سوخت زیستی و کاربردهای آن

سوخت زیستی (biofuel) گروه متنوعی از سوخت ها هستند که از منابع انرژی عمدتاً گیاهی تهیه می شوند.

اگرچه گاهی اوقات به عنوان جایگزین مورد استفاده قرار می گیرند اما سوخت زیستی اصطلاح اصلی است که به مایعات یا گازهایی مانند بیودیزل یا بیواتانول اشاره دارد.در حالی که زیست توده به طور خاص به سوخت جامد مانند چوب و زغال سنگ نارس اشاره دارد که سوخت های زیستی از آن ساخته می شوند (مانند شکر و محصولات دارای روغن).

در فرآیند انتقال انرژی از آنها به طور گسترده ای به عنوان جایگزین سوخت های فسیلی استفاده می شود و این نوع انرژی را انرژی های تجدید پذیر در نظر می گیرند. در مبحث سوخت زیستی چیست علوم هفتم این موارد شرح داده شده است.

سوخت زیستی که سوخت سبز نیز نامیده می شود، سوختی است که از مواد زیست توده تجدید پذیر تولید می شود و معمولاً به عنوان منبع سوخت پاک استفاده می شود. سوخت های زیستی از کربن کمتری دارند بنابراین تأثیری بر گرم شدن زمین ندارند، استفاده از این مواد می تواند از ورود زباله ها و موارد آلوده کننده دیگر به محیط زیست جلوگیری کند.

میزان مصرف سوخت زیستی در جهان:
تولید زیست توده و سوخت زیستی اگر چه زمان بیشتری طول می کشد، اما با تلاش قابل قبولی می توان دوباره آن را تکمیل کرد. اگرچه منابع، زمین و دوره های رشد مربوط به تولید درختان و گیاهان مورد نیاز برای تولید سوخت های زیستی باید در نظر گرفته شود، اما منصفانه است که آنها را تجدید پذیر بنامیم.

ماده تجدید پذیر ماده ای است که می تواند سریعتر از آنکه مورد استفاده قرار گیرد، دوباره تولید شود. به معنای دقیق تر سوخت یا نیرویی است که هرگز به طور کامل مصرف نخواهند شد زیرا منبع تأمین آنها عملاً بی پایان است، مانند انرژی زمین گرمایی، خورشیدی، باد و آب.

از سال 2010، تولید سوخت زیستی در سراسر جهان به 105 میلیارد لیتر رسیده است که نسبت به سال قبل 17 درصد افزایش داشته است. بیودیزل در سال 2010 تقریباً 2.7٪ از کل مصرف سوخت حمل و نقل جاده ای را به خود اختصاص داده است.مقدار کل اتانول تولید شده در سال 2010 حدود 86 میلیارد لیتر بود که برزیل و ایالات متحده بزرگ ترین تولید کننده جهان بودند که 90٪ این مقدار را تولید کرده اند. اتحادیه اروپا بزرگ ترین تولید کننده بیودیزل در جهان است که 53٪ از تولید در سراسر جهان را به خود اختصاص می دهد.

منشاء سوخت های زیستی:
سوخت های زیستی نسل اول از محصولات غذایی تولید می شد. گیاهان با قند زیاد مانند نیشکر یا ذرت می توانند به اتانول تبدیل شوند، در حالی که از روغن های گیاهی کلزا، سویا و گیاهان دیگر برای تولید بیودیزل استفاده می شود.

تولید آنها به مقدار زمین اختصاص یافته، آب، کوددهی و کشاورزی با استفاده از منابعی که می توانند مزایای سوخت جایگزین تولید شده را کاملا از بین ببرند، نیاز دارد. در درس سوخت های زیستی علوم هفتم به این موارد اشاره شده است.

سوخت های زیستی نسل دوم از زیست توده زباله ساخته می شوند، به عنوان مثال، از کشاورزی و تولید مواد غذایی (سلولز غیر خوراکی از پوسته ذرت، الیاف نیشکر و غیره منجر به تولید اتانول سلولزی)، یا ضایعات روغن نباتی (به عنوان مثال روغن پخت و پز استفاده شده).

از آنجا که برای ایجاد این محصولات فرعی از هیچ زمین، آب، کوددهی و کشاورزی استفاده نمی شود، مقرون به صرفه تر است و تأثیرات زیست محیطی آن نیز به طور قابل توجهی کمتر است.سوخت های زیستی نسل سوم عمدتا مبتنی بر جلبک ها هستند، یک منبع انرژی است که بیش از 50 سال در مورد آن تحقیق شده است، اما هنوز شاهد کاربرد آن در مقیاس تجاری نیستیم.

سوخت های زیستی نسل چهارم شامل جذب و پتانسیل ذخیره کربن محصولات مورد استفاده برای تولید زیست توده و همچنین افزایش بازدهی انرژی پردازش شده هستند.

منابع سوخت زیستی:
تا سال 2020، سوخت جایگزین، مانند سوخت های زیستی، حداقل 10٪ از کل سوخت مورد استفاده برای حمل و نقل را تشکیل داده اند. این مورد توسط کشورهای عضو اتحادیه اروپا توافق شده است. سوخت زیستی از زیست توده ها ساخته می شوند. انواع مختلفی از سوخت زیستی مانند بیودیزل، بیواتانول، بیوگاز و بیوبوتانول وجود دارد.

سوخت های زیستی حاصل از مواد گیاهی:
سوخت های زیستی که از مواد گیاهی یا مواد زائد آلی ساخته می شوند. در واقع بیشتر این سوخت ها از مواد گیاهی مانند روغن نخل، کلزا، نیشکر، ذرت و سایر غلات ساخته می شوند. این مواد اولیه اغلب از کشورهای گرمسیری تهیه می شود و تولید آنها ممکن است به قیمت محصولات غذایی تمام شود.

سوخت های زیستی حاصل از زباله های آلی:
سوخت های زیستی همچنین می توانند از پسماندها مانند زباله های کشاورزی، چربی سرخ کردنی، خرده چوب یا جلبک ساخته شوند. در این روش هیچ زمین کشاورزی مورد استفاده قرار نمی گیرد.

انواع سوخت های زیستی:
اتانول:
اتانول مایعی قابل اشتعال و تجدیدپذیر است که در اثر تخمیر دانه یا با استفاده از فناوری پیشرفته از موادی مانند ضایعات کشاورزی، تراشه های چوب و کاغذهای زاید تولید می شود. اتانول همچنین می تواند از طریق گازدهی تهیه شود که از دمای بالا یا شرایط کم اکسیژن برای تبدیل زیست توده به گاز استفاده می کنند. سپس گاز سنتزی می تواند به اتانول تبدیل شود.

اتانول با بنزین برای افزایش اکتان و کاهش انتشار مونوکسیدکربن ترکیب می شود. E85 یک سوخت جایگزین با محتوای اتانول بالا است. اتانول در هنگام سوختن حدود 15٪ کمتر از بنزین گازهای گلخانه ای آزاد می کند. تحولات اخیر در اتانول سلولزی امکان تولید اتانول از سلولزهای زائد مانند محصولات جانبی غذایی، ضایعات چوب و گیاهان غیر غذایی را فراهم می کند.

بیودیزل:
بیودیزل از طریق ترکیب الکل با چربی پخت و پز بازیافت شده، چربی حیوانات یا روغن نباتی تولید می شود. اخیراً دانشمندان با استفاده از مهندسی ژنتیک سویه های جلبک و باکتری ها را برای تولید بیودیزل مورد استفاده قرار داده اند.

این منبع یک مایع بسیار قابل احتراق است که پس از مخلوط شدن با سوخت دیزل پایه نفت به راحتی می سوزد. در طول تولید بیودیزل، گلیسیرین به عنوان محصول جانبی تولید می شود که بسیار قابل احتراق است.

بیودیزل می تواند به عنوان یک گزینه تجدید پذیر برای موتورهای دیزلی استفاده شود با این حال، برخی مطالعات نشان می دهد که بیودیزل انتشارات مضر بیشتری مانند مونوکسیدکربن و ذرات آلاینده خطرناک تولید می کند.

بیوبوتانول:
بیوبوتانول نوع دیگری از سوخت است که کمتر شناخته شده می باشد، اما یک گزینه جایگزین است. این ترکیب ایزوبوتانول است که درست مانند بیودیزل یا از طریق تخمیر زیست توده مانند اتانول از جلبک ها یا باکتری ها گرفته می شود. این سوخت بدون تغییر در موتورهای استاندارد بنزینی به طور مستقیم قابل استفاده است. بیوبوتانول به دلیل داشتن سطح اکتان بالا هر گونه افت در مسافت پیموده شده سوخت را کاهش می دهد.

پایداری سوخت های زیستی:
اتحادیه اروپا از تولیدکنندگان می خواهد سوخت های زیستی پایدار تولید کنند. این مسئله در بخشنامه انرژی تجدیدپذیر اتحادیه اروپا آمده است. بنابراین دولت مرکزی سوخت های زیستی وارداتی را ملزم به رعایت معیارهای زیر می کند:

سوخت های زیستی نباید در مناطقی که دارای تنوع زیستی بالا هستند، مانند جنگل های بارانی و مناطق حفاظت شده طبیعی پرورش داده شوند.
سوخت های زیستی نباید در زمین های زغال سنگ نارس تخلیه شده پرورش داده شوند.
سوخت های زیستی نباید در مناطقی که مقدار زیادی CO 2 دارند، مانند جنگل های اولیه و علفزارها پرورش داده شود.
سوخت های زیستی نباید در کل چرخه عمر خود، از کاشت محصولات زراعی تا سوزاندن سوخت در وسایل نقلیه، مقدار زیادی CO 2 تولید کنند. تا سال 2018، میزان انتشار CO 2 از سوخت های زیستی باید حداقل 60٪ کمتر از انتشار از سوخت های فسیلی باشد.

کشورهای اتحادیه اروپا توافق کرده اند که تا سال 2020 حداقل 10٪ از کل سوخت باید سوخت جایگزین باشد. شرکت هایی که سوخت را به جایگاه های سوخت می رسانند، مقدار کمی از سوخت زیستی را با بنزین یا گازوئیل خود مخلوط می کنند.

به عنوان مثال بیواتانول (E85) ترکیبی از 85٪ اتانول و حداقل 15٪ بنزین است. این ترکیب را می توان در اتومبیل های خاص که با این ترکیب سازگار شده اند استفاده کرد. چندین سازنده اتومبیل در هلند اتومبیل هایی را می فروشند که می توانند با E85 کار کنند. برخی از شرکت های هواپیمایی در حال حاضر با بیوکروزین پرواز می کنند که از مواد گیاهی و چربی های حیوانی گرفته شده، تولید شده است.

فرآیندهای تبدیل سوخت زیستی:
تولید سوخت های زیستی پیشرفته (به عنوان مثال، اتانول سلولزی و سوخت های هیدروکربن تجدید پذیر) به طور معمول شامل یک فرآیند چند مرحله ای است. اول، ساختار سفت و سخت دیواره سلول گیاه - که شامل مولکول های بیولوژیکی سلولز، همی سلولز و لیگنین است که به هم چسبیده اند - باید شکسته شود. این فرآیند می تواند به یکی از دو روش انجام شود: تجزیه در دمای بالا یا تجزیه در دمای پایین.

درجه حرارت بالا با استفاده از گرما و فشار شدید زیست توده جامد را به مایع یا گاز تبدیل می کند. در این روش سه مسیر اصلی استفاده می شود:

• تجزیه در اثر حرارت.
• گازرسانی.
• مایعات هیدروترمال.

در طی تجزیه در اثر حرارت، زیست توده در محیط بدون اکسیژن در دمای بالا (500 درجه سانتی گراد تا 700 درجه سانتی گراد) به سرعت گرم می شود. گرما بیومس را به بخار، گاز و زغال سنگ تجزیه می کند. هنگامی که زغال سنگ برداشته می شود، بخارها خنک شده و در یک روغن "بیو خام" مایع متراکم می شوند.

گاز رسانی فرآیند کمی مشابهی را دنبال می کند. با این حال، زیست توده در معرض دامنه دمای بالاتر (> 700 درجه سانتی گراد) با مقداری اکسیژن موجود برای تولید گاز سنتز (یا سینگاس) است - مخلوطی که بیشتر از مونوکسیدکربن و هیدروژن تشکیل شده است.

هنگام کار با مواد خوراکی مرطوب مانند جلبک ها، مایعات هیدروترمال فرآیند حرارتی ترجیحی است. این فرآیند از آب در دمای متوسط (200 درجه سانتی گراد تا 350 درجه سانتی گراد) و فشارهای بالا برای تبدیل زیست توده به روغن خام بیو مایع استفاده می کند.

درجه حرارت پایین:
تجزیه ساختاری در دمای پایین به طور معمول از کاتالیزور بیولوژیکی به نام آنزیم ها یا مواد شیمیایی استفاده می کند. ابتدا، زیست توده تحت یک مرحله پیش تصفیه قرار می گیرد که ساختار فیزیکی دیواره سلول های گیاهان و جلبک ها را تجزیه می کند و باعث می شود پلیمرهای قندی مانند سلولز و همی سلولز دسترس پذیری بیشتری داشته باشند. این پلیمرها سپس طی فرآیندی که به نام هیدرولیز شناخته می شود، از نظر آنزیمی یا شیمیایی به بلوک های سازنده قند ساده تبدیل می شوند.

مزایای سوخت های زیستی:

• برخلاف سوخت های فسیلی از منابع تجدید پذیر تولید می شوند.
• انتشار آلاینده های کمتری از سوخت های زیستی دارند. اتانول انتشار منوکسیدکربن را کاهش می دهد زیرا به صورت کامل می سوزد.
• به دلیل آزاد شدن دی اکسید کربن و جذب مواد اولیه، به گرم شدن کره زمین کمک نمی کنند.
• سوخت های زیستی در مقایسه با سوخت های فسیلی مقرون به صرفه هستند.
• برخلاف سایر منابع انرژی جایگزین مانند انرژی باد و خورشید، مقدار نسبتاً کمی از سوخت های سبز می تواند مقدار قابل توجهی انرژی تولید کند که برای کاربردهای حمل و نقل مناسب است.

برخی از کاربردهای سوخت های زیستی در زیر ذکر شده است:
حمل و نقل، موتورهای اره برقی و ماشین های چمن زنی، اتومبیل های دیزلی و کامیون ها، تجهیزات هواپیمایی و آفرود، تجهیزات تولید گرما، ساخت و ساز، جنگلداری، معدن و کشاورزی

سلول های سوخت زیستی پتانسیل زیادی برای تأمین تجهیزات پزشکی قابل کاشت مانند حسگرهای زیستی گلوکز دارند. این مسئله می تواند برای از بین بردن ترکیبات آلی از جریان زباله بدون صرف هزینه زیاد مورد استفاده قرار گیرد. می توان از این سوخت ها به عنوان سوخت گرمایی استفاده کرد که معمولاً برای گرم کردن ساختمانها از آن به عنوان " بیوگرم" یاد می شود.

آینده سوخت های زیستی:
این سوخت ها جایگزینی ایمنی برای موتورهای خودرو موجود بوده و قادر به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و کاهش استفاده از سوخت فسیلی هستند. این امر می تواند فرصت های شغلی زیادی ایجاد کند که می تواند اقتصاد محلی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. افزایش سریع تولید این سوخت ها طی چند سال گذشته باعث ایجاد یک سیاست بین المللی برای تشویق سیاست های کم کربن شده است.

مطالعات نشان می دهد که تولید و مصرف سوخت های سبز با افزایش تقاضای سوخت های زیستی از 82.7 میلیارد دلار در سال 2011 به 185.3 میلیارد دلار تا سال 2021 احتمالاً دو برابر می شود. محققان امیدوارند که افزایش گسترده تولید سوخت های زیستی بتواند نیازهای حال حاضر سوخت زمینی، دریایی و هواپیمایی را تغییر دهند. علاوه بر این، افزایش مصرف مواد اولیه احتمالاً تجارت جهانی این سوخت ها را تقویت می کند.