ای حرفه

مقدمه

امروزه امنیت انرژی از مهم ترین دغده های بشر محسوب می شود. با توجه به پایان پذیر بودن منابع انرزی متداول امروزی و آثار مخرب زیست محیطی آن ها، کارشناسان و محققان این عرصه به دنبال منابع در دسترس و تجدیدپذیر انرژی برای نیل به توسعه پایدار می باشند. پس از انقلاب صنعتی و علی الخصوص پس از اکتشاف و استخراج منابع نفت و گاز در جهان، با رشد فراینده ماشین ها و انتشار آلاینده های ناشی از احتراق این سوخت ها بشر موجب شد تا دمای متوسط کره زمین ۰.۸ درجه سلسیوس گرمتر گردد که دو سوم این گرمایش از ۱۹۷۵ تا کنون یعنی از نقطه اوج استخراج منابع نفت و گاز در جهان بوده است. از این رو توجه بسیاری به استحصال انرژی از منابع تجدیدپذیر که کمترین آثار مخرب و آلودگی زیست محیطی را در پی داشته باشد معطوف شده است. از طرفی مشاهدات تجربی نشان داده است که هیدروژن بالاترین انرژی حاصل از احتراق را داراست این انرژی در مقدار مساوی جرمی به ترتیب ۲.۴، ۲.۸ و ۴ برابر انرژی حاصله از سوختن متان، بنزین و ذغال سنگ است همچنین با توجه به اینکه هیدروژن سبک ترین عنصر شناخته شده است، به علت چگالی کمتر نسبت به هوا، با لایه های بالایی جو صعود کرده و در لایه های پائینی یافت نمی شود. سبک بودن و واکنش پذیری بسیار بالای آن سبب می شوند تا هیدروژن به صورت آزاد در کره زمین یافت نمی شود، آن را باید از منابعی تولید کرد که امروزه ٪۹۶ این منابع فسیلی و تجدید ناپذیر می باشند از این رو تولید هیدروژن از منابع تجدیدپذیر و در دسترس به عنوان یک موضوع مهم و کلیدی برای آینده انرژی در جهان شناخته شده است.

هیدروژن در شرایط متعارفی به شکل گاز است و در دماهای خیلی پائین ( حدود ۸۷. ۲۵۲- درجه سلسیوس ) به شکل مایع در می آید و همین سبب می شود تا تنها در دماهای پائین و فشارهای بالا بتوان آن را ذخیره سازی نمود. هیدروژن یک حامل انرژی و نه یک منبع انرژی است به این معنی که آن را باید از منابعی تولید نمود. تولید هیدروژن از منابع موانع فنی که بر موانع اقتصادی دامن زده است مشکلات پیش رو در بخش تولید و ذخیره سازی را بوجود می آورند و این گران بودن هیدروژن را در مقایسه با سایر سوخت های رایج موجب می شود. بنابراین تحقیق و توسعه در بخش تولید همزمان با بخش ذخیره سازی به همراه روش هایی از مصرف هیدروژن که به ذخیره سازی نیاز نداشته باشند در حال انجام است زیرا توسعه پایدار در بخش انرژی نیازمند امنیت انرژی، عدم آسیب رسانی به محیط زیست، و بازگشت پذیری منابع انرژی یا همان تجدیدپذیر بودن است. تا زمانی که هیدروژن از منابع وافر و در دسترس علی الخصوص منابع طبیعی تولید شود انتظار می رود که مصرف هیدروژن به عنوان سوخت جایگزین در حمل و نقل و… در آینده رشد چشمگیری داشته باشد. یکی از منابع تجدیدپذیر و در دسترسی که انرژی خورشید را در خود ذخیره دارد و همواره قابل بازیابی است، زیست توده می باشد که به آسانی از بخش کشاورزی قابل استحصال است.

۲- روش های تولید هیدروژن از زیست توده

به طور کلی زیست توده به منابعی گفته می شود که منشأ آن مواد آلی طبیعی باشد که نور خورشید را در خود ذخیره دارد اما طبق تعریف کار گروه تغییرات اقلیمی سازمان ملل  زیست توده عبارت است از: مواد آلی غیر فسیلی و زیست تجزیه پذیری که منشأ آن ها از گیاهان، حیوانات و یا میکروارگانیسمها باشد زیست توده اکنون هم یکی از سوخت های عمده مصرفی بشر محسوب می شود به طوری که طبق گزارش سال ۲۰۱۴ آژانس بین المللی انرژی، در سال ۲۰۱۲ حدود ۱۲.۴ درصد انرژی مصرفی جهان را شامل می شود با وجود فراوانی زیست توده درجهان، تاکنون روش جامع و کاملی برای تولید هیدروژن از زیست توده تثبیت نگردیده است. مقدار حاصله هیدروژن از زیست توده جایی که میزان هیدروژن تشکیل دهنده زیست توده کم باشد پائین است و محتوای انرژی آن نیز به علت ٪۴۰ اکسیژن متوسط موجود در زیست توده کم است

ترکیب زیست توده را به طور عمده اکسیژن، هیدروژن، کربن و نیتروژن تشکیل می دهد که در گاهی مواقع با مقدار اندکی گوگرد همراه است. با توجه به اینکه زیست توده در مراحل رشد مصرف می کند، آلودگی ناشی از آن در مقایسه با s سوخت های فسیلی بسیار اندک است. بحث تولید هیدروژن از زیست توده به سال ۱۹۸۴ بر می گردد همکارانش هیدروژن را از چمنی که پروتئین آن را استخراج کرده بودند، تولید کردند تولید هیدروژن از زیست توده به دو بخش کلی تبدیل ترموشیمیایی و تبدیل بیولوژیکی تقسیم می شود که هر کدام نیز به نوبه خود روش های مختلفی دارد که در شکل  نشان داده شده است.

شکل (۱)- انواع روش های تولید هیدروژن از زیست توده

تبدیل بیولوژیکی، نوعی از تبدیل را در بر می گیرد که در آن از باکتری ها و انواع میکروارگانیسم ها جهت انجام واکنش و تجزیه زیست توده به فرآورده های مورد نیاز استفاده می شود که انرژی کمتری مصرف می کند اما معمولأ به زمان زیادی جهت انجام نیاز داشته و شرایط باید همواره در حال تعادل باشد اما در تبدیل ترموشیمیایی در زمان کوتاه با افزودن حرارت می توان به فرآورده مورد نظر رسید. با این وجود در هر دو روش تحقیق و توسعه در حال انجام است. در روش ترموشیمیایی که مورد بحث این مقاله است، روش آتشکافت به دلیل ایجاد فرآورده های مایع و جامد و نیاز به دماهای بسیار بالا جهت تولید گاز برای تولید هیدروژن مناسب نمی باشد و تحقیقات در بخش ترموشیمیایی بیشتر بر روی گازی سازی متمرکز شده است.

۱-۲ – گازی سازی معمولی : گازی سازی را نمی توان به شکل معمولی جزو فرآیندهای جدید دانست و سابقه ای حدود ۳۰ ساله میان محققین دارد اما روشهای توسعه یافته و جدید آن خصوصاً جهت تولید هیدروژن در سالهای اخیر توجه بسیاری را به خود جلب کرده است.

گازی سازی، فرآیند تبدیل ماده آلی (در اینجا زیست توده) از طریق اکسیداسیون جزئی در دماهای بالا(معمولا بین ۸۰۰ تا۹۰۰ درجه سلسیوس) به گاز سنتز می باشد که این گاز عمدتاً شامل کربن دی اکسید، متان، کربن منواکسید و هیدروژن با مقدار بسیار اندکی بخار آب و هیدروکربن های دو یا سه کربنه می باشد. علاوه براین، گازی سازی مقداری هیدروکربن بلند زنجیره به صورت قیر و ذغال به جا می گذارد که از معایب آن به شمار می رود. گاز سنتز تولیدی را هم چنین می توان ادینبر سوختهای پرکاربردی مانند بیودیزل و هیدروکربن های بلند زنجیره در فناوری های تبدیل گاز به مایع همچون سنتز فیشرترویش تبدیل کرد در گازی سازی از بخار آب، هوا و اکسیژن به عنوان عامل گاز ساز استغاده می شود که هر کدام مزایا و معایبی دارد. در رابطه (۲-۱) واکنش گازی سازی زیست توده با هوا به اختصار نوشته شده است.

۲-۲ گازی سازی در محیط آب فوق بحرانی : منظور از گازی سازی در محیط آب فوق بحرانی (آب با دمای ۳۷۴ و فشار ۲۲) ، روشی از گازی سازی است که در آن زیست توده مورد نظر در رآکتور به وسیله آب در فشار و دمایی بالاتر از نقطه فوق بحرانی اش به صورت گاز در می آید. نقطه فوق بحرانی، نقطه ای است که در آن فاصله ای بین دو فاز مایع و گاز وجود ندارد و سیال به یکباره و بدون گذر از حالت دو فازی از مایع به گاز تبدیل می شود. این نقطه و نقاط بالاتر از آن که آن را حالت فوق بحرانی سیال می نامیم. با گذر آب از نقطه فوق بحرانی و کاهش ثابت دی الکتریک، آب از حلال قطبی به یک حلال غیر قطبی تبدیل می گردد و این، هیدرولیز و تجزیه آسان تر مواد غیر قطبی همچون زیست توده و به تبع آن گازی سازی بیشتر را موجب می گردد. اولین بارModell و همکارانش در ۱۹۷۷ تاثیر غلظت و دما را بر گازی سازی گلوکز و خاک اره افرا در آب در مجاورت نقطه بحرانی اش بررسی کردند. آن ها مشاهده کردند که هیچ قیر جامدی از واکنش باقی نماند و غلظت هیدروژن ۱۸ درصدی مشاهده

گردید. در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در این زمینه انجام گرفته که از این میان می توان به آزمایش هایی در این زمینه توسط TaVaSoli و همکارانش که بر روی باگاس نیشکر انجام شده است اشاره کرد که در آن با استفاده از آب فوق بحرانی در رآکتور ناپیوسته لوله ای ، غلظت . ٪۳۷ هیدروژن مشاهده شده است.

گازی سازی در محیط آب فوق بحرانی به دلیل حلالیت بالای آب در حالت فوق بحرانی اش تا حد زیادی زیست توده را هیدرولیز، و در نهایت گازی می کند و ذغال و قیر ناچیزی به جا می گذارد و به خاطر بالا بودن فشار فرآیند، جداسازی  آسان می شود . علاوه بر این بازده بیشتری نسبت به گازی سازی معمولی داشته و اقتصادی تر است اما این روش کماکان در مرحله تحقیقاتی اش به سر می برد.

۳- جمع بندی و نتیجه گیری بشر برای نیل به توسعه پایدار و حفظ محیط زیست و تأمین نیازهای اساسی اش ناچار به کنار گذاشتن سوخت های فسیلی و رفتن به سمت سوخت های پاک در آینده است. هیدروژن به عنوان فراوان ترین عنصر جهان که دارای بالاترین انرژی حاصل از احتراق می باشد به عنوان سوخت کلیدی آینده مد نظر است که می توان آن را از منابع مختلفی تولید کرد. زیست توده کشاورزی از مهم ترین منابع تجدیدپذیر و در دسترس است که انرژی خورشید را در خود ذخیره دارد. بشر در سالهای اخیر توجه خود را به تأمین سوخت پاک از زیست توده منعطف کرده است به طوری که برخی از آن ها تجاری شده اند و برخی در مراحل تحقیقاتی به سر می برند. گازی سازی زیست توده قدمتی حدود ۳۰ سال دارد. گازی سازی معمولی فقط برای زیست توده های خشک (رطوبت کمتر از ۳۵٪) قابل انجام است و نیاز به دمای بالایی برای تبدیل به گاز سنتز دارد اما به تازگی نوع جدیدی از گازی سازی با نام گازی سازی در محیط آب فوق بحرانی در حال انجام است که امکان گازی سازی زیست توده با رطوبت بالا و تبدیل به گاز سنتز در دمای کمتر با توجه به خاصیت فوق بحرانی و حلالیت غیر قطبی آب را داراست. این روش کماکان در مرحله تحقیقاتی است و آزمایش ها در این زمینه در حال انجام می باشد. نتایج آزمایش های انجام شده تا کنون نشان می دهد که افزایش دما و افزودن کاتالیست مناسب تأثیر قابل توجهی در افزایش بازده تولید هیدروژن دارد. در مجموع می توان گفت با توسعه روش گازی سازی در محیط آب فوق بحرانی اگر آزمایش به درستی و در شرایط بهینه و در حضور کاتالیست انجام شود می توان انتظار حرکت به سمت تولید بهینه و به صرفه بیوهیدروژن از زیست توده به عنوان منبع تجدید پذیر را داشت.

منابع

[۱] Hepbasli. A, Kalinci Y, Dincer I., Biomass-based hydrogen production: A review and analysis, international journal of

hydrogen energy 34 (2009), pp 8799–۸۸۱۷٫

[۲] Abánades. A., The challenge of Hydrogen production for the transition to a CO2-free economy, Bio system

Engineering Special Issue 1, (2012), pp. 11-16.

[۳] Clarifications on definition of Biomass and consideration of changes in carbon pools due to a CDM project activity,

UNFCCC’S Executive Board twentieth report, Annex 8, 2005, Page 1.

[۴] Key World Energy Statistic, International Energy Agency, 2014, page 28

[۵] OSTI. Gasification. Available from :

http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/792221p8YtTN/native/792221.PDF

[accessed 15.11.2008].

[۶] McDonald RM, Swan JE, Donnelly PE, Mills RA, Vaughan SR. Proteinextracted grass and lucerne as feedstocks for transport production. Transactions of the New Zealand Institution of Engineers, Electrical/Mechanical/Chemical Engineering 8 (1981), pp 59-64

[۷] Sivamohan N. Reddy, Sonil Nanda, Ajay K. Dalai, Janusz A. Kozinski., Supercritical water gasification of biomass for

hydrogen production, International Journal of Hydrogen Energy 39 (2014), pp 6912-6926