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產業技術評析
藻類生質航空燃油的發展方向與挑戰
發表日期：2017-06-14
作者：陳志洋(工研院IEK)
摘要：
根據美國能源資訊署(EIA)統計，2012年全球航空業消耗310億升航空燃料，佔全球運輸燃料消費的12%，至2050年之前預估將上升至710~1,065 億升。
全文：
一、前言
隨著國際客、貨運需求增加，航空燃料使用量持續上升，根據美國能源資訊署(EIA)統計，2012年全球航空業消耗310億升航空燃料，佔全球運輸燃料消費的12%，至2050年之前預估將上升至710~1,065 億升。此外，由於國際間對二氧化碳排放議題的重視，航空業CO2排放管制日益加嚴，國際民航組織(ICAO)先前預估到2020年，國際航空CO2排放量將從6,832萬噸增加到7.55億噸，因此ICAO在2017年3月訂定新的航運業排碳標準，歐盟也提案將碳排放管制拓展到航運業。
然而，儘管如電動或太陽能飛機以及低溫氫氣等潔淨的替代技術正在開發中，但因飛機壽命長並且價格昂貴，航空公司通常希望在替換之前盡可能長時間使用它們，因此短中期內這些項目大量商業化使用的機會不高。國際再生能源組織(IRENA)2017年提出的報告即認為生質航空燃料是在2050年之前讓航空業CO2排放量顯著減少的唯一真正選擇，而國際主要航空公司如荷蘭航空、紐西蘭航空、漢莎及維珍航空等航空公司亦試驗性使用生質航空燃料。
在眾多生質燃料中，藻類燃料生命週期屬碳中和循環，亦即藻類在生長期間所吸收的二氧化碳總量，剛好等於燃燒過程中的二氧化碳排放量。加上生產藻類燃料顯示出低環境足跡和高能量效率，每單位面積可比傳統作物多產出10~100倍的油類，同時生長速度也比食物作物快20~30倍，也因此如DARPA、IATA(國際航空運輸協會)都宣布投入藻類生質燃油的研究。以下將簡介藻類生質燃料應用市場潛力與技術發展方向。
二、藻類生質燃料應用市場潛力
根據研究機構Grand View Research報告：2018年全球藻類生質燃料市場規模達到59.6億美元，2025年預計將成長至107.3億美元，運輸部門(車輛與航空)不斷提升的燃料需求預計將主導藻類生質燃料市場，佔2025年總需求的70%以上。
由於新創公司和美國政府投資支持可再生能源行業，北美預計將成為最大的市場，約佔30％以上的市占率，而亞太地區的年複合成長率估計將超過8%。
資料來源：Grand View Research；工研院IEK ITIS研究團隊(2017/06)
圖1 全球藻類生質燃料市場估計
三、技術發展方向
藻類為海洋常見生物，可分為巨藻與微藻，現階段由藻類提煉生質燃油製程一般包含養殖、收集與脫水、萃取、轉酯化等步驟，以下簡要說明技術發展方向：
（一）藻類養殖
現階段藻類養殖主要包含封閉系統(如光生物反應器photobioreactors)、開放系統(如開放式池塘open ponds)、混合系統和連接生長系統等。透過光自養，異養或混合營養方法來培養藻類，挑戰和優勢有所不同：
● 開放池：無法有效控制環境因子，藻類生長所達到的細胞密度較低(產率低)。
● 光生物反應器：若要達到與開放池方法相同的生產規模，需要更高資本的商業挑戰和操作複雜性。
目前藻類養殖商業化過程中主要面對養殖擴大的挑戰，從實驗室到商業運作的困難包含生物、技術、經濟和可持續發展等面向。目前針對藻類養殖，美國能源部生質能源技術辦公室(BETO)資助項目的發展方向，以改進材料使用、增強工程設計、營養來源、節水、系統管理與操作等項目為主。
（二）藻類收集與脫水
藻類轉化為液體運輸燃料需要加工步驟，如收集、脫水乾燥，以提取燃料前體，通常進行提取的藻類必須先濃縮至一定含水量以下，最後的漿料的濃度取決於所採用的提取方法，也影響所需的能量輸入。使用的技術取決於藻類原料種類，單細胞藻類與大型藻類的方法有很大不同，目前BETO資助的小企業創新研究討論的技術方向包含：
● Ultrasonic Harvesting (超音波法)
● Filtration(過濾法)
● Flocculation and Sedimentation(膠凝沉澱法)
● Flocculation and Dissolved Air Flotation (膠凝和溶解空氣浮除法)
● Centrifugation (離心法)
（三）藻類萃取
現有的萃取技術主要適用於分析和實驗室規模程序，或用於量少的高價值產品。現階段從藻類中萃取脂質的最常用的方法包含：
● 細胞生物質預處理：微波輔助 、脈衝電場 、超聲波、酸/鹼水解 。
● 溶劑萃取：加速溶劑萃取、混合溶劑、超臨界流體和可切換溶劑。
然而，多數文獻中報告的過程僅在實驗室規模。在許多情況下，這些控制方法萃取物無法用作生質燃料或不能轉化為生質燃料(非皂化脂質)的脂質。此外，當水分存在時效率較低、如何從溶劑中分離所需的萃取物、整合性的技術亦為當前的挑戰。
（四）藻類轉酯化
可從藻類生產的的燃料包括氫氣和甲烷等氣態化合物，液態醇類和烴類、粘稠油以及焦炭等高含碳固體。目前應用的轉酯化技術有五大類：熱裂解、氣化、厭氧消化、超臨界流體和熱水解等。
資料來源：DOE(2016)；工研院IEK ITIS研究團隊(2017/06)
圖2 藻類轉酯化主要應用技術
藻類脂質可以透過加氫處理提高辛烷值以滿足航空燃料要求，許多加氫處理方法可以在熱水解條件下進行，其中熱水解中HTL-CHG加工途徑的優點包括可以輕鬆轉換以滿足柴油和航空燃料標準的生質燃料，是美國國家先進生質燃料及製品聯盟(NAABB)近期發展的方向。
四、結論
我國位於溫帶氣候，水域中普遍存在高價值、高油脂藻類。由於我國生質料源相對缺乏，發展藻類生質燃油為實現地產地銷以及鞏固能源安全的可能選項之一。我國早期投入藻類養殖、採收、萃取技術已具有一定能量，唯現有廠商多應用於保健食品與美妝品。如何建立藻類燃料的商業化能量為未來努力方向，可思考結合國內既有微藻公司、中油、研究法人等，建立小型先導運行計畫或聯盟，由陸上運輸燃油切入驗證品質與營運模式穩定性，再行切入航空燃油。發展生質航空燃油，如何建立完整生產體系、穩定料源與品質為基礎，但我國因主要客戶與市場位於海外，應思考在全球價值鏈中的定位以及全球化布局策略，例如與既有石油業者的競合，以確認我國在產業鏈中扮演的角色以及合適的營運模式，方可由生產體系中聚焦合適的技術。
(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)
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