以生命週期評估觀點分析生質能之環境效益

以生命週期評估觀點分析生質能之環境效益(Using Life Cycle Assessment to Evaluate the Environmental Benefit of Bioenergy)
國立臺灣大學環境工程學研究所 黃郁揚

全球暖化的議題自京都議定書簽署以來逐漸受到重視，各國政府均積極推動綠色再生能源的發展。推動過程中為了進行全面的二氧化碳盤查，生命週期評估是目前最常被使用的評估工具，以便納入再生能源生產過程中所有可能的二氧化碳排放，分析採用再生能源對減緩全球暖化所產生的效益。詳細之生命週期評估程序可參照本研究群許桓瑜 (2013) 於科學Online所發布的介紹專文《生命週期評估 (Life cycle assessment, LCA)》。

生質能在所有再生能源類別中具有相當大的潛力，例如擬以再生能源全部取代火力及核能發電的德國，目前即以生質能作為再生能源的主力。生質能的能量來自於生質物，其泛指所有生物所產生的有機物質，例如木材加工的廢料、畜牧產生的排泄物，或是餐廳的廚餘等（參考文獻 1）。

生質能的利用方式十分多樣化，最常見的方式是直接燃燒獲得熱量，或發電及產製燃料，如圖一所示。第一代的生質能源利用高油脂作物例如大豆、油菜，榨油淨化後直接利用，或是高醣類作物如玉米、甘蔗經過發酵產出酒精再行利用，但這兩者皆會影響到人類的糧食，形成糧食與能源互相排擠的效應。因此出現了第二代生質能，主要從廢棄生質物、綠藻或是纖維素等人類無法食用的生質物作為能量來源，避免了與糧食的競爭關係（參考文獻 3）。

圖一、生質能與化石能源來源與利用方式。（本篇作者黃郁揚繪製）

本篇擬以沼氣發電為例，說明如何利用生命週期評估方法評價使用再生能源的效益。沼氣是目前最常應用的生質能源之一，通常用於畜牧場、掩埋場，以及污水處理廠中。沼氣主要的可燃成分為甲烷（天然氣），應用目前現有的燃氣發電機進行發電取代石化來源的天然氣，本案例以生命週期商用軟體評估沼氣發電與天然氣發電廠每度發電量的全球暖化衝擊。

評估全球暖化衝擊的公式如下：

全球暖化衝擊 $$(\mathrm{CO_{2eq}})=\displaystyle\sum^n_{i=1}E_i\times CF_i~~~~~~~~~(1)$$

$$E_i=$$ 溫室氣體排放量；$$CF_i=$$ 特徵化因子；$$i =$$ 第 $$i$$ 種溫室氣體；$$n =$$ 溫室氣體種類

其中特徵化因子 (Characterization Factor, CF_i) 在評估全球暖化時代表的是第 i 種溫室氣體在單位重量排放量下造成的溫室效應，與相同單位重量二氧化碳所造成的溫室效應比值。以甲烷而言其特徵因子為 25 (參考文獻 5)，代表相同重量下甲烷造成的溫室效應為二氧化碳的 25 倍。溫室氣體經過特徵化因子轉換後進行加總，以二氧化碳當量 (CO_2eq) 為單位得出全球暖化衝擊。本篇使用生命週期評估商用軟體，評估範疇設定為天然氣及沼氣電廠的操作及維護期間平均每一度電所產生的全球暖化衝擊，盤查資料選取資料庫中已建立的清單，經過計算公式得出操作及維護過程中排出的溫室氣體造成的全球暖化衝擊進行加總，最後將天然氣電廠與沼氣電廠的總暖化衝擊分別與其總發電量相除，結果如圖二。

圖二、沼氣與天然氣電廠發一度電全球暖化衝擊比較。（本篇作者黃郁揚繪製）

圖二可以看出天然氣電廠每發一度電就會造成 0.654 kg-CO_2eq 的全球暖化衝擊，相對的沼氣電廠每度電僅造成 0.005 kg-CO_2eq 的衝擊。如果將發電方式由天然氣電廠轉換為沼氣電廠，每一度電可減少 0.649kg-CO_2eq 的排放，約減少了 99% 的全球暖化衝擊。轉換為沼氣電廠會有如此大的效益是由於在評估全球暖化衝擊時，根據跨政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 提供的評估方法將二氧化碳分為石化來源與生物來源。由於石化燃料原本存在於地底封存，不存在於目前的碳循環系統之中，因此燃燒產生的二氧化碳將破壞現有的平衡狀態，使得全球的二氧化碳濃度上升；生物來源的二氧化碳則視為源自於植物自空氣中所吸收的二氧化碳，來自於目前地球表面的碳循環系統，因此並不會造成全球暖化。

就結果來看，自天然氣電廠改為使用沼氣電廠可以有效的減少排碳，對全球暖化具有正面的影響。然而本篇僅以操作維護產生的二氧化碳進行評估，如欲以沼氣電廠取代天然氣電廠，由於單一天然氣電廠之發電規模通常較沼氣電廠大，須額外考慮電廠建造程序所造成的全球暖化衝擊，再進一步比較。

參考文獻

1. 2007能源科技研究發展白皮書｜經濟部能源局。http://web3.moeaboe.gov.tw/ECW/populace/content/ContentLink.aspx?menu_id=473
2. 許桓瑜 (2013)。生命週期評估 (Life cycle assessment, LCA)｜科學Online。http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=43612
3. Schenk, P.M., Thomas-Hall, S.R., Stephens, E., Marx, U.C., Mussgnug, J.H., Posten, C., Kruse, O. and Hankamer, B. (2008). Second Generation Biofuels: High-Efficiency Microalgae for Biodiesel Production. BioEnergy Research 1(1), 20-43.
4. Naheed, N. and Jamil, N. (2014). Optimization of biodegradable plastic production on sugar cane molasses in Enterobacter sp. SEL2. Brazilian Journal of Microbiology 45, 417-426.
5. Forster, P., Ramaswamy, V., Artaxo, P., Berntsen, T., Betts, R., Fahey, D.W., Haywood, J., Lean, J., Lowe, D.C., Myhre, G., Nganga, J., Prinn, R., Raga, G., Schulz M. and Van Dorland, R. (2007). Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K.B., Tignor, M. and Miller, H.L. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.