انرژی زیست توده

با سوختن این گاز ژنوراتورها و توربین‌ها حرکت کرده و مشابه سیکل سنتی رایج در تمام نیروگاه‌ها، برق تولید می‌کنند. 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 یا بیومس

استفاده از انرژی بیومس به آغازی ترین دوره‌های تاریخ باز می‌گردد، زمانی که آتش شناخته شد. انسان نخستین از چوب و برگ خشک درختان برای روشن کردن آتش استفاده می‌کرد. قدیمی‌ترین 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 می‌نماید. در سال ۱۸۸۴ فردی طرحی را به اجرا در آورد که بوسیلۀ انرژی بیوماس روشنایی خیابان‌های شهر زیبای پاریس را تأمین نمود.

امروزه منابع مفید و کاربردی بیوماس تنها به چوب و برگ خشک محدود نمی‌شود و طیف وسیعی از مواد مانند ضایعات جامد و مایع شهری و ضایعات صنعتی و غیره را نیز در بر می‌گیرد. در طول سال‌های 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 قدیمی‌دارد. شیخ بهایی از نخستین کسانی بود که از زیست توده به عنوان سوخت یک حمام در اصفهان استفاده کرد. اولین‌هاضم 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 می‌کرد. 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 زباله‌های تولید شده و فاضلاب‌های 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 می‌شود. بیوماس اصطلاحی است که برای توصیف رشته ای از محصولات حاصل از عمل فتوسنتز در زمینه ی انرژی به کار می‌رود. هر ساله انرژی خورشید از طریق فتوسنتز چند برابر بیشتر از انرژی مصرفی سالیانۀ جهان در برگ‌ها، تنه و شاخه‌های درختان ذخیره می‌شود.

لذا در میان منابع انرژی‌های تجدیدپذیر، بیوماس از جهت ذخیره کردن انرژی خورشید منحصر به فرد است. همچنین بیوماس تنها منبع تجدیدپذیر کربن بوده و می‌توانند به سوخت‌های جامد، مایع و گازی مناسب تبدیل شود. امروزه حتی می‌توان با اعمال مجموعه ای از عملیات‌های شیمیایی بر روی بیوگاز حاصل از بیوماس به هیدروژن رسید. صنایع کشاورزی و جنگل داری ذخایر اصلی و پایه ای بیوماس محسوب می‌شوند.

منابع انرژی زیست توده

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

١- سوخت‌های چوبی

۲‌- زائدات جنگلی، کشاورزی، باغداری و صنایع غذایی

۳ – ضایعات جامد زباله‌های شهری

۴ – فضولات دامی

۵‌- فاضلاب‌های شهری

۶‌- فاضلاب‌ها، پس ماندها و زائدات آلی صنعتی

تمام این موارد دارای مواد آلی هستند و توانایی سوختن دارند. بنابراین برای هر کدام می‌توان 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 می‌شود.

تولید برق از زیست توده

تکنولوژی‌هایی که برای تبدیل زیست به انرژی به کار برده می‌شود از سیستم بخاری‌های ساده که در جهان در حال توسعه برای پخت و پز استفاده می‌شوند تا واحدهای پیرولیز پیشرفتۀ تولید کنندۀ سوخت‌های جامد، مایع و گازی را شامل می‌شوند. تکنولوژیهای تبدیل بیومس می‌توانند 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 می‌شود.

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 می‌کند و پیرولیز دما پایین کمتر از (۶۰۰ درجه سانتی گراد) قرن‌هاست که برای تولید زغال چوب استفاده می‌گردد.

٣- فرآیندهای بیوشیمیایی

این نوع فرآیندها در بیوشیمی‌مواد خام و فعالیت متابولیک ارگانیزم‌های میکروبی جهت تولید سوخت‌های گازی و سوخت‌های مایع کاربرد دارد.

انرژی بیوگاز

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

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. غلظت‌های بسیار اندک از هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن هم ممکن است در بیوگاز یافت شوند. به طور کلی ویژگی گازهای اصلی بیوگاز را می‌توان به صورت زیر بیان کرد.

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

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

سولفید هیدروژن: گازی بی رنگ، سمی‌و سنگین تر از هوا است، این گاز علاوه بر خطرناک و سمی‌بودن، خورنده هم می‌باشد. گاز سولفید هیدروژن پس از احتراق به ،SO2 تبدیل می‌شود که آن نیز یک گاز سمی‌است 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 می‌آورد. 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 می‌کند. میزان بخار آب موجود در بیوگاز با دمای بیوگاز تغییر می‌کند. زمانی که بیوگاز اشباع از بخار آب،‌هاضم را ترک می‌کند با خنک کردن آن، بخار آب متراکم شده و میعان می‌شود.

کاربرد زیست گاز یا بیوگاز

از بیوگاز می‌توان استفاده‌های گوناگون کرد که هر یک نیازهای جداگانه ای را طلب می‌کند.

الف) اجاق‌های بیوگاز سوز

اجاق‌های بیوگاز سوز به دلیل سادگی طرح و قیمت مناسب دارای پایه و بدنۀ فلزی معمولی می‌باشند ولی شعله پخش کن آن‌ها باید از فلزات مقاوم در برابر خوردگی ساخته شود.

ب) لامپ‌های بیوگاز سوز

این لامپ‌ها بازدهی کمی‌دارند و به دلیل حرارت بالا امکان آتش سوزی نیز وجود دارد. با کمک بیوگاز می‌توان روشنایی شهرها را تأمین و به این وسیله در مصرف سوخت‌های فسیلی که ماده ی اولیه مورد نیاز در نیروگاه‌ها هستند صرفه جویی کرد.

پ) بخاری‌های تابشی

بخاری‌های مادون قرمز همراه با تهویۀ مطبوع برای پرورش و نگهداری از حیوانات مانند دامداری‌ها به کار می‌روند. این بخاری‌ها بدنۀ سرامیکی دارند که به وسیله شعلۀ بیوگاز تا۶۰۰ الی ۸۰۰ درجهی سانتی گراد گرم می‌شوند. استفاده از این بخاری‌ها به مراقبت و نگهداری ویژه نیاز دارد.

ت) آبگرمکن‌های بیوگاز سوز

در این دستگاه‌ها از بیوگاز به عنوان سوخت استفاده می‌شود و برای گرمایش خانه و فضاهای اداری و صنعتی به کار می‌روند.

ث) یخچال

یخچال‌های نوع جذبی که با آمونیاک و آب کار می‌کنند، می‌توانند از بیوگاز به عنوان سوخت استفاده کنند. در صورت استفاده از بیوگاز در این یخچال‌ها حتما باید پیلوت ایمنی به کار برده شود. بسته به دمای محیط، یک یخچال ۱۰۰ لیتری روزانه ۲۰۰۰ لیتر بیوگاز مصرف می‌کند.

ج) موتورهای بیوگاز سوز

از بیوگاز حاصل از بیوماس می‌توان به عنوان سوخت در انواع موتورهای موجود‌ دیزلی و چرخه‌ای و یا چهار‌زمانه استفاده کرد.