黃介一、劉祖閔、林正軒／工研院機械所；陳幸德／工研院材化所
國際上對環保與綠能越來越重視，尤其在各國政府的綠能政策支持下，使得再生能源朝向多元模式應用呈現，生活中的廢棄物已變成可循環再利用的資源。國際上能源再生與利用的相關發展研究已數十年，各國依地利發展的沼氣運用範疇甚為廣泛且朝著兼具綠能、環保與高價值化等面向發展；在國內政府也積極部署綠能的發展與建設。文中介紹國內沼氣應用的範疇與形式，分別在垃圾掩埋、廚餘回收及農業廢棄物處理等領域的多種沼氣應用系統，而工業領域也在近期投入，改善並發展因生產衍生的廢棄物處理程序，除了使廢棄物減量之外，也將所得水資源、沼氣能源加以應用並創造出價值。本文最後以造紙工業為例，介紹廢棄物處理後的沼氣發電系統。
【內文精選】
前 言
在2015年的《巴黎協定》國際社會達成共識，各國同意為面對氣候變遷之威脅而努力，讓全球平均溫升控制在與工業化之前相比低於2˚C以內。關鍵做法是各國需減少溫室氣體排放。為了維護並保護地球環境的《巴黎協定》目標，已超越國家觀點所制訂的溫室氣體減排目標和策略，其推動與觀念都比一些較為先進的歐盟成員國之設定更具挑戰，包含設定往後的2030甚至2050年的溫室氣體減排目標，以及相關再生能源技術的發展與推動。這些再生能源技術所導致的溫室氣體減排，相較於石化能源應用是更具成效的。
未來全球將越來越關心各地碳排放的情況，因而地球環境保護意識又會更加提升，更進一步促使各國與產業選擇使用綠色能源，所以沼氣能源的應用就成為一個關鍵性的有利選擇。由國際能源署(IEA)的數據顯示，預估2040年全球電力需求之67%會由再生能源提供，其中太陽能和風力發電約占40%，生質能和水能約占25%。生質能源的比例從5%提升到12%，有趨勢續推往20%，由以上的相關預估趨勢，沼氣能源的應用將朝正向發展。
圖二、沼氣發電應用範疇發展趨勢
國內沼氣發電應用的現況
國內推動沼氣發電的歷程中，由日常生活足跡切入，可以看到從垃圾掩埋場開始，以對沼氣做收集後再行發電的做法為主，後續其他生質沼氣之料源也陸續以示範性發展到應用推廣。在早期從公共建設的觀點出發，為了解決社會生活垃圾處理的議題，以提升環保意識為根基，垃圾減量與焚化處理已是主要的做法。不過回頭看看過去的垃圾掩埋場，在封場之後為了有效解決產生臭味的問題，且避免讓沼氣直接排入大氣，政府不遺餘力地投入改造，建置沼氣收集設施與發電設備等，使居民原先避之唯恐不及的地點轉換為美化且舒適的環境，而且還利用再生能源給予整個社會莫大的助益。
垃圾衛生掩埋場藉由不透水的建構，安全地將垃圾所滲出之汙水蓄集進行汙水處理，且將其垃圾分解時所產生的沼氣，予以積存並將其燃燒產生之熱能轉化為電能。挖掘沼氣井是一個關鍵性基礎設施，互通連接後再導引沼氣至發電設施內以進行發電。掩埋場內的垃圾經發酵產出之沼氣含有水氣，因此應用前需要進行水分凝結與集排回收，將部分凝結水重新送回掩埋場，避免掩埋場內有過於乾燥自燃的疑慮，並使掩埋場產出之沼氣保持可穩定應用的條件。以高雄市西青埔處理沼氣發電設施為例，其沼氣蘊藏量可供20年以上的發電量，最初沼氣處理發電設備四組，設施發電容量5,448 kW；目前因沼氣量下降，沼氣處理發電設備三組，設施發電容量4,083 kW，每月最高沼氣處理量可達約194萬立方公尺，因沼氣量逐年下降，目前再生能源沼氣發電量每月約40~60萬度電（售電量約140~160萬度電），如圖三所示。
國內工業沼氣應用
新應用領域的業者陸續投入沼氣發電應用的投資，據報導知名造紙業永豐餘紙廠投入建置工業沼氣應用(Industrial BiogasApplication)設備生產綠電，為目前全國最大沼氣發電系統。據台灣區造紙工業同業公會的統計，2019年國內的紙及紙板總產量為424.9萬噸，其中紙板量達到344.6萬公噸，同時帶動回收紙的消耗量達到404萬噸，在國內回收量達272萬噸，這是一個回收率很高的行業。幾乎絕大部分的回收紙都作為製造再生紙的原料，造紙業回收再利用除了生產大量再生紙之外，也讓數千萬棵的樹木免於被砍伐。
在造紙過程中取出所需的纖維和木質素，其所生成的廢水經淨化後，產生的廢紙渣和汙泥中含有大約1/3煤的熱值，非常值得回收再利用。沼氣發電系統使用微生物分解、發酵以及生物脫硫等技術，藉由厭氧菌的分解，在廢水淨化的過程將水中大量有機物轉化為沼氣，該沼氣中的甲烷濃度可達80%，非常接近天然氣，穩定且高濃度的沼氣藉由燃氣引擎發電機組轉化為熱能及電能，如圖七所示。以目前所舉例之永豐餘紙廠的沼氣日產量可達2.8萬立方米，年發電量可達4,000萬千瓦，相關建置…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、造紙業之水處理與沼氣資源循環再利用
★本文節錄自《工業材料雜誌》418期，更多資料請見下方附檔。