مقالات بيوانرژي

با توجه به اين که 31.5 درصد از جمعيت کشور در بخش روستايي ساکن است و همچنين نقش روستاها در رشد و توسعه کشور به عنوان جوامع توليد کننده و با درنظر گرفتن اين نکته که رسيدن به توسعه ملي بدون توسعه روستايي امکان پذير نمي باشد، ارايه راه کارهايي که با تکيه بر سه اصل پايداري اقتصادي، اجتماعي و زيست محيطي، بستري مناسب را براي توسعه پايدار روستايي فراهم آورد، امري ضروري است. از جمله مهمترين مسايل مطرح شده در راستاي نيل به اين هدف، حل مشکل تامين انرژي روستايي (به خصوص در مناطق دور از شبکه انرژي کشور وو مناطق صعب العبور) و مشکلات زيست محيطي ناشي از عدم مديريت جمع آوري و دفع فاضلات انساني و فضولات حيواني در جوامع روستايي است. استفاده از فناوري بيوگاز در جوامع روستايي علاوه بر تامين بخشي از انرژي مورد نياز و حل مشکلات زيست محيطي مذکور، داراي منافع اقتصادي - اجتماعي حايز اهميتي است. در بخش اول اين مقاله پس از بررسي ضرورت استفاده از فناوري بيوگاز از ديدگاه انرژي هاي نو، زيست محيطي و اقتصادي - اجتماعي، به معرفي اين فناوري و نحوه استفاده از بيوگاز توليد شده در جوامع روستايي پرداخته مي شود. در بخش بعدي جهت عيني تر شدن مباحث طرح شده در قسمت نخست، استفاده از اين فناوري در روستاي گالش کلام واقع در جلگه شرقي گيلان و نتايج حاصل از آن مورد بررسي قرار خواهد گرفت.

مشكل انرژي امروزه يكي از مشكلات اساسي تمامي كشورهاي جهان به خصوص كشورهاي در حال توسعه مي باشد. سوخت رساني به روستاهاي دور افتاده حتي در كشوري مانند ايران كه منابع غني انرژي را در اخنيار دارد، بسيار مشكل و هزينه بر مي باشد. استفاده از انرژي هاي تجديدپذير و محلي يكي از راه حلهايي مي باشد كه امروزه پيشنهاد مي گردد. بيوگاز يكي از اين انرژي هاي تجديدپذير مي باشد كه علاوه بر توليد انرژي، باعث ايجاد كودهاي كشاورزي و افزايش سطح بهداشت عمومي جامعه و كنترل بيماريها مي شود و يك راه حل مناسب براي دفع مواد زايد جامد مي باشد.

مصرف انرژي يكي از ضروريات اجتناب ناپذير زندگي بشر است به طوري كه بدون وجود انرژي نه تنها امكان فعاليت وجود ندارد بلكه حتي امكان يك لحظه زندگي هم بر روي اين كره خاكي غيرممكن است. عليرغم پيشرفت سريع تكنولوژي، افزايش در مصرف انرژي صرفا به وسيله سوختهاي فسيلي تامين ميشود. اين سبك تامين انرژي مسايل جديدي ازقبيل: محدوديت ذخاير نفت، افزايش هزينه استخراج نفت، ايجاد روابط حساس و محدود بين مناطق و كشورهاي خاص را مطرح ميكند. تنوع بيشتر عرضه انرژي يكي از راه حلهاي پاسخگويي به اين مسايل است مخصوصا كه اين تنوع در زمينه انرژيهاي تجديدپذير باشد. عليرغم اينكه هنوز سوختهاي بيو نسبت به سوختهاي فسيلي هزينه برتر است اما در مقابل داراي مزيتهاي همچون: عدم تهي شدن با نرخ تصاعدي، اثرات مخرب اندك برمحيط زيست است.
درميان سوخت هاي بيو، بيومس نقش بسيار مهمي دارد. بيومس يک منبع تجديدپذير است که از پسماندهاي کشاورزي، جنگل ها و صنايع مرتبط بدست مي آيد. اين منابع باعث کنترل انتشار گازهاي گلخانه اي، کاهش وابستگي به منابع نفت وگاز، ارايه روش براي افزايش ارزش اقتصادي و استفاده مناسب از منابع محلي مي شود. اهداف اين مقاله عبارتند از: 1- مشخص کردن فرصت هاي پيشرفت که استفاده از بيومس را نيز شامل مي شود. 2- براي توسعه توليد و مصرف سوخت بيومس در مقياس وسيع به تجزيه و تحليل سياست هاي مهم ملي مي پردازد. در اين تحقيق توجه خاصي به سياست هاي اتحاديه اروپا از زمان شروع فرايند اصلاحات در 1992 تاکنون شده است. با توجه به تکنولوژي پيشرفته و توجه خاص در بحث انرژي که در اروپا وجود دارد براي پي بردن به جايگاه ايران در مورد انرژي هاي تجديدپذير، به ارايه ديدگاه ها، برنامه ها و سياست هاي اين کشور و در کنار آن اتحاديه اروپا پرداخته شده است. در پايان مقاله به اين نتيجه مي رسد که توليد سوخت هاي بيو مي تواند فرصت هاي جديدي را براي ايجاد اشتغال و درآمد در مناطق روستايي و حاشيه اي معرفي کند.

با توجه به اينكه براي رسيدن به سوخت جايگزين آينده به ويژه در كشور ايران كه سهم انرژيهاي تجديدپذير در توليد انرژي ناچيز است، زيرساختهاي لازم براي توليد سوختهايي چون هيدروژن تجديدپذير وجود ندارد، در حال حاضر امكان توليد اين سوختها در مقياس گسترده امكان پذير نيست. از طرف ديگر با توجه به اينكه اكنون سوخت موتورها بسيار متفاوت مي باشد. سازگاري موتورها با سوخت جايگزين آينده هم اکنون مشل و داراي مواردي است که بايد به مرور زمان بررسي و رفع گردد. در اين بين ميتوان به سوختهاي دوگانه چون هيتان، گازول و ... روي آورد که تاحدي امکان توليد آنها فراهم مي باشد و با توجه به محدوديت زمان و فن آوري، امکان استفاده از زير ساختهاي موجود از سوختهاي فسيلي براي آنها فراهم است. در مورد موتورهاي گاز سوز که استفاده از زيرساختهاي گاز طبيعي فشرده (CNG) امکان پذير است ميتوان به استفاده از هيتان روي آورد. براي موتورهاي ديزلي مي توال از ترکيب بيوديزل با سوخت ديزل و براي موتورهاي بنزيني از ترکيب بيواتانول يا بيومتانول با بنزين بهره برد که در اين بين تعيين نسبت ترکيب سوختهاي گوناگون به گونه اي که عم عملي باشد و هم بهترين نتيجه به دست آيد، اساسي ترين نکته است.

محدود بودن منابع انرژي تجديد ناپذير (نفت و گاز) و افزايش روزافزون جمعيت و در پي آن گسترش صنايع، كشور ها را ملزم مي كند تا به توليد انرژي هاي با منابع تجديدپذير (خورشيدي، بادي، بيوگاز و ...) رو بياورد. امروزه استفاده مجدد از فاضلاب در صنايع، سوخت، آبياري و ... در راستاي كاهش آلودگي هاي زيست محيطي بسيار توسعه يافته است، از طرفي مزاياي جانبي بيوگاز علاوه بر توليد انرژي جلوگيري از آلودگي هاي زيست محيطي و تامين بهداشت و سلامتي جوامع است. بيوگاز، توسط باكتري هايي كه موجب تجزيه، پوسيدن و شكسته شدن مواد آلي در شرايط بي هوازي ميگردند، توليد مي شوند. استفاده از بيوگاز در صنعت حمل و نقل، ميزان دي اكسيد كربن را 65 تا 85 درصد كاهش مي دهد. كه در صورت عدم رعايت مسايل زيست محيطي و كنترل آلودگي هاي حاصل از فعاليت هاي بشري اثرات جبران ناپذيري به محيط زيست و منابع ارزشمند آن و همچنين بهداشت و سلامتي انسان وارد خواهند كرد. توجه به تكنولوژي بيوگاز ضمن حل مشكلات و چرخه اكوسيستم هاي آب، هوا و خاك داراي فوايد و اثرات اقتصادي و اجتماعي چشمگيري نيز مي باشد. در اين پروژه علمي نقش اين انرژي نو مورد بررسي دقيق و کارشناسانه قرار گرفته و مزاياي آن نظير موارد اقتصادي و اجتماعي، موارد زيست محيطي و ... ارايه گرديده است. همچنين برآورد فضاي مورد نظر براي ساخت و در بعضي از موارد شهرها يا مکانهايي در ايران که مي تواند براي بهره برداري از اين نوع انرژي مورد استفاده قرار گيرد بيان شده است.

اتانول به عنوان منبع انرژي مهم و با ارزش بوده كه از مواد قابل برگشت به طبيعت توليد مي شود. برزيل و ايالات متحده امريكا به عنوان مهمترين توليدكنندگان اتانول در جهان مي باشند و نزديك به ٧٣ درصد توليد جهاني را به خود اختصاص مي دهند. ساكاروميسس سروزيه در محيطهاي كشت باعث تبديل تركيبات قندي به اتانول مي شود. علي رقم اهميت اين فرايند، راههاي فيزيولوژيكي كه مسير گليكوليز و توليد اين تركيب را محدود مي كنند به طور كامل مطالعه نشده است.
با استفاده از فورفورال جداسازي سويه هاي جهش يافته از طريق موتاسيون تصادفي از طريق اسيد نيترو و اشعه u.v بر روي سويه بومي ساکاروميسس سروزيه صورت گرفت. فورفورال و هيدوکسي متيل فورفورال به عنوان مهار کننده توليد بيواتانول بوده و از هيدورليز اسيدي ترکيبات ليگنوسلولزي ايجاد مي شوند. بنابراين ايجاد سويه مقاوم به اين دو ترکيب بازدارنده که بازده بالايي از نظر توليد بيواتانول داشته باشد حايز اهميت است. کاربرد متاژنهاي فيزيکي و شيميايي به عنوان روشي جهت موتاسيون در سلولهاي مخمر مي باشد جهت دستيابي به اين هدف، سويه بومي ساکاروميسس سروزيه از طريق اسيدنيترو، اشعه u.v جهش يافته و سويه موتاسيون يافته از نظر راندمان توليد بيواتانول با سويه بومي مقايسه شد. بهترين سويه موتاسيون يافته از طريق اشعه u.v راندمانتوليد بيواتانول در آن تقريبا 2 برابر سويه بومي بود.

در اين تحقيق خواص فيزيكي و شيميايي بيوديزل توليدي با سوخت ديزل رايج در كشور و تركيبات مختلف اين دو سوخت مورد مقايسه قرار گرفتند. بدين منظور متيل استر سويا از ترنس استريفيكاسيون روغن پالايش نشده سويا توسط الكل متيليك و در حضور متوكسيد سديم به عنوان كاتاليزور و در دماي 75 درجه سانتيگراد تهيه گرديد.
سوختهاي مورد آزمايش شامل سوخت ديزل مرسوم در ايران به عنوان سوخت مرجع و تركيبات متيل استرسويا توليدي بر مبناي حجمي 25، 50، 75 و 100% که به ترتيب با نمادهاي B00، B25، B75 و B100 ناميده ميشوند در نظر گرفته شدند. نتايج آزمايش هاي شاخص ستان، گرانروي، نقطه اشتعال و وزن مخصوص متيل استر خالص سويا را به ترتيب %60.8، %31.5، %56.8 و %4 بيشتر از سوخت ديزل نشان مي دهد. ارزش حرارتي، مقدار گوگرد، ميزان خاکستر و نقطه ريزش متيل استر خالص سويا را به ترتيب %11.6، 0.1، %100 و 9 درجه سانتيگراد کمتر از سوخت ديزل مرسوم مي باشند. نتايج آزمون ها، تشابه سوخت B25 به نسبت به B00 و در مواردي برتري و ارجحيت آن را تاييد مي کند. بطوريکه آهنگ تغييرات خواص سوخت B25 به عنوان نزديکترين سوخت به سوخت ديزل مرسوم روندي مشابه B00 را داشته و در مورد ارزش حرارتي، گرانروي، وزن مخصوص و عدد اسيدي کاهش اندکي به ترتيب به ميزان %1، %3.66، 0.7 و 1.3 برابر داشته است. نتايج آزمونهاي B50، B75 تاثير مقدار بيوديزل موجود در ترکيب سوخت را مورد تاييد قرار مي دهند. بصورتي که نقطه اشتعال و نقطه ابري شدن ترکيبات داراي متيل استر سويا بيشتر از سوخت ديزل مرسوم مي باشد.

مشكل انرژي امروزه يكي از مشكلات اساسي تمامي كشورهاي جهان به خصوص كشورهاي در حال توسعه مي باشد. سوخت رساني به روستاهاي دور افتاده حتي در كشوري مانند ايران كه منابع غني انرژي را در اخنيار دارد، بسيار مشكل و هزينه بر مي باشد. استفاده از انرژي هاي تجديدپذير و محلي يكي از راه حلهايي مي باشد كه امروزه پيشنهاد مي گردد. بيوگاز يكي از اين انرژي هاي تجديدپذير مي باشد كه علاوه بر توليد انرژي، باعث ايجاد كودهاي كشاورزي و افزايش سطح بهداشت عمومي جامعه و كنترل بيماريها مي شود و يك راه حل مناسب براي دفع مواد زايد جامد مي باشد.

با توجه به رشد جمعيت، رشد صعودي مصرف انرژي، محدود بودن منابع انرژي، افزايش توليد گازهاي گلخانه اي و پيامدهاي آن بر محيطزيست لزوم استفاده از انرژ يهاي تجديدپذير بر كسي پوشيده نيست. ساختمان به عنوان يكي از مصرف كنندگان عمده انرژي كه حدود 40% از انرژي توليدي كشور در آن مصرف مي شود، از اين امر مستثني نيست. در اين مقاله تلاش شده است، زيست توده و بيوگاز و تكنولوژي استفاده از آن معرفي شود. با توجه به تكنولوژي ساده بيوگاز نسبت به ساير انرژي هاي تجديدپذير و همچنين وجود مواد اوليه آن در كشور پتانسيل استفاده از بيو گاز بررسي ميشود. در ادامه امكان استفاده از انرژي هاي بيوگاز در ساختمان بررسي و شيوه هاي قابل استفاده معرفي مي گردد. نمونه اي از استفاده از بيوگاز در يك ساختمان در ايالات متحده ارايه و بررسي مي گردد. در آخر با توجه به مطالب ارايه شده مي توان نتيجه كه گرفت استفاده از بيوگاز از اولويتهاي انرژهاي تجديدپذير در ساختمان مي باشند.

در اين مقاله ابتدا به مقدمه اي در خصوص سوختهاي فسيلي متداول و جايگزيني آنها با سوختهاي فسيلي پرداخته شده و پس از آن به اهميت استفاده از تكنولوژي هاي جديد و همچنين انواع سوختهاي جايگزين سوختهاي فسيلي (بنزين و گازوئيل) اشاره شده است. آنگاه به بحث اصلي اين مقاله يعني معرفي بيوديزل يا همان بيوفيول، بررسي اثرات آنها بر كاركرد موتورهاي ديزل، فوايد و مضرات آنها، گستره و تنوع استفاده از آنها در نقاط مختلف جهان خواهيم رسيد. در انتها نيز، جمع بندي نسبتا كاملي از مباحث مطروحه ارايه گرديده و شرايط كشورمان در استفاده از اين نوع سوختها نيز بررسي گرديده است. به منظور آشنايي بهتر با وضعيت مصرف اين نوع سوختها، از نمودارها و جداول آماري علي الخصوص براي يك كشور نمونه (امريكا) نيز در انتهاي اين مقاله بهره برده شده است.

در راستاي جبران كاهش منابع انرژي فسيلي و توسعه انواع انرژي پايدار و كمك به بحران آلودگي محيط زيست بيوديزل به عنوان يكي از انواع سوختهاي زيستي تجديدپذير كه براحتي قابل تهيه بوده و بدون تغيير در موتورهاي ديزل قابل استفاده است، معرفي مي شود. اين سوخت در مقايسه با ديزل متعارف داراي مزايايي از جمله نشر كمتر انواع آلاينده ها و گازهاي گلخانه اي است. منابع متصور براي توليد بيوديزل عبارتند از انواع روغنهاي نباتي تصفيه شده و تصفيه نشده، انواع چربيهاي حيواني و هر بافت زنده اي كه داراي مواد چرب باشد. توليد اين ماده آسان بوده و با افزودن يك الكل سبك به روغن در حضور كاتاليست مناسب (قليايي، اسيدي و آنزيمها) بيوديزل بدست مي آيد. اين فرآيند اغلب در شرايط متوسط آزمايشگاهي قابل انجام است. اما به دليل گرانقيمت بودن منابع اوليه اغلب قيمت تمام شده بيوديزل در مقايسه با منابع ديگر انرژي بالاست. لذا استفاده از منابع ارزان تر از جمله روغنهاي دورريز و روغنهاي گياهي غير خوراكي توصيه مي گردد. همچنين توسعه فرآيندهاي آسانتر بر اساس فناوري هاي برتر نيز مورد توجه است.

پيلهاي سوختي ميكروبي كه ميتوانند از فاضلاب كارخانه هاي صنايع غذايي يا فاضلاب خانگي، جريان الكتريكي توليد كنند و همزمان فاضلاب را تصفيه نمايند، در سالهاي اخير به يكي از بهترين تكنولوژيهاي حوزه محيط زيست و بازيابي انرژي از فاضلاب تبديل شده اند. يك پيل سوختي ميكروبي بيوراكتوري است كه انرژي شيميايي در پيوندهاي شيميايي مواد آلي را به انرژي الكتريكي در طي واكنشهاي كاتاليستي توسط ميكروارگانيسمها تحت شرايط بيهوازي، تبديل ميكند. براي ايجاد جريان، باكتري ميبايست الكترونها را به آند جامد برساند. اين فرآيند انتقال خارج سلولي الکترون، به واسطه نفوذ واسطه هاي الکتروني صورت مي گيرد. به دليل خواص واسطه اي که نانولوله هاي کربني بين الکترود و باکتري مي توانند ايفا نمايند، در محفظه آند پيل سوختي ميکروبي دومحفظه اي صفحه اي تخت ساخته شده در پژوهشگاه مواد و انرژي، بجاي واسطه نيوترآل رد از نانولوله هاي کربني استفاده نموديم. بزرگترين چالش در اين مسير، پخش آنها در محيط آبي بود که علاوه بر پخش کاملا هموژن، با گذشت زمان، کوآگوله نشود. با روش شيميايي، در حدود 3 ماه نانولوله ها، در محيط کشت باکتريايي، به حالت پخش باقي ماندند. با باتري ساکارومايسس سرويزينه به عنوان بيوکاتاليست و پارچه کربني به عنوان الکترود، توان %68 افزايش نشان داد. تغييرات رشد ميکروارگانيسم و مصرف منبع کربني، هر 2 ساعت مورد بررسي قرار گرفت و تداخلي در عملکرد ميکروارگانيسم در نتيجه استفاده از نانولوله کربني مشاهده نگرديد.

در اين مطالعه داده هاي آزمايشگاهي zarook و همكارانش براي حذف متانول از جريان هوا با دو مدل Ottengraf و Zarook كه بيشترين كاربرد را در بين مدلهاي بيوفيلتر دارند و همچنين با مدل hodge مقايسه شده است. در بررسي مدل Ottengraf از روابط سينتيک مرتبه صفر اين مدل در حالتي که واکنش، کنترل کننده سرعت تجزيه بيولوژيکي باشد، استفاده شده است. نتايج بدست آمده نشان مي دهد که پيش بيني دو مدل Zarook و Ottengraf براي غلظت خروجي متانول از بيوفيلتر نزديک به هم است، بنابراين مي توان نتيجه گرفت که در غلظت هاي کم، متانول کنترل کننده سيتيک است. فرض غلظت بالاي اکسژن و بنابراين حذف آن از روابط سرعت تجزيه بيولوژيکي در مدل Ottengraf براي غلظت هاي کم متانول، صادق مي باشد. چون در مدل Hodge نفوذ جزء جذب شده در نظر گرفته نشده است و در نتيجه ضريب نفوذ آلاينده (متانول) در روابط حذف شده است. بنابراين مقايسه مستقيم اين مدل با دو مدل ديگر خطاي زيادي را ايجاد خواهد کرد. در اين مدل سينتيک مصرف سوبسترا توسط ميکروارگانيسم ها، مرتبه اول در نظر گرفته شده است که در حد، يعني در ابتدا و انتهاي بيوفيلتر، روابط اين مدل با مدل Ottengraf در حالت سينتيک مرتبه اول يکسان خواهد شد.

توليد انرژي از سوبستراي تجديدپذير، مانند بيوماس، براي توليد انرژي پايدار و كاهش انتشار جهاني آلايندهco₂  از اهميت برخوردار است. روشهاي تخمير شناخته شده از لحاظ تئوري، تنها ميتوانند 33% حداكثر پتانسيل توليد انرژي از قندي چون گلوكز را داشته باشند. اما بطور معمول نصف اين ميزان بازده بدست مي آيد كه در نتيجه باقيمانده انرژي بصورت غيرقابل تخمير يا اسيدهاي آلي با قابليت تخمير ضعيف و يا بصورت محلولهايي مثل اسيداستيك، اسيد بوتريك، اسيد پروپيونيك، اتانول و بوتانول در مي آيد. بجاي توليد غير مستقيم بيولوژيکي از مواد آلي، مي توان جريان را مستقيما از تجزيه مواد آلي در پيل سوختي ميکروبي توليد نمود. يک پيل سوختي ميکروبي معمولا شامل دو محفظه مي باشد، محفظه بي هوازي (آند) و ديگري هوازي (کاتد). در محفظه بي هوازي، سوبسترا توسط باکتري اکسيداسيون مي شود و الکترون توليد مي شود. براي ايجاد جريان، باکتري مي بايست الکترودها را به آند جامد برساند. اين فرآيند، انتقال خارج سلولي الکترون ناميده مي شود. باکتري از مکانيسم هاي مختلف براي اين انتقال استفاده مي کند. از جمله، انتقال مستقيم الکترون از غشا پروتئيني سلول، نفوذ واسطه هاي الکتروني محلول به داخل سلول باکتري و بالعکس، و انتقال الکترون از شبکه اي هادي در خارج سلول (نانو واير). سينتيک هر مکانيسم و انواع افت هايي که در پيل رخ مي دهد مرور مي شود. انتقال مستقيم الکترون از غشاي سلول به صفحه آند نمي تواند توليد کننده جريان بالايي باشد چراکه در تعداد باکتري هايي که مي توانند خود را به آند برسانند، محدوديت وجود خواهد داشت. نفوذ آهسته واسطه هاي الکتروني محدوديت در توليد جريان و افت بالاي پتانسيل به همراه دارد. تنها انتقال از ميان شبکه نانو واير توليدي خود باکتري، مي توان به جريان بالا و افت پتانسيل پايين دست يافت.