زیست توده و کاربردهای آن در صنعت

زیست توده یا بیومس یک ماده آلی تجدید پذیر است که از گیاهان و بقایای زائد حیوانات تهیه می شود. زیست توده از زمان شروع سوزاندن چوب برای پختن غذا و گرم نگه داشتن آن مورد استفاده قرار گرفته است. چوب امروزه همچنان بزرگ ترین منبع انرژی زیست توده است.

منابع دیگر آن محصولات غذایی، گیاهان علفی و چوبی، بقایای حاصل از کشاورزی یا جنگلداری، جلبک های نفتی و اجزاء آلی پسماندهای شهری و صنعتی را شامل می شود. حتی بخارات حاصل از محل های دفن زباله (که حاوی متان، جز اصلی گاز طبیعی هستند) می توانند به عنوان منبع انرژی حاصل از زیست توده استفاده شوند.

زیست توده بزرگ ترین منبع کل انرژی مصرفی سالانه ایالات متحده تا اواسط دهه 1800 بوده است و همچنین سوخت مهمی در بسیاری از کشورها به ویژه برای پخت و پز و گرمایش در کشورهای در حال توسعه می باشد.

استفاده از این سوخت ها برای حمل و نقل و تولید برق در بسیاری از کشورهای پیشرفته به عنوان وسیله ای برای جلوگیری از انتشار دی اکسید کربن در اثر استفاده از سوخت های فسیلی، در حال افزایش است. زیست توده در ایران نیر مورد استفاده قرار می گیرد و نیروگاه زیست توده تهران برای تبدیل مواد زائد به سوخت فعالیت می کند.

مثال های زیست توده:
در سال 2019، زیست توده تقریباً 5 کوادریلیون واحد حرارتی انگلیس (Btu) و حدود 5٪ کل انرژی اولیه را در ایالات متحده تأمین کرده است. از این 5٪، حدود 46٪ از چوب و زیست توده مشتق شده از چوب، 45٪ از سوخت های زیستی (عمدتا اتانول) و 9٪ از زیست توده حاصل از زباله های شهری بوده است.

چند نمونه از مواد تشکیل دهنده سوخت زیست توده عبارتند از:

• الوار قراضه.
• بقایای جنگل.
• محصولات خاص شیمیایی.
• کود کشاورزی.
• برخی از انواع پسماندهای زباله.
• زباله های که از فعالیت های ساخت و تخریب چوبی که در کاغذ سازی استفاده نمی شود.
• زباله های جامد شهری.

فناوری های استفاده از انرژی زیست توده ها:
از زیست توده می توان برای سوخت، تولید نیرو و محصولاتی که در غیر این صورت از سوخت های فسیلی تهیه می شوند استفاده کرد. با استفاده از توسعه فناوری در حال حاضر تصفیه خانه های زیستی ایجاد شده اند که زیست توده را به طیف وسیعی از سوخت، مواد شیمیایی، مواد و محصولات با ارزش تبدیل می کند. مانند پالایشگاه های نفت و کارخانه های پتروشیمی موجود در جهان که از مواد نفتی و سوخت های فسیلی استفاده می کنند.

سوخت های زیستی:
سوخت های زیستی، سوخت های حمل و نقل مانند اتانول و بیودیزل هستند که با تبدیل زیست توده به سوخت مایع برای تأمین نیازهای حمل و نقل ایجاد می شود.

انرژی زیستی:
فناوری های زیست نیرو با استفاده از یکی از سه فرآیند سوزاندن، پوسیدگی باکتریایی و تبدیل به سوخت مایع و گاز، سوخت های زیست توده تجدید پذیر را به گرما و برق تبدیل می کنند.

محصولات زیستی:
علاوه بر برق و سوخت، زیست توده همچنین می تواند به مواد شیمیایی برای ساخت پلاستیک و سایر محصولات که به طور معمول از نفت ساخته می شوند، تبدیل شود.

منابع اصلی و انواع زیست توده کدامند؟
منابع زیست توده به صورت تجدیدپذیر در دسترس هستند یا مستقیماً به عنوان سوخت استفاده می شوند یا به شکل دیگر یا محصول دیگری تبدیل می شوند، معمولاً به عنوان "مواد اولیه" شناخته می شوند.

مواد خام زیست توده شامل محصولات اختصاصی انرژی، بقایای محصولات کشاورزی، بقایای جنگلداری، جلبک ها، پسماندهای پردازش چوب، پسماندهای شهری و زباله های مرطوب (زباله های زراعی، بقایای جنگل ها، علف های کاشته شده با هدف، محصولات انرژی چوبی، جلبک ها، ضایعات صنعتی، مواد جامد شهری طبقه بندی شده)، ضایعات چوب شهری و مواد زائد غذایی هستند.

محصولات اختصاصی انرژی زا:
محصولات اختصاصی انرژی، محصولات غیر غذایی هستند که می توانند در زمین های حاشیه ای (زمین مناسب برای محصولات سنتی مانند ذرت و دانه های سویا) به طور خاص برای تأمین بیومس کاشته شوند. اینها به دو دسته کلی تقسیم می شوند: علفی و چوبی. محصولات انرژی زای علفی چند ساله (گیاهانی که بیش از 2 سال عمر می کنند) علف هایی هستند که سالانه پس از 2 تا 3 سال برداشت می شوند تا به بهره وری کامل برسند. از جمله این گیاهان می توان به گیاهان سوسکو، گل میسکانتوس، بامبو، سورگوم شیرین، گیاه بزرگ، کوشیا، گیاه گندم و سایر موارد اشاره کرد.

محصولات چوبی با دوره رشد بلندتر شامل درختان چوب سخت با رشد سریع هستند که در طی 5 تا 8 سال از زمان کاشت برداشت می شوند. اینها شامل صنوبر ترکیبی، بید ترکیبی، افرا نقره ای، چوب پنبه شرقی، خاکستر سبز، گردوی سیاه، شیرین و چنار است. بسیاری از این گونه ها می توانند به بهبود کیفیت آب و خاک، بهبود زیستگاه حیات وحش، تنوع بخشیدن به منابع درآمد و بهبود بهره وری کلی مزرعه کمک کنند.

بقایای محصولات کشاورزی:
فرصت های زیادی برای استفاده از منابع کشاورزی در اراضی موجود بدون تداخل در تولید مواد غذایی، خوراک، الیاف یا محصولات جنگلی وجود دارد. بقایای محصولات کشاورزی، که شامل ساقه ها و برگ ها است، به وفور و به طور گسترده در سراسر دنیا وجود دارد. به عنوان مثال می توان به ذرت (ساقه، برگ، پوسته)، کاه گندم، کاه جو، کاه جو، کلش سورگوم و کاه برنج اشاره کرد. فروش این مانده ها به تصفیه خانه محلی نیز فرصتی برای تولید درآمد اضافی برای کشاورزان است.

بقایای جنگلداری:
مواد خام بیومس جنگل به دو دسته تقسیم می شود: بقایای جنگلی پس از قطع چوب ( از جمله شاخ و برگ اندام های هوایی درختان و و اجزای درخت که غیرقابل فروش است) و یا زیست توده درخت که صریحاً برای این منظور برداشت شده است. پس از برداشت چوب، درختان مرده، بیمار، ضعیف و دارای اشکال نامطلوب به حال خود رها می شوند. این بقایای چوبی را می توان برای استفاده در انرژی زیستی جمع آوری کرد زیرا به حفظ منابع مواد غذایی و هیدرولوژیکی مناسب کمک می کند.

همچنین امکان استفاده از زیست توده اضافی در میلیون ها جنگل وجود دارد. برداشت بیوماس چوبی اضافی ممکن است خطر آتش سوزی و آفات را کاهش دهد، همچنین می تواند به احیا جنگل، حیات و سرزندگی و زیبایی آن کمک کند. این زیست توده بدون تأثیر منفی در سلامتی و پایداری ساختار و عملکرد محیط زیست جنگل می تواند برای تولید انرژی زیستی برداشت شود.

جلبک ها:
جلبک ها به عنوان منابع اولیه انرژی زیستی به گروه متنوعی از ارگانیسم ها دسته بندی می شوند که شامل ریز جلبک ها، جلبک های کلان (جلبک دریایی) و سیانوباکتری ها (قبلاً "جلبک های سبز آبی" نامیده می شدند) هستند. بسیاری از آنها از نور خورشید و مواد مغذی برای ایجاد زیست توده استفاده می کنند که حاوی اجزای اصلی از جمله لیپیدها، پروتئین ها و کربوهیدرات ها هستند که می تواند به انواع سوخت های زیستی و دیگر محصولات تبدیل شوند.

بسته به نوع سویه، جلبک ها می توانند با استفاده از آب شیرین، شور، در منابع آب سطحی، آب زیرزمینی یا آب دریا رشد کنند. علاوه بر این، آنها می توانند در آب های زائد، مانند فاضلاب صنعتی تصفیه شده رشد کنند. فاضلاب شهری، کشاورزی یا آبزی پروری؛ یا تولید آب حاصل از عملیات حفاری نفت و گاز برخی دیگر از این منابع هستند.

بقایای پردازش چوب:
فرآوری چوب باعث تولید محصولات جانبی و جریان های زائد می شود که در مجموع باقیمانده های پردازش چوب نامیده می شوند و دارای انرژی قابل توجهی هستند. به عنوان مثال، فرآوری چوب محصولات یا تفاله، خاک اره، پوست، شاخه ها و برگ ها استفاده نشده را تولید می کند. سپس این باقیمانده ها می توانند به سوخت های زیستی یا محصولات زیستی تبدیل شوند. از آنجا که این باقیمانده ها در مرحله پردازش جمع آوری شده اند، می توانند منابع مناسب و نسبتاً ارزان زیست توده برای انرژی باشند.

پسماند شهری دسته بندی شده:
این منابع شامل زباله های مخلوط تجاری و مسکونی از قبیل تزئینات حیاط، کاغذ و مقوا، پلاستیک، لاستیک، چرم، منسوجات و مواد زائد غذایی هستند. این ترکیبات با تبدیل به انرژی زیستی همچنین فرصتی برای کاهش ضایعات مسکونی و تجاری با هدایت حجم قابل توجهی از محل دفن زباله به پالایشگاه هستند.

پسماند مرطوب:
مواد خوراکی پسماند مرطوب شامل مواد زائد تجاری، سازمانی و مسکونی (به ویژه آنهایی که در حال حاضر در محل های دفن زباله دفع می شوند). بیوسیدهای غنی از مواد آلی (به عنوان مثال، لجن فاضلاب تصفیه شده از فاضلاب شهری)؛ دوغاب کود حاصل از پرورش دام متمرکز، پسماندهای آلی حاصل از عملیات صنعتی و بیوگاز (محصول گازی تجزیه مواد آلی در غیاب اکسیژن) حاصل از هر یک از جریان های مواد اولیه فوق برخی از این منابع هستند. تبدیل این "جریان های زباله" به انرژی می تواند به ایجاد درآمد اضافی برای اقتصاد روستایی و حل مشکلات دفع زباله کمک کند.

روش های تبدیل زیست توده به انرژی:
زیست توده از طریق فرآیندهای مختلفی به انرژی تبدیل می شود که عبارتند از:

• احتراق مستقیم (سوختن) برای تولید گرما.
• تبدیل ترموشیمیایی برای تولید سوخت های جامد، گازی و مایع.
• تبدیل شیمیایی برای تولید سوخت های مایع.
• تبدیل بیولوژیکی برای تولید سوختهای مایع و گاز.

احتراق مستقیم متداول ترین روش برای تبدیل زیست توده به انرژی مفید بوده است. این ترکیبات می توانند مستقیماً برای گرم کردن ساختمان ها، برای تولید حرارت در فرآیند صنعتی و تولید برق در توربین های بخار سوزانده شوند.

تبدیل ترموشیمیایی زیست توده شامل تجزیه در اثر حرارت و گازدهی است. هر دو فرآیند تجزیه حرارتی می باشد که در آن مواد اولیه زیست توده در ظرف های تحت فشار به نام گازیفایر در دمای بالا گرم می شوند.

تجزیه در اثر حرارت باعث گرم شدن مواد آلی تا 800-900 درجه فارنهایت (400-500 درجه سانتی گراد) در غیاب کامل اکسیژن انجام می شود. پیرولیز زیست توده، سوخت هایی مانند زغال چوب، روغن زیستی، گازوئیل تجدید پذیر، متان و هیدروژن تولید می کند.

هیدروتریت به فرآیند تولید زیستی نفت (تولید شده توسط تجزیه در اثر حرارت سریع) توسط هیدروژن تحت دما و فشار بالا در حضور یک کاتالیزور برای تولید دیزل تجدید پذیر، بنزین تجدید پذیر و سوخت جت تجدید پذیر گفته می شود.

تبدیل زیست توده به گاز مستلزم حرارت دادن مواد آلی تا 1، 400-1700 F( 800-900 درجه سانتیگراد) با تزریق مقادیر کنترل شده اکسیژن برای تولید مونوکسید کربن و هیدروژن که یک گاز غنی به نام گاز سنتزی می باشد، مورد استفاده قرار می گیرد. از این گاز می توان به عنوان سوخت موتورهای دیزلی، گرمایش و تولید برق در توربین های گازی استفاده کرد. همچنین می توان هیدروژن را از مخلوط گازی جدا کرد و هیدروژن را در سلول های سوختی سوزاند یا استفاده کرد.

برای تبدیل روغن های گیاهی، چربی های حیوانی و گریس ها به اسیدهای چرب متیل استرها (FAME) که از آنها برای تولید بیودیزل استفاده می شود، از فرآیند تبدیل شیمیایی معروف به ترانس استریفیکاسیون استفاده می شود.

تبدیل بیولوژیکی شامل تخمیر مواد برای تبدیل زیست توده به اتانول و هضم بی هوازی برای تولید گاز طبیعی تجدید پذیر است. از اتانول به عنوان سوخت وسیله نقلیه استفاده می شود. گاز طبیعی تجدید پذیر که به آن بیوگاز یا بیومتان نیز گفته می شود در هضم کننده های بی هوازی در تصفیه خانه های فاضلاب و در دامداری ها تولید می شود.

گاز طبیعی تجدید پذیر که به طور صحیح تصفیه شده باشد، همان مصارف گاز طبیعی سوخت فسیلی را دارد. محققان در حال کار بر روی روش هایی برای بهبود این روش ها و توسعه روش های دیگر برای تبدیل و استفاده از زیست توده بیشتر برای انرژی هستند.

مزایای کاربرد زیست توده:
این توده های زیستی می تواند مجموعه ای از این مزایاها را فراهم کند.

کاهش انتشار گازهای گلخانه ای:
استفاده از انرژی زیست توده این توانایی را دارد که میزان انتشار گازهای گلخانه ای را تا حد زیادی کاهش دهد. سوختن این ترکیبات تقریبا همان مقدار دی اکسید کربن را که از سوزاندن سوخت های فسیلی ازاد می شود را رها می کند.

با این حال، سوخت های فسیلی باعث آزاد شدن دی اکسید کربن طی میلیون ها سال شده اند که با ترکیب با سایر گازهای اتمسفری باعث تولید یک گاز گلخانه ای "جدید" می شود. با این حال، مطالعات نشان داده است که پاکسازی جنگل ها برای استفاده و تولید توده زیستی منجر به کاهش کربن موجود در خاک می شود که جبران آن ده ها سال به طول می انجامد.

کاهش وابستگی به نفت خارجی:
استفاده از این ترکیبات می تواند وابستگی به نفت را کاهش دهد زیرا سوخت های زیستی تنها سوخت های مایع قابل حمل تجدید پذیر هستند.

پشتیبانی از صنعت محصولات کشاورزی و جنگلی:
انرژی زیست توده از صنایع کشاورزی و محصولات جنگلی پشتیبانی می کند. مواد اصلی تولید انرژی زیست توده، بقایای آسیاب کاغذ، ضایعات آسیاب الوار و ضایعات شهری است. برای سوخت های زیست توده، متداول ترین خوراک امروزه دانه ذرت (برای اتانول) و سویا (برای بیودیزل) هستند. در آینده نزدیک و با توسعه فناوری از بقایای کشاورزی مانند ساقه، برگ و پوسته گیاه و کاه گندم نیز استفاده خواهد شد. برنامه های بلند مدت شامل پرورش و استفاده از محصولات اختصاصی انرژی مانند درختان و علف های با رشد سریع و جلبک ها هستند. این مواد اولیه می توانند در زمینی رشد کنند که از محصولات غذایی فشرده پشتیبانی نمی کنند.

معایب ریست توده:
توده های زیستی در حال حاضر طرفداران زیادی دارد اما دارای نقاط ضعفی نیز است که در ادامه ذکر شده است:

محصولاتی که به منظور تولید سوخت کشت می شوند زمین زیادی را اشغال می کنند. از آن زمین می توان برای موارد دیگر مانند مسکن یا پرورش محصولات زراعی برای تولید غذا استفاده کرد

فرآیند سوختن باعث آزاد شدن CO2 می شود که در بحران آب و هوایی نقش دارد. همچنین باعث آزاد شدن مونوکسیدکربن می شود که به آلودگی هوا می افزاید. وقتی درختان به طور خاص برای ایجاد انرژی قطع می شوند، در کل، این مسئله برای محیط زیست آثار زیانباری به دنبال خواهد داشت.