陳義文
為燃料之一的甲醇，產生方式與燃燒生熱上之特性
甲醇（Methanol或Methyl alcohol）是一種具有可燃性的有機碳氫化合物，又稱烴基甲烷或木醇（wood alcohol）、木精（wood spirits）等，蓋在化學或化工業界曾有甚長時期，主要是從「木醋液」（Pyroligneous acid，亦名焦木酸，為在木材裂解或乾餾的過程所產出的液體）中再予萃取產得。古埃及人已知使用包含甲醇在內的混合物質來製作「木乃伊」（mummy），以防止遺體腐損而可保存良久的歲月。
1661年，一位名為Robert Boyle的愛爾蘭籍化學家，首度利用蒸餾黃楊木的技術分離出純化的甲醇，後至1834年始由法國化學家Baptiste André Dumas等人確定甲醇之元素組成，且又悉若於甲醇中添加活性大的「鹼金族」金屬，可使其迅速起作用以產生離子化合物。
工業界在過去多年，常是將甲醇作為溶劑、防凍劑或以之製造其他化學品，如製轉為甲醛（Formaldehyde），再用於生產塑膠、塗料、膠合板和免燙不織布料（non-woven fabric），現在則又已頗為普遍的將甲醇轉作為燃料，亦可使之於經過「酯交換」反應程序而產造出「生物柴油」。
甲醇無色、易燃、揮發度高，與乙醇（酒精）具有十分相近的氣味，但是甲醇卻具有毒性，既不可飲用亦應避免沾附身體而被皮膚吸收，或是因其揮發而經呼吸道被人體吸入。甲醇和乙醇等醇類的碳氫化合物，可以在空氣中完全氧化，並產生二氧化碳及水（由水蒸汽再凝結為液態水），燃燒時其火焰近乎無色，因此點燃甲醇時宜特別留意，慎防因為不當焚燃而延燒。甲醇為可產生熱值的良好燃料，每公斤的甲醇可燃燒生熱4,650千卡（每卡=4.184焦耳），而同屬醇類的乙醇則是產熱愈多的另一醇類燃料，在缺乏汽油、柴油等燃料時可改以乙醇作為替代品，此在二次大戰末期乃是屢見不鮮之事（註1）。每公斤的乙醇燃燒後可產生7,113千卡的熱量，在相同重量情況下（如以上採用每公斤以計量），乙醇燃燒生熱的能力當是甲醇的1.53倍。
在自然環境中，不少細菌在缺氧時所進行的新陳代謝作用下也會產生甲醇，而致空氣中存有少量的甲醇蒸氣，但是會在陽光照射之下被氧化成為二氧化碳。現行，化工業界之製產甲醇，自然已不會再沿用數百年前將木頭煙燻、蒸餾，並經過低溫冷凝管收集而成的生產方法，而是改為將天然氣或煤氣與水蒸氣，先在爐具中經過化學反應，形成氫氣與一氧化碳；接之，又讓氫氣與一氧化碳在高壓與催化劑作用下，再次產生作用以生成甲醇。當前，又有更進步的作法乃是應用特定氣體（如天然氣及其他可燃性氣體）、液體（如原油、重油、輕油）或是固體的煤、焦炭為原料，先經過凈化脫硫和去除去二氧化碳，再於催化作用下單產得到甲醇；或者藉由一種合成氨聯醇生產方法，係將原料氣體送入合成系統以更高效的生產甲醇，復經精餾脫除所併產的甲醚，而獲得愈為純化的甲醇。
自本世紀起，由於船舶面對各界所期待、日漸增強的減排碳籲求，航運業亦就潔淨燃料從事愈為廣泛的應用，使得甲醇成為航運業低碳轉型替代燃料的可行性也跟著明顯增高。現前，甲醇在船舶上的主要用途係作為內燃機的燃料，亦有部分作為燃料電池動力船舶的備用燃料。在各類的液態碳氫燃料中，甲醇的「氫碳比」數值最高，而其之能燃燒生熱則是因為氫元素的氧化作用所造成者，因此該一特點正是甲醇燃燒時之所會產生熱量的因由，也因為含有碳元素所以會在燃燒時產生出二氧化碳。
從實驗結果可知，若以甲醇做為燃料，在燃燒過程中產生的二氧化碳，可比船舶使用的傳統油料者減少約15%，不過若以液化天然氣（LNG）為燃料又可比傳統油料減少25%的幅度，在潔淨程度上著實又可更勝一籌。在常溫常壓下甲醇可安全存放，此得比液化天然氣或氨氣、氫氣等燃料更易於儲存；不過，甲醇之閃點（Flash point）溫度低所以可容易引燃，而可利於成為燃料。實際上倘以甲醇為燃料，減碳效果尚明顯不如LNG，此為各界了然於心之事，只是天然氣並非取之無盡、用之不竭的石化資源，因此勢必要分散使用。否則，以當下舉凡發電和多種工業，莫不偏喜以天然氣為燃料或原料，則50年或一世紀後又能留剩多少可供人類繼續揮耗。再者，甲醇得以人為方式產製應用，因之在長遠考量上甲醇得以在嗣後的市場上，具有一定的占有率。
甲醇在每公升之單位體積（L）下，擁有的熱值為15.7百萬焦耳（15.7MJ/L），將其和同體積的汽、柴油或重油等經石油煉造的燃料相比，畢竟是屬於較低熱值的燃料，甚且常未及於傳統船用油料之半，故而在欲期著收相同輸出功率之下，必須要燃燒較多體積的甲醇甫可奏效。易言之，倘若欲獲有與本來所用柴油燃燒所產生的相同熱量，則燃用甲醇的體積將為原之2.5倍，如此之下儲存甲醇的容器必須擴增為原所盛裝柴油者2.5倍的體積，從而排擠船舶的裝載空間；反之，若仍使用原本用以裝盛柴油的艙櫃容器，則其運輸行程將減為原有的40%。
甲醇具有顯著的揮發性和刺激性，以及較汽、柴油為強的毒性，對人類等動物體的神經系統和血液循環系統俱有明顯的破壞性，人類經由消化、呼吸道或皮膚攝入甲醇後會產生中毒反應，而且甲醇的蒸汽亦會損害人體的眼部與呼吸道黏膜而造成傷害，因此以甲醇作為燃料務必比使用汽、柴愈為謹慎，嚴防肇致工安意外。另一方面，甲醇對鉛、鎳、鐵材等金屬容器或管路均會產生腐蝕，而降低船舶的使用壽齡。所幸得以安心者，甲醇在含氧和水生環境中俱易於「生物降解」（Biodegradability，指由微生物將某些物質以化學反應方式分解成自然元素），諸如在地表水中的半衰期為1～7天，所以一旦發生洩漏或溢出，對海洋環境的衝擊反可較其他的石化燃料為低。
舉世大規模的航運業界中，當由馬士基（Maersk）拔得頭籌，率先下單向造船業者訂造甲醇燃料船舶，以往喜以LNG作為船舶雙燃料的法國達飛海運（CMA CGM）亦踵繼於其後。如此的分散使用船舶燃料之策略，在俄烏戰爭持續進行、難以底定，或是日後倘於能源開採地區引發衝突，以致天然氣、石油價格大幅上漲時，當得撙節大量的營運成本（註2），惟船舶亦可視需要以配備雙燃料引擎，俾既能繼續使用柴油，亦可兼採甲醇或天然氣充當替代燃料。
另之，國際海事組織（IMO）推行的「限硫令」在2020年生效施行後，對於促進航運業選用甲醇作為新型船用燃料，亦有相當層面的推助作用。業內專家表示，將甲醇與傳統石化燃料相比較，其在降低硫化物、氮氧化物、顆粒物及碳排放……諸方面，具有較為出色的優勢而可愈為良好的維護環保。而在甲醇的推廣應用上，最有效的因素乃是如果能讓船東認為以甲醇為燃料具有更佳的成本競爭力，即會愈樂於選用甲醇為船舶燃料。
迄目前，國際海事組織已先就使用液化天然氣燃料制定有《船舶使用氣體或其他低閃點燃料安全國際章程》（The International Code of Safety for Ships using Gases or other Low-flashpoint Fuels，IGF Code，即泛稱之船舶氣體燃料安全章程），另於2020下半年舉辦的「海事安全委員會」（MSC）第102次會議時，MSC決議特就船舶使用甲醇為燃料之事務，再發布《船舶使用甲醇／乙醇作為燃料的安全指南》（Interim guidelines for the safety of ships using methyl/ethyl alcohol as fuel，簡稱船舶使用甲醇／乙醇燃料指南）。
而台灣「驗船中心」（China Corporation Register of Shipping，CR）則已於2022年7月13日，發布最新的《船舶使用甲醇／乙醇燃料準則2022》（Guidelines for ships using methanol and ethanol fuels 2022）以供業界參考使用。按CR高層幹部之解說，甲醇在常溫、常壓下的沸點約65℃，因此尚易於以液態方式儲存及運輸，相較於另一種熱門替代燃料LNG（沸點約-162℃）而言，不須額外考量低溫防護及施行液化系統等特殊需求。
現今，為應對全球節能減碳趨勢，全球各大航商已投入評估使用各種替代燃料的可行性，CR自不例外且甚積極關注國際上替代燃料之發展，爰發布上述的《甲醇／乙醇燃料準則》，提供業界在選用甲醇／乙醇替代燃料時，得引為船舶設計、建造及試驗的參考。針對使用替代燃料的船舶，CR已提出有數項解決方案，並依據船舶型式、配置設備及船東用船需求，而搭配不同分級方案（Class Notation），如可兼同使用柴油與低閃點燃料如甲醇的雙燃料引擎船舶，即可依循分級方案採行多樣化組合，展現該船舶的燃料使用特性。
惟甲醇終究是屬於含有碳元素的碳氫化合物，若欲更進一步的臻於整體的減碳效益，容應另從製程與原料取得以著手。例如，得使用由再生能源電解水所取得的氫氣，以製產出「綠色甲醇」，或透過開採液化天然氣時同步經由碳捕捉（carbon capture）並經由重組、純化等技術所取得的氫氣，以製成「藍色甲醇」等（註3）。
此乃因為依照氫燃料的製產，目前的生產技術包括有可分成2種的「綠色」氫燃料以及「藍色」氫燃料──綠色氫燃料主要是通過電解水來生產，過程中不會產生任何二氧化碳，然而由於氫燃料在內燃機中燃燒會排放出氮氧化合物，日後容可設法於引擎的廢氣排放管道內安裝處理裝置以消除，惟終究難以完全消除氮氧化合物之排放；藍色氫燃料則是藉由對LNG進行的處理以取得，其原料中的二氧化碳主要來自於碳捕捉和封存項目，後再加上氫氣以併製成甲醇，亦即是由所捕集得到的二氧化碳來從事資源化利用，製成費用勢必較高。
順此兼提者，天然氣成分的主要成分是甲烷（CH4），並夾含乙烷、丙烷、丁烷和硫化氫、二氧化碳，甲烷正是構造最短和質量最輕的烴化合物。以液化天然氣為動力的船舶，之所能夠成為世界上最符於環保的船舶，乃是對照於使用重油（HFO）燃料的船舶，在達到相同運量的狀況下，可減少98%氮氧化合物（NOx）排放量和97%硫氧化合物（SOx）之排放量，而且LNG船舶燃料還可縮減72%二氧化碳排放量與60%微粒物質排放量，對維持排放廢氣之合於各相關國或各國際組織所訂的環保規範之最低標準，仍可遠遠高出一大段。
若是各國港埠或國際海事組織或是海運產業，逐漸限制船舶必須縮減使用或再也不能使用重質石化燃料，則以LNG為燃料的情形將會愈益成為主流。迄今，又有相當可靠性的甲醇則如同「後起之秀」，而得與LNG相互比美，乃至並駕齊驅的共同成為船舶之替代燃料。
（待續）
附註
1、二次大戰後期，日軍即曾因石油運補未及而無法提煉足夠的燃料，遂以可燃燒產生高熱的乙醇、即酒精作為替代用品，供軍用車輛、飛機使用，原本以汽油為燃料的車輛引擎，大都可在未需調整「化油器」（carburetor）的情況下，逕行使用酒精充當燃料。乙醇得由甘蔗經榨汁後發酵產出，因此台灣在日治晚期時各地的糖廠，大都配合亟力生產酒精以供軍用和多項公用，也因此而使得糖廠成為盟軍轟炸、攻擊的重要目標。此一情形，在歐洲戰區由德軍占領的戰場，亦因缺乏石化油料而可頻見該現象，即便是燃料較充足的美軍，亦常於軍用車輛的柴油燃料動力系統上配置有一種「燃料熱值調整器」（引擎係採噴射點火原理，由噴油嘴高壓噴射出柴油，柴油噴霧遇著既已被壓縮的空氣即可引燃、產生動力而推動汽缸內之活塞），俾在緊急情形下可使用同為液體，但係不同熱值的燃料以替代急用。
過去，曾從影片上看到小飛機駕駛員在缺乏油料境遇下，由擔任助理的副駕駛以蘭姆酒（Rum）充當替代燃料倒入油箱，而使飛機能夠繼續航行的情節，此在理論上當然得有依據，在實務上仍然過於理想化。蓋即使蘭姆酒內的酒精能夠在引擎內點燃，並產生動力以讓機體持續飛航，亦將在短暫一陣子過後因為「正時」（timing）上的亂失，而致故障停擺，惟若僅係藉此作用支撐片刻則或有可能。
2、航運業界當已深悉，必須嚴密合作、整合全球資源方能在船用燃料的使用上，達成淨零碳排的目標。就業者言之，亦可節省因為未能達成目標，所應繳付的碳交易稅。而馬士基則訂定在2040年達成淨零碳排，具體作為之一便是促成甲醇供應鏈在爾後多年，能奠植深固基礎並普遍開展，始可有效達標。
3、另有專家對此用語別有見地，認為若是由從農業和森林殘留物，以及農業和家禽廢物中提取的固體、液體生物質，所製成的甲醇為「綠色甲醇」；而以二氧化碳加上電解水得到的氫氣所合成的甲醇則稱「碳中和甲醇」。
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