تکنولوژی انرژی زیست توده

 

تکنولوژی تبدیل انرژی زیست توده

 

  • انرژی زیست توده

از اعمال مجموعه ای از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و زیست محیطی بر روی منابع مختلف زیست توده مانند تجزیه، تخمیر و غیره در یک محفظه، گازی به دست می آید که اصطلاحاً بیوگاز نام دارد. پس از فرآیندهای تصفیه ای و زیست محیطی استاندارد این گاز تبدیل به یک حامل انرژی می شود. این حامل انرژی را می توان به عنوان سوخت اولیه در نیروگاه ها به کار برد.

با سوختن این گاز ژنوراتورها و توربین ها حرکت کرده و مشابه سیکل سنتی رایج در تمام نیروگاه ها، برق تولید می کنند. با این تفاوت که این بار نه تنها سوخت مورد نیاز بویلر از دل زمین بیرون کشیده نشده بلکه با کاربرد بهینه از آلودگی محیط زیست انسانی نیز جلوگیری به عمل آمده است. در سال ۲۰۰۰ بیش از ۱۰ درصد عرضۀ انرژی اولیهۀ جهان از منابع زیست توده تأمین گردیده است. طبق اعلام جهانی ظرفیت نیروگاهی نصب شده جهت بهره برداری از انرژی زیست توده در کشورهای عضو (OECD) معادل ۲۳۰۰۰ مگاوات بوده است.

 

 

  • تاریخچۀ استفاده از انرژی زیست توده

 استفاده از انرژی بیوماس به آغازی ترین دوره های تاریخ باز می گردد، زمانی که آتش شناخته شد. انسان نخستین از چوب و برگ خشک درختان برای روشن کردن آتش استفاده می کرد. قدیمی ترین مورد خروج گاز و اشتعال ناقص آن به وسیلۀ دفن زباله در زمین، توسط پیلی نی روس گزارش شده است. او خروج گاه به گاه گاز طبیعی و اشتعال ناقص آن را از طبقات زیرین زمین مشاهده کرد.

ولی وان هلمونت در سال ۱۶۳۰ این گاز شناسایی و اشتعال آن را رسماً اعلام کرد. در سال ۱۶۶۷ دانشمندی به نام شرلی، گاز مرداب را کشف نمود ولی اصلی ترین تاریخچۀ استفاده از گاز متان به عنوان ترکیب اصلی بیوگاز حاصل از مواد تخمیر شده، توسط ولتا در سال ۱۷۷۶ ثبت شده است. وی در یافت مقدار گاز متان تولید شده بستگی به میزان خاک و برگ پوسیدهی گیاهان دارد. از طرفی پی برد در صورتی که نسبت معینی از گاز متان با هوا ترکیب شود تولید انفجار می نماید. در سال ۱۸۸۴ فردی طرحی را به اجرا در آورد که بوسیلۀ انرژی بیوماس روشنایی خیابان های شهر زیبای پاریس را تأمین نمود.

 امروزه منابع مفید و کاربردی بیوماس تنها به چوب و برگ خشک محدود نمی شود و طیف وسیعی از مواد مانند ضایعات جامد و مایع شهری و ضایعات صنعتی و غیره را نیز در بر می گیرد. در طول سال های ۱۹۸۵ تا ۱۹۹۰ میانگین مصرف سالانه ی انرژی بیوماس در جهان معادل ۱۴ کوادریلیون بوده است.

در ایران هم استفاده از زیست توده سابقه ای قدیمی دارد. شیخ بهایی از نخستین کسانی بود که از زیست توده به عنوان سوخت یک حمام در اصفهان استفاده کرد. اولین هاضم تولید کننده گاز متان در ایران در روستاهای نیاز آباد لرستان (۱۳۵۴) ساخته شد. این دستگاه به گنجایش ۵ متر مکعب فضولات گازی روستا را به بیوگاز مصرفی حمام تبدیل می کرد. در سال ۱۳۵۹ دو واحد کوچک آزمایشی در دانشگاه بوعلی سینا همدان احداث گردید. در کشور ما همچنین به صورت عمده تأسیسات استخراج بیوگاز از محل دفن زباله در سه شهر شیراز، مشهد و اصفهان به اجرا در آمده است و در تهران هم به دلیل حجم بالای زباله های تولید شده و فاضلاب های شهری و صنعتی مطالعات مقدماتی به پایان رسیده است.

بیوماس هر ارگانیسم زنده ای که انرژی خورشید را جذب و به صورت کلروفیل در خود ذخیره کند بیوماس نامیده می شود. بیوماس اصطلاحی است که برای توصیف رشته ای از محصولات حاصل از عمل فتوسنتز در زمینه ی انرژی به کار می رود. هر ساله انرژی خورشید از طریق فتوسنتز چند برابر بیشتر از انرژی مصرفی سالیانۀ جهان در برگ ها، تنه و شاخه های درختان ذخیره می شود.

لذا در میان منابع انرژی های تجدیدپذیر، بیوماس از جهت ذخیره کردن انرژی خورشید منحصر به فرد است. همچنین بیوماس تنها منبع تجدیدپذیر کربن بوده و می توانند به سوخت های جامد، مایع و گازی مناسب تبدیل شود. امروزه حتی می توان با اعمال مجموعه ای از عملیات های شیمیایی بر روی بیوگاز حاصل از بیوماس به هیدروژن رسید. صنایع کشاورزی و جنگل داری ذخایر اصلی و پایه ای بیوماس محسوب می شوند.

 

 

  • منابع انرژی بیوماس

بخشی از تشعشع خورشید که به اتمسفر زمین می رسد، به دلیل فرآیند فتوسنتز در گیاهان جذب می شود. بیشترین راندمان تبدیل انرژی خورشیدی بین ۵ تا ۶ درصد است. حدود ۹۰ درصد این انرژی که در درختان ذخیره می شود معادل ذخایر سوخت های فسیلی قابل استخراج و به ثبت رسیده می باشد. منابع بیوماسی که برای تولید مناسب هستند به طور کلی به شش گروه تقسیم می شوند:

١- سوخت های چوبی

۲- زائدات جنگلی، کشاورزی، باغداری و صنایع غذایی

۳- ضایعات جامد زباله های شهری

۴- فضولات دامی

 ۵- فاضلاب های شهری

۶- فاضلاب ها، پس ماندها و زائدات آلی صنعتی

تمام این موارد دارای مواد آلی هستند و توانایی سوختن دارند. بنابراین برای هر کدام می توان ارزش حرارتی مشخصی را تعیین نمود. ترکیب هر مادۀ سوختنی آلی با اکسیژن، دی اکسید کربن و آب به انضمام مقدار زیادی انرژی گرمایی آزاد می شود.

 

 

  • تکنولوژی تبدیل انرژی زیست توده یا بیوماس

تکنولوژی هایی که برای تبدیل بیوماس به انرژی به کار برده می شود از سیستم بخاری های ساده که در جهان در حال توسعه برای پخت و پز استفاده می شوند تا واحدهای پیرولیز پیشرفتۀ تولید کنندۀ سوخت های جامد، مایع و گازی را شامل می شوند. تکنولوژیهای تبدیل بیوماس می توانند به سه دستۀ اساسی تقسیم شوند.

 

۱- فرآیندهای احتراق مستقیم

حرارت یا بخار تولید شده به این روش برای تولید الکتریسیته و یا فراهم کردن حرارت مورد نیاز برای مصارفی نظیر فرآیندهای صنعتی، گرمایش فضا و یا گرمایش نواحی مختلف شهری مصرف می شود.

 

۲- فرآیندهای ترموشیمیایی

پیرولیز از اساسی ترین فرآیندهای ترموشیمیایی در تبدیل زیست توده به محصولات با ارزش و مناسب است. محصولات تولید شده عبارتند از یک مخلوط گازی، یک مایع و چیزی شبیه زغال کربنی خالص.

توزیع این محصولات به میزان و حجم ذخیزه، دما و فشار واکنش و نیز مدت زمان حضور گاز در محل احتراق و نرخ گرمایش بستگی دارد.

پیرولیز با دمای بالا (۱۰۰۰ درجه سانتی گراد) مقدار تولید گاز را ماکزیمم می کند و پیرولیز دما پایین کمتر از (۶۰۰ درجه سانتی گراد) قرن هاست که برای تولید زغال چوب استفاده می گردد.

 

 ٣- فرآیندهای بیوشیمیایی

این نوع فرآیندها در بیوشیمی مواد خام و فعالیت متابولیک ارگانیزم های میکروبی جهت تولید سوخت های گازی و سوخت های مایع کاربرد دارد.

 

 

  • بیوگاز

مجموعه گازهای تولید شده از تجزیه و تخمیر فضولات حیوانی یا انسانی و گیاهی که در نتیجۀ فقدان اکسیژن و فعالیت باکتری های غیر هوازی (به ویژه متان) در یک محفظۀ تخمیر به وجود می آید، اصطلاحاً بیوگاز می نامند. این اصطلاح در هندوستان گبار گاز، در چین مارش گاز، در آلمان بی هوا گاز و در فارسی به گاز زیستی مشهور است.

 

  • اجزاء سازنده ی بیوگاز

بیوگاز به صورت خام از ترکیبات متان (CH4)، گاز کربنیک (CO2) همراه با مقادیر اندکی از سولفید هیدروژن (H2S) و آمونیاک (NH3) تشکیل شده است. غلظت های بسیار اندک از هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن هم ممکن است در بیوگاز یافت شوند. به طور کلی ویژگی گازهای اصلی بیوگاز را می توان به صورت زیر بیان کرد.

متان: یک سوخت با ارزش، غیر سمی و سبک تر از هوا است که پس از سوختن به گاز کربنیک و بخار آب با وزن مولی هم ارز تبدیل می شود.

گاز کربنیک: یک گاز بی اثر، بیرنگ، بدون بو و با چگالی سنگین تر از هوا میباشد. اثر سمی متوسط دارد. خفه کننده بوده و هر چه درصد آن در بیوگاز بیشتر باشد ارزش حرارتی بیوگاز حاصل کمترمی شود.

سولفید هیدروژن: گازی بی رنگ، سمی و سنگین تر از هوا است، این گاز علاوه بر خطرناک و سمی بودن، خورنده هم می باشد. گاز سولفید هیدروژن پس از احتراق به ،SO2 تبدیل می شود که آن نیز یک گاز سمی است و توان ایجاد واکنش اسید سازی را دارد.

آمونیاک: گازی تند، اشک آور و سبک تر از هوا است. این گاز در هنگام سوختن در مشعل با موتور احتراقی، ترکیبات NO2 پدید می آورد. غلظت آمونیاک در بیوگاز کم است.

 بخار آب: هر چند بخار آب خود یک ترکیب بیزیان است اما پس از آمیزش با آمونیاک، گاز کربنیک و به ویژه سولفید هیدروژن، خاصیت خورندگی پیدا می کند. میزان بخار آب موجود در بیوگاز با دمای بیوگاز تغییر می کند. زمانی که بیوگاز اشباع از بخار آب، هاضم را ترک می کند با خنک کردن آن، بخار آب متراکم شده و میعان می شود.

 

 

  • کاربردهای گاز بیوگاز

از بیوگاز می توان استفاده های گوناگون کرد که هر یک نیازهای جداگانه ای را طلب می کند.

الف) اجاق های بیوگاز سوز

اجاق های بیوگاز سوز به دلیل سادگی طرح و قیمت مناسب دارای پایه و بدنۀ فلزی معمولی می باشند ولی شعله پخش کن آن ها باید از فلزات مقاوم در برابر خوردگی ساخته شود.

 

ب) لامپ های بیوگاز سوز

این لامپ ها بازدهی کمی دارند و به دلیل حرارت بالا امکان آتش سوزی نیز وجود دارد. با کمک بیوگاز می توان روشنایی شهرها را تأمین و به این وسیله در مصرف سوخت های فسیلی که ماده ی اولیه مورد نیاز در نیروگاه ها هستند صرفه جویی کرد.

 

پ) بخاری های تابشی

بخاری های مادون قرمز همراه با تهویۀ مطبوع برای پرورش و نگهداری از حیوانات مانند دامداری ها به کار می روند. این بخاری ها بدنۀ سرامیکی دارند که به وسیله شعلۀ بیوگاز تا۶۰۰ الی ۸۰۰ درجهی سانتی گراد گرم می شوند. استفاده از این بخاری ها به مراقبت و نگهداری ویژه نیاز دارد.

 

ت) آبگرمکن های بیوگاز سوز

در این دستگاه ها از بیوگاز به عنوان سوخت استفاده می شود و برای گرمایش خانه و فضاهای اداری و صنعتی به کار می روند.

 

ث) یخچال

يخچال های نوع جذبی که با آمونیاک و آب کار می کنند، می توانند از بیوگاز به عنوان سوخت استفاده کنند. در صورت استفاده از بیوگاز در این یخچال ها حتما باید پیلوت ایمنی به کار برده شود. بسته به دمای محیط، یک یخچال ۱۰۰ لیتری روزانه ۲۰۰۰ لیتر بیوگاز مصرف می کند.

 

ج) موتورهای بیوگاز سوز

 از بیوگاز حاصل از بیوماس می توان به عنوان سوخت در انواع موتورهای موجود دیزلی و چرخه ای و یا چهار زمانه استفاده کرد.

 

 

مقالات مرتبط

نظرات