水黃皮種子油作為生質能源之潛力回顧

中華林學季刊（Quarterly Journal of Chinese Forestry) 43(3):489－504（2010） －489－ 學術論述 水黃皮種子油作為生質能源之潛力回顧 徐聖1 羅漢強2 王亞男2,3 柯淳涵4* （收件日期：民國98 年11 月4 日、接受日期：民國99 年3 月10 日） 【摘要】以非食用植物作為生質柴油的原料，乃目前替代能源之趨勢。水黃皮（Pongamia pinnata（L.）Pierre ex Merr.）的種子富含高油脂含量。水黃皮能耐乾旱高鹽的惡劣環境， 可供發展中國家使用，並減少石油的進口。印度政府2003 年推廣能源樹種種植時，指 定種植水黃皮及麻瘋樹（Jatropha curcas L.）。種植大量含油種子林木，將創造出了許 多工商業機會如：造林技術與管理、種苗繁殖、種子採收、脫殼、榨油機械、植物油加 工及榨油渣加值處理等。將水黃皮生質柴油以20-80％體積比添加至石化柴油中，可減 少廢氣排放、制動馬力單位耗油量（Brake-specific fuel consumption）以及較低量的粒狀 物排放和煙密度（Emission density）。但因受限於濁點（Cloud point）及流動點（Pour point） 的性質，無法在寒帶地區使用，須藉由生物技術進行基因改造，以及提高轉酯化效率等 技術改善。因此，本文將有關使用水黃皮之特性、成份，及其作為能源樹種之研究成果， 作一探討，希望能有助於未來水黃皮在生質柴油領域應用之開發。 【關鍵詞】生質柴油、濁點、水黃皮、麻瘋樹、植物油、轉酯化、流動點 POTENTIALS FOR PONGAMIA SEED OIL AS A BIOENERGY SOURCE –A REVIEW Stanley Hsu1 Han-Chiang Lo2 Ya-Nan Wang2,3 Chun-Han Ko4* （Received: November 4, 2009; Accepted: March 10, 2010） 1 機械工程師，83077高雄縣鳳山市新康街280號5F。 Mechanical engineer, 5F No. 280, Xinkang St., Fengshan City, Kaohsiung County 83077, Taiwan. 2 國立台灣大學森林環境暨資源學系教授，10617臺北市大安區羅斯福路四段一號。 Professors, School of Forestry and Resource Conservation, National Taiwan University. No. 1, Sec. 4, Roosevelt Rd., Taipei, 10617, Taiwan. 3 國立台灣大學實驗林管理處處長，55750南投縣竹山鎮前山路一段12號。 Director, The Experimental Forest, National Taiwan University. No.12, Sec. 1, Chien-Shan Rd., Chu-Shan, Nan-Tou, 55750, Taiwan. 4 國立台灣大學森林環境暨資源學系副教授。通訊作者。 Associate Professor, School of Forestry and Resource Conservation, National Taiwan University. Corresponding author. chunhank@ntu.edu.tw. －490－ 水黃皮種子油作為生質能源之潛力回顧 【Abstract】Using non-edible plants as sources for biodiesel is the current trend of alternative fuels. Seeds of Pongamia pinnata (L.) Pierre ex Merr. are rich in fat contents. Pongamia pinnata can endure adverse environment with draught and high salts. And it can be employed by developing countries to reduce petroleum import. Pongamia pinnata and Jatropha curcas are designated species for energy tree plantation by Indian government in 2003. Mass plantation of trees with oil-rich seeds will create many business opportunities e.g., technology and management of silviculture, cultivar propagation, seed collection, shell removing, oil extraction machinery, vegetable oil processing and value-added processing for waste. Addition of 20-80% (v/v) Pongamia oil to conventional fossil diesel can reduce gas emission, brake-specific fuel consumption, particulate matter emission and smoke density during engine operation. But limited by high cloud points and pour points, Pongamia seed oil is difficult to be applied in the frigid climate zones. Genetic modification will be required to improve the above deficiencies and efficiencies of trans-esterification. This article reviews the results from previous studies for Pongamia seed oil as an energy tree species. It is expected to assist future develment for Pongamia seed oil application in biodiesel. 【Key words】 Biodiesel, Cloud point, Pongamia pinnata; Jatropha curcas, Vegetable oil, Transesterification, Pour point I、前言 水黃皮（Pongamia pinnata（L.）Pierre ex Merr. 俗名Karanja 、Indian Beech 、 Pongam 等）盛產於印度及東南亞之局部地 區、在非洲東部、澳大利亞北部，及台灣 地區亦為常見植物，它是一種能快速增長 的豆科（Fabaceae）植物，其樹葉光滑明 亮，樹皮平滑不開裂，花與果實具有特殊 外型，在台灣時常被當作路樹及公園的植 栽，而其果殼木質纖維多不易腐爛，因而 清潔地面較難，種植的地方不多。 印度則不然，許多地方都種水黃皮， 包括：公路與街道邊的行道樹、公園及宅 社的觀賞蔽蔭樹、河堤邊的堤岸樹、農田 間的防風、邊界、圍籬樹、森林裡及種森 林邊的造林樹。以上是行之多年的種法， 多是零星種植，也不求金錢的回報。2000 年以後開始一項新目的的種法：把它當作 能源作物來種植。它起自南方的Andhra Pradesh 及Karnataka 邦，印度政府起初宣 佈上述2 邦加上另外5 邦，總共7 邦為有 發展潛力需要當地農業大學配合研究地 區，現在已增加至16 邦。在印度以外的地 區，它也常被當作觀賞植物種植；把它當 作能源樹種種植，只有幾年的歷史，只有 少數的實驗與試種（Sharma et al., 2008）。 水黃皮種子富含高油脂含量約40 %， 是屬於具有種植潛力的油料作物品種。印 度生質燃料委員會在2003 年的國家計畫報 告，提出將水黃皮與麻瘋樹（Jatropha curcas L. ） 作為第一階段生質柴油 （Biodiesel）的示範專案，預計於第二階段 實行大規模的推廣種植（台灣綜合研究 院，2007）。除了水黃皮種子的產能高， 所能造成的經濟效益大之外，它可以抵抗 低氮、高鹽的惡劣環境，且耐洪水及乾旱 （Daniel and Hegde, 2010），更具有改善土 質的優點。水黃皮較其他能源樹種的優勢 為：高產量，不屬於農作物，因此不會產 生糧食危機的問題，並且不與現有農作物 爭地，它可以生長在土地退化和濱海地 中華林學季刊（Quarterly Journal of Chinese Forestry) 43(3):489－504（2010） －491－ 區，屬豆科能自行固氮作用（Nitrogen Fixation），可降低氮肥的使用量，具有明 顯的使用優勢（Scott et al., 2008）。在石 油危機的現今，吾人更不可輕忽水黃皮的 重要性。 台灣本身為海島型國家，幅員受限 制，且本身缺乏天然資源的蘊藏，因此尋 求替代資源為勢在必行，可藉由參考國外 進行中的能源推動計畫來研擬本土規劃， 本文舉印度種植水黃皮能源樹種為例，進 行化學成分分析、經濟評估、實際案例等 介紹。 II、以植物油為生質柴油之觀點 在石油危機後，科學家紛紛致力於找 尋新的替代能源，早期使用的原料以植物 油（Straight vegetable oil）為主，其中有花 生油、黃豆油、葵花油等，但因皆屬食用 油，易造成食物供應短缺與原料價格上 升，諸多問題令人詬病，於是又興起了開 發以非食用植物為替代能源的熱潮，但仍 有與農作物爭地的問題存在。根據農糧組 織（FAO）估計，在今日種植能源作物的 土地約佔農業用地面積不到1％，估計到 2030 年約不超過2％（Konandreas and Smithuber, 2007）。不過，為了避免日後的 糧食價格提高，邊際土地的開發可以提供 一個持續發展生物柴油原料的方向，因為 生質能的發展技術不應該造成未開發國家 的飢荒，事實上，它可以有相反的效果： 能夠幫助貧窮和發展中國家減少仰賴石油 的進口，從而提高其國際收支平衡（Balance of Payments）和一般福利。 數年前，生質柴油的單位價格為石化 柴油（Diesel fuel）的1.5-3.0 倍（Canakci and Sanli, 2008）。但是目前由於原油價格急遽 攀升，生質柴油與石化柴油價格已相差不 遠，如表1 所示。原料價格和生產成本為 主要比較生質柴油和石化柴油經濟效益的 標準，研究指出，原料的價格是迄今為止 最重要影響生質柴油量產的因素（Dorado et al., 2006; Krawczyk, 1996; Zhang et al., 2003; Connemann and Fischer, 1998），實際 上原料成本佔生質柴油成本的70~95％ （ Connemann and Fischer, 1998; Haas, 2006）。因此，要生產一種具有競爭力的 生質柴油，原料價格實為最主要考慮的因 素。歐盟在2001 年財政法裡，批准了生物 柴油的免稅，其意指向增加生物柴油的消 費量（Bender, 1999; Peterson, 1986）。而 較低的生產成本也可藉由生產過程的改進 而達到。由植物油的化學性質，可推定其 作為燃料的可行性的高低，要達到低耗能 的化學製程及適當的化學性質，以保護引 擎性能和控管廢氣的排放。 就生態層面而言，由植物生產生物柴 油，與傳統的石化柴油燃料相較，它的污 表1 不同原料生質柴油與石化柴油的價 格（Scott et al., 2008） Table 1 Price of biodiesel from different raw materials and diesel fuel (Scott et al., 2008) 單位：萬元 種類 2007 年9 月 價格(TWD/t) 2008 年9 月 價格(TWD/t) 石化柴油2.3 3.3 菜籽油 3.2-3.4 4.5 大豆油 2.7 3.8 棕櫚油 2.5-2.7 3.1 －492－ 水黃皮種子油作為生質能源之潛力回顧 染較少，以及具有可再生性利於環境，為 當地居民創造就業機會，緩解農村社區人 口大量外移的問題，以及減少二氧化碳和 硫在大氣中的含量（Demirbas, 2008）。由 於生質柴油是一種環保能源，因此在灌溉 和栽種時必須詳加考慮，如肥料的使用和 保持土壤生育力，務必將環境汙染率降到 最低程度。Durrett 等人（2008）提到以一 種增加全球植物油產量的方法，卻不損害 生態系統，是利用邊緣地或非耕地用途的 荒地來栽種。歐盟農業政策（EU Agricultural Policy）在2001 年規定，須強制提留 10％總耕地面積來種植油料作物，甚至還 允許多達50％的總面積投入自願提留，不 過研究指出，設置預留土地使農民種植非 食品目的農作物（Dorado et al., 2004; Graciani et al., 2001），日益增加提留的面積可 能導致水土流失的問題，並可能影響耕地 肥沃度。針對近日穀物產量的減縮，歐盟 各國農業部長最近批准了委員會建議刪除 強制提留的建議。綜合上述問題，使用油 料樹木作為生質原料，有幾個好處：可種 植在乾旱地區或人煙稀少地帶、所需的人 力資源少和易於照護，具有高油脂含量和 可抗蟲害及乾旱、樹葉可作肥料等附加價 值（Dorado, 2008）。 III、水黃皮油脂化學成分分析 油脂的組成分為評估生質柴油性能的 重要指標，表2 為食用油及非食用油組成 分的比較，從此表中我們可以發現除了蓖 麻油外，其他食用油及非食用油的組成均 類似，其主要的脂肪酸為油酸（Oleic acid） 、亞麻油酸（Linoleic acid）、硬脂酸 （Stearic acid）和十六烷酸（Palmitic acid）； 而脂肪酸可分為兩種，分別為飽和脂 肪酸及不飽和脂肪酸，前者主要包括硬脂 酸、十六烷酸和雙羥基十八烷酸 （Dihydroxystearic acid），而後者則包含 表2 不同種類的非食用油及食用油組成分分析（Gui et al., 2008） Table 2 Oil composition of various non-edible and edible oils (Gui et al., 2008) 脂肪酸成分 (%) 分子式 非食用油 食用油 痲瘋樹橡膠蓖麻油水黃皮海檬果大豆油 棕櫚 油菜籽 油酸 C18H34O2 43.1 24.6 3 44.5-71.3 54.2 23 40 64.1 亞麻油酸 C18H32O2 34.3 39.6 4.2 10.8-18.3 16.3 51 10 22.3 十六烷酸 C16H32O2 14.2 10.2 1 3.7-7.9 20.2 10 45 3.5 硬脂酸 C18H36O2 6.9 8.7 1 2.4-8.9 6.9 4 5 0.9 亞麻酸 C18H30O2 - 16.3 0.3 - - 7 - - 二十碳烯酸 C20H38O2 - - 0.3 9.5-12.4 - - - - 篦麻油酸 C18H34O2 - - 89.5 - - - - - 雙羥基十八烷酸 C18H36O4 - 0.7 - - - - - 棕櫚油酸 C16H30O2 - - - - - - - 0.7 其他 - 1.4 - - - 2.4 - - 9.1 （痲瘋樹：Liu et al., 2009; 橡膠：Ramadhas et al., 2005; 蓖麻油：Vertellus, 2007; 水黃皮：Karmee and Chadha, 2005; 海檬果：Saka, 2005; 大豆油：Wikipedia, 2007; 棕櫚：MPOC, 2007; 油菜籽：Demirbas, 2002） 中華林學季刊（Quarterly Journal of Chinese Forestry) 43(3):489－504（2010） －493－ 圖1 水黃皮油脂成份甲酯化後GC-MS 分離圖譜（參照內標準品C17:0） （Thelen and Ohlrogge, 2002） Fig. 1 GC-MS separation of methylated fatty acids from a single P. pinnata seed referenced against the internal C17:0 standard (unlabelled peak) (Thelen and Ohlrogge, 2002). 油酸、亞麻油酸、篦麻油酸（Ricinoleic acid）、亞麻酸（Linolenic acid）、棕櫚油 酸（ Palmitoleic acid ） 和二十碳烯酸 （Eicosenoic acid）。蓖麻油（Castor）組 成分最為特別，主要有89.5％的篦麻油 酸，而蓖麻油酸為一種可溶於大多數有機 溶劑的不飽和酸。 脂肪酸是種子形成時，子葉代謝的產 物，由光合作用產生的蔗糖，將其轉化成 蛋白質、澱粉和脂肪酸三種方式儲存。脂 肪酸的生合成為一明確途徑，包含兩個碳 鏈增長（Carbon chain elongation）由延伸 酶（Elongases）和鍵結去飽和（圖2）。 油酸被認為是原料油中最佳的脂肪酸，因 為它可生成一濁點（Cloud point）較低的燃 料。棕櫚油酸和硬脂酸有較高濁點，因為 他們的分子流動性較低。水黃皮的種子含 有30％-40％的油脂（Azam et al., 2005; Nagaraj and Mukta, 2004），脂肪酸甲酯 圖2 油料種子脂肪酸生合成流程示意圖 （Thelen and Ohlrogge, 2002） Fig. 2 Scheme demonstrating the biochemical development during fatty acid biosynthesis in oil seeds (Thelen and Ohlrogge, 2002) （Fatty acid methyl esters; FAMEs）是脂肪 酸以氫氧化鉀為觸媒和甲醇溶液轉酯化而 成。依Thelen 與Ohlrigge（2002）分析， 該脂肪酸主要是油酸（C18:1; 40 ％ -55 ％）、棕櫚油酸（C16:0; 5％-15％）、硬 脂酸（C18:0; 5％-10％）、亞麻油酸（C18:2; －494－ 水黃皮種子油作為生質能源之潛力回顧 15％-20％），以及微量的花生酸（Arachidic acid, C20:0 ） ， 烷酸（ Eicosanoic acid, C20:1），二十二脂酸（Behenic acid, C22:0）和二十四脂酸（Lignoceric acid, C24:0）組成，如圖1 所示。 生質柴油的性能，會因由不同的轉化 後脂肪酸酯組成而有所不同，且其性能需 優於或相當於石化柴油，以確保生質柴油 在實際應用上，無須修改引擎。而生質柴 油的特性包括燃點、黏度、熱值、凝點、 灰分含量…等，表3 列舉數種生質柴油及 石化柴油的物理及化學性質比較。水黃皮 甲基酯（Karanja Methyl Esters, KME）的性 能符合北美和歐洲工業標準（Azam et al., 2005; Karmee and Chadha, 2005），這些性 質包括：碘價（Iodine value）80.9，是衡量 各脂肪酸間總雙鍵數目，它影響油品長期 存放時的穩定性，數值低較好，KME 在本 項的表現非常優秀。十六烷值（Cetane number）55.84，表示燃料的點火性甚佳。 其他KME 的重要性質是粘度（Viscosity） 3.8-4.8（mm2/s at 40℃），閃火點（Flash point）135-150℃，流動點（Pour point）2.1 ℃和濁點8.3℃，其中流動點是油開始流動 的最低溫度，濁點為溶解於油中的固形份 與油分離的臨界溫度，對於生質柴油應用 於溫帶和寒帶氣候地區是非常重要的。生 質柴油的低溫流動性能是取決於原料油的 脂肪酸類型，高比例的不飽和脂肪酸使生 質柴油的低溫流動性更佳，例如棕櫚油的 低溫流動性能差是因其含有高含量的飽和 脂肪酸（約50％），油菜籽油則因含大量 的不飽和脂肪酸，而具有良好的低溫流動 性能。水黃皮油的流動點和濁點適用於熱 帶和亞熱帶地區，但如需使用於涼爽和寒 冷地區，有必要改善這些性質。雖然KME 的濁點低於棕櫚油甲基酯10℃和牛脂甲基 酯13℃，但仍高於大豆油甲基酯-1℃、油 菜籽油-7℃和向日葵油1℃（Imahara et al., 2006）。 表3 不同植物來源產製生質柴油與石化柴油的物理及化學性質之比較（Scott et al., 2008） Table 3 Physical and chemical properties of biodiesel from different plant oil sources as compared to petroleum-derived diesel (Scott et al., 2008) 性質 非食用油甲基酯 食用油甲基酯 石化柴油 痲瘋樹 橡膠蓖麻油水黃皮油菜籽棕櫚 大豆油 40℃黏度 (mm2/s) 4.80 5.81 - 4.80 4.50 4.42 4.08 2.60 比重 - 0.874 0.960 - 0.882 0.86-0.90 0.885 0.850 熱值 (MJ/kg) 39.23 36.50 39.50 - 37.00 - 39.76 42.00 引火點(℃) 135 130 260 150 170 182 69 68 濁點 (℃) - 4 -12 - -4 15 -2 - 流動點 (℃) 2 - -32 2.1 -12 15 -3 -20 灰份 (wt%) 0.012 - 0.020 0.005 - 0.020 - 0.010 酸價(mg KOH/g) 0.400 0.118 - 0.620 - 0.080 - - （痲瘋樹：Tiwari et al., 2007; 橡膠：Ramadhas et al., 2005; 蓖麻油：CastorOil, 2007; 水黃皮：Saka, 2005; 油菜籽：Ramadhas et al., 2005; 棕櫚：Cheng et al., 2005; 大豆油：Ramadhas et al., 2005） 中華林學季刊（Quarterly Journal of Chinese Forestry) 43(3):489－504（2010） －495－ 換個角度說，即使是生質柴油，在溫帶地 區使用時仍有限制。在印度等熱帶地區， 濁點不是問題，甚至不經過轉酯化，直接 把植物油當作柴油使用於某些特定型式的 引擎上也沒有問題。夾在二者中間的臺 灣，能否直接使用純植物油當作引擎燃料 呢？如果能有條件的使用，對於植物燃油 的標準及作為標準的參考燃油，應作進一 步的研究與探討。 IV、水黃皮功能及用途 ( I ) 傳統用途 在台灣它的功能很有限，最大的功能 是海岸防風，此外就是觀賞。在其他國家 中水黃皮則具許多用途：腐爛的花瓣可被 用來當作堆肥所需的養份，在菲律賓它的 樹皮被用來製成繩索，在潮濕的熱帶地區 它的葉子可作為綠肥和飼料，傳統馬來西 亞和印度人認為它的根中含有治療膿腫的 成分，其他部位如種子和葉經磨碎後具有 防腐的性能。種子含水黃皮油，紅褐色具 苦味，可用作為鞣革、肥皂，以及作為搽 劑治療疥癬和皰疹（Burkill, 1966），在印 度很早就拿來當成油燈的燃料。木材為淡 黃白色，具粗硬優美度等優點，但因不耐 用故僅限於低價家具製造或當成燃料 （Duke, 1983）。 ( II ) 能源用途 印度是能源進口國，它的原油大都是 進口的，因應日益高漲的原油價格、能源 自主的獨立性、環境惡化、農村凋敝等問 題，提出了一個生質燃油農村發展計畫 （Biofuel Rural Development Initiative）作 為綜合解決之道。該計畫在2003 至2007 年為第一階段示範專案期，2007-2012 為推 廣種植期。在生質柴油部份，印度決定從 多年生耐旱耐貧瘠土壤的油料樹種中，選 出合適的油料作物作為生質柴油的料源。 第一次被選出的油料作物是麻瘋樹與水黃 皮兩種，若試驗成功將可提供3600 萬人失 業人口的就業機會（台灣綜合研究院， 2007）。 V、水黃皮生產力評估 在印度很早有人採拾水黃皮種子，也 有人從事收集、轉售、榨油及加工作為潤 滑油及肥皂，但皆屬地區性的小規模商業 行為，沒有專門種植為農作物的情形，所 以有關的研究很少，它的產能大都是根據 推估而得，且它在印度被當作生質柴油的 原料而進行研究僅只10 年，因各篇作者間 估算有差距，故本文將其整理一併作討論。 ( I ) 種子產量： 種子產量約為9-90 kg/pl，因而推估為 種植密度100 pl/ha，而採用優良品系時， 推估產能為900-9,000 kg/ha （ Duke, 1983）。其他研究推估範圍如下：10,000 kg/ha（Shrinivasa, 2001）、12,500 kg/ha（Scott et al., 2008）、10-250 kg/pl（Sreedevi et al., 2010 ） 、7,200 kg/ha （ Altenburg et al., 2009）、大於8,000 kg/ha（Gogoi, 2010）。 ( II ) 種子含油率 種子可達含油率研究推估範圍如下： 40％（Scott et al., 2008）、30-35％（Gogoi, 2010 ） 、27-40 ％ （Wani and Sreedevi, 2010）、23.1-40.9％（Sreedevi et al., 2010）、 －496－ 水黃皮種子油作為生質能源之潛力回顧 27-39％（Altenburg et al., 2009）。 (III) 每公頃產油量之估計 每公頃產油量研究推估範圍如下： 2,000 kg/ha（Duke, 1983），以溶劑萃取法 提油推估為5,000 kg/ha （ Scott et al., 2008），以實際榨油率為27~28％，產油 量為2,700~2,800 kg/ha 為方便粗略估計為 2,500 kg/ha（Shrinivasa, 2001）。 (IV) 種植成本與收益 假設種植距離5m×5m，密度400 pl/ha，工資率：41 TWD/工，重植率：20 ％。Gogoi（2010）估計為前4 年之種植成 本各為4804/1024/717/717（TWD/ha），合 計前4 年的種植成本為7,228 TWD，第5 年起每年之成本是683 TWD/ha，從第五年 起種子開始有盈收（Gogoi, 2010 ） 。 Altenburg 等人（2009）前4 年之種植成本 各為 8601/2994/1991/1991（TWD/ha）， 合計前4 年的種植成本為15,576 TWD。第 5 年以後的成本就是採收成本，工資為41 TWD/工，每工的採收量為50 kg，另外要 加10％準備金。 (V) 種樹收益 1. 種子的收益：印度各邦大都訂有種子 保證收購價格，約從3.5-4.4 TWD/kg 這是榨油用種子的價格，有行無市， 因為麻瘋樹種子都被以2~3 倍價格收 購出口賣到國外供種植及實驗之用， 而某些欠缺買主的地方則被壓抑到 3.5 TDW/kg 以下，而水黃皮種子則還 未上市。採拾來的水黃皮種子的價格 最高只有2.7 TWD/kg，2008 年在實驗 情況下，可以賣到4.8 TWD/kg（Rai and Sarnaik, 2009）。Altenburg 等人（2009） 評估麻瘋樹種子的價格為4.8 TWD/kg，水黃皮種子的價格只有2.7 TWD/kg。從第五年起種子開始有盈 收，種植水黃皮樹出售種子的年收益 如表四所示（Gogoi, 2010）。 2. 薪材的收益：年產薪材5,000 kg/ha （Duke, 1983），可製成甲烷氣及木炭 作發電燃料或烹飪燃料，或直接作為 烹飪燃料，也可以作為第二代生質能 源纖維乙醇（Cellulosic ethanol）之原 料。 表4 種植水黃皮樹出售種子的年收益表（Gogoi, 2010） Table 4 Income of Pongamia cultivation seed every year (Gogoi, 2010) 年數 每株樹產能 kg/pl 種植密度 Pl/ha 種子產量 kg/ha 收入 TWD/ha 5 3 400 1,200 4,097 6 3.5 400 1,400 4,780 7 4 400 1,600 5,463 8 5 400 2,000 6,829 9 6 400 2,400 8,194 10 8 400 3,200 10,926 15 ＞20 400 ＞8,000 ＞27316 中華林學季刊（Quarterly Journal of Chinese Forestry) 43(3):489－504（2010） －497－ 3. 豆莢的收益： 可年產豆莢11,000 kg/ha，功用如薪材。 4. 樹葉可做牛及羊的飼料以及綠肥。 5. 碳權的收入：保守估計每年二氧化碳 吸收量20 t/ha，單價為317.6 TWD/t 即有6,352 TWD 的收入（Scott et al., 2008）。 6. 苗圃的收入：嫩樹枝可以剪枝做成接 枝條再培育成樹苗出售。 7. 榨油的收入：榨油廠設備簡單便宜， 很容易設立，油料樹農大都有參加共 生產小組或自助隊或貸款戶聯保小 組，在有日益豐厚的收入之後，共同 投資榨油廠以爭取更多的收入是非常 可能的事。 (VI) 水黃皮與麻瘋樹生質柴油的生產潛力 比較： National Oilseeds & Vegetable Oils Development Board（NOVOD）是印度農業 部的常設單位，負責樹生油料種子及其相 關行業推廣的技術研發與服務。他們公佈 的種子產能數據是：水黃皮：種子產能＞ 7,200 kg/ha；含油率：27~39％；雨水灌溉 時需雨量：600~2,500 mm（Rao, et al., 2010）。麻瘋樹：種子產能2,500~4,000 kg/ha；含油率：30~40％；雨水灌溉時需雨 量：500~1,200 mm。（Sharma et al., 2008） 按照此一資料分析，水黃皮的產能是麻瘋 樹的兩倍以上。 Central Research Institute for Dryland Agriculture （ CRIDA ） 是位於Andhra Pradhsh 的農業大學，是NOVOD 指定研究 水黃皮與麻瘋樹的大學，他們於2004 年底 接受NOVOD 的命令之後，立即同步種植 水黃皮與麻瘋樹並且在5 年之後的2009 年 底有了初步成果。這是很公平的比較-在相 同的土壤、氣候、雨量（平均739mm）、 時間及人員的照顧下，得到最可貴的資 料。研究發現：水黃皮種子產能，以嫁接 法培育者：0.7~2.9 kg/pl，以種子培育者， 第5 年才開始結果，產能：0.4~0.9 kg/pl。 種植間距6×4 m/6×6 m/8×6 m。油含量： 25~40％。麻瘋樹：種子產能為平均2,700 kg/ha；含油率為30~39％。種植間距：3× 3 m（1,111 pl/ha）-經濟效益最佳。2×2 m （2,500 pl/ha）-產量最多。因此建議間距： 3×3 m 或4×2 m。 初步評估：已知資料是水黃皮的開始 結果時間是3~7 年，成熟期在10~15 年間， 還有很長的觀察期。初次生產狀況不如預 期，可能是幼樹需要較多水份之故。可能 的改進之道是增加灌溉。5 年齡的麻瘋樹己 經成年，739 mm 雨水己夠它正常生長所 需，它的產能也與預期相同，會隨雨量的 多少而增減。 VI、印度推行計畫 ( I ) 綜合性實驗示範計畫 由印度科學研究院機械研究所的 Sustainable Transformation of Rural Area （SuTRA）於1997 年起從事一個綜合性的 農村脫貧轉型實驗計畫，計畫的中心是利 用當地盛產的樹生油料種子榨出的油當作 柴油引擎的代用燃料，用以推動發電機驅 動灌溉水泵，希望由此增加農村的產值。 利用樹生油料作柴油引柴的燃料是一個被 －498－ 水黃皮種子油作為生質能源之潛力回顧 遺忘多年的老觀念。水黃皮樹是油料樹種 當中數量最多也最具發展潛力的樹種，是 SuTRA 詳細評估後極力推薦的樹種。在 Karnataka 邦Kagganahalli 地區的8 個部落 村莊裡，從教導農民使用植物油當引擎燃 料，到以水黃皮油驅動發電機帶動灌溉水 泵、衛生給水泵、家庭用電等。不久農民 就引進榨油機及磨麵粉機等設備。牽引 車、動力三輪車等機械，也陸續改裝成使 用植物油燃料，使農民確信種植油料作 物，是不愁沒有市場的，因此加深對油料 作物前途的信心，在推動農民種植油料作 物時的阻力就少得多了。所需經費約 15,878 TWD 由政府提供二台小發電機（63 千伏安），在40 平方公里區域內，鑿20 口深水井並輔以供電網路，設立20 km 長3 吋口徑的灌溉供水管路，農民們則採拾當 地含油種子榨油後賣給水電站，再向水電 站買水及電力。為了維護水源採售水制， 每噸水售1.7 TWD，並監視地下水位以防 超抽。在開始的18 個月內賣了40,000 噸 水，沒有買l 滴柴油。農民們則新種出了西 瓜、桑樹、甘蔗與較多的穀類作物 （Goodnewsindia, 2003）。 印度的生質燃油農村發展計畫，從 2003 年啟動後約種植水黃皮樹逾 40,000,000 株樹苗，但因所有的人造林都還 沒有到達成熟的年齡，實際的產能還不知 道，但ICRISAT 對它有深厚的期許：「以 使農家收入加倍、三倍為目標；把碳交易 收入列為如種子般的收入。」（Sreedevi et al., 2010）。而種子價格方面，印度官方的 NOVOD 計算麻瘋樹種子的價格是4.8 TWD/kg，而水黃皮種子的價格只有2.7 TWD/kg，但根據Rai 和Sarnaik（2009）證 明水黃皮種子確有4.8 TWD/kg 以上的價 值。 ( II ) 種樹、賣樹苗與榨油 由International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics（ICRISAT） 主辦單位提供技術及資源，在，Andhra Pradesh 邦Adilabad 縣Powerguda 村裡教導 農民種植水黃皮樹、培育苗圃，其他單位 又贈送一台以植物油為燃料的榨油機，每 小時可以處理種子50 kg。榨油廠既提供立 即的工作機會（操作榨油機及採拾種子）， 又讓農民們可以以很低的價錢得到植物油 與優秀的生質肥料-豆渣（榨油廠以每公斤 種子1.4 TWD 的價格代客榨油，農民們帶 4 kg 種子來並付給5.5TWD，即可帶回榨出 的油約1L 及豆渣約3 kg。2003 年當地市 場非食用植物油的價格約14 TWD/L，豆渣 的價格約3 TWD/kg，含油種子的價格是 2.7 TWD/kg），教導與推廣農民用豆渣代 替化肥，既可避免農地退化也有減碳效果 （Wani and Sreedevi, 2010）。 (III) 提供小型發電機以水黃皮油為燃料 由世界銀行及其支持的森林管理局 （Joint Forest Management）出資，SuTRA 執行。2001 年6 月，主辦單位提供2 台以 植物油為燃料的引擎與7.5 KVA 發電機， 及榨油機、脫殼機各一台給一個位在森林 深處的村子Chalpada, Andhra Pradesh 邦。 供應農家照明之用，天黑後供電3 小時發 電10~12Kwh，使用水黃皮油為燃料。在白 天則以引擎驅動榨油機。村民可以出售多 餘的油而賺錢。他們被要求種水黃皮樹作 中華林學季刊（Quarterly Journal of Chinese Forestry) 43(3):489－504（2010） －499－ 為回報。無數的村莊都要求比照辦理，主 辦單位又給10 個森林裡的村莊作同樣的服 務，而後邦政府在100 個村落複製該計畫 （Sreedevi et al., 2010），只是償債方式改 為銀行貸款。某些鄰近邦也跟進執行相同 的計畫。 (IV) 水黃皮樹種植推廣計畫 由Himalayan Institute of Yoga Science and Philosophy、Rahul Medical Society 等非 政府組織協助Roshini Boitech Pty Ltd，在 Mahaboobnagar district, Andhra Pradesh 邦 進行水黃皮樹種植推廣計畫。以自助團隊 的方式合作種植水黃皮樹，把最佳品種的 枝芽嫁接在砧木之上，可以把結果時間從 5-6 年縮短為3~4 年。計畫從2003 年開始， 第2 年種樹，Roshini Biotech 已與當地農民 訂約種了10,000 英畝水黃皮。他們還辦了 許多推廣說明會宣揚目標遠景：利用荒地 及邊際地種植需水少、需肥料少、可耐旱、 收益多、且可以擺脫油價威脅、甚至可以 隨石油價格高漲而同步獲利的水黃皮樹。 成立訓練班訓練育苗、栽種、管理及採收 等技術，供應低價的幼苗、幫助農民成立 自助團隊及取得低利貸款資格。印度政府 則給予種植水黃皮的農民們在沒有收入期 間食米補助，以及給予低利貸款的補貼 （Tigunait, 2006）。在印度政府的農村生 質燃油發展計畫之下，Roshini Biotech 取得 Andhra Pradesh 邦Anantapur、Kadapa、 Mehaboobnagar 等3 縣的水黃皮種植權，它 與農民及銀行簽下保證收買種子的三方合 約，2006 年開始種樹，預定要種植300,000 英畝（Tigunait, 2006）。熟齡的水黃皮會 高達10 公尺以上，純人工管理及採收都不 是一個家庭兩三個人可以勝任的，一定要 有一群有默契的夥伴才能勝任，所以政府 及投資者都把生長期較短、適於小家庭小 規模種植的麻瘋樹當作推廣種植的首選樹 種，而水黃皮樹就成了第二的選擇。 (V) 含油種子收購及榨油中心（國際援助 計畫） GVEP 聯合國附屬機構（Global Village Energy Partnership）出資委託AERF，印度 的NGO 組織（Applied Environmental Research Foundation）執行。主辦單位提供70 套設備，協助70 個附近有許多水黃皮的村 莊成立種子收購及榨油中心。每個中心有2 台引擎驅動的榨油機並提供金援協助，使 它成立種子收購及與榨油中心。計畫實施 期限是2 年，從2007 年開始運作，以高於 市價（2.7 TWD/kg）4.1 TWD/kg 的價格向 當地居民收購種子。雖然榨油機很小，每 小時只能榨種子20 kg，產油僅5-6 L，而 機器本身就要耗油1.2 L/h，它還是能賺 錢。第2 年它就把收購價格提高到4.8 TWD/L，而且部份中心還有足夠的運轉 金，不需要主辦單位繼續提供金援了。榨 油機的開機時間一年只有數十至100 多小 時。水黃皮油的價格跟著柴油起伏，大約 都比柴油低15％左右。2008 年柴油售價 27.3 TWD/L 時，水黃皮油售價為23.9 TWD/L。水黃皮油不僅可以驅動榨油機、 發電機、水泵與磨麵粉機等固定設備，也 可以驅動動力三輪車與牽引機等活動設 備。榨油的副產品「豆渣」的價值經過 ICRISA 幾年來的示範宣傳已經得到農民 的肯定，其價格也從2 TWD/kg 漲到8 TWD/kg（Rai and Sarnaik, 2009）。 －500－ 水黃皮種子油作為生質能源之潛力回顧 VII、以植物油為引擎燃料之觀點 早期研究以大豆油轉酯化製造生質柴 油，是加入甲醇與氫氧化鉀，以一段式鹼 催化法製成（Meher et al., 2004; Karmee and Chadha, 2005; Vivek, 2004）。而水黃皮油 由於游離脂肪酸（Free fatty acid）含量較 高，De 與Bhattacharya（1999）建議在以 氫氧化鈉觸媒進行水黃皮油轉酯化反應之 前，可以先用硫酸觸媒進行游離脂肪酸的 脂化反應，以降低游離脂肪酸的含量。在 此情況下，水黃皮種子油作為替代能源的 原料是可行的，可取代大量的食用植物油 作為替代能源的原料。將水黃皮油甲酯 （KME）以20-80％的體積（v/v）添加石 化柴油，進行引擎的性能測試（Raheman and Phadatare, 2004），結果顯示：與石化 柴油相比較，添加後可增加力矩、制動馬 力及熱效率（Thermal efficiency）可減少廢 氣排放，減少制動馬力單位燃油消耗量 （ Brake-specific Fuel Consumption ） 。 Prakash 等人（2006）以田口式（Taguchi methodology）實驗設計，探討轉酯化水黃 皮油最佳條件，並以不同比例石化柴油和 生質柴油（KME）混合作為燃油，並進行 引擎性能和排放試驗。其中混合20％ KME 燃油顯示比起其他混合比例能得到 更好的性能：制動熱效率（Break thermal efficiency）、單位馬力輸出所需燃油量 （Specific fuel consumption）都較佳，因排 氣中煙密度（Somke density）的降低，而 使粒狀物排放（Particulate matter emission） 減少（Prakash et al., 2006）。 VIII、結語 從林業的角度而言，生產水黃皮，無 論是產油率、二氧化碳吸收量、氮固定能 力、水土保持能力、防風沙能力、豆渣的 價值及生物質量（樹葉、枝、與豆莢）都 非常優異，是目前綜合成本最低的生質柴 油原料，但缺點是乾燥沙地不能種、需要 高額投資及回收期較長等，因此值得林業 界後續評估與研究。在面對石化能源供應 不足、價格高漲及溫室氣體日增的三重威 脅之下，我們認為水黃皮是具有希望與機 會的明星樹種。台灣地區有許多閒置的土 地，或是一些因為水土保持需要植林復育 的荒地，結合台灣現有成熟的農業生產技 術，推廣此樹種作為一替代能源之料源， 應有一定程度的可行性。 IX、參考文獻 台灣綜合研究院（2007）生質柴油推展之 初步探討。石油市場雙週報。 Allen, O. 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