انرژی حاصل از زیست توده Biomass energy
سوختهای گیاهی به دست آمده از پسماندهای جنگلی و محصولات کشاورزی جهان، به نوعی بزرگترین منبع ذخیره‌ی انرژی خورشیدی به شمار می‌آید، و میتواند سالانه به اندازه‌ی 70 ملیارد تن نفت خام، انرژی در دسترس بشر قرار دهد. این میزان 10 برابر مصرف سالانه انرژی در جهان است.
نکته‌ی مهم در به‌کار‌گیری این منبع، آن است که حاصل از سوختهای گیاهی دوباره توسط گیاهان تازه جذب و مصرف خواهد شد، و هیچ اثری در پدیده‌ی گلخانه‌ای و گرم‌شدن زمین نخواهد داشت.
گفتیم بیومس نوعی انرژی خورشیدی است، زیرا گیاهان انرژی خورشید را جذب می‌کنند و عمل فتوسنتز را انجام می‌دهند. انرژی شیمیایی موجود در گیاهان به وسیله‌ی انسانها و حیواناتی که آنها را می‌خورند جذب میشود.
بیومس یک منبع انرژی تجدید پذیر است زیرا همیشه می‌توانیم درختان و گیاهان را پرورش دهیم و همیشه زمین کشاورزی برای این کار وجود دارد. نمونه‌هایی از سوختهای بیومس چوب، ذرت، کود و بعضی زباله هستند. انرژی شیمیایی موجود در سوختهای بیومس، هنگام سوختن به صورت گرما آزاد میشود و میتواند به عنوان گرم‌کننده‌ی ساختمانی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین چوب‌ها و یا بعضی از زباله‌ها می‌توانند سوزانده شوند تا بخار آّب تولید شود و از آن برای تولید الکتریسیته استفاده شود. البته سوزاندن بیومس تنها راه آزاد سازی آنها نیست. بیومس‌ها می‌توانند به اشکال دیگری انرژی قابل استفاده در اختیار ما قرار دهند. مثل گاز متان، اتانول و بیودیزل. گاز متان جزء اصلی گاز طبیعی است. مواد بدبو مثل آشغال‌های گندیده و ضایعات کشاورزی و فضولات انسانی گاز متان آزاد می‌کنند که زیست گاز نامیده میشود.
یکی دیگر از از منابع بیومس زباله‌ها هستند که ضایعات جامد شهری (MSW) نام دارند. زباله‌هایی که از محصولات گیاهی یا جانوری به دست می‌آیند بیومس هستند. غذاهای دورریز و چمن‌های کنده شده نمونه‌هایی از زباله‌های بیومس هستند.
امروزه بیومس ها 3 درصد از انرژی مورد استفاده در ایالات متحده‌ی آمریکا را تأمین می‌کنند. مردم آمریکا سعی می‌کنند که استفاده از سوختهای بیومس را افزایش داده و استفاده از سوختهای فسیلی را کم کنند. استفاده از سوختهای بیومس به عنوان انرژی، ضایعات را کاهش داده و موجب حمایت از کشاورزان و محصولات آنها میشود.
زیست توده چیست؟
فناپذیری سوخت های فسیلی، تنوع‌بخشی به منابع انرژی، توسعه پایدار ایجاد امنیت انرژی، مشکلات زیست محیطی ناشی از مصارف انرژی فسیلی از یک طرف و تجدیدپذیر بودن منابع انرژی های نو نظیر خورشید، باد، زیست توده و … از طرف دیگر باعث توجه جدی جهانیان به توسعه و گسترش استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و افزایش سهم این منابع در سبد انرژی جهانی شده است. امروزه ما شاهد افزایش چشمگیر فعالیت ها و بودجه دولت ها و شرکت‌ها در امر تحقیق، توسعه و عرضه سیستم های انرژی های تجدیدپذیر هستیم و این فعالیت ها همراه با صرف بودجه‌های کلان در این زمینه در نهایت موجب کاهش قیمت تمام شده انرژی های تجدیدپذیر و رقابت‌پذیری این تکنولوژی با سیستم های انرژی سنتی موجود میگردد.
زیست توده یکی از منابع عمده در میان انواع منابع انرژیهای نو، میباشد. تعاریف متعدد و گوناگونی از این منابع شده است .تعریف اتحادیه اروپا از زیست توده که در راهنمای2001/77/EC به تاریخ 27سپتامبر 2001 میلادی عنوان شده، عبارت است از: “زیست توده عبارت است از اجزا قابل تجزیه زیستی از محصولات، پسماندها و زائدات کشاورزی (شامل مواد گیاهی و دامی)، جنگلها و صنایع وابسته و همچنین زائدات صنعتی و شهری قابل تجزیه”. بر اساس تعریف علمی ارائه شده برای زیست توده در این آیین نامه، زیست توده به سوختهائی اطلاق میگردد که از جرم توده فیتوپلانکتونها و جرم توده زئوپلانکتونها ساخته می‌شوند.
امروزه مشخص شده است که سوخت های زیستی به دست آمده از پسماندهای جنگل ها و محصول های کشاورزی جهان می تواند سالانه به اندازه ۷۰ میلیارد تن نفت خام انرژی در دسترس بشر قرار دهد که این میزان ۱۰ برابر مصرف سالانه انرژی در جهان است.همچنین می توان از این سوخت ها بیشتر در تولید گرما بهره برد زیرا می توانند باعث صرفه جویی اقتصادی چشمگیری شوند.
چرخه زیست توده در طبیعت:
بخشی از تشعشع خورشید که به اتمسفر زمین می رسد، بواسطه فرآیند فتوسنتز در گیاهان جذب و ذخیره میشود. ماکزیمم راندمان تبدیل انرژی خورشیدی در این فرآیند بین 5 تا 6 درصد است. گیاهان بعنوان منابع ذخیره کربن هستند و CO2 را از هوا جذب کرده و بصورت کربن ذخیره می نمایند. وقتی گیاهی توسط جانوری خورده می شود، بخشی از کربن موجود در گیاه خورده شده به انرژی تبدیل می شود و بخشی دیگر در بافت های زنده ذخیره می گردد. بخش سوم نیز با فضولات حیوانی دفع می گردد. در صورتی که چوب یا گیاهان سوزانده شوند، علاوه بر انرژی، بخش اعظمی از کربن ذخیره شده بصورت CO2 آزاد می¬شود و بخشی نیز در خاکستر باقی می¬ماند.
تاریخچه زیست توده در جهان:
• کشف و مهار آتش و استفاده از حرارت حاصل از سوزاندن چوب و خار و خاشاک
• خروج گاز و اشتعال ناقص آن ناشی از دفن زباله در طبقات زیرین زمین توسط پیلی¬نی روسی
• اعلام وان هلمونت در سال 1630 در خصوص شناسائی و اشتعال گاز دفنگاه
• کشف ماهیت گاز مرداب (متان- بیوگاز) در سال 1667 دانشمندی به نام شرلی
• شناسائی گاز متان به عنوان ترکیب اصلی بیوگاز از مواد تخمیر شده توسط ولتا و در سال 1776
• شروع تحقیقات عمده در زمینه تخمیر بیهوازی و کاربرد آن به وسیله شخصی به نام دیوی در سال 1808
• در سال 1884 فردی به نام گاین طرحی را به اجراء در آورد که به وسیله بیوگاز حاصل از انرژی زیست¬توده روشنائی خیابانهای شهر پاریس را تأمین نمود.
نخستین نیروگاه بایومس در کشور بنگلادش
تاریخچه زیست توده در ایران:
• محمدبن حسین عاملی معروف به شیخ بهائی (1031-935 هجری قمری) جزء نخستین کسانی بوده که از بیوگاز حاصل از زیست توده (فاضلاب حمام) استفاده کرده و آن را به عنوان سوخت یک حمام در اصفهان به کار برده است.
• اولین هاضم تولید گاز متان در ایران در روستاهای نیاز آباد لرستان در سال 1354 ساخته شده است. این دستگاه به گنجایش 5 متر مکعب فضولات گاوی روستا را مورد استفاده قرار داده و بیوگاز مصرفی حمام مجاور را تأمین می¬نموده است.
• از نظر استفاده¬های سنتی از این منبع، مطابق سرشماری سال 1375، 10 درصد خانوارهای روستایی برای گرمایش منازل خود و 5 درصد خانوارهای روستایی برای پخت و پز عمدتا از چوب و فضولات دامی استفاده می کرده¬اند.
• در سال 1359 دو واحد کوچک آزمایشی در دانشگاه بوعلی سینا همدان احداث گردید که با فضولات کشتارگاه و کود گاوی تغذیه می¬گردید.
• دانشگاه صنعتی شریف نیز در سال 1361 یک واحد 3 متر مکب را به صورت آزمایشی مورد مطالعه قرار داد که با فضولات گاوی بارگیری می‌شد.
• موسسه DLR آلمان نیز پتانسیل اقتصادی زیست توده برای تولید برق را تا سال 2050 بمیزان 3500 مگاوات محاسبه و ارائه نموده است.
• در حال حاضر پروژه¬های متعددی در این خصوص توسط وزارت نیرو و بخش خصوصی در دست اجرا می باشد .
تقسیم بندی انواع منابع زیست توده :
پسماندهای جامد: شامل مواد زائد جامدی هستند که از مراکز تجاری، اداری، خانگی و برخی صنایع حاصل میشود. این مواد یک منبع مناسب برای تولید انرژی می¬باشند. فرآیندهای تبدیل و تولید مواد و انرژی از زباله در دنیا توسعه یافته و پروژه¬های زیادی در زمینه تولید انرژی (برق – حرارت) از زباله در دنیا مورد بهره¬برداری قرار گرفته¬اند.
انواع دوریزها و پسماندهای جامد:
• مواد زائد شهری: به مواد ناشی از فعالیتهای که در محیط سکونت انسان تولید شده و بصورت جامد دور ریختنی تلقی میشود.
• مواد زائد صنعتی: مواد ناشی از فعالیتهای صنعتی.
• مواد زائد خطرناک: مواد زائدی که برای انسانها یا جانوران یا گیاهان خطر آفرین باشد.
دوریزهای خطرناک نیز معمولاً به گروههای زیر تقسیم می¬شوند:
1. مواد رادیواکتیو
2. ترکیبات شیمیایی
3. مواد زاید بیولوژیکی
4. مواد زاید قابل اشتعال
5. مواد منفجره
دورریزهای جامد شهری را می¬توان به مواد ذیل طبقه بندی نمود:
اجزاء توضیح
دورریزهای غذایی بقایای حیوانات و میوه یا سبزی (آشغالها) ناشی از حمل و نقل، آمادهسازی، پختن و یا خوردن غذا، همچنین مواد غذایی فاسد که بویژه در هوای گرم سریعاً تجزیه میشند.
زباله) به غیر از مواد غذایی) مواد زاید جامد قابل احتراق و غیرقابل احتراق به استثنای مواد زاید یا سایر مواد فاسد شدنی. عموماً زباله قابل احتراق از موادی مانند کاغذ، مقوا، پلاستیک، پارچه، لاستیک، چرم، چوب، اثاث منزل و تزیینات باغ و گیاه تشکیل میشود. زباله غیرقابل احتراق عبارت است از اقلامی نظیر شیشه، بلور، قوطیهای حلبی، قوطیهای آلومینیومی، فلزات آهنی و غیرآهنی، چرک و کثافات و نخالههای ساختمانی
خاکسترها و بقایا موادی که از سوختن چوب، زغال سنگ، زغال و سایر مواد زاید قابل احتراق باقی میمانند. بقایای حاصل از نیروگاهها معمولاً در این گروه طبقهبندی نمیشوند. خاکسترها و بقایا به طور عادی شامل مواد ریز پودری شکل و مقادیر اندکی از موادی است که بطور ناقص سوختهاند
مواد زاید حاصل از تخریب و نخالههای ساختمانی مواد زاید حاصل از ساختمانهای تخریب شده و سایر ساختمانها در ضمن مواد زاید حاصل از تخریب طبقهبندی می‌شوند. مواد زاید ساختمانی، قالب¬ریزی و تعمیر ساختمانهای مسکونی، تجاری و صنعتی و سازههای مشابه به عنوان نخالههای ساختمانی شناخته می‌شوند. این مواد شامل کثافات، سنگها، بتون، آجرها، پلاستر، چوب، تیرهای چوبی، لولهکشی، تأسیسات حرارتی و الکتریکی می‌شوند.
مواد زاید مخصوص مواد زایدی مانند مواد جاروب شده خیابانی، زباله‌های کنار جاده، بقایای حاصل از ویرانی، جانوران مرده و وسایل نقلیه اسقاط جزو مواد زاید مخصوص طبقهبندی می‌شوند.
مواد زاید حاصل از واحدهای تصفیه مواد زاید جامد و نیمه جامد حاصل از آب، فاضلاب و تاسیسات صنعتی تصفیه پساب در این گروه طبقهبندی می‌شوند.
فاضلابهای شهری:
سالانه میلیونها تن لجن در فرآیند تصفیه فاضلاب در تصفیه خانه های شهرها و صنایع مختلف تولید می گردد که دارای پتانسیل مناسبی برای تولید انرژی می باشد. در حالیکه دفع و دفن این لجن ها از معضلات اساسی تصفیه خانه ها بوده و هزینه های گزافی در این زمینه صرف میگردد. با بهره گیری از فناوریهای مناسب میتوان ضمن حل معضل این پسماندهای آلی به تولید انرژی پاک اقدام نمود.
زائدات کشاورزی و جنگلی:
چوب یا همان سوخت های چوبی اصطلاحی است، شامل انواع سوختهای حاصل از جنگل¬کاری، ضایعات حاصل از بهره برداری منابع جنگلی، ضایعات حاصل از صنایع تبدیلی چوب، صنایع چوب و کاغذ و تأسیسات پردازشی مجاور مناطق جنگلی که می¬تواند به عنوان یک ماده اولیه جهت احداث نیروگاه برای تأمین انرژی همان صنایع یا صنایع دیگر مورد استفاده قرار گیرد. زائدات کشاورزی نیز مواد سرشار از انرژی بوده که ارزش غذایی برای انسان ندارند. سالانه میزان زیادی از زائدات کشاورزی نظیر کاه و کلش غلات، شاخه و برگ انواع گیاهان و محصولات باغی در مراحل مختلف کشاورزی تولید می گردد که می تواند در فرایند تولید انرژی مورد استفاده قرار بگیرد.
دسته بندی زائدات کشاورزی و جنگلی
فضولات حیوانی:
فضولات حاصل از دام و طیور سرشار از مواد آلی بوده و در فرآیند تولید انرژی می تواند بعنوان یک ماده اولیه مناسب در نیروگاه های زیست توده مورد استفاده قرار گیرند
پسماندهای صنایع غذایی و کشاورزی:
در فرآیندهای تولید و تبدیل در صنایع غذایی و کشاورزی سالانه مقدار زیادی پسماندهای آلی جامد و مایع تولید می گردد که میتواند ماده اولیه مناسبی برای نیروگاههای زیست توده باشد. انرژی حاصل از این پسماندها میتواند در همان صنایع و یا صنایع دیگر مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این ضایعات در فرآیند تولید انرژی واحداث نیروگاههای زیست توده میتواند در راستای توسعه پایدار در صنعت کشاورزی مد نظر قرار گیرد.
محصولات انرژی¬زا:
در حال حاضر با توجه به اقتصادی بودن تولید انرژی و نیز برق از درختان در اروپا و آمریکای شمالی، کشاورزان بخشهایی از زمینهای کشاورزی خود را به کشت درختان سریع الرشد و انرژی زا اختصاص می¬دهند. از انواع مختلف محصولات انرژی زا میتوان به کشت درختان سریع الرشد نظیر اکالیپتوس، کشت محصولات کشاورزی (گیاهان) انرژی¬زا (مثل سورگوم و نیشکر)، کشت گیاهان روغنی با محتوی انرژی بالا مثل سویا و شلغم روغنی و درخت نخل اشاره کرد. این محصولات می¬توانند به عنوان سوخت امن و بی خطر در نیروگاه های زیست توده مورد استفاده قرار گیرند. توجه به این محصولات میتواند ضمن تأمین آسان و پایدار قسمتی از انرژی مورد نیاز و امنیت تأمین انرژی با ایجاد درآمد برای کشاورزان از جهت اختصاص ظرفیت های خالی و زمین های غیر قابل استفاده در بخش کشاورزی به این امر همراه باشد.
ضرورت و مزایای استفاده از انرژی زیست توده در کشور
• رفع مشکلات زیست محیطی حاصل از رهاسازی منابع زیست توده در طبیعت(آلودگی آب، خاک، هوا و بو و …)
• کاهش انتشار گازهای گلخانه ای بویژه متان در جو- بیش از 50% متان منتشره از این منابع میباشد.
• امکان تولید انرژی در محل مصرف(کاهش تلفات شبکه)
• امکان تحویل انرژی پاک به شکل جامد، مایع و گاز
• امکان تحویل انرژی به فرم برق، حرارت و سوخت خودروها و یا خوراک واحدهای پتروشیمی
• ایجاد ارزش افزوده و اشتغال مولد قابل توجه
• تولید سالانه 25 میلیون تن زباله شهری و صنعتی، بیش از 5 میلیارد مترمکعب فاضلاب های شهری و صنعتی، بیش از 400میلیون تن زائدات و ضایعات کشاورزی- جنگلی و دامی
• کمک به ارتقای بهداشت عمومی
• تولید انرژی با قابلیت دسترسی بالا
استفاده از زیست توده بعنوان یک منبع انرژی نه تنها بدلایل اقتصادی بلکه به دلیل توسعه اقتصادی و زیست محیطی نیز جذاب است و از طرفی آنرا عامل تسریع در رسیدن به توسعه پایدار می دانند. سیستم‌هایی که زیست توده را به انرژی قابل مصرف تبدیل می‌کنند، می‌توانند در ظرفیت‌های کوچک به صورت ماژول و ظرفیت های متوسط و بالا بکار روند. صنایع کشاورزی و جنگلداری از ذخایر اصلی زیست توده هستند که فرصت‌های اساسی را برای توسعه اقتصادی مناطق روستایی و دورافتاده فراهم می‌کند. میزان نشر مواد آلاینده ناشی از احتراق زیست توده، معمولاً کمتر از سوختهای فسیلی است. بعلاوه استفاده و بهره برداری تجاری از زیست توده میتواند مشکلات مربوط به انهدام ضایعات و زباله در سایر صنایع از جمله جنگلداری و تولیدات چوب، فرآوری مواد غذایی و بخصوص ضایعات جامد شهری در مراکز شهری را حذف و یا کاهش دهد.
سیکل کربن خنثی برای انرژی زیست توده
کاربردهای انرژی زیست توده:
امروزه برای منابع مختلف زیست¬توده و کاربردهای گوناگون آن، تکنولوژی¬های زیادی توسعه یافته و یا در حال توسعه می-باشند. منابع زیست توده با فن آوری های مختلف تولید انرژی، به صورتهای مختلف انرژی نظیر برق، حرارت و سوخت تبدیل می گردند. نمودار های ذیل با انواع کاربردهای انرژی زیست توده اشاره دارد .
مصارف غیر نیروگاهی زیست توده
بخش اعظمی از سهم انرژی زیست توده در تامین انرژی اولیه مصرفی جهان به کاربردهای حرارتی و احتراق مستقیم بویژه در کشورهای در حال توسعه اختصاص دارد. عمده¬ترین کاربرد منابع زیست توده در تامین حرارت و پخت و پز می¬باشد.
فناوریها و سیستمهای استحصال انرژی از زیست توده :
امروزه برای منابع مختلف زیست¬توده و کاربردهای گوناگون آن، تکنولوژی¬های زیادی توسعه یافته و یا در حال توسعه می¬باشند. تکنولوژی های مختلف زیست توده در مراحل مختلف توسعه و معرفی به بازار قرار دارند و طیف وسیعی از توسعه آزمایشگاهی و نمونه سازی تا کاملاٌ تجاری شده را در بر می گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.
تکنولوژیهای مختلف زیست¬توده در مراحل مختلف توسعه و معرفی به بازار قرار دارند و طیف وسیعی از توسعه آزمایشگاهی و نمونه¬سازی تا کاملاً تجاری شده را در برمی¬گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژیها نمایش داده شده است.
فنآوریهای گرما شیمیایی:
این فنآوریها با گرما دادن به زائدات زیستی در حضور یا عدم حضور عوامل کمکی، انرژی تولید می¬کنند. انرژی تولید شده می¬تواند به صورت انرژی گرمایی یا انرژی ثانویه باشد که از فرآورده¬های انرژی زا بدست می¬آید مانند سوختهای جامد، مایع و گاز که می¬توانند به انرژی جنبشی یا الکتریسیته تبدیل شوند. عوامل کمکی در این فنآوریها می¬تواند بخار، هوا، اکسیژن، هیدروژن و مواد جامد باشند. مهمترین فنآوریهای گرما- شیمیایی عبارتند از:
• احتراق مستقیم Direct Combustion شامل: کاربری خانگی و صنعتی
• آتشکافت Pyrolysis – آتشکافت با روش معمولی و آتشکافت با بخار
• گازی کردن Gasification- گازی سازی ساده در دمای معمولی و گازی سازی پلاسما در دمای بالا
احتراق مستقیم: در این فناوری، منابع جامد زیست توده نظیر زائدات جنگلی- کشاورزی، زائدات صنایع غذائی و زباله¬های شهری مستقیماً در بویلرهای خاصی سوزانده شده و از حرارت حاصل برای تولید برق، حرارت و یا برق و حرارت استفاده می¬شود. مهمترین تکنولوژی تولید برق در این گروه زباله¬سوزها و چوب¬سوزها می¬باشند.
از دیدگاه فنی و کاربردی، فن‌آوری احتراق مستقیم را میتوان به دوکاربری زیر تقسیم بندی نمود:
1. کاربری خانگی
2. کاربری صنعتی
شماتیکی از بویلر چوب سوز
کاربری خانگی:
این کاربری در مقیاس محدود مطرح بوده و کاربرد آن در تأمین نیازهای واحدهای مسکونی و واحدهای تجاری کوچک که اغلب در جوامع روستایی واقع هستند، رواج دارد نیازهای عمده این مصرف کننده‌ها پخت و پز، گرمای لازم برای گرمایش فضای مسکونی و آب گرم مصرفی و برخی کاربردهای دیگر به‌صورت محدود میباشد مانند کوره‌های متداول در صنایع کوچک (سفالگری، آهنگری، رنگرزی).
کاربری صنعتی:
در این زمینه، احتراق زیست توده در مقیاس بزرگتری مطرح میگردد. منابع زیست توده مناسب در این کاربری شامل چوب و پسماندهای چوبی، بقایای کشاورزی و باغی (کاه، سبوس، برگ خشک سرشاخه‌ها، ترکه‌ها، نی، پوست ساقه درختان) و زباله‌های شهری هستند.
احتراق این سوختها به تولید انرژی گرمایی منجر میشود و انرژی آزاد شده میتواند در مصارف زیر مورد استفاده قرارگیرد:
• صنایع غذایی (تولید بخار و تولید گرمای مورد نیاز فرآیندهای پخت)
• صنایع آجر و سفال و سرامیک – صنایع چوب و کاغذ (تولید بخار و تولید گرمای موردنیاز فرآیندها)
• صنایع ذوب فلزات (مانند کشور برزیل که از ذغال چوب بهره‌گیری می‌کنند)
• بویلر نیروگاهها
بحث احتراق مستقیم در کاربری صنعتی را میتوان از دو دیدگاه زیر مورد توجه قرار داد:
1. احتراق در کوره‌های مخصوص چوب و ذغال‌سنگ و سوختهای با رطوبت پائین
2. احتراق در کوره‌های زباله‌سوز و سوختهای پردازش نشده
