謝晚媖
生質燃油的來源，及其與石化油料的比較
生質燃料(Biofuel)係由原具生命之物質，經取其內含熱能的可用部分加以萃取、煉製而形成的燃料，乃相對於從礦物煉造的石化燃料而稱者。現今，大都是以取自植物所製成，亦得以動物脂肪乃至排泄物來產生，例如得將畜牧場的豬隻排泄物，經過發酵後獲取含有甲烷成分的沼氣。惟較之於以取自動物者來轉製為生質燃料，取自於植物如甘蔗、玉米……者等，得有大量、潔淨又頗為穩定可靠的供應來源，另考量到經過轉化後可易於儲存、運送和使用等因素，遂幾乎皆是將這些生質燃料製成為液體的形態，並且因為得以源源不絕的產生，所以又得將生質燃料歸類為可再生燃料。
人類在古昔，便常已取自動植物體的可用部分，如木材、油脂乃至牲畜排出物如牛糞做為燃料以供煮食、照明和取暖，之後漸改為倚賴泥炭、煤炭、石油和天然氣等礦產能源，但是在面臨礦產能源產出不足或造成嚴重的空氣污染時，人類遂又重再仰賴生質燃料以產生熱量和動力。往昔，在進入工業社會，內燃機和車輛開始應世之初，液態的生質燃料早先曾不乏有被充作為車輛動力來源者。如德國的尼古拉斯‧奧托(Nikolaus Otto)於研發內燃機之初，即曾以乙醇、即酒精嘗試充當燃料，而美籍的亨利‧福特於初告製成福特T型車(Ford Model T，是福特汽車公司於1908～1927年間推出的一款汽車產品)之際，便是完全使用乙醇作為燃料；另如德國的魯道夫‧狄塞爾(Rudolph Diesel)於研發出噴射式柴油引擎時，亦曾構思以黏度較大的花生油為其燃料，此等的乙醇和花生油皆是植物性燃料，即今甚受注重的生質燃料。後因石油礦藏在世界各地紛被探測採掘，以之煉製的燃料售價既告低廉並頗易購得，致使各種交通運輸用具遂陸續以由石油煉成的汽油、柴油或重油(heavy fuel，是原油於提取汽油、柴油後的剩餘重質油料，其特點是分子量大、黏度高，比重一般是在0.82～0.95，熱值則約是10,000～11,000千卡／公斤)作為燃料。
產製生質燃料，得免如礦產燃料般的必須自地底採掘、鑽取，但則卻有刈伐森林(樹林)以闢為農地之情形，因而在對於大自然及生態環境上的衝擊，仍有若干程度的影響；如果為期增加生質燃料的農產作物而濫行採伐、焚燒林地，不免將排放多量的二氧化碳，以及胡亂耗用水資源、化學肥料，此等惡況容將延續數十年或數個世紀的光景而仍舊難以回復原狀，甚至成為「不可逆」之狀態。而且，生質燃料經燃燒生熱後同樣會產生二氧化碳，因此並非將原本使用石化燃料改為使用生質燃料之後，即可完全避免全球暖化之惡況。固然可因生質燃料之使用，使其排碳量未如使用石化燃料那般的可觀，但則只是部分程度的減緩溫室效應之作用，而仍未可顯著減緩甚或全然免除。
應用生質燃料的特點之一，係在於可藉由農作、栽育和收成來獲取原料，乃人類面臨石油、煤炭等礦產漸告枯竭或有朝一日已被採掘殆盡後，尚可仍有管道以製產出得供燃燒生熱的用料。另一方面，人類亦早已知悉應用核料以產生動力，不過基於核料具放射性且必須經由粒子撞擊，方得使經過精煉的核原料於分裂時，由於質量減少從而產生巨大能量，是故核原料只宜用於核能電廠或巨型船艦以產生電力或動力，而非可普遍性的使用。
無可諱言者，將農地的收成物用以製為生質燃料，必然會與生產食糧有所排擠，此等轉移使用若係控管不當，容易導致舉世的糧產匱乏而出現愈多難以裹腹維生的弱勢民眾，一旦失控容將使得貧困捱餓的饑民倍增於世，此係主政者暨社會各界必須審慎衡酌取捨者(註1)。另因各種的生質燃料，密度與吸水性俱有所別，因而在使用上必須就其和空氣形成之比例、即常稱的「燃油－空氣比」(fuel-Air ratio，簡稱「油氣比」)調整為最適切的比例，甫得發揮最佳的燃燒效能，亦即在定量的燃料之下，以之產生最大的動力。
早在20世紀前葉，液態生物性燃料便已問世，在油料補給不易的地區常得以之作為車輛的替代性燃料而又被稱生質柴油，或是作為柴油的添加劑以降低柴油車輛之排放微粒、一氧化碳和烴類含量。也有部分國家或受占領統治區如台灣，在1940年代的二次大戰晚期便曾於石化油料短缺時，利用以甘蔗釀製的酒精作為替代燃料，使其產生的動力來推進軍用車輛或戰機。當時的日治末期，大都是在糖廠製產軍需用途之酒精，正因如此而使台灣的糖廠在1944～1945年間，曾被以美軍為主的盟軍列為轟炸掃射的重點對象(註2)。當時，除了在台灣、日本屢有此等以生質燃料的酒精來替代石化油料外，於美軍的作戰區內亦不乏有此事例，並因各種生質燃料產生的熱能不同，因此必須以一種流量補償器來控制其用量，使產生的熱能足可推動軍車。
隨著石化能源的逐年消耗而終有告罄之日，再生能源遂相對的日益到重視。近20年間，專門栽作為生質燃料原料的作物，在美國是以盛產的玉米、黃豆為主，歐洲國家是以油菜籽、亞麻籽為主，巴西和東南亞國家則以甘蔗、椰子油(Coconut Oil)為取材(註3)。實際上，只要能經分解或化學處理而可帶有熱能的物質皆可作為材料，所煉造出的產物若是具有高熱值並且煉造成本愈低者，自然愈得具有開發價值，像是亦得以桐油樹的種子榨取出油料而轉製為生質燃料。對比於取自植物的生質燃料，取自動物者則因價格較為昂貴，而且未若集合收成的農作物常可甚為充裕的供應，因此現之生質燃料近乎皆是以人工種植的作物為原料。
在德國等進步的工業化國家，由於對一般石化燃料的課稅係比食物為高，因此只要煉製技能高超則藉由原屬食物的原料以製成生質燃料，往往還可節省稅差。目前，亦有不少的生化科學家投入研發如何以使用藍綠藻(Blue-green algae，註4)，來做為另一種生質燃料的原料。如德國波昂大學，由其「植物分子生理學和生物技術研究所」(IMBIO)人員組成的研究團隊，便曾經嘗試於藍綠藻基因組中，尋覓可催化植物油脂的一種合成酶——醯基轉移酶，並且已證實可利用該一醯基轉移酶讓藍綠藻產生油脂。若能大量產製，未來容可在不占用糧食作物農地的情況下，大量生產此類的生質燃料，從而翻轉可用能源的新局。美軍並已與專業廠商合作，從事大量採用藻類以產出生質燃料的研發，俾可取代部分航空燃油。
依據「國際能源署」(The International Energy Agency，IEA，總部位於法國巴黎)已統計發布的資料顯示，2010年全球的生質燃料總產量已達到1,050億公升，較上一年度(2009年)增長了17%，並占舉世道路交通燃料的2.7%，乙醇和生質柴油則為當中最大宗的2類。以乙醇為例，2010年的產量為860億公升，巴西和美國又為全世界數一數二的生產者，2國合計便占全球產量的90%左右。而世界上最大的生質柴油生產者則是歐盟，2010年時便占全球生質柴油總生產量的53%。2015～2021年間，印度、泰國等亞洲國家已逐漸致力於生質酒精的增產，印尼及馬來西亞亦分別投入生質柴油之產出，以期強化能源安全、提高自給率。2024年，全年的生質柴油市場規模，經專家預估為346.6億美元，且估計至2029年將屆達502.2億美元，在2024～2029年的預測期間內成長率可至31%。另按國際能源署設立之目標，屆臨2050年時生質燃料將得彌應全球運輸燃料需求用量的4分之1，容可減少對石油等石化礦產的依賴。IEA並表示，如果全世界欲在2050年實現凈零碳排放，則在2030年時全球生質燃料產量必須先增加2倍之多，此係一關鍵性指標。
2023年9月9～10日，在印度新德里舉行G20峰會的第2天，「全球生質燃料聯盟」(Global Biofuels Allianca)宣告於斯日成立，宗旨在於促進全球生質燃料的生產和消費，特別是對於南半球發展中國家尤然。迄該時，美國、巴西和印度將是全球排名前3大的生質燃料生產國，巴西政府透過其外交部表示對此一新設組織極為嘉許，這也顯示生質燃料的發展潛力終於受到舉世的重視；然而，亦有若干歐洲國家卻質疑生質燃料的永續發展可能性，蓋砍伐森林以新闢農耕用地反將會減少森林原所具有吸收二氧化碳的功效(註5)。
液體生質燃料業已占巴西運輸能源消耗量的20%(全球在此領域的平均比例僅為4%)，巴西在2023年時的市售汽油當中，乙醇占有比例已臻於27.5%，但是巴西政府又計畫在2025年前將此100分比提高至30%。由於相關技術的進展速度頗快，印度乃已提前在2023年時達到在汽油當中，將乙醇的比例提高至10%，並預定將此一比例提前於2025年時增高至20%的目標。印度和中國是世界上名列前茅的石油進口國，但在擴大生質燃料的使用上，印度則較中國熱衷甚多，並將其列為該國能源安全和可穩護國家財政的重要經濟目標。
海運事業將以生質燃油摻填進石化油料充當混合燃料，俾逐步達成減碳目標
海運占有全世界貿易總運輸量的90%以及舉世碳排放量的近約3%，近年來在全球各界致力於淨零碳排放的目標下，國際海事組織(IMO)特於2023年7月7日召開之「海洋環境保護委員會」第80屆會議(MEPC 80)中，通過了旨在降低船舶溫室氣體排放之策略(2023 IMO Strategy on Reduction of GHG Emissions from Ships)，乃決議就國際航運的減碳目標，應按以下的準則為之——與2008年相比，至2030年時國際航線船舶，平均每項運輸工作的二氧化碳排放量，至少應減少20%；至2040年時國際航線每年溫室氣體排放總量，則至少減少70%；迄2050年前後(by or around)，必須實現溫室氣體的「淨零排放」。斯項準則將使海運業面臨著技術和能源的轉型期，此不但必須提升船舶引擎或相關設施之效能，並需開發低碳或碳中和燃料的替代能源，諸如電力和混合動力、氫燃料或是其他類型者，「船用生質燃料」(Marine biofuel)亦是海運界考量選用減碳燃料的項目之一。
經由生物或化學方法將生物物質(Biomass)轉化而取得之液態生質燃料，是目前生質燃料的主要取得方式。而生質酒精與生質柴油兩者，正是目前最常見的液態生質燃料，可與汽油或柴油混合後直接添注於一般車輛上。並且，較之於石化油料，生質燃料的溫室氣體排放量較低、爆震(Knocking，又稱敲缸，是引擎不正常工作方式的一種，乃因油料在汽缸內的燃燒過程異常，從而導致引擎發出高頻率的金屬敲擊聲)亦少，而可減少對引擎的傷害。對比於傳統石化類燃油係屬於碳氫化合物、即烴類之混合物，兩者的差別在於柴油所含烴類碳鏈長度較諸汽油者近乎兩倍，另則是柴油擁有較低燃點、較高的黏稠度與較高的燃燒熱值。
生質酒精(Bio-alcohol)的顯明長處，是可與石化汽油直接混合後使用為燃料，而且常在其低於10%的含量下，無須修改車輛引擎便可逕行發動使用，另生質酒精的二氧化碳排放量，則得較石化汽油減少20%以上。只不過，基於酒精的燃燒熱值畢竟低於石化汽油，故使用摻混有酒精的汽油，將需增大原之油箱或增置輔助箱，甫得維持同樣的最遠行駛里程，兼則由於酒精具有較大的吸水性，所以假如酒精—汽油混合比例過高，將易導致車內管線的蝕損。
巴西自1970年代起便開始供應混合有酒精的汽油，是現今世界上唯一不再使用純汽油的國家，其全國境內的加油站皆得對駕駛人員提供低、高濃度的E22、E93酒精汽油(E22酒精汽油是指於一般無鉛汽油中，摻配22%的生質酒精，餘此類推)。美國是繼巴西之後，另一熱絡推廣生質酒精應用之國家，現已普遍使用參雜有10%生質酒精的E10汽油，部分加油站尚有E85的酒精汽油得令駕駛者選用。此外，若干汽車製造業者如Ford、Chrysler等則推出有彈性燃料車(Flexible Fuel Vehicle)，可自動偵測酒精與汽油的混合比例，並自行調整引擎內油料噴射係數與點火時間，得使車輛維持於極其良好的駕駛狀態。
在我國，前身為「行政院原子能委員會核能研究所」、現則為行政法人機構的「國家原子能科技研究院」(下稱原子能科技院)，多年來即有研究團隊以合成生物學為基礎，應用其自行開發的創新基因重組技術成功建構「環境友善纖維素乙醇特用菌株」，可快速將多種醣分同步轉化為酒精，當前已完成「發酵『試量產』規模」的製程研發驗證，並得創發為非糧纖維素乙醇產業化之核心技術，可有效提升纖維素乙醇之產量10～35%的幅度，且其高效轉化率和高超穩定性等成就，均已臻達領先國際之水準。尤屬彌足可貴者，乃以此方式製成之纖維素乙醇，既可不需額外尋覓農作耕地，亦不致於有排斥糧食生產的特點。
原子能科技院早於之前的核能研究所時期，便配合台灣能源政策自2006年起奮力研發屬第二代生質燃料之一的「纖維素乙醇」(cellulosic ethanol)之產製技能(註6)。纖維素乙醇是從木材、草料或農作物中，不可食用部分之木質纖維素所產生之一種生物燃料，而木質纖維素主要則是由纖維素，半纖維素和木質素所組成，舉凡木屑、玉米秸稈、芒屬植物、草料和樹木枯枝的獲取物，皆可充當為生產乙醇的木質纖維素原料。原子能科技院是以亞洲地區乃至全球產量極為豐足的稻稈等農業廢棄物為研究起始點，並在2007年時建成國內第一座實驗型纖維素乙醇研發設施，迄2009年又建置每日可處理1噸纖維原料之噸級測試廠，並且增設有電力、蒸汽及水處理等完整公用設施。上述的纖維原料測試廠不僅可作為國內、外開發纖維素乙醇製程、生物酵素與發酵菌株之平台，所發展之纖維素乙醇量產技術，也得成為國內商轉型工廠設計、能源效益及生產成本評估之基礎，而且該測試廠日後又將由纖維素乙醇，發展為功用更廣泛的生物精煉技術平台，促使台灣成為精煉生質酒精之重鎮，同時邁向高值化發展。而另一得與生質酒精同受替代能源產業重視的生質柴油亦備受業界的青睞，在巨型交通器物如船舶的應用上，生質柴油又比生質酒精具有更為實用的效益。
生質柴油(Biodiesel)是利用化學轉酯化(Transesterification，亦稱酯交換反應)的技術，將原係生物型別之油脂，轉化為物理及化學性質皆得與烴類化合物相當類似的脂肪酸酯，如最常用的「脂肪酸甲酯」(fatty acid methyl ester，縮寫FAME)。此一產物可直接使用於柴油引擎且得與石化柴油低作低濃度層級如B5級別之混合(指於燃料中摻和有5%的生質柴油，純生質柴油則是B100)，而且又可兼為引擎潤滑劑。生質柴油的熱值雖僅為傳統石化柴油熱值的80～90%，惟在減輕環境污染的作用上，另有顯著的裨益。以B20者和石化柴油相比較而論，當可減少12%微粒、12%一氧化碳以及20%碳氫化合物的排放量，硫化物之排放則近乎未見。
另有一種亦係以生物性油脂，經提煉而得到的氫化植物油(Hydro-treated Vegetable Oil，HVO，亦稱再生柴油)，再生柴油所有雜質在高溫氫化(High temperature hydro-treating或High temperature hydrogenation)過程中得被移除，故為無色無味油料，品質等同石化柴油的化學組成，燃燒效率頗佳，並具有較好的耐冷性及儲存特性，於高濃度條件下可在柴油引擎中獨立使用，既不致有油管堵塞問題，亦無需特別維修或改裝車輛管線零件。再生柴油(HVO)與生質柴油(FAME)兩者的用料來源皆為有機生質物，但卻是完全不同的產品，主要的差異在於製程不同，油品的潔淨度及品質亦咸有差別。
再生柴油常被稱為「先進生質燃油」或「第二代生質燃油」，乃因第一代或稱傳統的生質柴油是以酯化(esterification)方式作處理，第一代者對於廢食用油及廚餘的純化能力並非甚佳，復因具吸水性爰易導致儲油槽內增多細菌，並會因為發霉而堵塞油管，從而肇致車輛引擎的熄火，此即在歐洲生質柴油最高只能添加到7%的邊際比例之緣油。另則由於生質燃油之潔淨度與穩定性並不一致，遂需妥善處理例如以高速離心機施行「淨油」，以避免造成引擎磨損或油管阻塞諸遺害。
另依據國際標準組織(ISO)於2017年所訂立的第8217條條文(該條文稱作「Fuel standard for marine distillate fuels」，意為適用於船用餾分燃料油的標準)之規範，船用生質燃料仍應符合《ISO 8217》條文的要求，當中提到海運燃料主要應由源自石油的碳氫化合物所組成，同時亦可含有來自合成或再生之來源，關於FAME的部分在過渡期之後亦應符於此規範。現今，FAME得按其用料來源，分為4個級代(generation，註7)，而且船用生質燃油可摻添最高達到體積百分比或質量百分比半數的FAME。FAME固然具有好的點燃特性及潤滑作用，然而亦存在有操作上的問題如久儲性、微生物汙染、潛在腐蝕性，以及因為油泥過多而產生汙染等若干不利於使用的情形(註8)。
生質燃油是近數年來，為因應淨零碳排放而興起於市場上的低碳能源，亞洲國家的港口係以新加坡港最積極的為船舶提供船用生質燃油，蓋新加坡港向來居為國際航運重要樞紐，船用生質燃油的起步爰較其他亞洲國家早，許多海運燃油供應商均擇於新加坡港設立營運據點，是以船用生質燃油市場，在此呈現著頗為競爭的態勢。由於當前在星國已有7～10家公司得上市提供此類產品，遂使得船用生質燃油每月約可在新加坡港供應4～5萬噸之數量至船舶上(年度內則達48～60萬噸)，相較於一般船用燃油每月近達450～480萬噸的供應量仍屬稀寥，其摻配比例則是以B24為主。為達成海運界減碳、去碳化的需求，具再生與可分解特性的生質燃油，當可成為船用燃料的替代選擇，不過因為油品的潔淨程度會使得實際的應用面臨阻礙，遂有業者就此開發出高速離心機，可將油質和雜質藉由機器的高速轉動分離開來，繼而獲取高度純化的生質燃油，得使船舶順利航行並可保障船舶發動機、即產生動力的船舶引擎延長使用年限。
（待續）
附註
1、即使將農作收成物之用作為糧產或是製成為生質燃料控管得宜，而未減少對人類的食糧供應，但若移用數量不當如將過多的玉米用以製為燃料，卻又造成飼料原料的短缺而嚴重波及至畜牧業，亦將會衝擊到人類的肉食供應，此等接連導致的狀況皆需併同考量。經濟學者則認為，若政府部門未能妥當控制此一現象，將會從市場價位作成反映而使肉價居高不下，之後必然是富裕階層照樣悠哉度日，貧弱階層則陷於愈加困頓的苦境。
2、彼時的台灣境內糖廠，幾乎都是日方資本家設立的民營事業。不過，在戰爭期間咸需由政府納入管制，必須遵照公(軍)部門的指令以生產軍需酒精為最優先事項。
3、椰子油是從成熟的椰子果肉中提取出的可食用油脂，在東南亞地區常是民眾從當中攝取脂肪的重要管道，並且因為椰子油對於熱度極為穩定而使其得適用於高溫烹調。生產椰子油的方法有乾法和濕法2種——乾法是先將椰果肉自果殼中刮取下來，在日照下曬乾或加熱烘乾製成椰子核，再藉由溶劑浸漬萃取的方法以獲得椰油；濕法是以未經乾燥處理過的生鮮椰子果肉中，所獲得的椰奶為原料，再透過油水分離方式以產出椰子油。
4、藍綠藻雖然在中、英名稱中皆有「藻」(algae)字，惟經生物學界的分類，實際上是被歸屬為細菌的類別，故又稱藍綠菌。然而有別於一般細菌，藍綠藻具有行使光合作用的能力。不乏有科學家認為植物細胞中行使光合作用的葉綠素即源自於藍綠藻，蓋依據「共生體」的理論以推判，十餘億年前有原始植物因吞噬藍綠菌，並致細菌在細胞中存活而使該原始植物可行使光合作用。若此學理主張正確，則綠色植物的油脂合成酶，同亦俱是得自藍綠藻。
5、巴西礦業和能源部於2016年推出的一項「Renova Bio」計畫(意為「生質燃料革新」計畫)，是參照溫室氣體排放量必須減降的狀況而對生質燃料的生產進行認證，並且允許生產商交易碳信用額。巴西外交部高層並指出，部分歐洲國家對於生質燃料的抵制，通常以擔憂森林遭到不當砍伐為理由，惟實則與這些國家所銷售的電動汽車之巨大利益頗有關聯。巴西總統魯拉與美國總統拜登、印度總理莫迪等曾在2023年9月10日一起出席全球生質燃料聯盟的成立典禮，但因G20峰會議程緊湊致3人皆未能撥冗登場發言。莫迪稍後表示，新聯盟的建議是戮力於全球採取行動，將混在汽油當中的乙醇比例提高，當務之急則是所有國家在燃料混合領域上應協同努力。
成立當日，巴西全國甘蔗工業聯盟主席——Evandro Gussi於應邀致詞時說明，全球生質燃料聯盟將會建立一個合作進程，以加速使用生質能源作為石化能源之替代品。近年來，巴西公、民營部門與印度的合作，正是分享巴西在生質能源生產方面的專業技能，而印度已是舉世的甘蔗主力生產國之一，大批的甘蔗得於採收後供作為生產乙醇的原料。
6、所開發出、英文縮寫為FRIEND之菌株，對溫度的耐受性頗高，在30～40℃均可操作故而有廣大的可處理溫度範圍，以致該機構在木糖代謝率與酒精產造率上，均具領先國際之水準。菌株可同時將五碳醣及六碳醣轉化成纖維素乙醇，可降低設備建置成本，技術上則可分別應用於生質燃料及生質塑膠(Bio-PET，是由20%生質乙二醇、即EG，與對苯二甲酸、即PTA聚合而成)之產製。
7、屬生質柴油之「脂肪酸甲酯」(FAME)，得按其用料之來源，分為以下4個級代：
(1)第1級代(1st generation)，原料來自糧食作物如植物油、動物脂肪。
(2)第2級代(2nd generation)，原料來自非食物的廢棄物及殘餘渣滓如廢棄食用油脂等。
(3)第3級代(3rd generation)，為由藻類和微藻等低階單細胞植物所生產者。
. (4)第4級代(4th generation)，不需用料來源，為以基因重組的細菌逕自利用空氣中的二氧化碳以轉換成燃料，惟此技術仍處於猶非穩定的研究階段。
以下為脂肪酸甲酯類的生質柴油，所出現的若干不利於船舶使用的情形：
(1)久儲性：因船用生質燃油的降解與氧化，而影響其之後燃燒產生熱能的穩定性。
(2)微生物汙染：因船用生質燃油的吸濕性，而使微生物孳生。
(3)潛在腐蝕性：當FAME分解成脂肪酸或氧化成過氧化物，會對金屬管線造成腐蝕。
(4)如油泥過多及其他FAME汙染物，會沈積於濾網、油水分離器……上等。
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