بخشی از مقاله
چکیده
تولید انرژی پاک و پایدار با استفاده از منابع تجدید پذیر و با هزینه قابل رقابت با سایر فناوری های رایج تبدیل انرژی، از راهکارهای رسیدن به توسعه پای دار می باشد. در این مطالعه پیل سوختی میکروبی مدل سازی شده و از ریزجلبک مرده به همراه پساب به عنوان خوراک ورودی استفاده شده است. کربن دی اکسید تولی دی در آند در حضور نور خورشید برای رشد جلبک مصرف می شود و از جلبک تولید شده به عنوان سوخت در چرخه توربین گاز استفاده می شود.
بهینه سازی این سیستم بر اساس کمینه کردن هزینه همتراز شده برق تولیدی با استفاده از الگوریتم ژنتیک انجام پذیرفته است. هزینه همتراز شده توان الکتریکی تولیدی این سیستم 7 سنت به ازای هر کیلو وات ساعت می باشد. این در حالی است که هزینه همتراز شده برق تولیدی بوسیله توربین گاز با در نظر گرفتن مالیات بر کربن حدود 8,5 سنت به ازای هر کیلووات ساعت میباشد بنابراین در سال های آینده با افزایش محدودیت های زیست محیطی و مالیات بر کربن، پیل های سوختی میکروبی و سیستم ترکیبی آنها قابل رقابت با سایر فناوری های تبدیل انرژی خواهند بود.
واژه های کلیدی پساب، ریزجلبک، پیل سوختی میکروبی - زیستی - ، فناوری زیستی، سیستم تولید برق بدون تولید آلایندگی کربندیاکسید.
مقدمه
در سالهای اخیر مسئلهی پایداری توجه بسیاری ازمحققان بخش انرژی را به خود جلب کرده است. اما استفاده از سوختهای فسیلی در سیستمهای تبدیل انرژی رایج باعث ایجاد آلودگی محیط زیست، کاهش ذخایر منابع فسیلی و افزایش قیمت آنها بدلیل کمیابی میشود که این موارد با معیارهای پایداری متناقض میباشد. بنابراین برای تحقق اهداف پایداری، نیاز به استفاده از فناوری تبدیل انرژی با بازده بالاتر و مصرف سوختهای تجدیدپذیر بدون آلودگی میباشد. محققان به منظور توسعهی پایداری در بخش انرژی استفاده از پساب را به عنوان حامل انرژی پیشنهاد میدهند[1] از طرفی استفاده از فناورهایی زیستی نظیر پیلسوختی میکروبی میتواند فرصتهای مناسبی برای تحقق پایداری فراهم نماید.
توجه محققان در خصوص استفاده از ریزجلبکها از اواخر دهه 80 میلادی بیشتر از پیش گردید. بنمان جیآر در این خصوص در سال 1987 با مقالهای تحت عنوان فناوریهای زیستی ریزجلبکها
و پلزار ام.جی با مقاله مفاهیم و کاربرد ریزجلبک در سال 1993 گام بزرگی درخصوص بهکارگیری ریزجلبکها برداشتند که به دنبال آن محققان دیگری همزمان و در طی دورههای بعد در این خصوص به نتایج قابل قبولی دست یافتند.پاکر با بهرهگیری از انرژی خورشید، گاز کربندیاکسید و آب به منظور رشد جلبک درصدد کاهش آلودگی گاز کربندیاکسید برامد. از جمله مقالاتی که اخیراً در سال 2013 در رابطه با استفاده از جلبکها منتشر شده است، توسط رازاک و همکارانش انجام شده است.
آنها در خصوص بهکارگیری جلبک جهت بازیابی دیاکسید کربن، تصفیه آب و تولید بایودیزل مطالعهای انجام دادند. از جمله بررسیهای انجامشده در این مطالعه، استفاده از فناوری گازیساز است که از جلبک به عنوان زیستتوده برای تولید همزمان بایودیزل و حرارت در کنار فناوریهای دیگر استفاده شده است. با توجه به نتایج بهدستآمده از این مقاله استفاده از جلبکها جهت بازیابی کربن دیاکسید موجه است و موجب بهینه نمودن هزینه تولید و کارآمدی بیشتر بایودیزل میگردد، پس میتواند به عنوان جایگزین مناسبی برای سوخت فسیلی باشد. از سوی دیگر مطالعهای در زمینه استفاده از پیلهای سوختی با استفاده از میکروارگانیسمها توسط م. آ. رودریگو و همکارانش در سال 2007 و کرنل رابی و همکارش در سال 2006 صورت گرفت.
به دنبال این رویکرد زیستی، یوفنگ کوی و همکارانش ، در سال 2014، مطالعهای در خصوص استفاده از پساب به عنوان سوخت در پیلسوختی میکروبی بهمنظور تولید برق و آب انجام دادند. نتایج بهدستآمده از این پژوهش، نشان از بازده بالای تولید برق در صورت استفاده از جلبکها است. از دیگر نتایج آن میتوان به استفاده از جلبکهای مرده به همراه پساب در قسمت آند پیلسوختی اشاره نمود چراکه جلبک مرده دیگر توانایی بازیابی کربن دیاکسید ندارد و پساب موجود در محیط، استفاده از آنها را به عنوان حاملهای انرژی امکانپذیر میسازد.
درکارهای انجام شدهی قبلی استفاده از پیلسوختی میکروبی تنها در مقیاس آزمایشگاهی مورد برسی قرار گرفته است و نحوهی استفاده از آنها در مقیاسهای بزرگتر مورد توجه نبوده است. همچنین هدف کارهای قبلی از بکارگیری پیلسوختی میکروبی تصفیه پساب و تولید انرژی در مقیاس تک پیل بوده است و از قابلیت تولید ریزجلبک در قسمت کاتد به عنوان منبع انرژی صرفنظر گردیده است. در کار حاضر پیلسوختی میکروبی برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس بزرگ استفاده میشود.
در این پژوهش با توجه به فرایند پیوستهای که درون پیلسوختی میکروبی و توربین گازی صورت میگیرد، رفتاری چون سیستم پایدار دارند. در سیستم پیشنهادی از کربندیاکسید تولیدی در قسمت آند پیلسوختی میکروبی و چرخه توربین گازی جهت رشد جلبک تعبیه شده موجود استفاده میشود، بنابراین اضافه شدن کربن دیاکسید حاصل از سیستم ترکیبی پیشنهادی سبب افزایش تولید جلبک میگردد. از جلبک تولید شده به عنوان سوخت محفظهی احتراق سیستم توربین گاز استفاده میشود. ترکیب کردن سیستم پیلسوختی میکروبی در کنار توربین گازی، افزایش حجم قابل توجهی تولید و بهرهمندی از برق را نسبت به واحد مشخصی از پساب را امکانپذیر ساخته است.
در این پژوهش بررسی اقتصادی استفاده از پیلهای سوختی میکروبی در سیستم ترکیبی و مقایسه آن با سایر سیستمهای تبدیل انرژی رایج انجام گرفته است. نوآوریهای کار حاضر بصورت زیر میباشد:توسعهی سیستم تولید انرژی بهینه براساس پیلسوختی میکروبی و با آلودگی کربندیاکسید کم ارائهی سیستم ترکیبی پیلسوختی میکروبی و توربین گاز تحلیل اقتصادی سیستم پیلسوختی میکروبی مقایسه اقتصادی سیستم پیشنهادی با سیستم تولید انرژی رایج است.
مدل سازی پیل سوختی میکروبی
شماتیک پیلسوختی زیستی دادشده است که شامل:یک محفظه آندی با جمع کننده الکترون - الکترود . یک غشای پلیمری. یک محفظه کاتدی با جمع کننده الکترون - الکترود - میباشد. در بخش کاتد، الکترون آزاد و هیدروژن تولیدی در بخش آند با اکسیژن موجود در کاتد واکنش داده و آب تولید میشود . با توجه به اینکه برای پرورش ریزجلبک به آب ، کربندیاکسید و نورخورشید نیاز است درصورتیکه نورخورشید به الکترود کاتد بتابانیم میتوان با مهیا بودن کربندیاکسید و آب در این قسمت، ریزجلبک را پرورش داد.
شماتیک پیلسوختی زیستی
واکنش هایی که در پیل سوختی میکروبی اتفاق می افتد بصورت زیر می باشد:واکنش درون آند واکنش بخش کاتدفرضیات استفاده شده در مدل انتقال جرم بصورت یک بعدی و پایا درنظرگرفته شود. جابهجایی در بخش بیوفیلم قابل صرفهنظر میباشد. گرادیان فشار در لایهها صرفه نظر میشود. واکنشهای صورت گرفته در لایهها بهصورت همگن میباشد. افت کاتد و آند در لایه کاتالیستی ثابت درنظر گرفته میشود. بخش آند و کاتد مانند یک راکتور همزن دار عمل میکنند. کربندیاکسید، ریزجلک مرده و اکسیژن قابل نفوذ در غشا نمیباشد.
