انرژی زیست توده

انرژی زیست توده

امروزه زیست توده به عنوان یک منبع تجدید پذیر، نقش مهمی را در تأمین انرژی ایفا می کند. به طور کلی ،بايومس يا زيست توده عبارت است از تمام مواد و ترکیبات تجزیه پذیری که مشتق یا جزئی از یک موجود زنده هستند و به سه دسته ی کلی کشاورزی، شهری و صنعتی تقسیم بندی می شوند:

1. زیست توده کشاورزی:
   • شامل فضولات حیوانی، پسماند درو، ضایعات کشاورزی و محصولات انرژی و... می شوند.
2. زیست توده شهری و خانگی:
   • شامل  غذاهای فاسد، پسماند غذا، لجن فاضلاب و پسماندهای خانگی و... می شوند.
3. زیست توده صنعتی:
   • شامل پسماندهای آلی کارخانه ها،گلیسیرین و فاضلابها ی فرایندهای صنعتی و... می شوند.

زیست توده ها معمولاً شامل ترکیباتی مانند قند، چربی و نشاسته هستند که طی فرایندهای شیمیایی و حرارتی می توانند هضم یا تجزیه شوند و به انرژی تبدیل شوند. این انرژی تولید شده از زیست توده ، انرژی زیستی یا سوخت زیستی نام دارد که یکی از انواع انرژی های تجدید پذیر محسوب می شود و معمولاً به سه دسته ی  جامد، مایع و گاز تقسیم بندی می شوند که هر کدام برای کاربردهای مختلفی مانند تولید برق، گرمایش ، حمل ونقل  و... مورد استفاده قرار می گیرند . در ادامه به توضیح انواع سوخت های زیستی پرداخته می شود.

انواع سوخت های زیستی

1. سوخت های زیستی جامد

1-1. هیزم (Firewood):

پیش از کشف سوخت های فسیلی، انسان از هیزم برای تأمین انرژی مورد نیاز خود استفاده می کرد به طوری که هیزم های تر را جمع آوری می کردند و آن ها را حداقل به مدت 6 ماه در مکانی با تهویه مناسب نگه می داشتند تا رطوبت هیزم ها به حداقل برسد و  به اصطلاح خشک شوند زیرا هیزم تر هنگام سوختن به دلیل این که رطوبتش به بخار تبدیل می شود، گرما جذب می کند و  انرژی کمتری را آزاد می کند.

احتراق هیزم ما محصولاتی مانند گرما،نور و بخار آب به همراه داشت که انسان ها از این محصولات برای روشنایی، گرمایش ، پخت و پز ، ذوب فلزات و.... استفاده می کرده است. احتراق هیزم ها به دلیل اکسیداسیون سریع ترکیبات کربن زیستی توسط اکسیژن در دمای بالا است و به سادگی می توان آن را به صورت زیر توصیف کرد:

ارزش حرارتی هیزم های خشک شده به اندازه ی یک سوم تا نصف سوخت های فسیلی است.

2-1. خرده چوب (Wood chips):

هنگامی که شاخه های درختان توسط دستگاه ها بریده و قطع می شوند، تکه چوب های کوچکی  بر اثر برش درختان به وجود می آیند که خرده چوب یا Wood chips نام دارند. احتراق خرده چوب ها باعث انتشار (SOx) و (NOx) بسیار کم تری نسبت به زغال سنگ  می شود. از ابتدای قرن بیست و یکم از خرده چوب ها به طور فزاینده ای برای گرمایش و تولید برق استفاده شده است.

3-1. گلوله چوبی (Wood pellets):

به خرده‌های چوب فراوری شده گلوله‌های چوب یا Wood pellets میگویند. خرده چوب‌هایی که  آسیاب و تبدیل به خاک اره میشوند، ارزش حرارتی چندان بالایی ندارند بنابراین آن‌ها را در قالب های گلوله شکل، فشرده و متراکم میکنند تا به صورت pellets یا گلوله‌های چوبی برای گرمایش خانه ها مورد استفاده قرار گیرند. گلوله‌های چوبی گران تر از چوب خرده‌ها هستند اما حمل و نقل و ذخیره سازی آن‌ها راحت تر است. در کشورهایی مانند چین، ژاپن، آلمان، بریتانیا، و هلند از گلوله‌های چوبی برای گرمایش خانه‌ها  استفاده میشود.

4-1. ذغال چوب:

از طریق حرارت دادن چوب در یک کوره در دمای 400 درجه سانتیگراد بدون غیاب اکسیژن، ذغال چوب به دست می آید که بدون شعله و دود میسوزد و از آن برای گرمایش و پخت و پز استفاده میکنند.

تجارت جهانی سوخت‌های زیستی جامد به حدود 18 میلیون تن در سال 2020 رسیده است.

2.سوخت های زیستی مایع:

2.1. اتانول زیستی (Bioethanol):

اتانولی که از زیست توده گیاهی یا کشاورزی از طریق فرایند تخمیر تولید می شود، اتانول زیستی نام دارد که از سه گروه مواد قندی، مواد نشاسته‌ای و مواد سلولزی  مانند نیشکر، چغندرقند، ذرت، گندم، جو، سیب زمینی تهیه می‌شود. در فرایند تولید اتانول زیستی ابتدا ، فرایند هیدرولیز انجام می شود تا سلولز ها به گلوکز تبدیل شوند و سپس با تخمیر گلوکز ها ،اتانول زیستی به وجود می آید که در آن واکنش های بایوشیمیایی زیر دخیل است:

اتانول زیستی  اغلب به عنوان افزایش دهنده ی عدد اکتان بنزین مورد استفاده قرار می گیرد و باعث می شود که بنزین به صورت کامل بسوزد و آلاینده ی کم تری را تولید کند.

اتانول زیستی یکی از سوخت‌های زیستی امیدوارکننده برای حل بحران انرژی است و سرمایه‌گذاری‌های گسترده ای  برای توسعه ی آن در اروپا و آمریکا صورت گرفته است به صورتی که، ایالات متحده بیشترین  صادرات بایواتانول در سال های  2016 تا 2020 را در جهان داشته است که در سال 2020، ایالات متحده حدود 2.9 میلیارد لیتر بایواتانول برای سوخت حمل و نقل صادر کرد.

2.2 دیزل زیستی(Biodiesel)

بایودیزل یا دیزل زیستی ، مایعی زرد رنگ است که از روغن های گیاهی ، چربی‌های حیوانی و ...در حضور الکل و کاتالیزور قلیایی به دست می‌آید.

دیزل یک سوخت ضروری برای موتورهای دیزلی و گرمایش خانه است. بیشتر خودروها و ماشین‌های سنگین مانند تراکتور، کامیون، ماشین‌آلات ساختمانی،  با موتورهای دیزلی کار می‌کنند که نیازمند  سوخت دیزل هستند و دیزل زیستی به عنوان یک جایگزین مناسب برای دیزل محسوب می شود.

در سال 1977، دانشمند برزیلی ExpeditoParente اولین فرآیند صنعتی برای تولید بایودیزل را توسعه داد. در سال 1989، اولین کارخانه بایودیزل در مقیاس صنعتی در جهان در اتریش برای تولید بایودیزل از کلزا احداث شد.

در حال حاضر صادرکنندگان عمده بیودیزل کشورهای آرژانتین، چین و اندونزی هستند .در سال 2019 ، حدود 4.2 میلیارد لیتر بایودیزل در جهان فروخته شد و اروپا خریدار اصلی بایودیزل بوده است. صادرات بایودیزل به اروپا به طور قابل توجهی رشد کرد و در سال 2018 به اوج خود رسید.

2.3. نفت زیستی(Pyrolysis bio-oil)

سوخت‌های فسیلی از بقایای گیاهان و جانوران میلیون‌ها سال پیش تحت اثر گرما و فشار زمین تشکیل شدند. انسان‌ها برای تولید سوخت‌های فسیلی مشابه، زیست توده گیاهی را در دمای بالا، فشار بالا و محیط بدون اکسیژن قرار دادند  و در نتیجه محصولات این فرایند کمی شبیه به سوخت های فسیلی شدند که یکی از این محصولات نفت زیستی است..بیشتر  ترکیبات آلی مانند چوب، علف خشک، نی ، خاک اره، نیشکر، پوسته بادام زمینی را می توان برای تولید نفت زیستی استفاده کرد. نفت زیستی سوخت مناسبی برای تأمین انرژی دیگ‌ها، کوره‌ها، موتورها و ژنراتورهای الکتریکی است.

3-سوخت های زیستی گازی

3.1. بایوگاز(Biogas):

بیوگاز یک سوخت قابل جایگزین برای گاز طبیعی است. این سوخت از طریق تجزیه ترکیبات زیست توده در غیاب اکسیژن ،طی  هضم بی هوازی تولید می شود. چهار مرحله اساسی  هضم بی هوازی شامل موارد زیر است:

1.هیدرولیز: باکتری‌های بی هوازی مانند Bacteriocides  ،  Clostridia  ، Bifidobacteria ،   Streptococci و Enterobacteriaceae مولکول‌های آلی پیچیده و بزرگ را  به مولکول های ساده‌تر تجزیه می کنند. به عنوان نمونه کربوهیدرات‌ها را  به قند، پروتئین‌ها را  به اسیدهای چرب، و چربی‌ها به اسیدهای چرب تبدیل می کنند .

1. تخمیر : باکتری های اسیدوژنیک ، مولکول های آلی ساده را به دی اکسید کربن، هیدروژن، آمونیاک و اسیدهای آلی تبدیل می کنند.
2. آستن زایی: باکتری های استوژنیک اسیدهای آلی را به همراه هیدروژن، آمونیاک و دی اکسید کربن اضافی به اسید استیک تبدیل می کنند.
3. متان زایی: باکتری های متانوژنیک، اسید استیک را به متان و کربن دی اکسید تجزیه می کنند.

بیوگاز خام شامل 60 تا 65 درصد متان (CH₄)، 30 تا 35 درصد CO₂ و درصد کمی از بخار آب و  H₂ و H₂S است. پس از تصفیه برای حذف CO₂، H₂S و سایر ناخالصی ها، بیوگاز با کیفیت با عنوان بایو متان در خط لوله به عنوان جایگزین گاز طبیعی استفاده می شود.

• گاز سنتز(Syngas) :

گاز سنتز یکی دیگر از سوخت‌های زیستی گازی است که از طریق  گازیسازی یا تجزیه در اثر حرارت  دادن  زیست توده تولید می‌شود. از نظر شیمیایی گاز سنتز شامل 30 تا 60 درصد CO، 25 تا 30 درصد H₂، 5 تا 15 درصد CO₂، 0 تا 5 درصد CH₄، و بخش های کمتری از بخار آب، H₂S ، NH₃است.

تاریخچه استفاده از انرژی زیستی:

انسان از  گذشته های دیرین  از سوخت های زیستی جامد مانند هیزم برای پخت و پز و گرمایش استفاده می کرده است؛ اما تولید و استفاده از  سوخت های زیستی مایع و گاز  تقریباً از  سال 1990 میلادی رایج شد . به صورتی که در دهه 1990 در کشورهايی مانند آلمان و اتريش، کشت محصولات انرژی از جمله : ذرت خوشه ای، چمن، غلات، چغندر، سيب زمينی و آفتاب گردان، به عنوان مواد اولیه برای تولید سوخت زیستی گازی یا  بيوگاز  در طی یک فرایند هضم بی هوازی توسعه يافت. همچنین در آمریکا نیز از اواخر قرن بیستم به دلیل اختلالات عرضه نفت در خاورمیانه و افزایش نگرانی های زیست محیطی در مورد استفاده از سوخت های فسیلی، تولید اتانول_ _ به عنوان تقویت کننده اکتان بنزین افزایش پیدا کرد.

تأثیرات انرژی زیستی:

انرژی زیستی می تواند به عنوان یک جایگزین مناسب برای سوخت های فسیلی باشد زیرا از سوخت های زیستی مانند بیوگاز،بایواتانول و هیدروژن  می توان در کاربردهای متنوعی مانند حمل و نقل  -در سه نوع جاده ای، کشتیرانی و هوانوردی- ،تولید برق، گرمایش و در صنعت استفاده شود ؛ در حالی که انتشار گازهای گلخانه ای بسیار کم تری، نسبت به سوخت های فسیلی دارد و همچنین باعث مزایای اقتصادی و اجتماعی فراوانی مانند احیای زمین و ایجاد شغل می شود. نا گفته نماند که استفاده از محصولات جانبی انرژی زیستی نیز به بهبود کیفیت خاک مزارع بسیار کمک می کند.

با این حال ،اگر انرژی زیستی به خوبی مدیریت نشود ، تأثیرات مخربی بر روی اجتماع،اقتصاد و محیط زیست خواهد گذاشت زیرا زنجیره ی تأمین انرژی زیستی ، با تعدادی از بخش‌های مهم مانند کشاورزی، جنگل‌داری، توسعه ی روستایی و مدیریت پسماند ارتباط قوی دارد . به عنوان مثال، افزایش عرضه ی انرژی زیستی می تواند باعث تغییر کاربری زمین های زراعی شود.این تغییر کاربری به این معنا است که کاشت محصولات انرژی، جایگزین کاشت غذا در زمین های کشاورزی شود که باعث به خطر افتادن امنیت غذایی منطقه واز دست دادن تنوع زیستی می شود.

چوب به عنوان انرژی زیستی منجر به جنگل زدایی می شود.

 استفاده ی سنتی از انرژی های زیستی مانند هیزم ، ارتباط نزدیکی با تخریب جنگل ها دارد. طبق گزارش FAO و وزارت انرژی زامبیا،  حدود 79000 تا 150000 هکتار جنگل ،تنها در زامبیا به دلیل استخراج هیزم و سوخت های چوبی تخریب شده است و تقریباً 4.1 میلیون هکتار از پوشش درختی جنگل‌های استوایی مرطوب  از بین رفته است.

 استفاده سنتی از زیست توده ،به طور قابل توجهی بر تنوع زیستی اکوسیستم های جنگلی ،تأثیر منفی می گذارد و باعث افزایش تغییرات آب و هوایی می شود زیرا جنگل ها به دلیل جذب کربن به عنوان بزرگترین مخازن کربن شناخته می شوند. بنابراین ، از دست دادن مخازن کربن ناشی از تخریب جنگل ها منجر به افزایش غلظت گازهای گلخانه ای در جو می شود. تخمین زده اند که  تخریب های اخیر در جنگل ها منجر به افزایش 2.64 گیگاتن کربن در جو شده است که معادل انتشار سالانه 570 میلیون خودرو است.

بنابراین،  در نوامبر 2021، در جریان کنفرانس تغییرات آب و هوایی سازمان ملل متحد ، بیش از 140 کشور متعهد شدند که تا سال 2030  تخریب جنگل ها را متوقف و معکوس کنند.

تولید انرژی زیستی از زباله

هنگامی که زباله ها را جمع آوری و در محل دفن رها می کنند، زباله ها شروع به تجزیه و انتشار گازهای گلخانه ای مانند متان می کنند که باعث افزایش تغییرات آب و هوایی می شود و همچنین با گسترش شهر نشینی و افزایش جمعیت، به مکان های بیشتری برای دفن زباله نیاز است بنابراین، یافتن یک راه حل برای مدیریت پسماند بسیار ضروری است.

فرایندهضم بی هوازی راه حل این مشکل است. به این صورت که زباله، کود حیوانی، ضایعات مواد غذایی و سایر بقایای آلی در طی یک فرایند هضم بی هوازی،تبدیل به بیوگاز می شوند و بیوگاز تولیدی را می توان فروخت یا برای گرمایش ، پخت و پز و حتی تولید برق از آن استفاده کرد. بنابراین می توان گفت که یک هاضم بیوگاز می تواند موضوع زباله را به یک فرصت درآمد تبدیل کند و باعث مدیریت پسماند بهتر و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای شود.همچنین از محصولات جانبی هضم بی هوازی می توان به عنوان کود زمین های کشاورزی استفاده کرد که به بهبود کیفیت خاک و محصولات کشاورزی کمک می کند.

ایجاد فرصت های شغلی با انرژی زیست توده:

سوخت های زیستی در سال 2020، باعث ایجاد بیش از 3.53 میلیون شغل در سراسر جهان شدند و پیش بینی شده است که این رقم تا سال 2050  به 13.7 میلیون شغل برسد.سوخت های زیستی مایع با ایجاد حدود 2.4 میلیون شغل در سال 2020 بیشترین سهم را در مشاغل انرژی زیستی داشته است.

افزایش امنیت انرژی توسط انرژی های زیستی

در برخی مناطق، انرژی زیستی در دسترس ترین منبع انرژی تجدیدپذیر در نظر گرفته می شود. برای مثال، زیست توده چوبی از جنگل های  اطراف روستاها  ممکن است پایدارترین راه برای گرم کردن خانه ها در مناطق روستایی باشد و همچنین کشورهایی که از تولید کنندگان بزرگ غذا هستند پتانسیل بالایی برای تولید بیوگاز از زیست توده های کشاورزی دارند.بنابراین می توان گفت سوخت های زیستی عاملی برای تأمین امنیت انرژی هستند.