【能源作物類】

能源作物指專門種植供作生質燃料（酒精、柴油）原料，或作為「木柴」取代煤炭作為鍋爐燃料，提供蒸氣或發電者。
理論上全世界所有植物都可作為能源作物使用──所有植物均可供作薪柴燃燒──但實務上良好的能源作物有幾個原則與條件：

1. 非糧食作物
當今生質能源產業最受世人詬病者即為「與人爭糧」、「與糧爭地」問題，而其中最常為人提出討論者，就是美國政府鼓勵種植玉米做為替代能源，從而影響全球食物與飼料價格。
「爭糧」問題的核心其實在於「是否把人類或家畜可食用的農作物轉為能源使用」以及「原本可種植糧食作物之農地是否轉為耕種能源作物」兩個問題。前者是目前一般媒體與公民團體最常提出的問題點，而後者排擠效應的影響事實上遠較前者為廣，但卻常被論者所忽略。
糧食作物對生質能源的影響，事實上須要從三種不同最終產品的型式來看，才容易看出全貌：

● 酒精類

酒精類生質能源（如：甲醇、乙醇、丁醇等）是目前最為人所爭議者，事實上酒精類生質能源是否會造成「爭糧」問題，端視採用之製程與原料。
酒精類生質能源包括三種製程：糖發酵製程、纖維素發酵製程、化工製程。

糖發酵製程事實上就是傳統的釀酒工業。千百年來釀酒業者以澱粉（如：米、高粱、玉米、馬鈴薯、大麥、燕麥、樹薯等）或糖汁（如：甘蔗汁、各種果汁）為原料釀造各種食用酒精，在轉換生產能源用酒精時其生產方式完全相同，唯一不同點在於產品的酒精濃度──食用酒中酒精濃度最高約80%上下，但燃料用酒精純度要求須達到95%以上。
糖發酵製程是所有生質能源利用中最簡單的方式，但此製程須使用富含澱粉或糖類之原料，因此論者所謂的「生質能源爭糧」問題，其實就是指「糖發酵酒精使用太多原本作為糧食或飼料使用的農產品」。

纖維素發酵製程就是為了回應批評者「爭糧」論點所提出的方法之一。在自然界中所有的植物均富含兩種碳水化合物──纖維素與木質素──這兩種碳水化合物佔植物體總重量80%以上，但除了少數種類的細菌、真菌（菇類）外，都無法消化或利用此二種物質。動物界中的草食動物雖可以草木為食物，但草食動物要消化纖維素還是要靠腸胃中的微生物，自己無法主動進行消化；此外草食動物能利用的是纖維素，動物中唯一能利用木質素的是白蟻。

纖維素發酵製程中，人們先利用來自細菌、真菌等微生物的酵素，將植物中的纖維素與木質素分解為糖類中的單糖或雙糖，再以濃縮後的糖漿為原料進行酒精發酵得到酒精。纖維素水解後糖漿發酵的過程與傳統糖發酵製程大同小異。
以化工方式製造酒精時首先須在無氧環境下將草木加熱，使碳水化合物在無法進行燃燒的情況下裂解產生一氧化碳（CO）與氫氣（H2）5。
接著可利用兩種方式來生產酒精：

Fischer–Tropsch法（費-洛合成法）：
Fischer–Tropsch法是Franz Fischer Hans Tropsch兩位德國化學家在1920年代發明的，常被稱為「費-洛合成法」，在第二次世界大戰期間納粹德國因遭受英、美封鎖無法自中東取得石油，便以此法以煤炭為原料生產所謂「人造石油」，產能達到數百萬公噸之譜，使納粹德國鐵蹄獲得足夠燃料侵略歐洲各國。二次大戰之後南非亦積極以此種方法，利用該國豐富天然氣資源合成生產人造汽油。

Fischer–Tropsch法可利用煤炭、天然氣、廢塑膠或各種動植物為原料進行生產，而隨著使用之觸媒不同，產品可為汽油、柴油或甲醇、乙醇。

Fischer–Tropsch法應用於生質能源時，由於對原料幾乎沒有甚麼限制，因此無論是稻、麥、玉米秸桿、廢木材廢家具、樹木落葉，還是動物屍體、糞便，都可以拿來以此法生產汽柴油及酒精。

一氧化碳發酵法：
Fischer–Tropsch法的進料範圍廣泛但缺點是成本較高，為同時擷取Fischer–Tropsch法觀念上的優點，同時大幅降低生產成本，科學家發展出所謂「一氧化碳發酵法」。

在一氧化碳發酵法中，第一個步驟仍然是利用高溫無氧環境，將動質物原料分解為一氧化碳與氫氣。但相較於Fischer–Tropsch法第二步驟的高溫熱合成製程，一氧化碳發酵法將此處得到的一氧化碳引入發酵槽中，以特殊的微生物進行酒精發酵。

傳統上利用微生物進行酒精發酵是利用澱粉或糖等碳水化合物進行發酵，優點是效率高、產量高，缺點是原料成本高、有「爭糧」疑慮。

在纖維素發酵製程中，是利用來自微生物的特殊酵素先將植物體的纖維素分解，再以得到的糖漿進行酒精發酵。優點是使用無法食用的纖維素當作原料、無「爭糧」疑慮，同時自然界中纖維素數量驚人，足以滿足人類能源所須；缺點是在處理過程中須使用到大量酸鹼等化學物，對環境影響較大，此外微生物酵素具有所謂的「專一性」──也就是某種微生物產生的酵素，對某種植物的纖維素分解、發酵效果特別好，但如果換成別的植物時，效率通常會大幅下降──此外微生物很難分解植物中的木質素，而木質素通常又佔植物體重量的40%上下，木質素部分若無法有效利用，也將造成生產者在成本上與廢棄物處理上的難題。

一氧化碳發酵法是利用高溫將動植物分解，甚至可以用塑膠等垃圾作為原料，完全沒有纖維素發酵法中酵素專一性與木質素利用的問題，但缺點是一氧化碳發酵法投資金額高，同時此法目前全球發展最快者僅達到日產能數十公噸之預量產規模，離業界要求之日產量千公噸級的量產規模水準，還有相當一段道路要走。

綜合以上各點可知，就「爭糧」問題而言關鍵在於所使用製程，採用「糖發酵」製程時因原料為澱粉或糖，與日常所需之糧食、飼料間競爭關係大、「爭糧」疑慮高，但若採用「纖維素發酵」或「化工」製程時，因原料並非日常所需之糧食、飼料，「爭糧」疑慮小。但無論採用哪種製程，都難以擺脫潛在「爭地」的疑慮。

● 柴油類

在目前生質能源發展潮流中，生質柴油是發展最快、最成熟的項目。生質柴油生產容易、製程單純，一般稍具化學觀念者甚至可以自行在家中生產生質柴油，而且在精選原料時，產出之生質柴油品質、純度均較石油工業產製之柴油為佳，在市場接受度與價格上均有較好的表現。

當前生產生質柴油的方法主要有兩種：酯交換反應6、Fischer–Tropsch法。前者為世界各國生質柴油業者應用最廣泛的方法，後者則僅在德國、奧地利、紐西蘭及北美地區有少數業者。

在使用Fischer–Tropsch法時，其說明如前節所述，基本上無「爭糧」疑慮。但卻難以擺脫「爭地」的疑慮。

當使用酯交換反應時，使用的原料可為廢食用油或其他植物油。在使用廢食用油時完全沒有「爭糧」、「爭地」問題，但使用植物油時，無論是使用大豆、棕櫚等傳統產油作物，或是當下時興之痲瘋樹、辣木、麻等新興能源作物，都難逃「爭糧」、「爭地」的疑慮。

能解決生質柴油原料問題的明日之星是藻類，藻類含油量高、可達重量的40-60%，同時可養殖在海中，對土地需求較小。但相對而言藻類也有許多待解決的技術問題，容後續專文再論。

作者：賴正庸, TrendForce研究團隊
賴正庸先生亦為致理技術學院講師

延伸閱讀：

生質能產業報告：簡介植物性生質能篇(1)

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生質能產業報告：簡介植物性生質能篇(3)

生質能產業報告：簡介植物性生質能篇(4)