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以生命週期评估观点分析生质能之环境效益

发布时间:2020-06-17  作者:   分类:P管生活  

全球暖化的议题自京都议定书签署以来逐渐受到重视,各国政府均积极推动绿色再生能源的发展。推动过程中为了进行全面的二氧化碳盘查,生命週期评估是目前最常被使用的评估工具,以便纳入再生能源生产过程中所有可能的二氧化碳排放,分析採用再生能源对减缓全球暖化所产生的效益。详细之生命週期评估程序可参照本研究群许桓瑜 (2013) 于科学Online所发布的介绍专文《生命週期评估 (Life cycle assessment, LCA)》。

生质能在所有再生能源类别中具有相当大的潜力,例如拟以再生能源全部取代火力及核能发电的德国,目前即以生质能作为再生能源的主力。生质能的能量来自于生质物,其泛指所有生物所产生的有机物质,例如木材加工的废料、畜牧产生的排泄物,或是餐厅的厨余等(参考文献 1)。

生质能的利用方式十分多样化,最常见的方式是直接燃烧获得热量,或发电及产製燃料,如图一所示。第一代的生质能源利用高油脂作物例如大豆、油菜,榨油净化后直接利用,或是高醣类作物如玉米、甘蔗经过发酵产出酒精再行利用,但这两者皆会影响到人类的粮食,形成粮食与能源互相排挤的效应。因此出现了第二代生质能,主要从废弃生质物、绿藻或是纤维素等人类无法食用的生质物作为能量来源,避免了与粮食的竞争关係(参考文献 3)。

以生命週期评估观点分析生质能之环境效益

图一、生质能与化石能源来源与利用方式。(本篇作者黄郁扬绘製)

本篇拟以沼气发电为例,说明如何利用生命週期评估方法评价使用再生能源的效益。沼气是目前最常应用的生质能源之一,通常用于畜牧场、掩埋场,以及污水处理厂中。沼气主要的可燃成分为甲烷(天然气),应用目前现有的燃气发电机进行发电取代石化来源的天然气,本案例以生命週期商用软体评估沼气发电与天然气发电厂每度发电量的全球暖化冲击。

评估全球暖化冲击的公式如下:

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

$$E_i=$$ 温室气体排放量;$$CF_i=$$ 特徵化因子;$$i =$$ 第 $$i$$ 种温室气体;$$n =$$ 温室气体种类

其中特徵化因子 (Characterization Factor, CFi) 在评估全球暖化时代表的是第 i 种温室气体在单位重量排放量下造成的温室效应,与相同单位重量二氧化碳所造成的温室效应比值。以甲烷而言其特徵因子为 25 (参考文献 5),代表相同重量下甲烷造成的温室效应为二氧化碳的 25 倍。温室气体经过特徵化因子转换后进行加总,以二氧化碳当量 (CO2eq) 为单位得出全球暖化冲击。本篇使用生命週期评估商用软体,评估範畴设定为天然气及沼气电厂的操作及维护期间平均每一度电所产生的全球暖化冲击,盘查资料选取资料库中已建立的清单,经过计算公式得出操作及维护过程中排出的温室气体造成的全球暖化冲击进行加总,最后将天然气电厂与沼气电厂的总暖化冲击分别与其总发电量相除,结果如图二。

以生命週期评估观点分析生质能之环境效益

图二、沼气与天然气电厂发一度电全球暖化冲击比较。(本篇作者黄郁扬绘製)

图二可以看出天然气电厂每发一度电就会造成 0.654 kg-CO2eq 的全球暖化冲击,相对的沼气电厂每度电仅造成 0.005 kg-CO2eq 的冲击。如果将发电方式由天然气电厂转换为沼气电厂,每一度电可减少 0.649kg-CO2eq 的排放,约减少了 99% 的全球暖化冲击。转换为沼气电厂会有如此大的效益是由于在评估全球暖化冲击时,根据跨政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 提供的评估方法将二氧化碳分为石化来源与生物来源。由于石化燃料原本存在于地底封存,不存在于目前的碳循环系统之中,因此燃烧产生的二氧化碳将破坏现有的平衡状态,使得全球的二氧化碳浓度上升;生物来源的二氧化碳则视为源自于植物自空气中所吸收的二氧化碳,来自于目前地球表面的碳循环系统,因此并不会造成全球暖化。

就结果来看,自天然气电厂改为使用沼气电厂可以有效的减少排碳,对全球暖化具有正面的影响。然而本篇仅以操作维护产生的二氧化碳进行评估,如欲以沼气电厂取代天然气电厂,由于单一天然气电厂之发电规模通常较沼气电厂大,须额外考虑电厂建造程序所造成的全球暖化冲击,再进一步比较。


参考文献

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