永續能源 --微藻產油吳院長文騰

國立成功大學工學院98年 2 月 22日

週日閱讀科學大師

目錄壹、永續能源貳、臺灣及國際上能源之使用現況參、永續能源之重要性

肆、生質油伍、微藻之培養陸、微藻之利用柒、結語

壹、永續能源 (1/3)依據永續能源政策綱領，永續能源發展應兼顧 “能源安全”、”經濟發展“ 與”環境保護” 。

壹、永續能源 (2/3)

• 永續能源基本上是再生能源： 再生能源包含太陽能 ( 太陽熱能、 太陽電池 ) 、風能、生質能、水力 及海洋能，地質能、氫能及燃料電 池。

壹、永續能源 (3/3)•永續能源政策的推動目標： 積極發展再生能源，於 2025年占發電系統的 8%。

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(1/5)2007年台灣能源之供應結構

32.12

0.288.11

0.297.97

0.03 0.07

51.14

0

10

20

30

40

50

60

佔比(%)

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(2/5)

2007年台灣之發電量結構

3.4 6.2

18.4 16.7

0.2 0 0.2 1.2

53.6

0

10

20

30

40

50

60

水力發電

燃煤

燃油

燃氣

核能發電

風力發電

太陽光電

生質能

癈棄物能

佔比(%)

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(3/5)

台灣汽、柴油之消費量 (2007)汽油 1000 萬噸 / 年柴油 460 萬噸 / 年

能源消費量 (2007)能源與工業部門 60.41%

運輸 13.14 %住宅 11.21 %

服務業 10.06 %農業 0.89 %

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(4/5)2005年統計

種類 國別 消費量

石油美國 944.6百萬公噸中國 327.3百萬公噸曰本 244.2百萬公噸俄國 130.0百萬公噸德國 121.5百萬公噸

煤中國 1082百萬公噸油當量美國 575百萬公噸油當量印度 213百萬公噸油當量曰本 121百萬公噸油當量俄國 116百萬公噸油當量

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(5/5)

各國能源供應結構 (2005年 ) 種類國別 石油 煤 天然氣 核能 其他美國 40.7% 23.5% 22.1% 9.1% 4.5%日本 47.8% 21.7% 13.2% 13.8% 3.4%韓國 47.6% 23.5% 11.9% 16.0% 1.03%台灣 44.0% 35.9% 8.5% 9.9% 1.7%中國 19.2% 60.3% 2.5% 0.8% 17.3%

參、永續能源之重要 (1/6)

國際上主要先進國家之能源供應情況與台灣之情況類似。石油、煤、天然氣及核能等化石燃料所提供的能源均佔 90%以上。台灣能源依賴進口的程度相當高。

參、永續能源之重要性 (2/6)British Petroleum (BP)世界能源統計 ---

20062005年統計

種類 蘊藏量 可開採年限 日產石油 1.2007兆桶 40.6年 8109萬桶天然氣 179.8兆 m3 65.1年 2.76兆 m3

煤 9090.6億公噸油當量

155年 28.87億公噸油當量

鈾 474.3萬公噸 114年 4.16萬公噸

參、永續能源之重要性 (3/6)

• 二氧化碳之排放： 2007年台灣二氧化碳的排放量為

261.3百萬公噸，約佔世界 1%( 每人每年均 11.8萬噸 ) ，全世界排名第 21位。

參、永續能源之重要性 (4/6)

1980 1990 2000 2010 20200

100

200

300

400

500

600C

arbo

n di

oxid

e em

issi

on (m

illio

n to

n)

YearPredicted by Markal Model with nocarbon dioxide reduction strategy

230

116

2007 年 , 261.3

參、永續能源之重要性 (5/6)

•臺灣二氧化碳排放量之政策目標： 於 2016年至 2020年間回到2008年

排放量。 於 2025年回到 2000年排放量。

參、永續能源之重要性 (6/6)

•歐盟之能源政策： 在 2020年 (i)二氧化碳的排放量比 1990年少 20% (ii)再生能源佔總能源使用量 20% (iii)減少化石能源使用量 20%

肆、生質油• 永續能源：太陽能 ( 太陽熱能、太陽電池 ) 、風能、生質能、水力及海洋能、地質能、氫能及燃料電池等。

肆、生質能• 生質酒精、生質柴油、沼氣、裂解油、丁醇、氫氣等。

肆、生質油 - 油脂來源 (1/16)•油菜

油菜花田

油菜花兒

肆、生質油 - 油脂來源 (2/16)

•油菜適合低溫之秋天種植。•每公頃每年約可收成 2.5公噸油菜子，約有 1.1公噸之油。

肆、生質油 - 油脂來源 (3/16)

• 大豆

肆、生質油 - 油脂來源 (4/16)• 大豆栽培容易且可機械採收• 生育期約 100天• 油之年產量約為 0.45噸 / 公頃

肆、生質油 - 油脂來源 (5/16)

•向日葵 向日葵花田

向日葵提煉油

肆、生質油 - 油脂來源 (6/16)

•向日葵適合機械採收。•向日葵子含油量高。每期作約可收油 1 公噸 / 公頃。

肆、生質油 - 油脂來源 (7/16)

•油棕櫚

肆、生質油 - 油脂來源 (8/16)

•油桐花

油桐

油桐花

油桐果榨油

肆、生質油 - 油脂來源 (9/16)

•麻瘋樹

痲瘋樹 痲瘋樹果實

肆、生質油 - 油脂來源 (10/16)

•麻瘋樹之種植可利用不良土地或廢耕地。•無法機械採收，人工需求大。

肆、生質油 - 油脂來源 (11/16)

蓖麻

蓖麻

蓖麻子

肆、生質油 - 油脂來源(12/16)•蓖麻屬多年生草本植物•蓖麻易栽植，蓖麻子有毒• 種植半年就開始結果，收成期約 10年；2 公斤的種子約可生產 1 公斤的油

肆、生質油 - 油脂來源 (13/16)

•椰子

肆、生質油 - 油脂來源 (14/16)

• 植物之油脂產量農作物 油產量 ( 公升 / 每公頃 )蓖麻 1413油菜 1190向日葵 952大豆 446椰子 2689棕櫚 5950

肆、生質油 - 油脂來源 (15/16) •藻類：海藻、微藻

巨型藻

螺旋藻

紅藻 綠藻

肆、生質油 - 油脂來源 (16/16)•微藻油產量

藻種 含油量 (%乾藻重 )

年產量：油含量 30% 58700 公升 / 每公頃油含量 70% 136900 公升 / 每公頃

伍、微藻之培養•生長快速•佔地面積少•操作培養容易•油脂含量高•品質穩定•具附加高單價化合物

伍、微藻之培養環境因子影響微藻生長

CO2

微 藻

碳水化合物

葡萄糖 澱粉 油脂纖維素

氮源

光強度 溫度

鹽度

伍、藻類之培養培養營養源對微藻生長之影響

0 1 2 3 4 5 6 7

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

(/

)生物量

克每升

( )時間 天

(/

)氮源濃度

克每升

0.025 g/L

0.050 g/L

0.100 g/L

0.150 g/L

0.300 g/L

伍、藻類之培養培養營養源對微藻產油之影響

伍、微藻之培養•開放式培養 – 跑道式、淺池培養

跑道式培養淺池培養

伍、微藻之培養•開放式培養 – 圓型池、大槽型

圓型池 大槽型

伍、微藻之培養•密閉式培養 – 管式

直型管培養

螺旋管培養戶外圓柱管培養

伍、微藻之培養•密閉式培養 – 平板式

戶外平板式培養

伍、微藻之培養•密閉式培養 – 帶狀式培養

伍、微藻之培養

Typical Open tank

Novel photobioreactor

Transparent Rectangular Chamber (TRC)

Id

Ia

Air

L

T

Id

Ia

Air

L

T

Light Scattering Intensity

TLcI

TLbaII aaSL

ISL: Light scattering intensityIa: Light intensity inside TRCW: Width, L: LengthAT: Surface area of topa = 0.304, b = -14.992, c = -0.497, R2 = 0.987

Lambert-Beer’s Law :

I = I0 exp[-(κxΧ +κw)Z]

Light Distribution in broth

伍、微藻之培養

20 30 40 50 60 70 80 90 1000.24

0.25

0.26

0.27

0.28

0.29

0.30

0.31

0.32

0.33

Pro

duct

ivity

of B

iom

ass

(g/L

d)

Average irradiance intensity( mole photon m-2 s-1)

Biomass Productivity

Comparison of biomass productivity of N. oculata at different average irradiance intensity in open tank with 5cm-TRCs (■), 10cm-TRCs (●) and 20cm-TRCs (▲). The irradiance intensity was 660μmole photon m-2s-1 and the temperature at 38 .℃

伍、微藻之培養

Time courses of biomass and urea consumption for N. oculata in semi-continuous mode.(■) is the biomass concentration and (□) is the urea concentration. The bar chart is the lipid content.

0.06

0.08

0.10

0.12

Lipi

d pr

oduc

tivity

(g d

-1 L

-1)

Batch Semicontinuous

Lipid productivity increase 37.6% in the semi-continuous system

陸、微藻之利用 --微藻收集•快速沉澱•分離容易

陸、微藻之利用 --藻油萃取•榨油機•溶液萃取•超臨界流體萃取

陸、微藻之利用 --生質柴油

Reference (DCW)

Direct reaction (WCW)

Hexane pretreated(W

CW)Biodiesel Conversion

20% 5.0% 10.7%

Relative value

100.0% 25.0% 53.5%

Reactants ： (1) wet cell weight of N. oculata

≒ 0.75g (DCW 0.15g)≒

(2) 2ml 1.0M HCl/Methanol

* (3) direct or hexane pretreated

Reaction Temp ： 70℃ ， Reaction time ： 12 hours

陸、微藻之利用 --還原糖 - 葡萄糖• Microalgal cell wall

Cellulose is the major component of microalgal cell wall Functions: protection, maintenance

The major components of cell wall in different algae

陸、微藻之利用 --酵素水解

Concentration of reducing sugar Hydrolysis yield

. . (%)

concsugartotalconcsugarreducingyieldHydrolysis

•Reaction conditions: Working volume: 20 mL Biomass conc. ： 20 g/L Temperature ： 50 oC

Total sugar in microalgae:26 % (w/w)

hydrolysis

陸、微藻之利用 --脂肪酸分佈　 0.025 0.050 0.100 0.150 0.300

C14:0 2.3 C16:0 35.9 32.3 26.7 23.2 19.5 C18:0 7.1 7.4 9.0 7.2 5.5 C18:1 29.1 32.5 37.5 37.3 26.4 C18:2 14.3 15.4 17.3 20.5 26.3 C18:3 5.2 4.4 3.1 3.6 4.2 others 8.3 8.0 6.4 8.2 15.8

願 景

柒、結語 台灣天然資源缺乏，地小人稠，風能、太陽能、生質能等之資源有限。能源的問題，唯有依靠產業之營運及堅強的自有能源科技。加強能源科技研發，是必需的重要工作。藻類產油是永續能源發展之一重要的項目。

敬 請 指 正 !