فرادرسمعرفی بیوانرژی و کاربردهای آن — به زبان ساده
یکی از منابع انرژی جایگزین که میتواند به عنوان یک «منبع انرژی تجدیدپذیر» (renewable energy source) طبقه‌بندی شود، انرژی «زیست‌توده» (biomass) یا «بیوانرژی» (bioenergy) است. انرژی زیست‌توده یک اصطلاح برای هر نوع سوخت غیر فسیلی است که در طبقه‌ی مواد آلی، بیولوژیکی یا گیاهی قرار می‌گیرد. این طبقه از مواد، میتواند به یک منبع انرژی قابل استفاده تبدیل شود. زیست‌توده یکی از منابع انرژی حیاتی و اساسی برای زمین است که به عنوان «منبع زیست تجدیدپذیر» (Bio-renewable Resource) طبقه‌بندی می‌گردد.
فن‌آوری‌های مربوط به زیست‌توده هم‌اکنون در حال توسعه هستند. این فناوریها قادرند مواد گیاهی مانند محصولات کشاورزی، دانه‌ها، علف‌های هرز، گیاهان وحشی، درختان، درختچه‌ها و .. را به انرژی قابل استفاده تبدیل کنند. زباله‌های آلی به شکل مواد زیست تخریب‌پذیر، زباله، کمپوست، کود حیوانی و سایر محصولات باطله نیز قابل تبدیل به انرژی هستند.
اما زیست‌توده چیست؟ زیست‌توده در اشکال زیادی وجود دارد. یک مثال ساده از این دسته از مواد، چوب خشک است که سالیان درازی است برای گرم کردن و پختوپز سوزانده میشود. البته سوزاندن زیست‌توده به این شکل کارآمد نیست؛ زیرا اکثر انرژی گرمایی تولید شده، همراه با دود از سیستم خارج میشود.
از طریق فرآیند فتوسنتز، گیاهان زنده قادرند با جذب و بهره‌برداری از انرژی فراوان خورشید همراه با کربن از جو زمین و مواد مغذی جذب شده از خاک، زیست‌توده تولید کنند. در نتیجه می‌توانیم زیست‌توده را به عنوان یک ماده آلی یا بیولوژیک تعریف کنیم که حاوی انرژی خورشیدی ذخیره شده در شکل انرژی شیمیایی است.
تبدیل مواد آلی و بیولوژیکی (که در غیر این صورت به شکل زباله دفع می‌گردد) به گرما و برق، بسیار جذاب است. زیست‌توده‌ی تولید‌شده از مواد گیاهی، محصولات زراعی، زباله‌های جنگلی یا زباله‌های فاضلاب می‌توانند به صورت جامد یا از طریق طیف گسترده‌ای از فرآیندهای تبدیل و پالایش به شکل سوخت مایع یا گاز درآیند. سپس این مواد را ممکن است به منظور تولید برق، گرما یا سوخت وسایل نقلیه استفاده کرد. از کاربردهای دیگر زیست‌توده می‌توان به تولید پارچه، دارو، مواد شیمیایی و مصالح ساختمانی اشاره نمود.
زیست‌توده یک ماده آلی درست مثل سوخت‌های فسیلی (زغال‌سنگ، نفت و یا گاز طبیعی) است؛ با این تفاوت که سوخت‌های فسیلی در زمین از گیاهان یا حیواناتی تشکیل شده‌اند که طی میلیون‌ها سال باقی مانده‌اند. در حالی که زیست‌توده تنها طی چند سال یا چند روز شکل گرفته است. این منبع یک نوع انرژی تجدیدپذیر با مقیاس زمانی کوتاه تولید است؛ به این معنا که گیاهان به طور مداوم در حال رشدند، حیوانات مرتبا کود تولید می‌کنند و مردم هر روز مواد آلی زائدی را دور می‌ریزند.
زیست‌توده به عنوان یک سوخت
تا حدود 400 سال پیش، زمانی که انسان شروع به حفاری زغال‌سنگ از زمین کرد، جهان منحصرا به محصولات زیست‌توده به عنوان منبع انرژی وابسته بود. زیست‌توده هنوز هم یک منبع اصلی انرژی است. در سال‌های اخیر، این منبع انرژی به عنوان یک سوخت تجاری در شکل زغال چوب برای پختوپز و گرمایش به شکل سنتی مورد توجه بوده است. هنگامی که این مواد با این روش سنتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، «مواد اولیه» (feedstock) نامیده می‌شوند.
انواع زیست توده
این منبع انرژی در سه شکل اصلی جامد، مایع و گاز وجود دارد و به زیر مجموعه‌های اولیه و ثانویه به شرح زیر تقسیم می‌گردد.
- نوع اولیه: تولید شده با استفاده‌ی مستقیم انرژی خورشیدی از طریق فتوسنتز گیاهان
- نوع ثانویه: تولید شده توسط تجزیه و یا تبدیل مواد آلی
انواع جامد، مایع و گاز سوخت تولید شده به شکل زیر طبقه‌بندی می‌گردد.
زیست‌توده جامد یا فشرده از مواد ارگانیک، که انرژی ذخیره شده‌ی خود را از طریق احتراق و سوختن آزاد می‌کنند. این مواد یا به اصطلاح مواد اولیه شامل موارد زیر هستند.
- چوب و باقی مانده‌های چوب مانند درختان، درختچه‌ها، خاک‌اره، گلوله و زباله‌های چوب
- باقیمانده‌های کشاورزی مانند نی، چمن، دانه‌ها، ریشه ها، پوسته‌ها و سبوس‌ها
- محصولات سوختن زغال چوب و خزه‌ها
- زباله‌های تولید شده مانند زباله‌های گیاهی «باگاس» (bagasse)
- زباله‌های حیوانی مانند دوغاب خشک و کود
- زباله‌های جامد شهری حاصل از زباله‌های خانگی
دسته‌ی دوم زیست‌توده مایع است که به عنوان «زیست‌سوخت» (biofuel) نیز شناخته میشود. این دسته به هر گونه سیال یا مایع تولید شده از مواد گیاهی / زیستی اطلاق می‌گردد. سیالات زیست‌سوخت یا زیست‌توده مایع عبارتند از:
- روغن‌های گیاهی از تخمه آفتابگردان، کلزا و روغن‌های گیاهی قابل بازیافت
- متانول، اتانول و سوخت‌های الکلی حاصل از تخمیر ذرت، دانه و سایر مواد گیاهی
- زیست‌دیزل (bio-diesel) تقطیر شده از روغن‌های گیاهی و چربی‌های حیوانی
- سوخت‌های سری P که مواد جامد و مایع در آنها با هم ترکیب میشود تا به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد
زیست‌توده گازی با عنوان «زیست‌گاز» (biogas) نیز معرفی می‌گردد. این نوع زیست‌توده هر گونه گاز طبیعی تشکیل شده توسط گیاهان فاسد، زباله‌های پوسیده، حیوانات در حال تجزیه، دوغاب و کود است که میتواند به عنوان یک نوع سوخت استفاده گردد؛ زیست‌گاز شامل موارد زیر است.
- متان حاصل از تخریب گیاهان، حیوانات و کودها
- گاز تولید شده از ضایعات زباله در «خاک‌چال‌ها» (landfill)
- هیدروژن مورد استفاده برای باتری‌ها و پیل‌های سوختی
- گاز سنتز حاصل از ترکیب منو اکسید کربن و هیدروژن
- گاز طبیعی حاصل از سوخت‌های فسیلی
بیوانرژی
چهار روش اصلی وجود دارد که در آنها مواد و محصولات آلی می‌توانند به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرند.
احتراق حرارتی
سوزاندن مواد جامد یا «زباله‌سوزی» (incineration) با هوا امروزه یکی از شایع‌ترین موارد استفاده از سوخت‌های زیست‌توده است. زیست‌انرژی آزاد شده طی این فرآیند به طور مستقیم برای گرمایش هوای ساختمان و آب، پختوپز و شست‌وشو استفاده می‌گردد.
احتراق حرارتی خانگی مواد جامد جهت مصارف گرمایش و پختوپز شاید جایگزین جالبی برای سوخت‌های فسیلی معمولی به نظر برسد. به خصوص در مکان‌هایی که زیست‌سوخت به صرفه و در دسترس باشد. برای نمونه در مناطق روستایی و کوچک که از خطوط گاز دور هستند، چنین گزینه‌ای قابل بررسی است.
البته استفاده از این منبع انرژی در مقیاس‌های کوچک مانند پختوپز خانگی و سوزاندن در شومینه‌های باز معمولا بسیار ناکارآمد می‌نماید؛ زیرا اکثر زیست‌انرژی از طریق دودکش به هدر می‌رود. اجاق گازهای مخصوص پختوپز، بخاری‌ها مورد استفاده برای گرمایش منازل و سیستم‌های گرمایشی با بازدهی بالا برای استفاده از انرژی حاصل از احتراق زیست‌توده توسعه یافته‌اند. این فناوریها در حال حاضر به طور گسترده‌ای در دسترس اهالی روستاها یا شهرهای دورافتاده هستند.
کوره‌ها و دیگ‌های بزرگ نیز برای سوزاندن انواع مختلف مواد جامد مانند پسماند و تراشه چوب، خاک‌اره و حتی پوسته آجیل‌های مصرفی - با یا بدون رطوبت بالا - طراحی شده‌اند.
تولید برق
از سوزاندن مواد جامد زیستی می‌توان الکتریسیته تولید کرد. هم‌اکنون اکثر نیروگاههای تولید برق با سوخت‌های فسیلی و زغال‌سنگ کار می‌کنند. پیش‌بینی‌های اخیر نشان می‌دهد که استفاده از بخار «زغال‌سنگ» (steam coal) برای تولید برق در سراسر جهان در چند دهه آینده به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش خواهد یافت. طوری که تقاضای بازار برای نیروگاههای تولید برق با کارایی بالا، تمیز و زغال‌سنگ‌سوز، چشم‌گیر خواهد بود.
با ترکیب زغال‌سنگ با مواد جامد زیست‌توده، نوع جدیدی از سوخت برای استفاده در دیگ‌های بخار زغال‌سنگ سوز به وجود می‌آيد. سوخت ترکیبی هنوز هم میتواند از طریق سیستم‌های کنترل، آسیاب و پخت زغال‌سنگ مانند قبل مورد پردازش و استفاده قرار گیرد. افزون بر آن، از مزیت‌های سوخت ترکیبی جامد می‌توان به کاهش اتکای واحدهای تولیدی به سوخت‌های فسیلی اشاره کرد.
این کاهش مصرف زغال‌سنگ منجر به کاهش خاکستر زاید، سولفور مضر و انتشار گاز دی اکسید کربن می‌گردد. برای تولید برق از هر دو نیروگاه زیست‌توده (به تنهایی) و ترکیبی استفاده میشود. یکی از کارآمدترین و مقرون به صرفه‌ترین روش‌های تولید برق از منابع تجدیدپذیر، ایجاد نیروگاه در مقیاس بزرگ با زیست‌توده ترکیبی است. مزیت اصلی این سوختها در نیروگاههای تولید برق این است که این منبع انرژی از زغال‌سنگ بسیار ارزان‌تر به دست می‌آید. به همین دلیل سوخت ترکیبی نیز مقرون به صرفه است.
در حال حاضر تقریبا تمام نیروگاههای برق متکی به انرژی زیست‌توده از توربین‌های بخار استفاده می‌کنند. ترکیب زیست‌توده و زغال‌سنگ، بخار مورد نیاز برای حرکت توربین‌ها را ایجاد می‌کند. از زیست‌توده ترکیبی برای تولید برق در صنایع دیگر نیز می‌توان بهره برد. ازجمله‌ی این صنایع می‌توان به جنگل‌داری، محصولات چوبی، صنعت کاغذ و خمیر آن، کشاورزی و محصولات غذایی اشاره نمود. با این مزیت که به جای ارسال حجم زیادی از باقی‌مانده‌ی زیست‌توده‌های قابل احتراق به خاک‌چال‌ها، می‌توان آنها را به فروش رساند. هزینه‌ی تمام شده در حجم زیاد تولید کاهش می‌یابد.
گازی‌سازی
همان‌طور که اشاره شد یکی از زیرمجموعه‌های زیست‌توده، زیست‌گاز است. گاز طبیعی تولید شده از منابع بیولوژیکی مانند کود حیوانی، زباله‌های فرسوده و جلبک‌ها از این دسته هستند. با تبدیل زیست‌توده به سوخت توسط فرایند «گازی‌سازی» (gasification) می‌توان آن را به طور مستقیم مورد استفاده قرار داد. این سوخت گازی را ممکن است با مخازن یا خط لوله به مصرف کننده نهایی برای گرمایش یا تولید برق انتقال دهند.
تولید زیست‌گاز نتیجه‌ی فرایند تجزیه بی‌هوازی بیولوژیکی (تجزیه باکتریایی بدون اکسیژن) یا هضم مواد زیست‌توده است که مخلوطی از گاز متان (CH4) و دی اکسید کربن (CO2) را با نسبت ۴۰/۶۰ تولید می‌کند. اگر تا به حال به حباب‌های روی سطح یک منطقه باتلاقی یا استخر پر از جلبک توجه کرده باشید، این مکان‌ها به طور طبیعی در حال تولید متان هستند. متان توسط یک فناوری رایج از کربن دی اکسید جدا و گاز تامین شده به سیستم گاز طبیعی یا مصرف‌کننده‌های دیگر ارسال میشود.
زیست‌گاز میتواند در اجاق گاز معمولی، فر و دیگ‌های بخار برای پختوپز، گرمایش و روشنایی خانه، همانند کپسول‌های گاز مایع نارنجی‌رنگ، سوزانده شود. همچنین امکان استفاده از آن در موتورهای احتراق داخلی برای به حرکت در آوردن ماشین یا تولید برق وجود دارد.
انرژی زیست‌گاز مزایای فراوانی نسبت به گاز طبيعی معمولی دارد. نیروگاههای تولیدی توسط زیست‌توده می‌توانند سریع‌تر، ساده‌تر و با هزینه‌ی کمتری به ازای هر کیلووات در مقایسه با زغال‌سنگ، نفت یا نیروگاههای هسته‌ای ساخته شوند. بر خلاف سوخت‌های فسیلی، زیست‌توده یک منبع تجدیدپذیر است. متان تولید شده با تجزیه باکتریایی مواد آلی هنوز هم به طور طبیعی در خاک‌چال‌ها و زمین‌های زراعتی تولید میشود. لذا بهتر است از هدررفت این منبع نیز جلوگیری کرد.
به علاوه، متان یک نوع گاز گلخانه‌ای و یکی از مهم‌ترین عوامل گرم شدن کره زمین است. بنابراین این سوخت منبعی عالی از انرژی است که استفاده از آن به حفظ محیط زیست کمک می‌کند. در نهایت، باقی‌مانده‌ی حاصل از سوختن که لجن فعال نامیده میشود، خشک می‌گردد و در خاک به عنوان کود مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تبدیل به سوخت مایع
یکی دیگر از روش‌های جایگزین هیجان‌انگیز، تولید سوخت‌های زیست‌توده به عنوان «زیست‌سوخت» (Biofuel) مایع است. انواع مختلف زیست‌سوخت وجود دارد که برخی از آنها شامل متانول و اتانول، بنزین مصنوعی، بیودیزل و سوخت‌های مخصوص حمل‌و‌نقل هوایی هستند. زیست‌سوخت اتانول (اتیل الکل) که از ذرت، نیشکر و لوبیای سویا برداشت میشود، در حال حاضر شایع‌ترین سوخت از این دسته در سراسر جهان است. این منبع نیز به عنوان یک انرژی تجدیدپذیر طبقه‌بندی می‌گردد؛ زیرا عمدتا نتیجه‌ی تبدیل انرژی خورشید به انرژی قابل استفاده است.
اتانول در مقایسه با بنزین، آلاینده‌‌ی کمتری را تولید می‌کند. «زیست‌دیزل» (Biodiesel) نوع دیگری از زیست‌سوخت‌های مایع است که میتواند به عنوان جایگزینی برای سوخت دیزل جهت موتور احتراق داخلی مورد استفاده قرار گیرد. زیست‌دیزل یک زیست‌سوخت اکسید شده بر پایه‌ی «استر» (ester) است که عموما از پردازش روغن‌های گیاهی یا چربی‌های حیوانی ساخته میشود. با این وجود، استفاده از ترکیب درصدهای مختلف از زیست‌دیزل با روغن‌های گیاهی از جمله «روغن نخل / پالم» (palm) و «روغن کانولا / کلزا» (canola) جهت افزایش بهره‌وری و عمر موتور در تولید یک سوخت دیزل فوق‌العاده تمیز، رایج است.
زیست‌سوخت مزایای زیادی به عنوان سوخت حمل‌و‌نقل دارد. این سوخت میتواند در انواع مختلف موتورهای دیزلی از اتومبیل تا کامیون‌های بزرگ که قابلیت تبدیل بسیار آسان به مصرف کننده‌ی زیست‌دیزل دارند، استفاده شود. این دسته از منابع انرژی مزایای زیادی نسبت به نفت و سوخت‌های معمولی بر پایه کربن دارند.
یکی از مزایای بزرگ زیست‌سوخت، قابل تجدید بودن آن است. این نوع سوخت یک چشم‌انداز هیجان‌انگیز در همه‌ی زمینه‌ها است؛ برای نمونه کشاورزان را قادر می‌سازد تا محصولات بیشماری را به سوخت تبدیل کنند. البته این مزایا بستگی به روش تولید محصول زیست‌سوخت و تبدیل آن به سوخت قابل استفاده دارد. به علاوه با استفاده از این منابع، وابستگی به مصرف یا واردات نفت کاهش می‌یابد.
با این حال، تولید زیست‌سوخت معایبی نیز دارد. برای تولید زیست‌سوخت نیاز به سوخت فسیلی وجود دارد که باعث کاهش کارآمدی میشود. همچنین مقدار زیادی زمین برای کاشت محصولات مرتبط با تولید زیست‌سوخت مورد نیاز است. در نتیجه، کاهش مقدار زمین در دسترس برای تولید مواد غذایی، به طور خود به خودی موجب مشکلات دیگر از جمله افزایش قیمت مواد غذایی و کمبود محصولات خاص در بازار جهانی می‌گردد.
اگر مقاله‌ی بالا برای شما جالب بوده است باید بگوئیم که مطالبی از این دست را می‌توانید در لینک‌های زیر دنبال کنید.
- آموزش مقدمه‌ای بر زیست سوختها
- آموزش پیل‌های سوختی — مفاهیم و ساختار
- مجموعه آموزش‌های دورس مهندسی شیمی
- مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی شیمی
- هیدروژن و پیل سوختی -- گامی به سوی هوای پاک
- بنزین و گازوئیل چه تفاوت‌هایی دارند؟ --- به زبان ساده
- ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر چگونه ممکن است؟
^^
