燒肉放到冰箱冷藏,油脂會凝結成白色黏稠狀,學術上的名詞就叫做「雲化」(cloud),凝結的溫度則叫做「雲點」(cloud point)。石油基柴油的雲點大約在攝氏零下15度,而100%生質柴油B100在攝氏零度時便會開始雲化,低溫時很容易堵塞汽車油路。在冬天使用生物柴油必須加入添加劑或者其他的保溫措施。而在濕熱環境下,長期儲存生物柴油還需要考慮到抑制微生物細菌的滋生。

能量值[編輯]

生質柴油另一個劣勢,是B100的蘊含能量比石油基的柴油燃料低11%,最大馬力輸出大約會減少5-7%。但這個差距並不大,如果是使用5%生質柴油更幾乎沒有差別。反而是生質柴油的黏性大於石油基柴油,對燃噴射料系統和引擎元件能提供較好的潤滑性,延長引擎系統壽命。許多車主指定使用B2柴油(2%生質柴油,98%石油基柴油),目的就是在幫助潤滑引擎。而前面提到美國小學生乘坐的這些大豆動力車,則是使用B5到B30的柴油。

開發成本[編輯]

為協助生物柴油的開發,在不少國家(如加拿大南韓等)都會投入生物科技工業園的發展,透過把相關物料的生產和開發的過程放在一起,以減低生物柴油的開發成本。

臺灣[編輯]

由於有車主反應使用B2生質柴油常有油路堵塞及引擎容易熄火的問題,雖然還無法證實與生質柴油的製造或儲運過程還是與氣候或車主保養有關,但經濟部能源局仍決定下令台灣中油台塑石化從2014年5月起逐步停供B2生質柴油,以後待問題解決後再重新供應生質柴油。[24][25]

2014年10月,零售加油站及遊覽車業同聲反對銷售及使用生質柴油,反對主因為國內生產技術及品質都不穩定,遊覽車公會全聯會強調,使用近一年時間已發生過500多件行駛中熄火的傷害事件。[26][27][28][29]

道德及環保爭議性[編輯]

生物柴油的大量使用會讓許多原本生產食品的農地改種植經濟作物,很可能造成糧價上漲,威脅貧窮人口:而開墾新的農地則會破壞生態,而一些研究顯示,開墾新農地所製造的二氧化碳可以提供這塊農地上的作物吸收數十年,換句話說就是在環保上不值得。

可能避免負面效應的方法是採用痲瘋樹提供油脂(痲瘋樹生產的油脂有毒、不可食用),痲瘋樹不但產油效率佳,而且可以在貧瘠缺水的環境生存,換句話說就是可以利用無法種植作物的土地。但有些人認為就算是採用具有類似痲瘋樹特性的植物生產生質柴油,還是有降低糧食生產的可能性,因為有些第三世界國家的農民會在經濟利益的驅使下,將原本用來種植作物的土地給拿來改種痲瘋樹。另一種可行方案是種植辣木

利用廢棄物(例如廢油)生產生物柴油幾乎無環保及道德上的缺點;還可以減少商人使用回鍋油地溝油的誘因。但是回收廢油及廢油內部不純物仍然是問題。

未來發展[編輯]

未來可能利用藻類(如海藻)生產生質柴油,以增加生質能源效率,和減輕生質能源可能對農產品價格的影響。但除了技術上還需突破外,由於生產的藻類很可能是基因改造品種,因此預防這些藻類混入生態系統也是個課題。[30][31][32][33]

參看[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Hydrocarbon Processing, Feb., 2005
  2. ^ 汽車購買指南雜誌,2005年七月號,史丹福專欄。
  3. ^ http://www.odec.ca/projects/2007/ardi7m2/history_biodiesels.html
  4. ^ Patrick Duffy: XXV. On the constitution of stearine. In: Quarterly Journal of the Chemical Society of London. 5, 1853, p. 303, doi:10.1039/QJ8530500303
  5. ^ Rob. Henriques: Über partielle Verseifung von Ölen und Fetten II. In: Zeitschrift für Angewandte Chemie. 11, 1898, p. 697–702, doi:10.1002/ange.18980113003.
  6. ^ [1],2014-10-18
  7. ^ http://www.daysoftheyear.com/days/biodiesel-day/
  8. ^ International Biodiesel Day
  9. ^ DOE quoted by Washington Post in "A Promising Oil Alternative: Algae Energy"
  10. ^ Thomas F. Riesing, Ph.D. Algae for Liquid Fuel Production. Oakhaven Permaculture Center. Spring 2006 [2006-12-18].  Note: originally published in issue #59 of Permaculture Activist
  11. ^ Herer, Jack, "The Emperor Wears No Clothes", Ah Ha Publishing, 1985.
  12. ^ Klass, Donald, "Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals",page 341. Academic Press, 1998.
  13. ^ Kitani, Osamu, "Volume V: Energy and Biomass Engineering, CIGR Handbook of Agricultural Engineering", Amer Society of Agricultural, 1999.
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 14.3 14.4 Biofuels: some numbers
  15. ^ [www.ces.purdue.edu/extmedia/ID/ID-337.pdf Purdue report ID-337]
  16. ^ Biodiesel Yields Even Higher Energy Balance
  17. ^ 17.0 17.1 廢油變生質柴油 成大提新技術,2013年10月31日,中央通訊社,記者楊思瑞,台南,[2]
  18. ^ 18.0 18.1 廢食用油轉化生質柴油技術 成大團隊研發有成,2014年09月05日,陳惠珍,[3]
  19. ^ 19.0 19.1 廢食用油 可轉化生質柴油,2014年09月06日,洪榮志╱台南,[4]yahoo
  20. ^ 20.0 20.1 成大研發廢食用油轉化生質柴油,2014年09月05日,聯合報,記者鄭維真,[5]
  21. ^ 經濟部公告修正「石油煉製業與輸入業銷售國內車用柴油摻配酯類之比率實施期程範圍及方式」
  22. ^ 發展生質能源作物之展望 - 農業生技產業資訊網 - 行政院,[6]
  23. ^ 大統問題油 變身千噸生質柴油,CNA,2014-09-22,ltn
  24. ^ [7],2014-10-12
  25. ^ [8],2014-10-12
  26. ^ [9],2014-10-21
  27. ^ [10],2014-10-22
  28. ^ [11],2014-10-22
  29. ^ [12],2014-10-22
  30. ^ 豐田研發海藻作優質生物燃料, 亞洲時報
  31. ^ 復旦大學:海藻滸苔可望提煉出生物油,中國經濟網
  32. ^ 首架純生物燃料飛機歐洲試飛 完全採用海藻生物燃料, 大公報
  33. ^ [13],2014-10-12,[14][15]

外部連結[編輯]