عصر تحلیل | دانشنامه: در این بخش از دانشنامه عصر تحلیل به مساله زیست توده « Biomass » می پردازیم. آیا شما با زیست توده آشنایی دارید و به چه اندازه از این موضوع اطلاع دارید.
شاید برایتان جالب باشد که استفاده انرژی زیست توده به انسان های اولیه بر می گردد به طوریکه مردم از انرژی زیست توده (انرژی موجودات زنده) استفاده کرده‌اند ، زیرا انسان‌های اولیه برای اولین بار آتش هیزم را برای پخت و پز یا گرم نگه‌داشتن می‌سازند.
انرژی زیست توده همچنین می تواند یک منبع انرژی تجدید ناپذیر باشد
زیست توده آلی است، به این معنی که از موادی ساخته شده است که از موجودات زنده مانند گیاهان و حیوانات به دست می آید. متداول ترین مواد زیست توده ای که برای انرژی استفاده می شود گیاهان، چوب و زباله هستند. به این مواد اولیه زیست توده می گویند . انرژی زیست توده همچنین می تواند یک منبع انرژی تجدید ناپذیر باشد.
زیست توده حاوی انرژی است که ابتدا از خورشید به دست می آید: گیاهان انرژی خورشید را از طریق فتوسنتز جذب می کنند و دی اکسید کربن و آب را به مواد مغذی (کربوهیدرات ها) تبدیل می کنند.
انرژی حاصل از این موجودات می تواند از طریق مستقیم و غیر مستقیم به انرژی قابل استفاده تبدیل شود. زیست توده می تواند برای ایجاد گرما (مستقیم)، تبدیل به برق (مستقیم)، یا پردازش به سوخت زیستی (غیر مستقیم) سوخته شود.
تبدیل حرارتی زیست توده
زیست توده را می توان با تبدیل حرارتی سوزاند و برای انرژی استفاده کرد. تبدیل حرارتی شامل حرارت دادن ماده اولیه زیست توده به منظور سوزاندن، آبگیری یا تثبیت آن است. آشناترین مواد اولیه زیست توده برای تبدیل حرارتی، مواد خام مانند زباله های جامد شهری (MSW) و ضایعات کارخانه های کاغذ یا چوب هستند.
انواع مختلف انرژی از طریق شلیک مستقیم، شلیک همزمان ، تجزیه در اثر حرارت ، تبدیل به گاز و تجزیه بی هوازی ایجاد می شود.
با این حال، قبل از سوزاندن زیست توده، باید آن را خشک کرد. به این فرآیند شیمیایی ، شکستگی می گویند. در حین شکستن، زیست توده تا حدود ۲۰۰ درجه تا ۳۲۰ درجه سانتیگراد (۳۹۰ درجه تا ۶۱۰ درجه فارنهایت) گرم می شود. زیست توده به قدری خشک می شود که توانایی جذب رطوبت یا پوسیدگی را از دست می دهد. حدود ۲۰ درصد از جرم اولیه خود را از دست می دهد، اما ۹۰ درصد از انرژی خود را حفظ می کند. انرژی و جرم از دست رفته را می توان برای سوخت رسانی به فرآیند شکستن استفاده کرد.
در طی ترفند، زیست توده به ماده ای خشک و سیاه شده تبدیل می شود. سپس به شکل بریکت فشرده می شود . بریکت های زیست توده بسیار آبگریز هستند ، به این معنی که آب را دفع می کنند. این امر امکان نگهداری آنها را در مناطق مرطوب فراهم می کند. بریکت ها چگالی انرژی بالایی دارند و به راحتی در هنگام شلیک مستقیم یا همزمان سوزانده می شوند.
شلیک مستقیم و شلیک همزمان
اکثر بریکت ها مستقیماً سوزانده می شوند. بخار تولید شده در طی فرآیند شلیک، یک توربین را نیرو می دهد که یک ژنراتور را می چرخاندو برق تولید می کند. این الکتریسیته می تواند برای تولید یا گرمایش ساختمان ها استفاده شود.
زیست توده همچنین می تواند به صورت همزمان سوخته شود یا با سوخت فسیلی سوزانده شود. زیست توده اغلب در کارخانه‌های زغال‌سنگ به صورت مشترک سوخته می‌شود . شلیک مشترک نیاز به کارخانه های جدید برای پردازش زیست توده را از بین می برد. احتراق مشترک همچنین تقاضا برای زغال سنگ را کاهش می دهد. این امر باعث کاهش دی اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه ای می شود که از سوزاندن سوخت های فسیلی آزاد می شوند.
پیرولیز Pyrolysis
پیرولیز Pyrolysis یک روش مرتبط برای گرم کردن زیست توده است. در طی پیرولیز، زیست توده بدون حضور اکسیژن تا دمای ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد (۳۹۰ تا ۵۷۰ درجه فارنهایت) گرم می شود. این موضوع از احتراق آن جلوگیری می کند و باعث می شود زیست توده از نظر شیمیایی تغییر کند.
پیرولیز یک مایع تیره به نام روغن پیرولیز ، یک گاز مصنوعی به نام گاز سنتزی و یک باقیمانده جامد به نام بیوچار تولید
می کند . همه این اجزا را می توان برای انرژی استفاده کرد. روغن پیرولیز، که گاهی اوقات بیو اویل « pyrolysis oil» یا بیو خام « synthetic gas» نیز نامیده می شود، نوعی قیر است . می توان آن را برای تولید الکتریسیته احتراق کرد و همچنین به عنوان جزئی در سایر سوخت ها و پلاستیک ها استفاده می شود.
دانشمندان و مهندسان در حال مطالعه روغن پیرولیز به عنوان یک جایگزین احتمالی برای نفت هستند . گاز سنتزی را می توان به سوخت (مانند گاز طبیعی مصنوعی ) تبدیل کرد. همچنین می توان آن را به متان تبدیل کرد و به عنوان جایگزینی برای گاز طبیعی استفاده کرد. بیوچار نوعی زغال چوب است . بیوچار یک جامد غنی از کربن است که به ویژه در کشاورزی مفید است . بیوچار خاک را غنی می کند و از شسته شدن آفت کش ها و سایر مواد مغذی به رواناب جلوگیری می کند . Biochar همچنین یک سینک کربن عالی است . سینک های کربن مخزنی برای مواد شیمیایی حاوی کربن از جمله گازهای گلخانه ای هستند.
گازی شدن « Gasification»
زیست توده نیز می تواند مستقیماً از طریق گازی شدن یا اصطلاحا گازی سازی به انرژی تبدیل شود. در طول فرآیند تبدیل به گاز، یک ماده اولیه زیست توده (معمولا MSW) تا بیش از ۷۰۰ درجه سانتیگراد (۱۳۰۰ درجه فارنهایت) با مقدار کنترل شده اکسیژن گرم می شود. مولکول ها تجزیه می شوند و گاز سنتز و سرباره تولید می کنند.
گاز سنتز ترکیبی از هیدروژن و مونوکسید کربن است. در حین تبدیل به گاز، گاز سنتز از گوگرد، ذرات، جیوه و سایر آلاینده ها پاک می شود . گاز سنتز تمیز را می توان برای گرما یا الکتریسیته احتراق کرد یا به سوخت های زیستی حمل و نقل، مواد شیمیایی و کود تبدیل کرد.
سرباره به صورت مایع شیشه ای و مذاب شکل می گیرد. می توان از آن برای ساخت سیمان یا آسفالت استفاده کرد.
کارخانه‌های گازرسانی صنعتی در سراسر جهان در حال ساخت هستند. آسیا و استرالیا در حال ساخت و راه اندازی بیشترین نیروگاه ها هستند، اگرچه یکی از بزرگترین نیروگاه های گازرسانی در جهان در حال حاضر در استاکتون-آن-تیس، انگلستان در حال ساخت است. این نیروگاه در نهایت قادر خواهد بود بیش از ۳۵۰۰۰۰ تن MSW را به انرژی کافی برای تامین انرژی ۵۰۰۰۰ خانه تبدیل کند.
تجزیه بی هوازی
تجزیه بی هوازی فرآیندی است که در آن میکروارگانیسم ها ، معمولاً باکتری ها ، مواد را در غیاب اکسیژن تجزیه می کنند. تجزیه بی هوازی یک فرآیند مهم در محل های دفن زباله است ، جایی که زیست توده خرد و فشرده می شود و یک محیط بی هوازی (یا فقیر از اکسیژن) ایجاد می کند.
در یک محیط بی هوازی، زیست توده تجزیه می شود و متان تولید می کند که یک منبع انرژی ارزشمند است. این متان می تواند جایگزین سوخت های فسیلی شود.
علاوه بر دفن زباله، تجزیه بی هوازی را می توان در دامداری ها و دامداری ها نیز اجرا کرد . کود و سایر فضولات حیوانی را می توان به گونه ای تبدیل کرد که به طور پایدار نیازهای انرژی مزرعه را تامین کند.
بیومس سوخت زیستی
تنها منبع انرژی تجدیدپذیر است که می تواند به سوخت های زیستی مایع مانند اتانول و بیودیزل تبدیل شود . سوخت زیستی برای تامین انرژی وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد و در کشورهایی مانند سوئد، اتریش و ایالات متحده از طریق گازسازی تولید می شود.
اتانول از تخمیر زیست توده ای که کربوهیدرات بالایی دارد مانند نیشکر، گندم یا ذرت ساخته می شود. بیودیزل از ترکیب اتانول با چربی حیوانی، چربی پخت و پز بازیافت شده یا روغن نباتی ساخته می شود.
سوخت های زیستی به اندازه بنزین کارآمد نیستند. با این حال، آنها را می توان با بنزین ترکیب کرد تا به طور موثر وسایل نقلیه و ماشین آلات را تامین کند و انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط با سوخت های فسیلی را منتشر نمی کند.
اتانول برای رشد محصولات زیستی (معمولا ذرت) به هکتار زمین کشاورزی نیاز دارد. حدود ۱۵۱۵ لیتر (۴۰۰ گالن) اتانول توسط یک هکتار ذرت تولید می شود. اما این سطح زیر کشت برای کشت محصولات غذایی برای مصارف دیگر در دسترس نیست. کشت ذرت کافی برای اتانول نیز به دلیل عدم تنوع در کاشت و استفاده زیاد از آفت کش ها، فشاری را بر محیط زیست وارد می کند.
اتانول به یک جایگزین محبوب برای چوب در شومینه های مسکونی تبدیل شده است. وقتی می سوزد به صورت شعله گرما و به جای دود بخار آب می دهد.
بیوچار
بیوچار ، تولید شده در طی پیرولیز، در مصارف کشاورزی و محیطی ارزشمند است.
هنگامی که زیست توده پوسیده می شود یا می سوزد (به طور طبیعی یا در اثر فعالیت های انسانی)، مقادیر زیادی متان و دی اکسید کربن را در جو آزاد می کند . با این حال، هنگامی که زیست توده ذغالی می شود، محتوای کربن خود را جدا می کند یا ذخیره می کند. وقتی بیوچار دوباره به خاک اضافه می‌شود، می‌تواند به جذب کربن ادامه دهد و ذخایر زیرزمینی بزرگی از کربن جدا شده – غرق‌های کربن – تشکیل دهد که می‌تواند منجر به انتشار کربن منفی و خاک سالم‌تر شود.
Biochar همچنین به غنی سازی خاک کمک می کند. متخلخل است . هنگامی که بیوچار دوباره به خاک اضافه می شود، آب و مواد مغذی را جذب و حفظ می کند.
Biochar در جنگل های آمازون برزیل در فرآیندی به نام slash-and-char استفاده می شود . کشاورزی Slash-and-char جایگزین slash and burn می شود که به طور موقت مواد مغذی خاک را افزایش می دهد اما باعث می شود ۹۷ درصد از محتوای کربن خود را از دست بدهد. در حین بریدگی و زغال، گیاهان زغالی شده (بیوچار) به خاک بازگردانده می شوند و خاک ۵۰ درصد کربن خود را حفظ می کند. این باعث تقویت خاک و رشد قابل توجهی گیاه می شود.
مشروب سیاه
هنگامی که چوب به کاغذ تبدیل می شود، ماده ای پرانرژی و سمی به نام مشروب سیاه تولید می کند. تا دهه ۱۹۳۰، مشروبات الکلی سیاه از کارخانه های کاغذ به عنوان یک محصول زائد در نظر گرفته می شد و به منابع آبی اطراف ریخته می شد.
با این حال، مشروب سیاه بیش از ۵۰ درصد از انرژی زیست توده چوب را حفظ می کند. با اختراع دیگ بازیابی در دهه ۱۹۳۰، مشروب سیاه را می توان بازیافت کرد و برای تامین انرژی آسیاب استفاده کرد. در ایالات متحده، کارخانه‌های کاغذ تقریباً از تمام مشروبات الکلی سیاه خود برای راه‌اندازی کارخانه‌های خود استفاده می‌کنند و در نتیجه صنعت جنگل یکی از کارآمدترین صنایع در این کشور است.
اخیراً، سوئد آزمایش گازی کردن مشروبات الکلی سیاه را برای تولید گاز سنتز انجام داده است که سپس می تواند برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد.
زیست توده پیل‌های سوختی هیدروژنی
زیست توده پیل‌های سوختی هیدروژنی غنی از هیدروژن است که می‌توان آن را به صورت شیمیایی استخراج کرد و برای تولید نیرو و سوخت وسایل نقلیه استفاده کرد. پیل‌های سوختی ثابت برای تولید برق در مکان‌های دور، مانند فضاپیماها و مناطق بیابانی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، پارک ملی یوسمیت در ایالت کالیفرنیای آمریکا، از سلول های سوختی هیدروژنی برای تامین برق و آب گرم ساختمان اداری خود استفاده می کند.
سلول های سوختی هیدروژنی ممکن است پتانسیل بیشتری را به عنوان منبع انرژی جایگزین برای وسایل نقلیه داشته باشند. وزارت انرژی ایالات متحده تخمین می زند که زیست توده پتانسیل تولید ۴۰ میلیون تن هیدروژن در سال را دارد. این برای سوخت ۱۵۰ میلیون خودرو کافی است.
در حال حاضر، سلول‌های سوختی هیدروژنی برای تامین انرژی اتوبوس‌ها، لیفتراک‌ها، قایق‌ها و زیردریایی‌ها استفاده می‌شوند و در هواپیماها و سایر وسایل نقلیه در حال آزمایش هستند.
با این حال، این بحث وجود دارد که آیا این فناوری پایدار می شود یا از نظر اقتصادی امکان پذیر خواهد بود. انرژی ای که برای جداسازی، فشرده سازی، بسته بندی و انتقال هیدروژن لازم است، مقدار زیادی انرژی برای استفاده عملی باقی نمی گذارد.
زیست توده و محیط زیست زیست توده بخشی جدایی ناپذیر از چرخه کربن زمین است. چرخه کربن فرآیندی است که در آن کربن بین تمام لایه‌های زمین رد و بدل می‌شود: اتمسفر، هیدروسفر ، بیوسفر و لیتوسفر .
چرخه کربن اشکال مختلفی دارد. کربن به تنظیم میزان نور خورشید که وارد جو زمین می شود کمک می کند. از طریق فتوسنتز، تجزیه، تنفس و فعالیت های انسانی مبادله می شود. برای مثال، کربنی که به هنگام تجزیه یک موجود زنده توسط خاک جذب می‌شود، ممکن است بازیافت شود زیرا گیاه مواد مغذی مبتنی بر کربن را از طریق فتوسنتز در بیوسفر آزاد می‌کند. در شرایط مناسب، موجودات در حال تجزیه ممکن است قبل از استخراج از طریق فعالیت های طبیعی یا انسانی به ذغال سنگ نارس ، زغال سنگ یا نفت تبدیل شوند.
بین دوره های تبادل، کربن جدا شده یا ذخیره می شود. کربن موجود در سوخت‌های فسیلی میلیون‌ها سال است که جدا شده است. هنگامی که سوخت های فسیلی استخراج می شوند و برای دریافت انرژی سوزانده می شوند، کربن جدا شده آنها در جو آزاد می شود. سوخت های فسیلی کربن را بازجذب نمی کنند.
برخلاف سوخت های فسیلی، زیست توده از موجودات زنده اخیر به دست می آید. کربن موجود در زیست توده می تواند همچنان در چرخه کربن مبادله شود.
با این حال، برای اینکه به زمین اجازه دهد تا روند چرخه کربن را ادامه دهد، مواد زیست توده مانند گیاهان و جنگل ها باید به طور پایدار کشاورزی شوند. دهه‌ها طول می‌کشد تا درختان و گیاهانی مانند علف سبز دوباره جذب و کربن را جدا کنند. ریشه کن کردن یا مزاحمت خاک می تواند به شدت روند را مختل کند. عرضه مداوم و متنوع درختان، محصولات زراعی و سایر گیاهان برای حفظ محیط زیست سالم حیاتی است.
سوخت جلبکی
سوخت جلبکی یک ارگانیسم منحصر به فرد است که دارای پتانسیل عظیمی به عنوان منبع انرژی زیست توده است. جلبکها که آشناترین شکل آنها جلبک دریایی است، از طریق فتوسنتز با سرعتی بسیار سریعتر از هر ماده اولیه سوخت زیستی دیگری انرژی تولید می کند – تا ۳۰ برابر سریعتر از محصولات غذایی!
جلبک ها را می توان در آب اقیانوس ها پرورش داد، بنابراین منابع آب شیرین را کاهش نمی دهد. همچنین نیازی به خاک ندارد و بنابراین زمین های قابل کشت را که به طور بالقوه می توانند محصولات غذایی را پرورش دهند کاهش نمی دهد. اگرچه جلبک ها هنگام سوزاندن دی اکسید کربن آزاد می کنند، اما می توان آن را به عنوان یک موجود زنده پرورش داد و دوباره پر کرد. همانطور که دوباره پر می شود، اکسیژن آزاد می کند و آلاینده ها و انتشار کربن را جذب می کند.
جلبک ها فضای بسیار کمتری را نسبت به سایر محصولات سوخت زیستی اشغال می کنند. وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا تخمین می زند که تنها به ۳۸۸۵۰ کیلومتر مربع (۱۵۰۰۰ مایل مربع، مساحتی کمتر از نصف مساحت ایالت مین ایالات متحده) نیاز است تا جلبک کافی برای جایگزینی تمام نیازهای انرژی با سوخت نفت در ایالات متحده رشد کند.
جلبک ها حاوی روغن هایی هستند که می توانند به سوخت زیستی تبدیل شوند. به عنوان مثال، در شرکت Aquaflow Bionomic در نیوزیلند، جلبک ها با گرما و فشار پردازش می شوند. این یک ” خام سبز ” ایجاد می کند که خواص مشابه نفت خام دارد و می تواند به عنوان سوخت زیستی استفاده شود.
رشد، فتوسنتز و تولید انرژی جلبک ها زمانی که دی اکسید کربن در آن حباب می شود، افزایش می یابد. جلبک یک فیلتر عالی است که انتشار کربن را جذب می کند. Bioenergy Ventures، یک شرکت اسکاتلندی، سیستمی را توسعه داده است که در آن انتشار کربن از یک کارخانه تقطیر ویسکی به یک استخر جلبک هدایت می شود. جلبک با دی اکسید کربن اضافی شکوفا می شود. هنگامی که جلبک ها می میرند (پس از حدود یک هفته) آنها جمع آوری می شوند و لیپیدها (روغن) آنها به سوخت زیستی یا غذای ماهی تبدیل می شوند.
جلبک ها پتانسیل بسیار زیادی به عنوان منبع انرژی جایگزین دارند. با این حال، پردازش آن به اشکال قابل استفاده گران است. اگرچه تخمین زده می شود که ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از سایر محصولات سوخت زیستی سوخت تولید کند، اما در سال ۲۰۱۰ هر تن ۵۰۰۰ دلار هزینه داشت. این هزینه احتمالاً کاهش خواهد یافت، اما در حال حاضر برای اکثر اقتصادهای در حال توسعه دور از دسترس است.
مردم و مزایای زیست توده
زیست توده یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر است. انرژی اولیه آن از خورشید می آید و گیاهان یا زیست توده جلبک ها می توانند در مدت زمان نسبتاً کوتاهی دوباره رشد کنند. درختان، محصولات زراعی و زباله های جامد شهری به طور مداوم در دسترس هستند و می توان آنها را به طور پایدار مدیریت کرد.
اگر درختان و محصولات کشاورزی پایدار باشند، زمانی که دی اکسید کربن را از طریق تنفس جذب می کنند، می توانند انتشار کربن را جبران کنند. در برخی از فرآیندهای بیوانرژی، مقدار کربنی که بازجذب می‌شود، حتی از انتشار کربنی که در طول پردازش یا استفاده سوخت آزاد می‌شود، فراتر می‌رود. بسیاری از مواد اولیه زیست توده مانند چمن سوئیچ را می توان در زمین های حاشیه ای یا مراتع برداشت کرد ، جایی که آنها با محصولات غذایی رقابت نمی کنند. برخلاف سایر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد یا خورشید، انرژی زیست توده در بدن ذخیره می شود و در صورت نیاز می توان آن را برداشت کرد.
معایب
اگر مواد اولیه زیست توده به همان سرعتی که استفاده می شوند دوباره پر نشوند، می توانند غیر قابل تجدید شوند. به عنوان مثال، یک جنگل می تواند صدها سال طول بکشد تا دوباره ایجاد شود. این مدت زمان بسیار بسیار کوتاه‌تر از سوخت‌های فسیلی مانند ذغال سنگ نارس است. ممکن است ۹۰۰ سال طول بکشد تا فقط یک متر (سه فوت) پیت دوباره پر شود.
بیشتر زیست توده ها برای توسعه به زمین های قابل کشت نیاز دارند. این بدان معناست که زمین های مورد استفاده برای محصولات سوخت زیستی مانند ذرت و سویا برای رشد غذا یا ایجاد زیستگاه های طبیعی در دسترس نیستند.
مناطق جنگلی که برای چندین دهه بالغ شده اند (به اصطلاح ” جنگل های قدیمی “) می توانند کربن بیشتری نسبت به مناطق تازه کاشته شده جذب کنند. بنابراین، اگر مناطق جنگلی به طور پایدار قطع نشوند، دوباره کاشته نشوند، و زمان لازم برای رشد و جذب کربن داده نشود، مزایای استفاده از چوب برای سوخت با رشد مجدد درختان جبران نمی شود.
بیشتر نیروگاه های زیست توده برای کارآمدی اقتصادی به سوخت های فسیلی نیاز دارند. برای مثال، یک کارخانه عظیم در حال ساخت در نزدیکی پورت تالبوت، ولز، به سوخت‌های فسیلی وارداتی از آمریکای شمالی نیاز دارد که بخشی از پایداری شرکت را جبران می‌کند .
زیست توده نسبت به سوخت های فسیلی «چگالی انرژی» کمتری دارد. ۵۰ درصد زیست توده را آب تشکیل می دهد که در فرآیند تبدیل انرژی از بین می رود. دانشمندان و مهندسان تخمین می زنند که انتقال زیست توده در فاصله بیش از ۱۶۰ کیلومتر (۱۰۰ مایل) از جایی که پردازش می شود از نظر اقتصادی کارآمد نیست. با این حال، تبدیل زیست توده به گلوله (برخلاف تراشه های چوب یا بریکت های بزرگتر) می تواند چگالی انرژی سوخت را افزایش دهد و حمل و نقل آن را مفیدتر کند.
سوزاندن زیست توده باعث آزاد شدن مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و سایر آلاینده ها و ذرات می شود. اگر این آلاینده ها جذب و بازیافت نشوند، سوزاندن زیست توده می تواند دود ایجاد کند و حتی از تعداد آلاینده های آزاد شده توسط سوخت های فسیلی فراتر رود.
