سوختهای زیستی یا بیوفیولها

بیوفیولها نوعی از سوختها هستند که از منابع زیست توده بدست می­آیند. این سوختها شامل سوختهای مایع نظیربیواتانول، بیومتانول، بیودیزل و سوختهای جامد مانند پلتها (Pellet) ها یا حبه های فشرده چوب در سایزهای مختلف و تراشه ها و چیپس چوب و  زائدات کشاورزی و ذغال چوب و سوختهای گازی همچون گاز سنتز با منشا بیو و بیوگاز  هستند. از منابع اولیه تولید این سوختها میتوان به ضایعات چوبی، تفاله محصولات کشاورزی، نیشکر، چغندر قند، غلات و روغن گیاهان و سبزیجات اشاره کرد. امروزه معضلهایی همچون آلودگیهای زیست­محیطی ناشی از مصرف سوختهای فسیلی که سبب برهم خوردن تعادل اکولوژیک و ایجاد مخاطرات زیست­محیطی گردیده، همچنین محدود بودن  و فناپذیری ذخایر سوختهای فسیلی باعث شده تا کشورهای جهان به این نوع سوختها بیش از پیش توجه نمایند.  براساس برآوردهای موجود، کره زمین 1000تا 1500 میلیارد بشکه نفت خام را در خود ذخیره دارد. از طرف دیگردر شرایط زیست اقلیمی موجود در کره زمین هیچ منبع سوختهای فسیلی درحال تشکیل نمی­باشد. بر اساس پیش­بینی­های بعمل آمده، بشر تا سال 2080 میلادی خواهد توانست از نفت خام موجود درزمین بهره­مند گردد.

غلظت CO₂ جو از سال 1800 تا 1990 از ppm 280 به ppm 353 رسیده است. از آغاز انقلاب صنعتی غلظتCO₂ جو، 20درصد افزایش یافته است. غلظت کربن دی‌اکسید کربن در جو زمین از سال 2000-2009 به طور سالانه 2 ppm  در حال افزایش بوده و در اکتبر 2012 به 391 ppm رسیده است .با افزایش معادل 5/2 درجه دردمای زمین بدلیل اثر گلخانه­ای تا سال  2100 ، سطح دریاهای آزاد، 5/0 متر بالاتر خواهد آمد که این موجب تهدید محیط زندگی 6 میلیون نفر درمصر، بنگلادش و چین است. دانشمندان می گویند میزان غلظت گازهای گلخانه‌ای جهانی در جو کُره زمین به چنان سطح هشدار‌دهنده‌ای رسیده که در تاریخ بشر بی‌سابقه است. در حال حاضر،  گازهای گلخانه‌ای به بالاترین میزان در ۳ میلیون سال اخیر رسیده است.  بر اساس مطالعه­ای درسال 1997 توسط کنگره آمریکا، 4 میلیارد دلار معادل 5 سنت در هر گالن بنزین مصرفی در این کشور هزینه اضافی ناشی از مشکلات تنفسی حاصل از ازون برجامعه است و علاوه بر آن حدود 59 سنت بر هر گالن بنزین، هزینه مرگ و میرزودرس در اثر ذرات معلق سمی و نیز آئروسلهای اسیدی حاصل از سوختهای فسیلی می­باشد. همچنین آمارها نشان می دهند که انتشارات سمی اگزوز خودروها مسئول حدوداً نیمی از سرطانهای ایجاد شده در اثر آلودگی هوا هستند. مطالعات میدانی در سراسر جهان نشان داده است که بیشترین سهم آلودگی هوا مربوط به بخش حمل و نقل یعنی سوخت خودروها می­باشد.

 

انواع بیوفیولها

v        بیواتانول (C₂H₅OH)

                                    

بیواتانول مهمترین سوخت الکلی است که با تبدیل محتوی نشاسته ای  و یا قندی سوختهای تغذیه بیومس نظیر ذرت، سیب زمینی ، چغندر قند، نیشکر، گندم و... به الکل تولید میشود. فرآیند تخمیر فرآیندی است که برای این منظور انجام میگیرد. دراین فرآیند ،مخمرها و حرارت برای تجزیه قندهای مرکب به قندهای ساده تر مورد استفاده قرار گرفته و الکل تولید میشود. فرآیندهای نسبتا" جدیدی نیز وجود دارد که از بخش سلولزی سوختهای تغذیه بیومس ، نظیر درختان، علفها و زائدات کشاورزی بهره برداری میکنند . سلولز شکل دیگری از کربوهیدراتها بوده و میتواند به قندهای ساده تر شکسته شود. این فرآیند نسبتا" جدید بوده اما به لحاظ پتانسیلی میتواند بطور گسترده تر از سوختهای تغذیه فراوان و ارزان قیمت قابل دسترس قرار گیرد.

 

   بیودیزل

 

بیودیزل (منوآلکیل استر)، یک سوخت دیزلی پاک است که از منابع طبیعی و تجدیدپذیر نظیر دانه های روغنی، روغنهای حیوانی و پلاستیک زباله های شهری و... تولید می شود. بیودیزل( متیل استر) یک مایع روشن تا زرد تیره است که عملاً غیرقابل امتزاج با آب می باشد و  نقطه جوش بالا و فشار بخار پایین دارد. نقطه فلش آن( حدود ^◦C 150 ( ^◦F 300)) ، آنرا سوختی نسبتاً غیرقابل اشتعال و بسیار ایمن تر از دیزل می گرداند. بیودیزل میتواند با سوخت دیزل معمولی، با هر نسبتی حتی در مقادیر بسیار کم که سبب کاهش انتشارات  و روانی بهتر موتور می گردد مخلوط گردد. 1% بیودیزل روانی را تا 65% افزایش می دهد . روانی بهتر به معنی سایش کمتر موتور می باشد که نهایتاً هزینه تعمیر و نگهداری دیزل را کاهش می دهد. بیودیزل عدد ستان بالایی دارد که اجرای موتور را بهبود می بخشد. 20% بیودیزل افزوده شده 3 درجه عدد ستان را بهبود می بخشد. در طی 15 میلیون تست میدانی انجام شده، بیودیزل مصرف شده به لحاظ قدرت اسب بخار خواصی همچون سوختهای دیزل معمولی نشان داده است.

 استفاده از بیودیزل در یک موتور گازوئیلی معمولی منجر به کاهش اساسی هیدروکربنهای نسوخته، منوکسید کربن و و ذرات  معلق می شود. با بکار بردن این سوخت از سهم کربن موجود و ذرات معلق کاسته می شود. (چون اکسیژن موجود در بیودیزل احتراق کامل به CO₂ را ممکن می سازد)، اما قسمت محلول با هیدروکربن به همان صورت باقی می ماند یا افزایش پیدا می کند. از این رو بیودیزل با تکنولوژی جدیدی مانند کاتالیستها (که از ذرات محلول گازوئیل می کاهند نه کربن جامد) و EGR (با کربن کمتر عمر موتور بیشتر می شود)، بسیار خوب کار می کند، علیرغم اینکه ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی بیودیزل بسیار شبیه گازوئیل معمولی است اما با این حال ویژگیهای خروجی اگزوز و بیودیزل بهتر از گازوئیل معمولی است. در بیشتر نقاط دنیا از فاکتوری بنام B استفاده میشود که مقدار بیودیزل را در ترکیب سوخت نشان می دهد. بعنوان مثال B10 به معنای اختلاط 10 درصدی بیودیزل با گازوئیل می باشد.

 مطالعات نشان می دهد که بیودیزل شدیداً خطر سرطانها و ناهنجاریهای تولد را کاهش می دهد. به ازای هر واحد انرژی مورد نیاز برای تولید، 24/3 واحد انرژی بدست می آید. (تقریباً 4 برابر بیشتر از گازوئیل). هیئت ملی سوختهای زیستی  آمریکا، بیودیزل را زیست تخریب پذیر تر از مواد قندی و سمیت آن را کمتر  از عناصر تشکیل دهنده نمک طعام جدول مندلیف اعلام نمود.منابع عمده تولید بیودیزل در دنیا عبارتند از: دانه های روغنی نظیر سویا، کلزا، گل آفتابگردان، تخم کتان و ..) ، روغن نارگیل (که در جنگ جهانی دوم در فیلیپین بجای دیزل استفاده شد)، روغنهای زائد مصرف شده حاصل از صنایع غذایی، چربی و روغنهای حیوانی، روغن دانه کلزا (بویژه در اروپا)و... به گزارش FAO ، در طول سالهای 2004-2003، 36 میلیون تن دانه کلزا در اروپا برداشت شد که این رقم در سالهای 2005-2004 به 46 میلیون تن رسید. در آمریکا نیز عمده ترین منبع تولید بیودیزل دانه های روغنی سویا می باشند.

 

   متانول

متانول نیز به دلیل دانسیته انرژی بالا و قابلیت ذخیره­سازی ساده و حمل ونقل آسان سوخت مایع بسیار مناسبی جهت کاربرد در ابزارهای  حمل و نقلی همچون پیلهای سوختی می­باشد. علاوه بر این نداشتن پیوند کربن – کربن و بالا بودن نسبت هیدروژن به کربن آن باعث شده که به عنوان بهترین سوخت مایع جهت استفاده در پیلهای سوختی مطرح باشد. این ماده  در مقایسه با اتانول عمدتاً برای استفاده در خودروها و وسایل قابل حملی که در آنها از پیل سوختی استفاده می­شود بسیار مناسب می­باشد. بر اساس بررسی­های انجام شده تخمین زده میشود که دانسیته انرژی یک پیل سوختی متانولی پنج برابر باتری سیستم می­باشد و میتواند براحتی با متانول دوباره شارژ شوند. هم اکنون شرکتهای بزرگ خودروسازی نظیر دایملر کرایسلر، هوندا و ... در خودروهای پیل سوختی خود و شرکتهای بزرگ سازنده تلفن همراه و لپ تاپ نظیر موتورولا، زیمنس، سامسونگ، LG و ... نیز در محصولات خود از این پیلهای سوختی متانولی استفاده کرده اند. شرکت توشیبا نمونه اولیه یک دستگاه پخش موسیقی با پیل سوختی متانولی رادرکنگره جهانیGSM3 سال 2007 ژاپن به نمایش گذارد. دراین دستگاه هدفون دار، پیل سوختی و مخزن سوخت درداخل یکی از هدفونها قراردارد.بنا به ادعای توشیبا، این دستگاه میتواند با مصرف 5 و4 لیتر متانول بیش از 10 ساعت عملکرد پیوسته داشته باشد.

شرکت توشیبا قصد دارد برای مواجهه با نوسانات بارگذاری، این محصول رابه صورت هیبرید باتری یون – لیتیم و پیل سوختی متانولی به بازار عرضه کند ودر مدلهایی،امکاناتی همچون بلوتوث و نمایشگرمیزان ظرفیت مخزن سوخت را نیز لحاظ کند.

"لازم به ذکر است که منظور از متانول در اینجا و در زمره بیوفیولها، بیومتانول یعنی متانول بامنشاء تولید زیستی می باشد."

 

سوختهای زیستی نسلهای مختلف

سوختهای زیستی نسل اول

برای تولید این سوخت ها به طور کلی از محصولات کشاورزی رشد داده شده برای غذا یا خوراک به صورت دانه های تازه استفاده می گردد.

سوخت های تجدید پذیر نسل دوم

سوخت های زیستی نسل دوم به طور کلی از مواد زیست توده لیگنو سلولزی غیر خوراکی، پسماند غیر خوراکی حاصل از تولید محصولات خوراکی(سبوس برنج، ساقه ذرت و ...) و یا کل گیاه غیر خوراکی (علف ها یا درختانی که ویژه تولید انرژی رشد داده شده اند) تولید می گردند.

سوخت های تجدید پذیر نسل سوم

سوخت­های نسل سوم از مواد با پایداری بیشتر نسبت به نسل دوم به وجود می­آیند. در حال حاضر امید بخش­ترین ماده میکروآلگا می­باشد. میکروآلگاها(میکروجلبکها) میکروارگانیسم­هایی با قطر کمتر از 4/0 میلیمتر می­باشند که با استفاده از نور خورشید، آب و دی­اکسید کربن تولید جلبک می­نمایند.

سوخت های تجدید پذیر نسل چهارم

در برخی منابع نسل سوم را شامل محصولات اصلاح شده که دارای راندمان بالا هستند، می دانند، اما محصولات کربن منفی(Carbon negative )، محصولاتی که میزان جذب کربن آنها بیش از دفع آنها است) را جزو نسل چهارم می دانند..

در این روش که  تحت پژوهش میباشد، بحث درمورد میکروارگانیسمهایی است که بتوانند مستقیماً CO₂ را از محیط خارجی جذب کرده و تولید قند نمایند .