全球生質能源產業與技術發展動態與趨勢分析

出處 台灣能資源永續與低碳經濟學會 作者 蘇美惠 年份 2017/08
報告類型 能源簡析 分類 新/再生能源 |再生能源 資料時間 2017年11月
    國際能源總署(International Energy Agency; IEA)對生質能(Bioenergy)定義為直接利用生質物(Biomass)當作燃料,或經處理轉換產生液態或氣態之能源。至於生質物則泛指所有從植物或動物而來的有機物,具備可再生性資源;其來源包含林木、農業作物、草本與木本能源作物、城市有機廢棄物及糞肥(IEA, 2012)。我國「再生能源發展條例」則將生質能定義為「指農林植物、沼氣及國內有機廢棄物直接利用或經處理所產生之能源」。
 
    生質物之所以會為二十一世紀全球能源主要供應來源之一,即為著眼於植物固碳效果。植物利用太陽能與二氧化碳進行光合作用促進植物生長,植物收穫後作為燃料,其燃燒後所排放的二氧化碳將再回到大氣中,並不會增加二氧化碳之淨排放;生質燃料因具備此種「碳中和(Carbon Neutral)」效益,而被視為兼顧環保並可永續經營的能量來源。
 
    生質能為各項再生能源中全球應用歷史最為悠久,且對全球能源供應的貢獻最大之能源,2015年約佔全球初級能源消費的14.1%(REN21, 2017)。生質能依所使用的料源、轉換技術與應用方式不同,可應用於熱能、電能與運輸能源。其中以熱能應用最為廣泛(尤其是家庭供暖最大宗),占整體生質能應用91.4%;交通運輸燃料應用約占5.7%,至於電能應用則約占2.9%(REN21, 2017)。
 
    應用於交通運輸的液態生質燃料,包含生質酒精與生質柴油;固態生質燃料則用於家庭或區域提供熱、工業鍋爐或電廠作為燃料;畜禽等廢棄物生產的生質沼氣(Biogas),則可提供熱源和發電使用。產業面部分,目前全球生質能產業仍以生質酒精與生質柴油較具規模,尤其是生質酒精部分;其餘液態生質燃料、固態生質燃料與生質沼氣占整體生質能產業規模不到1% 。
 
    為提供生質能源發展最新進程之樣貌,本文將先進行生質能技術發展概況介紹,再分別針對重要國家在液態生質燃料及生質熱電的應用概況與發展趨勢,進行說明,以掌握全球在重要生質能源項目之發展與應用概況,做為我國生質能源發展之參考。
 
一、生質能技術發展概況
 
    液態生質燃料已被廣泛使用作為車用替代燃料,依其使用原料及生產程序可分成第一代及第二代生質燃料,其中第一代生質燃料係指利用植物的油脂、糖分或澱粉,透過化學或生物化學路徑,將植物油脂轉化為生質柴油,或利用糖分、澱粉生產生質酒精,目前該技術在全球已達成熟運用階段;第二代生質燃料則利用農、林剩餘物等含纖維素、半纖維素組成的生質物,以生物化學或熱化學路徑生產纖維酒精,或利用熱化學路徑生產生質轉化液體(Biomass To Liquid, 簡稱BTL)燃料,其中BTL燃料類似目前化石燃料衍生的汽油或柴油組成之合成燃料,因而可使用既有的油品配銷系統與車輛標準引擎。
    第三代生質燃料是利用非耕地養殖藻類作為料源,更前瞻的研究已進入第四代,則是指透過基因工程,使用微生物本身作為生物反應器直接產製生質燃料(表 1)。目前第一代生質燃料已進入大規模商業化應用,但有與人爭糧的疑慮;第二、三、四代生質燃料雖然不受料源限制,但卻都還處於技術發展階段,成本仍然偏高,屬先進生質燃料技術。

    纖維酒精技術的研發進程已進入商轉前的驗證階段,目前國際上有六座纖維酒精商轉廠完成建置(圖 1),產製程序以生化製程為主,進料處理量規模每日約 900~1,400 噸,每座酒精年產能約 7.5~11 萬公秉,陸續在 2014年進入量產的驗證導入階段;但受制於油價低迷的衝擊,及纖維原料集運方法仍有待精進,預期達到實質商轉的期程將會有所順延。由加拿大Iogen與巴西Raizen合資成立Iogen Energy,於巴西聖保羅Raizen糖廠內設置一座年產4萬公秉的纖維酒精廠,因料源成本低廉每公噸約38美元,該公司宣稱生產成本達每加侖2.17美元(每公升約新台幣17.8元)。其餘纖維酒精廠料元成本每公噸約90美元,生產成本推估每加侖約3.45~4.55美元(每公升約新台幣28.3~37.3元);杜邦公司則評估纖維酒精須待油價至每桶70美元以上時,方有獲利空間。

    藻類生質燃料部分,美國包括Cellana、Saphire Energy、Algae Tech、Solazyme及Solix等公司,已投入於藻種篩選、反應器開發、養殖系統、採收/萃油製程等量產化開發,美國能源部也提供產業研發聯盟對於商業化技術發展的補助 。
 
二、重要國家液態生質燃料的應用概況與發展趨勢
 
    2016年已有36個國家採行運輸用生質燃料混摻政策(REN21, 2017),馬來西亞、墨西哥與越南也開始推動混摻政策,部分國家更是大幅提高生質燃料混摻比例,例如生質酒精在印度(E10增加至E22.5)、辛巴威(E5增加至E15)、阿根廷(E5增加至E10)與巴拿馬(E7增加至E10),以及生質柴油在印尼由B5增加至B20、巴西逐年提高添加比例至2019年將提高至B10。
 
    2016年生質燃料佔全球車用燃料比重已達4% (REN21, 2017)。IEA(2016)評估在強制化石燃料添加生質燃料的政策下,減緩了低油價環境對生質燃料的衝擊,預估中期市場在這些主要國家的成長率仍高達19%;至2021年美國與巴西仍將是全球最大的生質燃料生產國,但亞洲將主導生質燃料市場的成長。2015~2021年全球生質燃料產量的增幅,至少1/3將由亞洲所貢獻;其中印度和泰國在政府強化能源安全、提高自給率下,將促使生質酒精產量持續成長;而生質柴油產量則仍集中於印尼與馬來西亞。
 
    2016年全球生質燃料產量達1.34億公秉,其中生質酒精占整體生質燃料市場75%,生質柴油約25%。2016年全球生質酒精產量超過1億公秉,較2015年增加341萬公秉,年成長率約4%(圖 2)。美國為全球最大生產國同時也是最大出口國,美國玉米酒精2016年產量約5,800萬公秉,其次為巴西甘蔗酒精年產量約2,760萬公秉,兩者產量佔全球生質酒精產量85%(圖 3);歐洲以甜菜及小麥為料源,年產量約520萬公秉佔全球5%。亞洲以中國、泰國及印度為主要生產國,中國以玉米酒精為主年產量約320萬公秉佔全球3%;泰國料源包含甘蔗、糖蜜及木薯,年產量約120萬公秉佔全球1%;印度甘蔗酒精年產量約90萬公秉。OECD/FAO(2016)預測至2020年全球生質酒精產量將達1.25億公秉,成長動能一半以上將來自巴西與泰國甘蔗酒精供應 。
 
    至於生質柴油部分,2016年全球生質柴油產量約3,320萬公秉,較2015年3,000萬公秉成長10.3%;全球主要生產國為美國、南美洲(巴西、阿根廷)、歐盟(德國、法國、荷蘭)及東南亞(印尼、馬來西亞、泰國)等地區;2016年產量成長動能主要來自印尼、荷蘭、阿根廷、美國與德國,FAO(2016)估計這些國家2017年的產量仍將小幅成長(表 2)。美洲地區生質柴油主要料源為大豆,歐盟地區則為油菜籽油及向日葵,東南亞料源則以棕櫚油為主。受美國、阿根廷、巴西、印尼及歐盟等國政策支持,OECD/FAO(2016)  預測2016~2020年間全球生質柴油產量將增加14%,至2020年產量將達3,790萬公秉。
 
    美國生質燃料發展主要受到再生能源燃料標準計畫(Renewable Fuel Standard program; RFS)支持,目標為2022年生質燃料使用量須達360億加侖,且玉米酒精於2015年起維持150億加侖使用量,因此,至2022年纖維酒精角色日益重要。依據美國環保署對於RFS規劃,2017年玉米酒精使用量將首次達到150億加侖,至於纖維酒精使用量目標為311萬加侖、生質柴油為20億加侖,前瞻生質燃料使用量則為42.8億加侖(USEPA, 2016)。美國目前汽油中至少都已添加10%生質酒精,已有394個加油站販售添加15%生質酒精的汽油(簡稱E15),與2016年相較成長54%,且2017年起將有超過80%新款車適用E15,預期2017年起E15消費量將快速成長。此外,美國販售E85的加油站已達3,610座,提供彈性燃料車(Flex Fuel Vehicles; FFVs)使用,部分加油站更販售E20、E30及E40酒精汽油(RFA, 2017)。
 
    巴西為全球生質酒精推行歷史最悠久國家,也是全球強制添加比例最高國家,目前全國強制添加比例為E27;為推動生質燃料使用,除了強制添加政策外,巴西政府更透過提供稅賦優惠鼓勵生產與使用生質燃料。在巴西加油站除了販售E27酒精汽油外,也有販售E100含水生質酒精,供FFV車輛使用;至於生質柴油強制添加政策則將從2016年B7逐年提高至2019年B10 (USDA, 2016)。
   
    歐盟2009年通過能源與氣候變遷套案(EU Energy and Climate Change Package; CCP),提出2020年溫室氣體減量目標,及2020年再生能源佔歐盟最終能源消費組合20%配比目標,其中再生能源指令(Renewable Energy Directive; RED) 訂定歐盟會員國未來的生質燃料政策,除了要求2020年生質燃料佔車用燃料比例須達10%外,亦提出使用非糧食料源之目標,例如2015年生質燃料使用量至少20%需使用非糧化生質燃料,至2020年則需達到40%。另一項支持歐盟地區生質燃料發展的為CCP中的燃料品質指令(Fuel Quality Directive; FQD),要求供應商以生命週期法計算需降低市售燃料溫室氣體排放量,2014年強制降低2%、2017與2020年強制減量4%與6%(蘇美惠, 2009)。目前德國、芬蘭、波蘭等為歐盟中最為積極國家,目標為2020年生質燃料佔車用燃料比例須達20% (REN21, 2016)。
 
    然而,2015年歐盟通過間接土地利用改變指令(Indirect Land Use Change; ILUC),限制2020年使用糧食作物產製生質燃料佔車用燃料比例以7%為限,此法令嚴重影響RED及FQD指令的推行,因為非糧化生質燃料目前生產成本仍然偏高,無法大量商業化運用。因此,歐盟正在研議RED指令修訂,規劃自2022年起逐年調降糧化生質燃料佔車用燃料比例,至2025年下修至以5.8%為限,至2030年以3.8%為限(Biodiesel Magazine, 2016)。
 
    2015年中國再生能源消費比重達11.64%,但生質能僅占全部再生能源的8%。中國2016年12公佈《生物質能發展“十三五”規劃》,提出2020年生質能年利用量要達約5,800萬公噸標準煤;其中,液體生質燃料年使用量要達600萬公噸(中國國家能源局, 2016)。2016年3月中國海南航空波音客機使用中國石化1號生質航空燃油,成功從上海飛往北京,宣示中國在航空應用的生質燃料已進入商業化階段。在十三五期間,中國將積極推廣燃料酒精應用,大力發展纖維酒精,並加速推動生質柴油在交通領域應用。
 
三、重要國家生質熱能與電能的應用概況與發展趨勢
 
    目前在生質熱能與電能應用,仍以固態燃料為主(圖 4);2015年在全球熱能應用中固態生質燃料佔77%,都市廢棄物廢棄物次之,生質沼氣約佔4%;在發電應用固態生質燃料則佔71%,生質沼氣次之約佔20% (REN21, 2016)。2016年生質發電全球累計裝置量達112GW,新增裝置量約6GW,生質電力占全球總發電量達2% (REN21, 2017)。IEA(2015)估計至2020年生質發電累計裝置量將成長至125GW,生質發電量在2014~2020年平均複合成長率約5.5%。

全球生質發電以美國發電量年供應680億度電最高(表 3),但美國目前生質電力發電成本仍無法與燃氣發電或其他再生能源發電成本相競爭,因此生質電力市場成長緩慢。歐美積極發展木質顆粒燃燒應用,目前已進入商業化量產,美國2015年出口超過4,500萬公噸木質顆粒,其中84%出口至英國,供應英國燃煤混燒電廠使用。

    中國生質電力年產量2016年居全球第二位(表 3),在十二五期間原訂生質電力裝置量至2015年要達到13GW,但受到料源成本仍然偏高,實際裝置量僅達10.3GW。但2016年12月公布之《生物質能發展“十三五”規劃》,仍提出積極性發展目標,鎖定2020年生質沼氣年使用量達80億立方公尺,並建設160個生質沼氣和循環農業示範縣;至於固態生物燃料2020年的年使用量目標則為3,000萬公噸;因此,REN21(2017)預估中國2016年生質電力年發電量將達540億度電。

    德國生質電力2016年年發電量540億度電居全球第三大,裝置量有67.6%來自能源作物的沼氣發電,德國同時也建置了歐洲最大的沼氣發電廠。巴西生質電力主要來自甘蔗糖廠的蔗渣發電,產量510億度居全球第四大。至於日本生質電力產量則位居全球第五大,年產380億度電(表 3),料源主要為進口木質顆粒、木片及廢棄棕櫚殼;目標為2030年裝置量達6GW。日本現行對於生質電力的收購電價制度,同時也適用於現有燃煤電廠混燒生質物者;因此,將有機會促使日本生質發電應用快速成長。

四、結論
 
    儘管受到低油價及部分國家政策不確定性影響,全球生質能源產量在2016年仍持續成長。其中生質熱能應用由於技術應用已相當成熟,市場已趨於穩定;在生質電力應用方面,受到歐洲及亞洲市場(尤其是韓國)快速成長,2016年生質電力產量年成長率約6%。
    車用生質燃料雖占整體生質能應用比重不高,但卻供應全球約4% 陸上運輸燃料,為目前替代液態化石燃料重要選項,歐美國家仍持續投入相關前瞻技術之研發;且無論已開發國家或開發中國家,皆已將車用生質燃料列入再生能源發展施政重點之一。2016年全球生質酒精產量穩定,其中中國及印度產量大幅成長;至於全球生質柴油的產量則明顯成長,其中以印尼和阿根廷的增長最為顯著。此外,值得注意的是2016年氫化植物油(Hydrotreated Vegetable Oil, HVO)的產量大幅成長20%;而在美國可再生燃料標準(RPS)推動下,運輸用之生質甲烷(Biomethane)使用量也急劇增長。
 
    我國為自產能源相當缺乏國家,利用農林畜產等廢棄物產製生質能,除了具備能能源供應效益,對於二氧化碳減量與農村經濟活絡皆有所助益。然而,生質能產業的推動,從料源開發、生質能源技術產業化、應用市場信心建立等產業供應鏈之輔導與推廣策略,皆須全盤性與積極性政策規劃。而我國欲發展「循環經濟」,建議應更積極提高生物循環之角色,研擬適合我國國情之短中長程車用生質燃料、沼氣發電等生質能源政策目標,清楚擘劃產業發展方針。
 

資料來源:

1.中國國家能源局(2016),生物質能發展“十三五”規劃,2016.10。
2.蘇美惠(2009),「第30章 生質能產業」,2010年台灣各產業景氣趨勢調查報告,pp.655-680,台灣經濟研究院,2009年12月。
3.Biodiesel Magazine(2016), Biodiesel's presence in future EU policy revealed in leaked draft, 2016.11.22. (http://biodieselmagazine.com/articles/1874430/)
4.IEA(2012), Technology Roadmap: bioenergy for heat and power. OECD/IEA. Paris. France.
5.IEA (2015), Medium‑Term Renewable Energy Market Report 2015, OECD/IEA, Paris.
6.IEA(2016), Renewable Energy Medium-Term Market Report 2016, 2016.10.
7.IRENA(2016), Innovation Outlook-Advanced Liquid Biofuels, 2016.07.
8.REN21(2016), Renewables 2016 Global Status Report, 2016.06.
9.REN21(2017), Renewables 2017 Global Status Report, 2017.06.
10.RFA(2017), Building Partnerships-Growing Markets-2017 Ethanol Industry Outlook, 2017.02.
11.USDA(2016), Brazil Biofuels Annual Report 2016, 2016.08.12.
12.USEPA(2016), Final Renewable Fuel Standards for 2017, and the Biomass-Based Diesel Volume for 2018, 2016.12.16.(https://www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR-2016-12-12/pdf/2016-28879.pdf)