بررسی وضعیت فعلی و چشم انداز سوخت های زیستی نسل سوم (ریز جلبک ها) / قسمت دوم

✍️دکتر اسدالله غلامپور

سرویس انرژی منبع خبر- زیست توده جلبکی(Algal biomass) و تبدیل آنها به سوخت های زیستی نسل سوم.

به گزارش سرویس انرژی منبع خبر، زیست توده جلبکی یک راه حل مطلوب و پایدار برای مسائل مربوط به زیست توده نسل قبلی ارائه می دهد. سوخت های زیستی دیگری مانند بیوهیدروژن، روغن زیستی و گاز سنتز مشتق شده از زیست توده جلبکی وجود دارد که سهم آنها در تولید کلی جهانی بسیار کم است. جلبک ها موجودات آبی هستند که CO2 را از هوا می گیرند و آن را به اکسیژن تبدیل می کنند و همچنین دارای روغن از طریق تجزیه ساختار سلولی خود به دلیل مقدار بالای لیپیدهای موجود در آنها هستند. در مقایسه با گیاهان زمینی، جلبک ها دارای سطوح فتوسنتز بالاتر و نرخ رشد بالا همراه با راندمان جداسازی CO2 بیشتری هستند. آنها می توانند تک سلولی (Microalgae) یا چند سلولی (Macroalgae) باشند. به عنوان زیست توده نسل سوم، ریزجلبک ها بیشتر در فرآیندهای تبدیل استفاده می شوند، زیرا حاوی چربی بیشتری نسبت به ماکروجلبک ها هستند و رشد سریع تری دارند. اکثر گونه‌های ماکروجلبک‌ها حاوی چربی کمتر از ۵ درصد وزن خشک خود، هستند و در گونه‌ای خاص به نام Dictyotales می‌توانند حداکثر تا ۲۰ درصد افزایش پیدا کنند. در مقابل، محدوده نرمال محتوای لیپید در ریزجلبک ها ۲۰ تا ۵۰ درصد وزن خشک است و در شرایط خاص می تواند به ۸۰ درصد برسد. جدای از لیپیدها، پروتئین ها و کربوهیدرات ها دو جزء اصلی زیست توده جلبکی هستند که می توانند به محصولات جانبی مختلفی مانند خوراک حیوانات، مکمل ها یا کودهای زیستی تبدیل شوند.
شکل ۲: اجزای اصلی ریزجلبک ها و محصولات آنها.

زیست توده جلبکی همچنین می تواند از طریق سه نوع فرآیند بیوشیمیایی، ترموشیمیایی و شیمیایی، با استفاده از یک سری روش ها، به سوخت های زیستی مختلف نسل سوم و سایر محصولات جانبی، تبدیل شود. تولید گاز متان از جلبک ها در دهه ۱۹۵۰ پیشنهاد شد که در دهه ۷۰ در طول بحران انرژی مورد توجه قرار گرفت. آمریکا بین سال‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۶، روی هدف تولید روغن از ریزجلبک‌ها سرمایه‌گذاری کرد و تجاری‌سازی اسیدهای چرب و محتوای لیپید آنها آغاز شد.
*جلبک ها و بیواتانول: تولید اتانول زیستی توسط تخمیر محصولات به دهه های قبل برمی گردد، زمانی که بحران نفت منجر به مخلوط شدن بیواتانول با بنزین شد. بر اساس گزارشی در سال ۲۰۱۸، ایالات متحده ۵۶ درصد از تولید جهانی اتانول را به خود اختصاص داده است، که اکثریت آن از مواد اولیه نسل اول و دوم مانند ذرت، نیشکر و ذرت تولید می شود. اما با در نظر گرفتن جلبک ها به عنوان زیست توده، آنها می توانند دو برابر بیشتر از نیشکر و پنج برابر بیشتر از ذرت اتانول تولید کنند. با توجه به مصرف کم انرژی، پیش تصفیه بیواتانول یک فرآیند کارآمد برای تولید بیواتانول است. بسیاری از محققان، جلبک ها را به عنوان منبعی امیدوارکننده برای تولید بیواتانول پیشنهاد می کنند و می توانند جایگزین محصولات غذایی و انرژی شوند.
*جلبک ها و بیوگاز: یکی دیگر از کاربردهای قدیمی زیست توده برای استفاده به عنوان سوخت، تولید بیوگاز برای اهداف گرمایشی است. بیوگاز همچنین برای تولید برق بسیار مورد استفاده قرار می گیرد و استفاده از آن از سال ۲۰۰۰ به طور تصاعدی افزایش یافته است.محققان، دریافته‌اند که جلبک‌ها مواد اولیه کارآمدی برای تولید بیوگاز هستند.
تولید بیوگاز در سال ۲۰۱۲ و روند تا سال ۲۰۲۲ در مناطق مختلف جهان (Pike Research، ۲۰۱۲) در نمودار زیر آمده است.

با توجه به سیاست های اتحادیه اروپا در زمینه انرژی های تجدیدپذیر و در زمینه خاص تر سوخت های زیستی، اروپا، نقش پیشرو در تولید بیوگاز دارد. دستورالعمل‌های اتحادیه اروپا درباره زباله‌ها نیز به تولید بیوگاز کمک زیادی کرده است. ‌ اتحادیه اروپا رشد تولید جهانی بیوگاز را تا سال ۲۰۲۲ به حدود ۳۳۰۰۰ ktoe در سال خواهد رساند. رشد قابل توجهی نیز برای منطقه آسیا-اقیانوسیه تخمین زده می شود، در حالی که افزایش کمتری برای آمریکای لاتین و به ویژه آفریقا پیش بینی می شود. تولید بیوگاز در رابطه با سه منبع اصلی ارزیابی می شود: ۱)گاز محل دفن زباله؛ ۲)بیوگاز از تصفیه خانه های فاضلاب شهری و صنعتی.۳) بیوگاز از گیاهان هضم بی هوازی که توسط ماتریس های آلی مختلف تغذیه می شوند (عمدتاً بخش آلی زباله های جامد شهری، صنایع غذایی و کشاورزی، بقایای کشاورزی، کود دامی). مجموع تولید بیوگاز از نظر انرژی اولیه ۱۰۰۸۵٫۸ ktoe y-1 است. این مقدار نشان‌دهنده تولید بیوگاز است که به طور موثر به انرژی تبدیل می‌شود و بنابراین مقادیر بیوگاز تخریب شده در مشعل را حذف نمی‌کند. ۵۰٫۲ درصد از کل تولید توسط آلمان (۵۰۶۷٫۶ ktoe y-1) انجام می شود. بریتانیا (۱۷۶۴٫۸ ktoe y-1) دومین تولیدکننده اتحادیه اروپا است و پس از آن ایتالیا (۱۰۹۵٫۷ ktoe y-1) و فرانسه (۳۴۹٫۶ ktoe y-1) قرار دارند. برخلاف آلمان، در ایتالیا، فرانسه، اسپانیا، و حتی بیشتر در بریتانیا، تولید بیوگاز هنوز به شدت به محل های دفن زباله قدیمی وابسته است. در دهه گذشته، آلمان سیاست قابل اعتمادتر و موثرتری را برای ارتقای این شکل از انرژی های تجدیدپذیر از طریق ساخت کارخانه های هضم متعدد که توسط ماتریس های آلی انتخاب شده تغذیه می شوند، ترویج کرده است. در این کشور، تعداد کارخانه‌های فعال (هضم بی‌هوازی برای ماتریس‌های آلی انتخابی) در سال ۲۰۱۱ به ۵۹۰۵ (از مجموع ۷۸۲۳ کارخانه ساخته شده در کل اتحادیه اروپا) رسید، در حالی که در همان سال، ۱۳۰۵ کارخانه جدید راه‌اندازی شد. شکل ۳ توزیع گیاهان هضم را در کشورهای مختلف اتحادیه اروپا نشان می دهد.

شکل ۳. توزیع گیاهان هضم در کشورهای اتحادیه اروپا. آلمان به وضوح مسلط است، حتی با توجه به اینکه این کشور بر خلاف کشورهای دیگر ترجیح داده است که ساخت نیروگاه های با ظرفیت کم را ادامه دهد. شکل ۴ توزیع ظرفیت تصفیه را همراه با توزیع میانگین ظرفیت کارخانه در کشورهای مختلف اتحادیه اروپا نشان می دهد. شایان ذکر است که نه تنها آلمان، بلکه کشورهای دیگر مانند اتریش، جمهوری چک و هلند نیز به طور قابل توجهی به سمت تاسیسات کوچک گرایش دارند، در حالی که سایر کشورها، به ویژه فرانسه، به سمت نیروگاه های با ظرفیت بیشتر حرکت کرده اند. اینها مزایای صرفه جویی در مقیاس بهتری دارند، اما به طور کلی پیچیده تر هستند. با این حال، ۹۰٪ از ظرفیت کارخانه های ساخته شده در اتحادیه اروپا در محدوده ۱۵,۰۰۰ × ۸۰,۰۰۰ تن زباله در سال و میانگین ظرفیت آن ۳۸,۰۰۰ تن در سال است. با وجود این، چند کارخانه با ظرفیت بیش از ۲۰۰۰۰۰ تن در سال وجود دارند.
شکل ۴٫ توزیع ظرفیت کل گیاهان هضم (سبز) و ظرفیت متوسط کارخانه (آبی) در کشورهای اتحادیه اروپا.

پیشرفت در تولید بیوگاز با هضم بی‌هوازی ماتریس‌های آلی انتخابی به شدت در کشورهای اتحادیه اروپا از طریق انواع مختلف مشوق‌ها، که بسیاری از آنها به اندازه کارخانه و نوع انرژی نهایی تولید شده مربوط می‌شوند، حمایت می شود. مقایسه دقیق تری از تولید بیوگاز (بر اساس منبع و کل) در کشورهای مختلف اتحادیه اروپا در شکل ۵ نشان داده شده است. می توان دید که چگونه آلمان و اتریش کشورهایی هستند که بیشترین پیشرفت را در تولید بیوگاز از کارخانه های هضم بی هوازی داشته اند(به ترتیب ۸۷٫۱٪ و ۸۷٫۴٪). همچنین درصدهای مربوط به دانمارک (۷۴٫۶٪)، جمهوری چک (۷۱٫۸٪) و هلند (۷۱٫۴٪) قابل توجه است. این درصد برای بلژیک به ۵۴٫۹ درصد کاهش می یابد، در حالی که ایتالیا با وجود پیشرفت قابل توجه خود در سال های اخیر، عملاً در مقایسه با اسپانیا (۳۳٫۳ درصد) تنها ۲۹٫۵ درصد را نشان می دهد.

بیوگاز از جلبک ها از طریق مراحل مختلف تبدیل بی هوازی، تولید می شود. طبق مطالعه ای که توسط آژانس بین المللی انرژی (IEA) انجام شده است، بیوگاز(Bioenergy) حاصل از جلبک ها (جلبک های دریایی) می تواند تا ۲۰۸۰۰ متر مکعب در هکتار در سال در مقایسه با محصولات زمینی با حداکثر ۶۶۲۴ متر مکعب در هکتار در سال برسد. روش‌های فعلی تولید بیوگاز جلبکی به دلیل محدودیت‌هایی مانند مساحت زمین برای کشت جلبک دریایی، ردپای آب و غیره، هنوز پتانسیل‌های عمده‌ای برای توسعه دارند. اگرچه صنعت بیودیزل جهانی به زیست توده نسل دوم وابسته است، اما نیاز به حجم عظیمی از زمین های زراعی همراه با یارانه های دولتی چالشی را برای تامین نیازهای مصرفی آنها ایجاد کرده است. محققان طیف گسترده ای از مزایای بیودیزل نسل سوم را یافته اند زیرا زیست توده جلبکی دارای نرخ رشد و بهره وری بالای نفت است. بنابراین، زیست توده جلبکی یک راه حل مطلوب و پایدار برای مسائل مربوط به زیست توده نسل قبلی ارائه می دهد. سوخت های زیستی دیگری مانند بیوهیدروژن، روغن زیستی و گاز سنتز مشتق شده از زیست توده جلبکی وجود دارد که سهم آنها در تولید کلی جهانی بسیار کم است. بیوهیدروژن جلبکی یک محصول رایج در سال های اخیر به عنوان سوخت گازی یا تولید برق است. معمولاً از طریق فرآیندهایی مانند فوتولیز زیستی، که در آن آب در حضور نور به مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن در زیست توده جلبکی، هیدروژن از زیست توده حاوی اسیدهای آلی با کمک نور خورشید، تولید می‌شود. اگرچه، در مقایسه با گیاهان خشکی، عملکرد بیوهیدروژن از جلبک ها، کمتر است. بنابراین، برای مفید ساختن بیوهیدروژن جلبکی در آینده، روش‌های پیش تصفیه مورد نیاز است. مطالعات اخیر همچنین بر بهینه‌سازی واکنش‌های آنزیمی برای تولید بازده بیوهیدروژن بهتر، تمرکز دارند. از سوی دیگر، نفت زیستی و گاز سنتز محصولاتی هستند که از مسیرهای مختلف تبدیل حرارتی، مانند تجزیه در اثر حرارت، احتراق، مایع سازی هیدروترمال (HTL) یا گازی شدن به دست می آیند. با این حال، روغن زیستی خام به دلیل ویسکوزیته بالا، خورندگی بالا و وجود آب، اکسیژن و سایر محتویات غیراشباع نمی تواند مستقیماً به عنوان سوخت استفاده شود. از این رو، چندین مرحله و درمان می تواند کیفیت آنها را بهبود بخشد، مانند تجزیه در اثر حرارت سریع سیال برای بازدهی بالاتر. از سوی دیگر، گاز سنتز توسط اکسیداسیون در دماهای بالا تولید می شود و می تواند مستقیماً به عنوان سوخت یا در توربین های گاز استفاده شود. سوخت های زیستی نسل سوم توسط محققان به عنوان یک ماده اولیه قابل توجه برای تولید سوخت زیستی نسبت به مواد اولیه نسل اول و دوم شناخته شده است. با این حال، پس از بررسی، مشخص شد که فناوری‌های سوخت زیستی جلبکی، به‌ویژه فرآیندهای کشت و برداشت هنوز نیاز به توسعه دارند. در حال حاضر بیواتانول و بیودیزل اصلی ترین سوخت های زیستی هستند که در سطح جهانی تولید می شوند. بر اساس گزارش منتشر شده توسط آژانس بین المللی انرژی که روند تولید را از سال ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۰ را نشان می دهد، تولید بیواتانول و بیودیزل ثابت مانده است که به ترتیب ۱٫۲-۱٫۳ مگابایت و ۰٫۶-۰۸ مگابایت در روز است. در حالی که سوخت‌های زیستی نسل سوم از زیست توده جلبکی دارای پتانسیل زیادی برای تولید هستند.

Springer Link :منبع

‏Energy System(By Azra Maliha &Bassan Abu Hijeh)