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生質燃氣是指採用厭氧消化技術處理各類有機廢棄物（水）產生以甲烷為主要組成的氣體燃料，是一種兼具能源化、減量化、無害化再利用農村有機廢棄物、生活垃圾、畜禽糞污等各種有機資源的生質能源技術。鑒於國際上許多國家，特別是歐盟地區，在生質燃氣推動方面已有長期產業化應用的經驗與案例，因此本文係分別就其產品高值化及商務模式等方面進行彙整與回顧，期據此拋磚引玉，提供國內推動生質燃氣產業化應用之參考。

生質燃氣工程是指採用厭氧消化技術處理各類有機廢棄物(水)，並生產生質燃氣的系統化工程，是一種兼具能源化、減量化、無害化處理農村有機廢棄物、生活垃圾、畜禽糞污的主要途徑，因此國外已將生質燃氣視為一種優質、廉價、衛生的氣體燃料，亦為可再生的生質能源。生質燃氣的主要成分是CH₄(含量40%~70%)和CO₂(含量15%~60%)，其高位熱值一般為22~25MJ/m³。經提純後可提高CH₄的相對含量，使熱值達39.8MJ/m³。由於生質燃氣是處理各類有機廢棄物的產物，故使用CH₄作為能源並不會增加CO₂排放。因此，在實現「減碳」目標進程中，各國對於生質燃氣應用為生質能源皆多有關注。

生質燃氣高值化利用技術結合國際生質燃氣發展，現對常見生質燃氣高值利用的產品分述如下。

生質燃氣經提純後，可以用為汽車燃料，在實際案例中甚至優於化石天然氣的性能。我國天然氣長期依賴進口，價格也相對較高。在天然氣資源相對缺乏的地區，利用有機質資源生產生質燃氣，再將生質燃氣淨化提純製成車用燃氣，可替代化石燃氣，降低對化石燃氣的依賴度，實現生質燃氣的高值化利用。

在現實中，一些大型生質燃氣廠生產的生質燃氣不僅量大且穩定，可將生質燃氣提純製成生物天然氣，燃氣公司可將其接入系統中，以補充自身氣源。在城鎮和農村密集的地區，建設生質燃氣廠，並提純為生物天然氣已展現經濟可行性，生質燃氣能夠獲得持續穩定的收益，可降低對進口天然氣的依賴度。

將生質燃氣提純製成生物天然氣後，加壓進行罐裝銷售，供給無燃氣管網覆蓋或不具備鋪設管網條件的區域，特別是農村或山區等。在實際操作中，也有很多生質燃氣廠只將生質燃氣淨化脫硫，不進一步提純，逕行加壓罐裝銷售，供給周邊對熱值要求較低的工廠、飯店以及居民使用，性價比高，可替代常用的液化石油氣，在給生質燃氣廠帶來利潤的同時，也降低了周邊企業和居民使用成本。

生質燃氣發電聯網及汽電共生在德國備受推崇，若能放寬生質燃氣發電聯網，同時，引導生質燃氣發電全面向汽電共生調整，汽電共生專案優先納網，享受相關聯網補貼，汽電共生不僅可以避免單一發電或供熱時，能源效益、經濟效益恐較低的問題，且汽電共生整體投入較低，對老舊項目改造小，可以快速推廣，大幅提高生質燃氣收益。

氫能是未來的關鍵清潔能源載體，以生質燃氣為原料轉換的氫氣可視為綠氫。將生質燃氣首先提純為生物甲烷，再以生物甲烷蒸汽轉化製氫等過程皆有成熟的商業化技術，但若直接以生質燃氣為原料蒸汽轉化製氫，可以簡化製程步驟，從經濟面來看較具有可行性。

生質燃氣的主要成分及含量一般為：CH₄約50%～70%，CO₂約30%～50%，H₂O約1%～5%，H₂S約100～300 mg/L，O₂約0～0.5%，N₂約0～0.5%，並可能含有少量的有機硫、VOC等多種雜質。生質燃氣經過提純後可以得到甲烷濃度為95% 以上的生物甲烷，能夠替代常規天然氣用作民用燃料或工業用途。

在經濟性分析方面，以中國連雲港某製氫工廠為例，使用的管輸工業天然氣成本在3.4～4.1元/Nm³之間。天然氣成本占氫氣總成本的60%左右，如扣除投資折舊等成本，天然氣成本占總運行成本的80%左右。生質燃氣價格通常在0.5～0.8元/Nm3之間。鑒於中國工業天然氣和生質燃氣之間的價格差異，使用生質燃氣製氫可顯著節省運行成本 50% 以上。

另以產氫能力2,000Nm³/h的蒸汽甲烷重組(Steam Methane Reforming，SMR)製氫工廠為例，同時考慮到燃料消耗，每小時需消耗天然氣約860Nm³，折合生質燃氣約1,600Nm³/h。若先將生質燃氣提純後再進行SMR製氫，生質燃氣提純裝置需投資約2,000萬元，SMR裝置投資約為4,600萬元，總投資約6,600萬元。採用生質燃氣直接蒸汽轉化製氫，可節省大部分生質燃氣提純設備投資，預計可節省總投資約1,000萬元。同時由於流程縮短，設備數量減少，還可以節省運轉維護費用，因此未來採用生質燃氣直接蒸汽轉化製氫應是值得發展的方向。

本技術是德國近年來提出的用以實現有機廢棄物混和利用及依照實際需求提供綠能的新模式。整體而言，彈性生質燃氣生產（以下均稱「彈性產氣」）的概念歸納如下：彈性產氣是一種通過調節厭氧發酵反應過程，在有能源需求時即時定量產生質燃氣的技術。相對於調節生質燃氣儲氣容量，彈性產氣技術可以將發酵槽產氣集中在高需求時段，進而不再需要很高的生質燃氣儲存容量，降低生質燃氣廠的投資、營運和管理成本。因此彈性產氣被視為一種具有前景的產氣方法。

彈性產氣最直接的落實方法是改變原料投料的時間間隔、原料類型或體積流量等方式，以便在生質燃氣需求高峰時段提高生質燃氣產量。其中，改變投料的時間間隔是根據用電高峰和低谷出現時刻，彈性調整投料的時刻和時問間隔，使實際產氣曲線和用電需求曲線儘量貼合。現階段厭氧發酵工程以連續式投料為主，當改變投料方式時，操作模式將轉換為半連續式投料，其中脈衝式投料的方式會增加當次投料的有機負荷，從而增大發酵槽酸化的風險，因此先前研究已針對不同進料頻率下產氣量、氣體組分和揮發性脂肪酸的變化等結果進行分析，其測試結果發現進料頻率越高，系統的穩定性越高，而當進料為每天一次時，系統出現了丙酸的累積。由此可見，通過改變投料時問問隔實現彈性產氣時，有機負荷和投料頻率的選擇是關鍵性因素。

改變厭氧發酵技術亦可實現彈性產氣，例如採用兩相厭氧發酵，產生一種易消化的液態基質，向固定床消化反應器中動態投料實現短時間內迅速增加生質燃氣產量。

該方法最典型的例子是可調式生質燃氣廠（德語譯作「Regelbare Biogasanlage」，簡稱ReBi生質燃氣生產技術），工程流程見圖1。厭氧發酵反應第一步輸出的水解反應產物，通過螺旋壓力機分離成液體和固體部分，固體部分投料至連續攪拌槽反應器(CSTR)中，以連續產氣方式輸出生質燃氣；而富含易消化有機質的液態部分則被輸送到儲存槽，在有生質燃氣需求時，即時向固定床反應器進行投料；反之則減少投料。ReBi生質燃氣生產技術利用固定床反應器，使用填料將微生物停留在反應器中，因此可以承受較大的有機負荷。

圖1 ReBi生質燃氣廠製程流程圖

類似的厭氧反應配置改進還有兩相浸出固定床反應器（見圖2），使水解和酸化反應發生在浸出床反應器中，在固定床反應器中發生產甲烷反應產生質燃氣。浸出床反應器以批式投料，浸出液通過回流迴圈使基質和微生物充分混合|。最終在浸出床底部富含高有機質成分的水解酸化浸出液，向固定床反應器即時投料以實現彈性產氣。

圖2 兩相浸出床／固定床反應器工程流程圖

參酌國外發展趨勢可知，未來國內生質燃氣應可根據國內情境，朝發電以外之多元應用發展，相關建議如下：

• 以生質燃氣替代天然氣進行供熱，應用於反應溫度500°C以下的工業製程，較適合特定工業區或產業使用，但考量近期天然氣價格持續看漲，因此未來生質燃氣亦有機會與天然氣競爭。
• 考量自主生產綠氫能力亦有其必要性，因此利用生質燃氣重組生產綠氫即為可行的發展方向，且分離的二氧化碳若能再結合碳捕捉及封存技術，則可將生質燃氣廠轉型為生質能整合碳捕捉及封存(BUCCS)工廠，進一步擴大其減碳效益。
• 上述德國鼓勵生質燃氣以汽電共生方式應用，亦為值得評估的方向，並可與既有汽電共生廠相整合，唯此種應用模式較適合大型生質燃氣廠，短期內應用時機尚未成熟。
• 另上述之彈性生質燃氣生產技術，相當適合應用於電力輔助服務，因為未來國內若產業有全綠電之電力輔助服務的需求時，該技術即有發展空間，值得持續關注。

• 蕭代基、吳珮瑛、鄭蕙燕、錢玉蘭、溫麗琪（2002），環境保護之成本效益分析-理論、方法與應用，臺北：俊傑書局。
• 劉軼鏨，黃濤，彭道平（2020），德國靈活性沼氣生產技術及其對中國生物質能利用的啟示，四川環境，P.186~192。
• Li H., Zhu H., Dai N., et a1, Multi—energy Coordinated Optimiztion for both Supply and Demand Sides of Energy Internet System. Journal of Electrical Systems, 2018, 14(2)：77-87.
• Markard J., The next phase of the energy transition and its implications for research and policy, Namre Energy, 2018, 3(8)：628.
• Bierer B., Kress P., Nagele H. J., et a1, Investigating flexible feeding effects on the biogas quality in full-scale anaerobic digestion by high resolution, photoacoustic—based NDlR sensing. Engineering in Life Sciences, 2019：1-11.
• Ien S., Hansen J., Drewes J. E., BioTOOL-a Readily and Flexible Biogas Rate Prediction Tool for End users. Environmental Modeling&Assessment, 2019, 24(1)：87-94.
• Lauer M., Thran D., Biogas plants and surplus generation：Cost driver or reducer in the future German electricity system? Energy Policy, 2017, 109：324-336.