انرژی زیست توده

فناپذیری سوخت های فسيلی، تنوع بخشی به منابع انرژی مخصوصا انرژی زیست توده مورد توجه قرار گرفته است. توسعه پایدار و ایجاد امنيت انرژی، مشكلات زیست محيطی ناشی از مصرف انرژی فسیلی از یك‌طرف و پاك و تجدید پذیر بودن منابع انرژی های نو نظير خورشید، باد، زیست توده (بيوماس) و غیره،. کشورهای مختلف به توسعه و گسترش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و افزایش سهم این منابع در سبد انرژی جهانی شده‌اند.

آنچه می‌آموزیم :

پیشگفتار 

زیست توده چیست ؟

تاریخچه زیست توده چگونه است ؟

انرژی زیست توده در ایران 

نحوه عملکرد چرخه زیست توده در طبیعت 

بیوگاز چیست؟

فرآیند های ترموشیمیایی

فرآیند های بیوشیمیایی

منابع زیست توده

پیشگفتار

امروزه ما شاهد افزایش چشمگير فعاليت‌ها و بودجه دولت‌ها و شرکت‌ها در امر تحقيق، توسعه و عرضه سيستم‌های انرژی‌های تجدیدپذیر هستيم. این فعاليت‌ها و صرف بودجه‌های مذکور درنهایت با کاهش قيمت تمام شده انرژی‌های تجدید پذیر و رقابت پذیری با سيستم‌های انرژی سنتی موجود می‌گردد. این امر در مورد انرژی باد و برخی کاربردهای انرژی زیست توده محقق شده و روند سریع کاهش قيمت‌ها در مورد سایر منابع انرژی‌های تجدید پذیر نيز درحال انجام است. درحال حاضر باتوجه به مزایای ویژه‌ای نظير مزایای اقتصادی، زیست محيطی، پراکندی و دسترسی آسان، بالاترین سهم را در ميان تجدید پذیرها به خود اختصاص داده است.

منابع انرژی زیست توده می‌تواند به شكل اصلی انرژی مانند برق و یا حامل‌های انرژی چون سوخت‌های گازی، جامد و مایع، نيازهای بخش‌های مختلف درجامعه بشری را تامين کند. این موضوع وجه تمایز مباحث انرژی زیست توده نسبت به سایر انرژی‌های نو می‌باشد.

زیست توده چیست؟

زیست توده شامل کليه موادی در طبيعت می‌شود.  درگذشته نزدیك جاندار بوده، ازموجودات زنده بعمل آمده و یا زائدات، ضایعات و یا فضولات آنها می‌باشند. تعریف علمی، زیست توده اصطلاحی در زمينه انرژی که برای توصيف یك رشته ازمحصولات که از فتوسنتز حاصل می‌شوند.
زیست توده در توليد برق دربازار داخلی اروپا تعریف زیست توده را به شكل زیر مطرح نمود: زیست توده کليه اجزا قابل تجزیه زیستی از محصولات، فاضلاب‌ها و زایدات کشاورزی است. همچنین میتوان صنایع جنگلی و سایر صنایع مرتبط، فاضلاب‌ها و زباله‌های شهری و صنعتی را در این دسته قرارداد.

تاریخچه زیست توده

به جرات می‌توان گفت که بهره‌برداری از انرژی زیست توده شامل چوب، خار و خاشاك به دوران کشف آتش باز می‌گردد. قدیمی‌ترین مورد خروج گاز و اشتعال ناقصش ناشی از دفن زباله در طبقات زیرین زمين توسط پيلی نی روسی گزارش شده است. وی خروج گاهاً گاز و اشتعال ناقص آن را ازطبقات زیرین زمين مشاهده کرد. ولی وان هلمونت در سال ۱۶۳۰ شناسایی و اشتعال این گاز را رسما اعلام کرد. در سال ۱۶۶۷ دانشمندی به نام شرلی گاز مرداب (متان-بيوگاز) را کشف نمود. ولی ازنظر علمی و عملی شناسایی گاز متان به عنوان ترکيب اصلی بيوگاز از مواد تخمير شده توسط ولتا و در سال ۱۷۷۶ صورت گرفته است.

وی پس از مطالعات زیاد دریافت که مقدار گاز متان توليد شده بستگی به ميزان خاك و برگ پوسيده گياهان دارد که در طبقات زیرین زمين دفن شده اند. وی همچنين دریافت که درصورتی که نسبت معينی از گاز متان با هوا ترکيب شود موجب توليد انفجار می شود. شروع تحقيقات عمده در زمينه تخمير بی‌هوازی و کاربرد آن را به شخصی به نام دیوی درسال ۱۸۰۸ نسبت داده‌اند. در سال ۱۸۸۴ فردی به نام گاین طرحی را به اجرا درآورد. به وسيله بيوگاز حاصل از انرژی زیست توده روشنایی خيابان‌های شهر پاریس را تامين نمود.

جهت مطالعه بیشتر : نحوه تولید انرژی برق در ایران و جهان چگونه است ؟

انرژی زیست توده در ایران

درایران نيز استفاده از زیست توده سابقه‌ای قدیمي دارد. محمد بن حسين عاملی معروف به شيخ بهائی جز نخستين کسانی بوده که از بيوگاز حاصل از زیست توده (فاضلاب حمام) استفاده کرده. آن را به عنوان سوخت یك حمام دراصفهان به کار برده است. متاسفانه این تجربه بصورت بين المللی انعكاس نيافته است. قبل و بعد از انقلاب اسلامی ایران، فعاليت های پراکنده‌ای در خصوص توليد و استفاده از بيوگاز صورت گرفته است.

اولين هاضم توليدگاز متان درایران در روستاهای نياز آباد لرستان درسال ۱۳۵۴ ساخته شده‌است. این دستگاه به گنجایش ۵ متر مكعب فضولات گاوی روستا را مورد استفاده قرار داده است. بيوگاز مصرفی حمام مجاور را تامين می نموده و درسال ۱۳۵۹ دو واحد کوچك آزمایشی در دانشگاه بوعلی سينا همدان احداث گردید که با فضولات کشتارگاه و کودگاوی تغذیه می‌گردید . دانشگاه صنعت شریف نيز در سال ۱۳۶۱ یك واحد ۳ متر مكعب را به صورت آزمایشی مورد مطالعه قرار داد.  با فضولات گاوی بارگيری می‌شد و دارای دو فرآیند بیوشیمیایی و ترمو شیمیایی شکل می گیرد.

چرخه زیست توده در طبیعت

بخشی ازتشعشع خورشيد که به اتمسفر زمین می‌رسد. بواسطه فرآیند فتوسنتز درگياهان جذب و ذخيره می‌شود. ماکزیمم راندمان تبدیل انرژی خورشيدی دراین فرآیند بين ۵ تا ۱ درصد است. گياهان بعنوان منابع ذخيره کربن هستند و CO2 را ازهوا جذب کرده و بصورت کربن ذخيره می‌نمایند. وقتی گياهی توسط جانوری خورده می‌شود، بخشی ازکربن موجود در گياه خورده شده به انرژی تبدیل می‌شوند و بخشی دیگر در بافت‌های زنده ذخيره می‌گردد. بخش سوم نيز با فضولات حيوانی دفع می‌گردد.

در صورتی‌كه چوب یا گياهان سوزانده شوند. علاوه بر انرژی، بخش اعظمی از کربن ذخيره شده بصورت CO2 آزاد می‌شود و بخشی نيز درخاکستر باقی می‌ماند. جالب است بدانيد که ميزان انرژی که سالانه توسط فتوسنتر ذخيره می شود. چندین برابر کل مصرف معمولی انرژی جهان و حدودا ۲۰۰ برابر مصرف انرژی غذایی است.

بیوگاز چیست؟

منابع زیست توده حاوی ترکيبات آلی با مولكول‌های درشت زنجير می‌باشد. در طی فرآیندهای هضم (مدفون در زمين، داخل مخازن مخصوص و یا رها شده در طبيعت)‌. مولكول‌های مذکور شكسته شده به مولكول‌های ساده تبدیل می‌گردند. حاصل نهائی این فرآیند گازی است قابل اشتعال، که بيوگاز نام دارد . به بيوگاز، گاز مرداب نيز گفته می‌شود .

این گاز شامل دو جز عمده متان(اندکی سایر هيدروکربورها) و دی اکسيد کربن و مقادیر جزئی ناخالصی نظير H2S ، بخار آب ، N2 و غیره می‌باشد. این مخلوط گازی با‌ ارزش حرارتی ۵۰-۹۵ مگاژول به‌ازای هرمتر مكعب بوده ( ۴۱ تا ۷۱ درصد ارزش حرارتی گاز طبيعی ). درصورت تبدیل به برق با استفاده از موتور‌های بيوگاز سوز موجود می‌توان ۵ تا ۹/۹ کيلو وات ساعت برق ازهر مترمكعب آن به دست آورد ( از هر متر مكعب گازطبيعی ۳ کيلووات ساعت برق حاصل می‌شود). این گاز بوی قابل تشخيص مانند تخم مرغ گندیده دارد و از هوا سبك‌تر می‌باشد.

فرآیند های ترموشیمیایی

این فرآیندها شامل احتراق ، پيروليز (آرام تا بسيار سریع)، گازی کردن در دمای معمولی (Gasification). گازی کردن در دمای بسیار بالا (پلاسما)، کربنيوزه کردن و مایع‌ساز کاتاليستی می‌باشد.

احتراق مستقیم: در این فناوری، منابع جامد زیست توده نظير زائدات جنگلی-کشاورزی، زائدات صنایع غذایی و زباله هوای شهری مستقيما در بویلرهای خاصی سوزانده می‌شوند . از حرارت حاصل برای توليد برق، حرارت و یا برق و حرارت استفاده می‌شود. مهمترین تكنولوژی توليد برق دراین گروه زباله سوزها و چوب سوزها می‌باشند.

احتراق زیست توده با ذغال سنگ یا سایر منابع فسیلی

دربویلرهوای مدرن (Cofiring): دراین تكنولوژی منابع مختلف زیست توده با منابع فسيلی بصورت مستقيم، بستر سيال، سيكلون و غیره محترق می‌شوند. این تكنولوژی بشدت مورد توجه آمریكا (برنامه ذغال پاك). اروپا (احتراق با سایر منابع زیست توده، ذغال سنگ و سایر سوخت های فسيلی) واقع شده است.

پيروليز (Pyrolysis) :پيروليز، واکنش منابع زیست توده دردمای بالا و بدون حضور هوا که منجر به تجزیه آنها می‌شود را می‌نامند. محصولات نهائی پيروليوز بفرم جامد (ذغال) ، مایع (روغن های اکسيژنه) و گاز (متان، منواکسيد و دی اکسيد کربن ) می‌باشد.

گازی کردن دردمای پایين (Gasification): این تكنولوژی اساسا تجزیه به کمك گرما می‌باشد. در این تكنولوژی، ضمن حرارت‌دادن منابع زیست توده. در حضور هوای بسيار کم، گازهای متان، دی و منو اکسيد کربن و هيدروژن توليد می‌شود.

گازی کردن دردمای بسيار بالا (Plasma): این تكنولوژی اساسا تجزیه به کمك گاز یونيزه دما بالا (حالت چهارم ماده–پلاسما) می‌باشد. در این تكنولوژی، ضمن حرارت دادن به منابع زیست توده با ایجاد دمای بسيار بالا (۳۵۰۰ تا ۲۰۰۰۰ درجه سلسيوس). در حضور هوای بسيار کم، گازهای متان، دی و منواکسيد کربن و هيدروژن توليد می‌شود.

کربنيزه کردن : این تكنولوژی جزو قدیمي ترین تكنولوژی هوا می‌باشد. اخيرا نمونه‌های موفقی از آن درکانادا جهت توليد برق باذغال (درصنایعی نظير سیمان) راه‌اندازی شده و مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌است.

مایع سازی کاتاليسيتی : دراین تكنولوژی، منابع زیست توده دردمای پایین و فشاربالا قرار مي گيرند و محصول نهائی مایعی با ارزش حرارتی نسبتا بالاست.

فرآیند های بیوشیمیایی

هضم (تخمير) بيهوازی، هضم هوازی و تخمير الكلي دراین رده بندی مي گنجد . همانگونه که قبلا نيز گفته شد ،محصول تخمير بيهوازی بعنوان بيوگاز معروف است.

هضم بيهوازی : فرآیند تجزیه منابع زیست توده توسط باکتری‌ها درعدم حضور هوا بوده و در آن متان و محصولات جنبی با ارزش حرارتی متوسط (بیوگاز) توليد می‌شود. بارزترین نمونه این فرآیند در لندفيل هاست. اخيرا نيز هاضم‌های مخزنی بشدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

هضم هوازی : تخمير هوازی در منابع زیست توده مایع کاربرد دارد. در این روش نيز باکتری‌های خاصی عمل تخمير را انجام می‌دهند. محصول خروجی حرارت ، دی اکسيدکربن و نيز مقدار کمی بيوگاز می‌باشد.

تخمير الكلی :این تكنولوژی جهت توليد سوخت‌های تجدید پذیر کاربرد دارد. محصول نهائی بيواتانول ، بيودیزل و انواع روغن‌ها می‌باشد.

منابع زیست توده

پسماندهای جامد شهری : شامل مواد زائد جامدی هستند که از مراکز تجاری ، اداری، خانگی و برخی صنایع حاصل می‌شود. این مواد یك منبع مناسب برای توليد انرژی می‌باشند . فرآیندهای تبدیل و توليد مواد و انرژی از زباله در دنيا توسعه یافته است. پروژه‌های زیادی در زمينه توليد انرژی (برق-حرارت)از زباله در دنيا مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌اند. این امر می‌تواند علاوه برحفظ محيط زیست و جلوگيری از انتشار گازهای سمی و آلاینده نقش مهمی درتامين انرژی داشته باشد.

زائدات کشاورزی و جنگلی : چوب یا همان سوخت‌های چوبی اصطلاحی است. انواع سوخت‌های حاصل از جنگل کاری ، ضایعات حاصل از بهره‌برداری منابع جنگلی ، ضایعات حاصل از صنایع تبدیلی چوب ، صنایع چوب و کاغذ و تاسيسات پردازشی مجاور مناطق جنگلی را می‌توان نام برد. به عنوان یك ماده اوليه جهت احداث نيروگاه برای تامين انرژی همان صنایع یا صنایع دیگر مورد استفاده قرار گيرد. زائدات کشاورزی نيز مواد سرشار از انرژی بوده که ارزش غذایی برای انسان ندارند. سالانه ميزان زیادی از زائدات کشاورزی نظير کاه و کلوش غلات ، شاخه و برگ انواع گياهان ومحصولات باغی در مراحل مختلف کشاورزی توليد می‌گردد که می‌تواند در فرآیند توليد انرژی مورد استفاده قرار بگيرد.

فضولات حيوانی : فضولات حاصل از دام و طيور سرشار از مواد آلی بوده و درفرآیند توليد انرژی می‌تواند بعنوان یك ماده اوليه مناسب درنيروگاه زیست توده مورد استفاده قرار گيرد.

پسماندهای صنایع غذایی و کشاورزی

در فرآیندهای توليد و تبدیل در صنایع غذایی و کشاورزی سالانه مقدار زیادی پسماندهای آلی جامد و مایع توليد می‌گردد که می‌‌تواند ماده اوليه مناسبی برای نيروگاه‌های زیست توده باشد . انرژی حاصل از این پسماندها مي تواند درهمان صنایع و یا صونایع دیگر مورد استفاده قرار گيرد. استفاده از این ضایعات در فرآیند توليد انرژی و احداث نيروگاه های زیست توده می‌تواند در راستای توسعه پایدار در صنعت کشاورزی مدنظر قرار گيرد.

فاضلاب‌های شهری : سالانه ميليون‌ها تن لجن در فرآیند تصفيه فاضلاب در تصفيه خانه‌‌های شهری و صنایع مختلف توليد می‌گردد که دارای پتانسیل مناسبی برای توليد انرژی می‌باشد. درحاليكه دفع و دفن این لجن‌ها از معضلات اساسی تصفيه خانه‌ها بوده و هزینه‌های گزافی دراین زمينه صرف می‌گردد. با بهره‌گيری از فناوری‌های مناسب می‌توان ضمن حل معضل پسماندهای آلی به توليد انرژی پاك اقدام نمود.

محصولات انرژی زا : درحال حاضر با توجه به اقتصادی بودن توليد انرژی و نيز برق از درختان دراروپا و آمریكای شمالی ، کشاورزان بخش‌هایی از زمين‌های کشاورزی خود را به کشت درختان سریع الرشد و انرژی زا اختصاص می‌دهند. از انواع مختلف محصولات انرژی زا می‌توان به کشت درختان سریع الرشد نظير اُکاليپتوس ، کشت محصولات کشاورزی (گياهان) انرژی زا مثل (سورگوم و نيشكر)، گياهان روغنی با محتوای انرژی بالا مثل سویا و شلغم روغنی و درخت نخل اشاره کرد. این محصولات می‌توانند به عنوان سوخت امن و بی‌خطر در نيروگاه‌های زیست توده مورد استفاده قرار گيرند.

سجاد