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德瑞克說碳金融》第三十六講:生質燃料是甚麼?讓我「E5」「E10」地告訴你

生質燃料是由農產品(玉米、甘蔗、大豆等)做的,其實本質上也是碳化合物,燃燒也會產生二氧化碳,為什麼可以被當作低碳與永續發展的能源?第一,因為農作物會一直反覆生長,不像石油與煤炭,總感覺有一天會坐吃山空,所以生質能源被認為具有永續性。第二,雖然燃燒生質燃料會排放二氧化碳,但是植物在生長的過程中,會行光合作用吸收二氧化碳,因此一來一回等於是互相抵銷掉了。根據國際公約,生質燃料燃燒所產生的二氧化碳,是可以不包括在國家溫室氣體排放清單中的。這一點很重要,因為等於是幫生質能源拿到碳排放的免責權。

大家好,我是德瑞克,我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣,同時也抱著高度質疑。

(圖片來源:https://pixabay.com/)

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祝大家中秋佳節愉快。

上一講,我們提到了八月全球多處正在經歷百年大旱,這對糧食生產會造成很大的衝擊。這一講,我們來看看生質燃料(Bio-Fuel)與糧食之間的關係,還有標題裡的「E5」與「E10」,到底是甚麼神祕的代碼?

讓我先考考讀者一個小問題?玉米是全球產量第二高的農作物,僅次於小麥。

若以全球最大產地美國為例,請問有多少比例是被人吃掉了?多少比例是被車子吃掉了?

以美國愛荷華州玉米種植者協會的統計資料來看(下圖),玉米最大宗的消耗源頭是當飼料餵養牲畜,佔了接近四成的產量,這是做為肉品與奶製品的供應上游。第二大量的消耗則是轉化為生質乙醇燃料,佔了接近三成,這就是這一講我們要介紹的生質燃料。而實際上被當作食物或是加工食物(如甜味劑)、玉米餅(Tortilla,又稱墨西哥薄餅)、玉米罐頭、寶寶食品等,只佔了不到10%。是不是有點超出想像?

(資料來源:美國愛荷華州玉米種植者協會)

美國三成的玉米產出,是拿來生產為乙醇(Ethanol)燃料,這是一種重要的生質燃料,透過油槍餵到汽車油箱裡,作為石油的替代方案。

生質燃料在低碳世界的規劃中,佔有重要的角色。在國際能源署(IEA)規劃的低碳藍圖中,無法用電力/電池解決的卡車運輸、海運與航空,因為幾乎沒有其他低碳技術選擇,生質能源成為了一個重要的低碳能源選項。(讀者們是不是有點耳熟?在「氫能源」的篇幅也聽過類似的話語?)

在過去的十年之中(2010年到2019年),生質燃料需求平均年增長為5%,但在國際能源署規劃的2050淨零排放情境來說,這樣還不夠,要求從現在到2030年之間得要年均成長14%才能達標。

為了達到低碳排放,目前的大共識是減少石化能源,盡量使用可再生能源的電力,像是太陽能與風力發電。對於固定式用電需求,像是工廠與家庭用電,可以透過架設電網來滿足;但是對於移動式的運輸工具,則必須要背上電池才能用電力來產生動能。

而電池本身有能量密度低的物理極限。為了把里程拉長,電池重量會增加很多重量,過重的電池會導致長距離與大馬力的應用受限,下圖為整體車重與里程之間的關係。可以看出汽油車(Petrol,藍線)在里程增加時,車重增加的比較緩慢,而電動車(Electric, 紅線)則因為里程增加而車種快速增加,因而兩種有里程數的黃金交叉點:短距離適合用電動,長距離則不適合用電動。(PS. 因為設定的空車重量不一,下圖的交叉點可能左右移動,但是趨勢不變)

汽油車與電動車的里程與總重比較,可看出電動車不利於長距離行駛。(圖片來源:https://www.quora.com/)

電池導致了電力用於運輸上的使用極限:在都會區充電站多的使用場景下,用電力確實是脫碳的好方案。但是遇到了需要大馬力與長續航要求的運輸需求時,像是卡車、海運、飛機等,電池不足以擔任這樣的動力來源,就需要電力以外的脫碳方案,於是氫能源與生質能源都成為了可能的發展選項。

氫能源的目標遠大,夠乾淨天然,釋放能量之後副產品只有水,但是需要建構龐大的供應鏈(詳見《德瑞克說碳金融》第三十二講)。如果把氫能源比喻是一場能源革命,那麼生質能源則更像是漸進式的改革。

生質能源供應鏈上很多都是現有的:做為生物質的原物料,這些農作物本來就在種植產出;生質能源的運輸、儲存、配送等各環節,都可以用現有的石化產業供應鏈,甚至連汽車發動機不用更改,油箱中直接就能使用生質能源,汽車產業也能無縫銜接低碳時代,原有的大產業都能跟上減碳的步伐,整個社會所需要額外投資的成本較低,照理說實行起來就會容易一些。

生質燃料是由農產品(玉米、甘蔗、大豆等)做的,其實本質上也是碳化合物,燃燒也會產生二氧化碳,為什麼可以被當作低碳與永續發展的能源?

第一,因為農作物會一直反覆生長,不像石油與煤炭,總感覺有一天會坐吃山空,所以生質能源被認為具有永續性。

第二,雖然燃燒生質燃料會排放二氧化碳,但是植物在生長的過程中,會行光合作用吸收二氧化碳,因此一來一回等於是互相抵銷掉了。根據國際公約,生質燃料燃燒所產生的二氧化碳,是可以不包括在國家溫室氣體排放清單中的。這一點很重要,因為等於是幫生質能源拿到碳排放的免責權。但是其實,這是一種簡化的假設,畢竟農作物生長過程中需要肥料,耕作農機需要加油,生質能源的運輸與加工過程也都會產生碳排放,直接對生質燃料做碳排放免責,其實更像是一種鼓勵手段,讓產業更有誘因往這邊投資發展。

目前主要各國使用的生質燃料有兩種,屬於第一代的生質燃料。根據美國能源信息署(EIA)公布的生產與消費數據,最大佔比是生質乙醇(Bio-ethanol),佔美國2021年生質燃料總量的八成,另一種是生質柴油(Bio-diesel),約佔美國2021年生質燃料的一成多。

其中生質乙醇與汽油特性類似,可以混合在石油汽油(Gasoline)當中,作為汽油的替代方案;而生質柴油則與柴油的特性類似(看名字就知道),是可以混合在柴油(Diesel)當中,作為柴油的替代方案。

所以上述的生質乙醇與生質柴油的消費佔比,也差不多就是全球汽油車比上柴油車的銷售比例(汽油車78%比上柴油車14%)。

先讓我們簡單認識汽油(Gasoline)與柴油(Diesel)。雖然汽油跟柴油都是從石油中提煉出來,但是提煉的溫度與流程不一樣,所以汽油跟柴油有完全不同的特性。汽油的特性是容易揮發與燃燒,這一點跟乙醇(也就是酒精)很像;而柴油摸起來油膩也不容易揮發,特性跟我們平時認知的油類接近。

汽油車的引擎結構跟柴油車的完全不同,兩種車的油是不能加錯的。

了解完汽油與柴油的大致特性,我們大概也對生質乙醇與生質柴油有了形象上的認識。

下面我們先藉由聯合國環境署(UNEP)統整的資料,彙整各國主要用來生產生質燃料的農作物種類。

(作者整理,資料來源:聯合國環境署UNEP)

生質乙醇(Bio-Ethanol):乙醇就是我們俗稱的酒精,可以透過糖類與澱粉發酵產生。而生質乙醇生產出來之後,為了能跟現行的汽油車發動機接軌,會以不同的比例跟汽油混合,像是E5就是5%的乙醇混合95%的汽油,E10就是10%的乙醇混合90%的汽油,這些可以直接用在大多數的汽油車上。

而另外有一種叫做E85 (就是接近85%的乙醇混合15%的石油) 會被用在靈活燃料汽車(Flexible-Fuel Vehicle, 簡稱FFV)上,而這種汽車的引擎設計能夠接受任何比例的混合燃料。

據統計,美國有超過九成的汽油中都帶有生質乙醇。巴西跟美國是這種生質乙醇的最主要生產國,美國主要是用玉米來生產,而巴西主要是用甘蔗。

生質酒精燃料的混合標準與採用國家。(資料來源:維基百科)

以美國為首的20多個國家(美國、英國、泰國、瑞典、芬蘭、澳洲、印度等),主要使用E10等級混合生質乙醇汽油,因為乙醇的混合比例不高,所以可用於大多數已經在路上跑的車輛,無需對發動機或燃料系統進行任何改造。
超過 95% 的現行汽油車能兼容使用 E10混合乙醇汽油,而少數老爺車也仍然可以使用E5混合乙醇汽油。
而要使用E10以上的混合乙醇汽油,則需要從燃油裝置到排氣系統做不一程度的修改(如下表維基百科所整理)。

使用混合生質乙醇所需要做的發動機修改。(資料來源:維基百科)

在2021年起,E10生質乙醇混合汽油已經成為英國標準95汽油。交通部長格蘭特·沙普斯說:「在我們推動綠色工業革命的過程中,每一次旅程都很重要,這就是為什麼推出 E10 如此重要。它將幫助我們減少道路溫室氣體排放並實現我們雄心勃勃的淨零目標。

生質柴油(Bio-Diesel):學名叫做脂肪酸甲酯 (Fatty Acid Methyl Ester),取其每個字的首位字母,簡稱FAME,剛好也是「名聲、名望」的意思。這是將植物油或動物脂肪,經過一種稱為「酯交換」的化學過程,所產生的產品。

目前全球主要是拿植物提煉的油,來生產做為生質柴油。舉凡大豆、油菜籽、油棕與向日葵,都是很好的榨油農作物。其中,大豆(Soy)就是很多國家拿來做生質柴油的原物料,下圖是全球統計的大豆產量應用分配。

(資料來源:https://ourworldindata.org/soy)

從全球的資料來看,大豆有77%做為牲畜飼料(Animal Feed),有19%做為直接食品(Direct Human Food),然後有約3%被做成了生質柴油(Biodiesel)。

跟生質乙醇混合到汽油(Gasoline)當中一樣,生質柴油是混合到柴油(Diesel)當中。也如同前述的Exx表示混合物中乙醇(Ethanol)的比例,混合生質柴油(Diesel)則是用Bxx做為表示比例。

舉例來說,B10指10%生質柴油混合90%石油柴油;而B100則指100%為生質柴油。

大部分現行的柴油車發動機都可以直接使用混合生質柴油,在美國中西部已經有1000個加油站提供B10與B20的生質柴油。

而B100 (也就是純生質柴油) 則不同於混合物。因為純生質柴油在低溫下會凝結,並且可能侵蝕現行柴油車的密封元件,若是要使用B100,車輛本身需要做一些燃油管路與發動機的改裝。

總結一下,藉由透過既有農作物的產出,生質燃料有了原料來源;藉由透過混合汽油與柴油來販售,生質燃料有了配送與銷售渠道;藉由可相容於大多數現行的車輛,生質燃料有了客戶來源。

幾乎是「萬事俱備,只欠東風」,只要再加上各國的政策給予獎勵與規範,生質能源確實是相對能快速實踐的減碳改革。

生質乙醇與生質柴油的供應鏈。(圖片來源:https://www.sciencedirect.com/)

回顧一下生質燃料的優點:

1. 生質燃料來自天然資源(農作物),而且是一種植物每年生長,是一種可持續的永續能源,在植物生長過程中還能光合作用吸收二氧化碳,這是碳減排方面的優點。

2. 使用生質燃料,除了燃燒還是得排放二氧化碳之外,其他有害物質如懸浮微粒、一氧化碳、碳氫化合物及有毒氣體都減少許多,這是環保上的好處。

3. 最重要的是,植物作物相對於原油而言,較沒有地域性的限制,可以讓石油進口國能增加能源自主與多樣性,同時為國內農業開拓一條新發展,來減少豐收時「穀賤傷農」的情況,這是國家在能源與農業發展的考量。

但是,生質燃料也有明顯的問題。

那就是前一講提到的,會造成人類與車輛爭奪「糧食」的問題。同時也會有土地開發與水資源等相關可能問題。這些我們將在後面兩講中陸續說明。

不過,細心的讀者可能有注意到,巴西在生質乙醇的發展很積極,產出是世界前二,而且國內販售的生質乙醇是高比例的E25。

巴西有甚麼發展生質乙醇的優勢?讓我們賣個關子。下一講,我們先去一趟熱情的巴西。

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