زیست توده

زیست توده یا بیومس یک منبع تجدید پذیر با منشا زیستی است. این تعریف را بارها و بارها شنیده و یا خوانده اید. اما به راستی زیست توده به چه معناست؟ ساختار و فراوانی آن در کره زمین به چه شکل است؟ تاریخچه زیست توده در جهان و ایران چگونه است؟ تنها با صرف حدود 5 دقیقه می توانید پاسخ این گونه سوالات را در مقاله زیر بیابید.

زیست توده چیست؟

زیست توده به زبان ساده یک انرژی تجدید پذیر آلی است و به طور کلی از محصولات کشاورزی و جنگلی و بقایای آن و نیز جلبک‌ها تولید می‌شود. اجزای آلی پسماندهای شهری و صنعتی و سوخت تولید شده از ضایعات فرآوری مواد غذایی مانند روغن پخت و پز استفاده شده نیز زیست توده محسوب می‌شوند. اگرچه رشد گیاهان فرآیند نسبتا زمان‌بری است، با این وجود، توانایی بشر در کاشت و رشد گیاهان موجب شده است تا این منبع انرژی در دسته انرژی‌ های تجدید پذیر قرار گیرد. تخمین زده می‌ شود که حدود نیمی از کل انرژی‌ تجدید پذیر مصرف شده در ایالات متحده زیست توده است. در طول تاریخ قبل از آن که زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرند، چوب به عنوان سوخت اولیه برای گرمایش محیط خانگی در زمستان مورد استفاده قرار می گرفت. از زیست توده چوب هنوز در بسیاری از نقاط جهان برای گرمایش محیط خانگی استفاده می‌شود. متاسفانه سرعت سوختن زیست توده چوب به طور کلی بیشتر از سرعت رشد درختان در این مناطق از جهان است، که در نهایت نتیجه‌ی آن جنگل‌‌ زدایی است و پیامدهای منفی بسیاری به همراه دارد.

فرآیند احتراق سوخت‌های مایع و گازی معمولا در مقایسه با سوخت‌ های جامد آسان‌تر انجام می‌شود. بنابراین محصولات زراعی و جنگلی معمولا از طریق برخی فرآیندهای مهندسی به سوخت مایع و گاز تبدیل می‌شوند. رشد محصولات زراعی و درختان و همچنین تبدیل به سوخت مایع و گاز شامل مصرف انرژی به شکل برق و سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی است. مصرف سوخت‌ های فسیلی با انتشار آلاینده‌ های مختلفی همراه است. بنابراین ویژگی‌ های تجدید پذیری منابع انرژی زیست توده به خوبی دیگر انرژی‌ های تجدید پذیر مانند خورشیدی، زمین گرمایی یا باد نیست.

منابع سوخت زیستی

سوخت زیستی یک سوخت تجدید پذیر است و از منابع زیست‌ توده یا بیومس‌ حاصل می‌شود. محتوای انرژی سوخت زیست توده از منابع زیستی و مواد آلی که بدن موجودات زنده را می‌‌سازند، به دست می‌آید. جوانب مثبت و منفی زیادی در مورد استفاده از این نوع سوخت ها به عنوان یک منبع انرژی وجود دارد که همین امر موجب انتقاد و نارضایتی برخی از جوامع علمی شده است.

منبع اصلی انرژی در بایومس ها انرژی خورشید است که طی فرایند فوتوسنتز در گیاه ذخیره می‌شود. این انرژی ذخیره شده در گیاهان و زیست‌توده‌ها ‌در طی فرایندهای مختلف حرارتی، شیمیایی و بیوشیمیایی به انرژی قابل استفاده برای انسان تبدیل می‌شود. سوخت‌های ‌زیستی از نظر خصوصیات فیزیکی به سه گروه زیست توده جامد، مـایع و گاز دسته‌بندی می‌شوند که با توجه به ویژگی هر کدام از آن‌ ها، کارایی متفاوتی را به خود اختصاص داده‌ اند.

سوخت زیستی جامد

یکی از راحت‌ترین روش‌ های برداشت انرژی از زیست‌توده‌ ها، سوزاندن و استفاده مستقیم از انرژی زیست توده در حالت جامد است. یکی از قدیمی‌ترین سوخت‌های مورد استفاده توسط انسان‌ها که امروزه به عنوان سوخت زیستی جامد شناخته می‌شود، ضایعات کشاورزی و گیاهی بوده است که برای تهیه انرژی گرمایی یا روشنایی از آن‌ها استفاده می‌ شد.

اصطلاح سوخت زیستی جامد ممکن است کمی باعث گمراهی شود، زیرا بسیاری گمان می‌کنند که سوخت‌ های‌ زیستی فقط با انجام برخی فرایند های پیشرفته تولید می‌شوند. در حقیقت هر ماده تجدیدپذیر و زیستی که قابل سوختن باشد، به عنوان سوخت زیستی تلقی می‌شود. از منابع اولیه سوخت‌ های ‌زیستی می‌توان به ضایعات چوبی، تفاله‌ های محصولات کشاورزی، نیشکر، غلات، زباله خانگی، زغال چوب، روغن گیاهان و سبزیجات اشاره کرد که همگی این منابع جامد هستند و قابلیت سوزاندن دارند.

همانند گذشته، مصرف زیست ‌توده جامد به دلیل ارزانی و در دسترس بودن بسیار گسترده است. این سوخت می‌تواند در نواحی روستایی، واحد‌های کوچک و بزرگ صنعتی و تجاری، نیروگاه‌های زباله‌سوز و دیگر مصارف مورد استفاده قرار گیرد.

اغلب تولید و پردازش سوخت‌های‌ زیستی جامد که در یک ساختار مناسب قرار دارند، ضروری نیست اما برخی از زیست‌توده‌ های جامد، مانند خاک اره، که ارزش حرارتی چندان بالایی ندارند، طی فرآیندهایی متراکم می‌شوند و به صورت پلت (Pellet) (شکل 1) مورد استفاده قرار می‌گیرند. از مزایای متراکم کردن زیست‌ توده‌ ها می توان به افزایش ارزش حرارتی، حمل و نقل و ذخیره‌ سازی آسان‌ اشاره کرد. همچنین برخی از زیست‌ توده‌ ها همانند زباله‌های شهری، تفکیک شده و پیش ‌پردازش‌های لازم مانند برش، خشک کردن و متراکم‌سازی جهت سوزاندن در زباله‌ سوز ها بر روی آن‌ها صورت می‌گیرد.

همان طور که بیان شد، زیست‌توده جامد از ضایعات درختان و گیاهان حاصل می‌شود. بنابراین پس از احتراق، همان مقدار کربن‌ دی ‌اکسید جذب شده توسط گیاهان به محیط بازگردانده می‌شود و چرخه جذب و بازگردانی کربن دی اکسید ادامه خواهد یافت. در واقع چرخه زیست توده در طبیعت به این صورت است. بر اساس گزارشی از وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا، استفاده از سوخت‌ های ‌زیستی به جای زغال‌ سنگ، با در نظر گرفتن تمامی جوانب، منجر به کاهش ۱۴۸ درصدی پتانسیل گرم شدن زمین در نیروگاه‌ها می‌شود.

سوخت زیستی مایع

در دهه‌ های اخیر پر کاربرد ترین سوخت زیست توده مورد توجه دانشمندان و دولت‌های سراسر جهان، سوخت‌ های ‌زیستی مایع بوده اند که توسط فرایندهای مختلف شیمیایی و زیستی تولید می‌شوند.

مهم‌ ترین و پر مصرف‌ ترین سوخت‌ های زیستی مایع عبارتند از:

• اتـانول‌زیستی (Bioethanol (C₂H₅OH))، بـا سـهم بـیش از ۸۰ درصـد از تولیـد و مصرف سوخت‌های ‌زیستی مایع در جهان
• پس از آن دیزل ‌زیستی با سهم کم‌تر از ۲۰ درصد
• سـایر سـوخت‌هـا از قبیل بوتانول زیستی، کروسن زیستی و …، که سهم بسیار کوچکی در این میان دارند.

با توجه به اهمیت جایگزین نمودن یک سوخت تجدید پذیر به‌جای سوخت‌ های ‌فسیلی، اتانول ‌زیستی مورد توجه بسیاری از محققان و دولت‌ها قرار گرفته است. ویژگی‌ ها و موارد مصرف این سوخت باعث شده است تا بـیش از ۸۰ درصـد از تولیـد و مصرف سوخت‌های ‌زیستی مایع در جهان را به خود اختصاص دهد.

در دو دهه اخیر تولید و مصرف اتانول ‌زیستی به عنوان مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین سـوخت ‌زیسـتی در جهان، گسترش یافته است. افزایش بیش از ۵ برابـری تولیـد و مصـرف بیو اتانول در طی دو دهه اخیر و گسترش بهره‌گیری از اتانول ‌زیستی در بخش بزرگی از کشورهای جهان، همگی نشان ‌دهنده اهمیت استراتژیک سوخت‌ های ‌زیستی مایع به ویژه اتانول‌ زیستی در جهان است.

بایو اتانول از سه گروه مواد قندی، مواد نشاسته‌ای و مواد سلولزی تهیه می‌شود که هریک از این منابع شامل زیرمجموعه‌ای از مواد دیگر هستند، مواد قندی مانند شربت نیشکر، خرما و میوه‌های شیرین، مواد نشاسته‌ای مانند ذرت، گندم و سایر غلات و در نهایت مواد سلولزی مانند کاه، گندم، ضایعات چوبی، کاغذ ضایعاتی و پسماندهای شهری است.

با توجه به مزایا و ویژگی‌ های منحصر به فرد اتانول ‌زیستی، کاربردهای زیادی می‌توان برای آن تعریف کرد. از مهم‌ترین کاربردهای آن می‌توان به مصرف آن به عنوان سوخت اشاره کرد، به گونه‌ای که بیش از ۸۰ درصد اتانول تولیدی در جهان از نوع اتانول ‌سوختی است و این روند یعنی مصرف آن به عنوان سوخت روز به روز در حال افزایش است. یکی از موارد سوختی اتانول ‌زیستی، سوخت بنزین-الکل است. بسیاری از ماشین‌ها می‌توانند مخلوطی از ۸۵ درصد اتانول و ۱۵ درصد بنزین (E85) را بسوزانند. این سوخت عدد اکتان بالاتری نسبت به بنزین خالص دارد و کامل‌تر از بنزین معمولی می‌‌سوزد، بنابراین میزان گاز های آلاینده کم‌ تری تولید می‌کند. البته این سوخت‌ ها مشکلات خاص خود را هم دارند، به عنوان مثال اتانول ممکن است به برخی از بخش‌های موتور مثل واشر های لاستیکی آسیب بزند.

دومین سوخت زیستی مایع که می‌تواند به عنوان یک سوخت زیست توده مایع تجدید پذیر جایگزین سوخت‌های فسیلی شود، دیزل زیستی است. دیزل زیستی، مونو آلکیل‌ استر اسید های چرب است که به طور معمول از روغن‌ های گیاهی در حضور کاتالیست حاصل می‌شود. علاقه به استفاده از دیزل ‌زیستی ناشی از شباهت ذاتی آن با سوخت‌ های ‌فسیلی است که به آن اجازه می‌دهد همه خواص اصلی مهم این سوخت‌ها را داشته و در عین حال زیست تجزیه‌ پذیر، غیرسمی و کربن خنثی باشد. با توجه به ویژگی‌ های منحصر به فرد دیزل ‌زیستی مانند خواص سوختی شبیه دیزل (مطابق با مشخصات ASTM D6751) با پایه نفتی، عدد ستان، نقطه ابری شدن و ویسکوزیته پایین نسبت به سوخت‌‌ های‌ فسیلی، این سوخت به عنوان جایگزین و یا مکمل سوخت‌ دیزل (گازوئیل) محسوب می‌شود. علاوه بر این کاربرد، از دیزل ‌زیستی به عنوان روان‌ کننده، ماده اولیه تولید هیدروژن در پیل‌‌ های سوختی، پاک ‌کننده لکه‌ های روغن و غیره استفاده می‌شود.

دیزل ‌زیستی نیز مانند اتانول قابلیت استفاده به عنوان سوخت در خودروها را دارد، همچنین می‌تواند با سوخت دیزل نفتی مخلوط شود. مخلوط‌های بیودیزل به صورت «BXX» که در آن «XX» نشان ‌دهنده درصد بیودیزل موجود در مخلوط است، نشان داده می‌شوند (برای مثال B20 شامل 20 درصد بیودیزل و 80 درصد گازوئیل نفتی است). مخلوط سوخت با 2 درصد بیودیزل به عنوان B2، مخلوط با 5 درصد بیودیزل با نام B5 و به همین ترتیب تا  B100، که بیودیزل خالص است، نامیده می‌شوند.

سوخت زیستی گازی

در میان منابع تجدید پذیر، یکی از قدیمی‌ ترین سوخت‌ های مورد استفاده، گاز زیستی است که در بسیاری از نقاط جهان، به ویژه هند، در حال استفاده است. این سوخت که از فرایند هضم به وجود می‌آید، سوخت تمیزی است و آلودگی زیست ‌محیطی ایجاد نمی‌کند. زیست توده فضولات دامی به این صورت می تواند تبدیل به سوخت زیست توده گازی شود.

منابع زیست‌ توده حاوی ترکیبات آلی با مولکول‌های درشت زنجیر است که در طی فرایند های هضم، در نهایت به مولکول‌ های ساده گازی تبدیل می‌شوند. گاز زیستی از تخمیر مواد زاید آلی در شرایط بی‌ هوازی حاصل می‌شود و دارای ۶۰ تا ۷۰ درصد متان، ۳۰ تا ۴۰ درصد کربن دی اکسید و مقادیر ناچیزی از گاز های دیگر مانند هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، کربن مونوکسید و سولفید هیدروژن است. همان‌طور که مشخص است، این گاز بیشتر از متان و کربن دی اکسید تشکیل شده است ولی در عین حال نسبت ترکیبات مختلف آن بستگی به نوع مواد اولیه، میزان حرارت محیط و زمان توقف مواد در مخزن تخمیر دارد. گاز زیستی منبع با ارزشی از انرژی است که اغلب به هدر می‌رود. اگر متان با ایمنی کامل جمع‌آوری شود و به‌ درستی ذخیره گردد، می‌تواند منبع مهمی از انرژی زیست توده باشد. از این گاز می‌توان به عنوان یک حامل انرژی به صورت مستقیم در تأمین انرژی حرارتی و روشنایی ساختمان‌ ها استفاده نمود و یا این که جهت تولید برق در ژنراتور های گازی آن را به کار برد.

این مخلوط گازی دارای ارزش حرارتی پایین ۱۵ الی ۲۵ مگاژول (۴٠ تا ٧٠ درصد ارزش حرارتی گاز طبیعی) به ازای هر متر مکعب است، بوی ‏قابل تشخیص و نامطبوعی دارد و از هوا سبک‌ تر است.