انرژی زیست توده (Biomass) چیست؟

با افزایش آگاهی از تاثیر سوخت‌های فسیلی بر محیط طبیعی و استفاده مشترک از آن‌ها در ساختمان‌ها، معماران به طور فزاینده ای ملزم به تعیین و تطبیق منابع انرژی جایگزین در رویکردهای طراحی خود هستند. در این مقاله از منابع انرژی پیشرو، به بررسی زیست توده می‌پردازیم.

زیست توده (Biomass) یک سیستم مقیاس پذیر است که استفاده از مواد خام و پایدار را با انتشار کم‌تر CO2 ترکیب می‌کند. به عنوان روشی که اغلب قابل انتقال ترین جایگزین گاز و زغال سنگ شناخته می‌شود، به یک سوال ساده پاسخ می‌دهیم: انرژی زیست توده چیست؟

زیست توده عبارت است از تولید سوخت از مواد خام آلی که معمولاً چوب و قطعات فشرده چوب هستند می‌باشد. زیست توده در حالی که به عنوان آینده انرژی شناخته می‌شود، در واقع یکی از قدیمی‌ترین اشکال تولید انرژی بشر است، از شکارچیان ماقبل تاریخ که برای پخت‌وپز یا گرم‌کردن آتش چوب می‌سازند تا امروزه، از سوختن عناصر چوبی که دی‌اکسیدکربن را در طول عمر خود جذب کرده‌اند، به دست می‌آید که پس از سوختن دوباره آزاد می‌شود و در نهایت گرما و الکتریسیته می‌تواند تولید کند.

زیست‌توده ارگانیک است، به این معنی که از موادی ساخته شده است که از موجودات زنده مانند گیاهان و حیوانات می‌آید. رایج‌ترین مواد زیست‌توده مورداستفاده برای انرژی، گیاهان، چوب و ضایعات هستند. اینها خوراک‌های زیست‌توده نامیده می‌شوند. انرژی زیست‌توده همچنین می‌تواند یک منبع انرژی تجدیدناپذیر باشد. زیست‌توده حاوی انرژی است که ابتدا از خورشید به دست می‌آید: گیاهان انرژی خورشید را از طریق فتوسنتز جذب می‌کنند و کربن‌دی‌اکسید و آب را به مواد مغذی (کربوهیدرات) تبدیل می‌کنند. انرژی این موجودات می‌تواند از طریق روش‌های مستقیم و غیرمستقیم به انرژی قابل‌استفاده تبدیل شود. زیست‌توده می‌تواند برای ایجاد گرما (مستقیم) سوزانده شود، به الکتریسیته (مستقیم) تبدیل شود، یا به سوخت زیستی (غیرمستقیم) پردازش شود.

تبدیل گرمایی

زیست‌توده را می‌توان با تبدیل حرارتی سوزاند و برای انرژی استفاده کرد. تبدیل حرارتی شامل گرم‌کردن خوراک‌های زیست‌توده به‌منظور سوزاندن، بی آب‌کردن یا تثبیت آن است. آشناترین خوراک‌های زیست‌توده برای تبدیل حرارتی، مواد خام مانند زباله‌های جامد شهری (MSW) و ضایعات کارخانه‌های کاغذ یا الوار هستند.

انواع مختلف انرژی از طریق احتراق مستقیم (Direct firing)، احتراق هم‌زمان (Co-Firing)، پیرولیز(Pyrolysis)، گازی شدن (Gasification) و تجزیه بی‌هوازی (Anaerobic decomposition) ایجاد می‌شوند.

بااین‌حال، قبل از اینکه زیست‌توده سوزانده شود، باید خشک شود. این فرایند شیمیایی خشک‌سازی (torrefaction) نامیده می‌شود. در طول واکنش، زیست‌توده تا حدود ۲۰۰ تا ۳۲۰ درجه سلسیوس (۳۹۰ تا ۶۱۰ درجه فارنهایت) گرم می‌شود. زیست‌توده به‌قدری کامل خشک می‌شود که توانایی جذب رطوبت یا پوسیدگی را از دست می‌دهد. این ماده حدود ۲۰ درصد جرم اولیه خود را از دست می‌دهد، اما ۹۰ درصد انرژی خود را حفظ می‌کند. انرژی و جرم ازدست‌رفته می‌تواند برای سوخت‌رسانی به فرایند تورفکشن استفاده شود.

در طول واکنش، زیست‌توده به یک ماده خشک و سیاه تبدیل می‌شود. سپس به بریکت (قطعات کوچک مواد که با چسب یا بدون آن به‌وسیلهٔ دستگاه‌های پرس شکل داده شود) فشرده در می‌آیند. زیست‌توده‌ها بسیار آب‌گریز هستند، به این معنی که آب را دفع می‌کنند. به‌این‌ترتیب امکان ذخیره‌سازی آن‌ها در مناطق مرطوب فراهم می‌شود. این بریکت‌ها چگالی و  انرژی بالایی دارند و به‌راحتی می‌توانند در طول حرارت مستقیم یا هم زمان بسوزند.

احتراق مستقیم (Direct firing) و احتراق هم‌زمان (Co-Firing)

بیشتر بریکت‌ها مستقیماً سوزانده می‌شوند. بخار تولید شده در طول فرایند احتراق به توربین قدرت می‌دهد که یک ژنراتور را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند. از این الکتریسیته می‌توان برای موارد مختلفی همچون گرم‌کردن ساختمان‌ها استفاده کرد. زیست‌توده‌ها همچنین می‌توانند هم‌زمان احتراق شوند یا با سوخت فسیلی سوزانده شوند. زیست‌توده اغلب در نیروگاه‌های زغال‌سنگ استفاده می‌شود. احتراق هم‌زمان نیاز به کارخانه‌های جدید برای پردازش زیست‌توده را از بین می‌برد. احتراق هم‌زمان همچنین تقاضا برای زغال‌سنگ را کاهش می‌دهد. این کار میزان دی‌اکسیدکربن و دیگر گازهای گلخانه‌ای آزاد شده با سوزاندن سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهد.

پیرولیز (Pyrolysis)

پیرولیز یک روش مرتبط با گرم‌کردن زیست‌توده است. در طول پیرولیز، زیست‌توده تا ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد (۳۹۰ تا ۵۷۰ درجه فارنهایت) بدون حضور اکسیژن گرم می‌شود. این امر آن را از احتراق حفظ می‌کند و باعث می‌شود که زیست‌توده از نظر شیمیایی تغییر کند. پیرولیز یک مایع تیره به نام روغن پیرولیز، یک گاز مصنوعی به نام گاز سنتز و یک باقیمانده جامد به نام بیوچار تولید می‌کند. همه این اجزا می‌توانند برای انرژی استفاده شوند. روغن پیرولیز که گاهی اوقات بیو روغن (bio-oil) یا بیوکرود (biocrude) نامیده می‌شود، نوعی قیر است. این ماده می‌تواند برای تولید برق به کار رود و همچنین به‌عنوان یک جز در سوخت‌ها و پلاستیک‌های دیگر استفاده شود. دانشمندان و مهندسان در حال مطالعه بر روی موضوع روغن پیرولیز به‌عنوان جایگزین احتمالی نفت هستند. گاز سنتز می‌تواند به سوخت تبدیل شود (مانند گاز طبیعی مصنوعی). همچنین می‌تواند به متان تبدیل شود و به‌عنوان جایگزینی برای گاز طبیعی مورداستفاده قرار گیرد.

بیوچار نوعی زغال است. بیوچار یک جامد غنی از کربن است که به‌ویژه در کشاورزی مفید است. بیوچار خاک را غنی می‌کند و از ورود آفت‌کش‌ها و دیگر مواد مغذی به آب‌های سطحی جلوگیری می‌کند. بیوچار همچنین یک مخزن کربن عالی است. مخازن کربن مخازنی برای مواد شیمیایی حاوی کربن از جمله گازهای گلخانه‌ای هستند.

گازی شدن (Gasification)

زیست‌توده همچنین می‌تواند مستقیماً از طریق گازی‌سازی به انرژی تبدیل شود. در طول فرایند گازی‌سازی، یک خوراک زیست‌توده (معمولاً MSW) تا بیش از ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد (۱۳۰۰ درجه فارنهایت) با مقدار کنترل شده اکسیژن گرم می‌شود. مولکول‌ها می‌شکنند و گاز سنتز و سرباره تولید می‌کنند. گاز سنتز ترکیبی از هیدروژن و مونوکسید کربن است. در طول گازی‌سازی، گاز سنتز از گوگرد، ذرات معلق، جیوه و سایر آلاینده‌ها پاک‌سازی می‌شود. گاز سنتز تمیز را می‌توان برای گرما یا الکتریسیته ترکیب کرد، یا به سوخت‌های زیستی حمل‌ونقل، مواد شیمیایی و کود تبدیل کرد.

سرباره به‌صورت مایعی شیشه‌ای و مذاب شکل می‌گیرد. از آن می‌توان برای ساخت شن، سیمان یا آسفالت استفاده کرد.

نیروگاه‌های گازی صنعتی در سراسر جهان در حال ساخت هستند. آسیا و استرالیا در حال ساخت و بهره‌برداری از بیش‌ترین نیروگاه‌ها هستند، اگرچه یکی از بزرگ‌ترین نیروگاه‌های گازی جهان در حال حاضر در Stockton-on-Tees انگلستان در دست‌ساخت است. این نیروگاه در نهایت قادر خواهد بود بیش از ۳۵۰ هزار تن MSW را به انرژی کافی برای تأمین برق ۵۰ هزار خانه تبدیل کند.

تجزیه بی‌هوازی (Anaerobic decomposition)

تجزیه بی‌هوازی فرایندی است که در آن میکروارگانیسم‌ها، معمولاً باکتری‌ها، مواد را در غیاب اکسیژن تجزیه می‌کنند. تجزیه بی‌هوازی یک فرایند مهم در محل‌های دفن زباله است، جایی که زیست‌توده خرد و فشرده می‌شود و یک محیط بی‌هوازی (بدون اکسیژن) ایجاد می‌کند. در یک محیط بی‌هوازی، زیست‌توده تجزیه می‌شود و متان تولید می‌کند که یک منبع انرژی ارزشمند است. این متان می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. علاوه بر محل‌های دفن زباله، تجزیه بی‌هوازی نیز می‌تواند در مزارع و دامداری‌ها اجرا شود. کود و دیگر زباله‌های حیوانی می‌توانند به طور پایدار به تأمین نیازهای انرژی مزرعه تبدیل شوند.