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1、1生質乙醇燃料不符永續發展原則生質乙醇燃料不符永續發展原則 劉廣定從熱力學和光合作用的基本原理來分析，可知自植物取得醣類，製成生質乙醇用為燃料，不但不符永續發展原則，也不切實際。維持永續世界的六大問題之中，以能源匱乏和資源枯竭兩項與化 學的關係最為密切。 永續化學十二原則 （註一）的第七原則謂：若技術已成 熟並符合經濟效益，應使用可再生可再生（註二）的原料。而永續工程十二原則 的末項也強調使用可再生性能源與物料 。因此近年來，開發利用可再生性能 源成為追求永續發展之一主要課題。然而，此舉是否符合經濟效益，是否違背 其他永續發展原則，卻常遭忽視。尤其在台灣，多數人並不了解永續發展 的真義（註三）
2、 ，也不明瞭因相關的化學或物理現象可能導致負面效應。不少人 盲從外國，或聽信誘惑而隨聲附和，大力鼓吹推展某些並不適合台灣的再生 性能源 。生質乙醇生質乙醇（或稱生質酒精 ）即為其一。科學月刊38 卷 4 期 282-286 頁曾載筆者追求永續從認識生質能 源開始一文，簡述各種生質燃料的優缺點，也說明生質乙醇，除可減少化 石能源的消耗，並無其他優點 。今再簡介生質乙醇的一般性缺點，並從基 本科學原理指出其不切實際，且證明基礎科學教育中忽略某些基本原理如熱 力學之不當。生質乙醇的一般性缺點生質乙醇的一般性缺點目前的生質燃料是以甘蔗、玉米、油菜等食用植物所含脂類化合物 （lipids）或醣類化合物（
3、carbohydrates，或譯成碳水化合物）為原料製取而得。 理想的情況是：這些植物在生長過程中，藉光合作用吸收空氣中的二氧化碳產 生醣類化合物，以及再形成的脂類化合物，然後再將之製成生質燃料 ；燃燒 這類燃料又釋出二氧化碳，但不會增加空氣中二氧化碳的淨值。因此有減碳 之作用。然卻也產生氧化二氮（N2O） （註四）這種溫室效應氣體。氧化二氮又稱笑氣 ，是自然界氮循環的必然產物，有麻醉和干擾中 樞神經的作用。更嚴重的是它的溫室效應氣體強度為二氧化碳的 296 倍！現代 農業大量使用含氮的化學肥料，產生之氧化二氮已約造成溫室效應的 6。若 再增加農耕頻率或面積，則使空氣中氧化二氮的含量日益升高，
4、實不利於實不利於抗抗 暖化暖化 。再者，栽種可在短期內收割的植物，需要大量的水，將使水資源更為短缺。 由農作物製造生質燃料也需要肥料，生產肥料，收割，運輸與製成生質燃料， 其過程皆為高耗能。不斷耕作也於土壤有害。在在不符永續發展原則在在不符永續發展原則。況且若 推廣以食用作物為原料製成的生質燃料實際必然影響糧食價格，增加低收入或2貧困民眾負擔，也影響牲口飼料的供應而對畜牧農業不利。據報導，中國大陸 政府已規定不得以食用植物製造生質燃料（註五） 。然而，以非食用植物製造生 質燃料合適嗎？以下將從熱力學和光合作用的基本原理分析、說明之。熱力學原理熱力學原理十八世紀末的歐洲工業革命發明了蒸汽機，促使
5、文明社會現代化，使科學長 足進步，也產生熱力學（thermodynamics）這門新學問。熱力學最初只是探討 熱量與機械能（或稱力學能 ）之相互轉變的問題，後來擴充到物質的物理變 化及化學變化中的能量改變。溫度是物質的一種基本物理量，代表含某封閉系統內所含物質的熱能強 度（intensity） ，與該系統的質量多少或所佔空間大小無關。若 A、B 兩系統達 成熱平衡，表示兩者溫度相同，這是熱力學的重要觀念，但因在下述第一與第 二定律已建立後，其重要性始為科學家所體認，故稱為熱力學第零定律 （zeroth law） 。熱力學其他三個基本定律的內涵為： 第一定律闡釋能量守恆的觀念。不只力學能及電能，
6、 熱能也具有守恆 的特性。由於熱能變化也會因作功（如受壓力和體積的影響）而改變，故 總熱能以焓(enthalpy)表示，其變化為 H。無論物理變化或化學變化 經由何種途徑，只要始狀態（initial state）和終狀態（final state）固定，則 總熱能變化 H 相同。 第二定律涉及物理變化或化學變化是否屬於自然發生的（spontaneous）的問題， 以一定溫度下的熱變量 q/T 為熵(entropy)之變化 S 表示。S 0 為自然發生的變化，系統之不規則性或亂度（randomness） 增大。 由此亦可說明自然變化能量變化與移轉時必有流失。第三定律敘述熵隨溫度降低而減少，亂度也減
7、小，絕對溫標零度（絕對零度） 時熵為零。根據熱力學原理可以估計光合作用過程與燃料燃燒時的能量變化，詳見下文。光合作用光合作用天然物中，植物和一些細菌可以吸收光能將水和二氧化碳製成醣類。醣類發 酵生成乙醇，乙醇再燃燒生成二氧化碳和水，如下式： 光合作用光合作用 3n CO2 + 3n H2O + h (CH2O)3n + 3n O2 發酵作用發酵作用 (CH2O)3n n C2H5OH + n CO2 燃燒反應燃燒反應 n C2H5OH + 3n O2 2n CO2 + 3n H2O + W_3淨反應 h h（光能） W（作功）其淨反應乃將太陽能轉成功 。但依熱力學原理，轉換過程中必有流失。第一
8、階段的光合作用光合作用（photosynthesis）又可分為兩個主要部分。一是光反應光反應， 又分為 PSI 和 PSII 二步驟。PSII 是吸收光能（h）將水分解產生氧（O2）及氫 離子(H)（1） ，並使 ADP（腺核苷二磷酸）與磷酸根(Pi)轉變成含高能量的 ATP（腺核苷三磷酸） （2） ；PSI 則是吸收光能將 NADP+（氧化態菸鹼醯胺腺嘌 呤二核苷酸磷酸酯）還原產生 NADPH（還原態菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 酯） （3）： 2 H2O + (4 h) O2 + 4 e- + 4 H+ (1)3 ADP3- + 3 H+ + 3 Pi2- 3 ATP4- + 3 H2O (
9、2)2 NADP+ + 4 e- + 2 H+ + (4 h) 2 NADPH (3)在這理想情況下，每 8 個光子的光能（8 h）可以產生 1 分子氧（O2） ，2 分子 NADPH 和 3 分子 ATP。如下式及圖2 NADP+ 3ADP3- 3 Pi2- H+ O2 2 NADPH 3 ATP4- H2O光反應部份主要乃藉葉綠素吸收 430-470 nm 藍色光與 630-700 nm 紅橙色 光所促成，這也使草木的葉部呈現其互補色綠色的原因。4(葉綠素 a 和葉綠素 b 的可見光譜)另一部分乃經由 ATP 及 NADPH 的作用將二氧化碳與 NADPH 製成醣類，並 不需要光能，稱為暗
10、反應暗反應（dark reaction） 。形成六碳糖（如葡萄糖）的反應式 為:需要 12 個 NADPH 和 18 個 ATP，亦即需要 48 個光子的光能（48 h）才能製 成 1 個葡萄糖分子。製成醣類還可能經由別種過程，需要更多光子，本文從略。葉綠素製造醣類需要多少太陽能葉綠素製造醣類需要多少太陽能? ?日光中可用於光合作用的只有波長 400700 nm 範圍之可見光，稱為光合有效光合有效 幅射幅射(photosynthetically active raduation)。以平均 550 nm 估計，每 1 光子的能量 為 3.6 10-19 J(焦耳) （註六） ，則每莫耳光子的能量
11、為此值乘以亞佛加厥常數(6.02 1023)，即 2.17 105J。最保守的估算，光合作用產生 1 莫耳葡萄糖至少 需要 48 莫耳光子，或 48 (2.17 105J) = 1.04 107J 能量。現再約略估算需要多少太陽能方能得到 1 莫耳葡萄糖？已知正午時刻，晴朗 天空可供地表接受的太陽能強度平均約為 1000 W/m2（瓦/平方公尺） 。但以整年 而言，在利於農作物種植的亞熱帶(南北緯 2035，或 2040)地區，平均地表 接受的太陽能約 240 W/m2，而光合有效幅射光合有效幅射能量只約佔太陽能中的 43（註七） 。由於農地中只約 80用為實際耕種。因此，太陽能之中只有（24
12、0 0.43） 0.80 = 82.6 W/m2可以利用於光合作用。葉綠素吸收光能成為激態葉綠素，但不能全數用於光合作用。一般言，一部 分轉變成熱能而耗失（熱力學第二定律） ；一部分造成螢光現象；還有一部分傳5給臨近其他分子；剩餘的才利用於光合作用。換言之，光合作用的效率不高， 只約 10（註八） ，也就是說大約最多只有 8.26 W/m2可有效利用於光合作用。然而，植物體中的光合作用產物大部分皆消耗於成長及代謝等作用，只有約 三分之一以醣類保留在體內而可利用於產生乙醇。扣除夜晚與播種收割等，植 物能利用太陽能生長並製造醣類的時間，每年也約僅一半。亦即 8.26W/m2太陽 能中只有約六分之一
13、，1.38 W/m2可以利用於將來製成生質乙醇的醣類。以 1 瓦(W) = 1 焦耳/秒(J/s)和 1 年 = 3.15 107秒換算，此值約相當每年 4.4 107 J/m2能量。一輛汽車每年需要多少土地以製造生質乙醇？一輛汽車每年需要多少土地以製造生質乙醇？倘若平均每輛汽車每年使用 1000 公升汽油，又假設汽油都是異辛烷（C8H18） 。異辛烷分子量 114，密度 0.688 g/mL，燃燒熱 -5461 kJ/mole。1000 公升異辛烷質 量 688 kg，相當 6.04 103莫耳，完全燃燒產生(6.04 103) 5461 kJ = 3.3 107kJ 的能量。乙醇燃燒熱為
14、1366.8 kJ/mole，約是異辛烷的 1/4。假設溫度一 定，依熱力學第一定律熱力學第一定律，需 2.42 104莫耳乙醇才能產生相當 1000 公升汽油燃 燒所得能量。 C8H18 + 12.5 O2 9 H2O + 8 CO2 Hc = 5461 kJ/mole C2H5OH + 3 O2 3 H2O + 2 CO2 Hc = 1366.8 kJ/mole每 1 莫耳葡萄糖發酵產生 2 莫耳乙醇與 2 莫耳二氧化碳。C6H12O6 (s) 2 C2H5OH + 2 CO2 2.42 104莫耳乙醇須自 1.21 104 莫耳葡萄糖製得，不論是多醣（如澱粉） ，或 雙醣（如蔗糖）水解所
15、得的葡萄糖均是一樣。據上述簡單的光合作用與熱力學原理，粗略估算可知：產生 1 莫耳葡萄糖至 少需要 1.04 107J 能量。每輛車每年若消耗 1000 公升汽油，相當於乙醇 2.42 104莫耳（約 1400 公升） ，至少須自 1.21 104 莫耳葡萄糖製成，即自日光取得 需要 1.25 1011J 能量。故需要（1.25 1011J）/（4.4 107 J/m2）= 2840 m2面積 耕地，亦即約 53 公尺見方（53 53 m）的土地.！每公頃（10000 m2）耕地的收 成，悉數製成乙醇，最多只夠三輛半汽車使用。即使是含 10乙醇的 10E 汽油， 也只能供應 35 輛車用！目前台灣的 23 萬公頃農地，可以撥出多少來種植生產 生質乙醇的農作物？巴西人口密度(2008 年)22/km2，或尚可推廣生質乙醇。台 灣人口密度達 668/km2，適合推廣嗎?結語
