بخشی از مقاله
چکیده:
براي مبارزه با گرم شدن جهانی، بیوانرژي می بایست به میزان زیادي ایجاد شود زیرا جهان امروز تقریبا TW10 انرژي سوخت فسیلی استفاده می کند و می بایست این کار را بدون صدمات جدي به محیط و یا اختلال در تامین مواد غذایی انجام دهد. در حالیکه اکثر گزینه هاي بیوانرژي از هر دو نظر ناکام بوده اند. چندین گزینه مبتنی بر میکروارگانیسم داراي پتانسیل هایی براي تولید مقدار زیادي تجدید پذیر بدون تجزیه می باشند.
در رویکرد اول ، میکروارگانیسم ها مقدار انرژي مازاد بیوماس هاي مختلف ناشی از از عملیات هاي کشاورزي، جانوري و چندین عملیات صنعتی و هم چنین از ضایعات انسانی را به انرژي مفید جامعه تبدیل می کند.
میکروارگانیسم ها می توانند تقریبا تمام انرژي موجود در این ضایعات را به متان، هیدروژن و برق تبدیل نمایند. در رویکرد دوم، میکروارگانیسم هاي فقوسنتزي نور خورشید را به بیودیزل تبدیل می کنند. جلبک هاي خاص - یوکاریوت ها - یا سیانوباکتري ها - پروکاریوت ها - داراي حجم بالاي لیپید می باشندو بهترین گزینه براي تولید مقدار زیاد بیو انرژي هستند که براي جایگزین کسر زیادي از مصارف سوخت فسیلی جامعه امروز ما کافی می باشد تحت شرایط مناسب، این میکروارگانیسم هاي فتوسنتزي می توانند لیپید را براي سوخت زیستی دیزلی با بازده 100 برابر در هر واحد سطح یا بیشتر تولید نمایند.
مقدمه
گرم شدن جهانی می تواند کند شود و احتمالا برگشت یابد، و این تنها وقتی است که جامعه سوخت فسیلی را با جایگزین هاي تجدید و خنثی کربن جایگزین نماید. بهترین گزینه بیوانرژي است. انرژي خورشید در بیوماس گرفته می شود و به اشکال انرژي تبدیل می شود که براي جامعه امروزي مفید است . بنتتل ,هئغ 2غه کطکصکهق[تقریبا 80 درصدمصرف انرژي در جهان از سوخت هاي فسیلی است.
تا آنجایی که ما می دانیم وابستگی ما به سوخت هاي فسیلی سه خطر بسیار بزرگ را براي بقاي جامعه انسانی مطرح می کند. خطر اول این است که ما ذخایر سوخت فسیلی را تخلیه می کنیم و جامعه انسانی را با سرما، گرسنگی و در نهایت تاریکی مواجه می سازیم . دومین خطر این است که درگیري هاي ژنوپلتیکی ناشی از رقابت براي منابع منجر به تجزیه انرژي و فروپاشی اقتصادي، آشوب سیاسی و جنگ می شود .
سومین خطر ناشی از تغییر اقلیم جهانی است که با افزایش خالص در co2 اتمسفري به لحاظ اگرچه فاجعه هاي دو خطر اول بسیار فوري دیده می شود منتها این خطر سوم است که داراي تاثیر بلند مدت و عمیق می باشد . خوشبختانه ، ما داراي توان لازم براي کاهش و یا حتی احتمالا حذف خطر سوم با تبدیل آن به منابع انرژي تجدید پذیر کربن هستیم که خدمات انرژي و فراهم می آورد که هم اکنون از سوخت هاي فسیلی بدست می آید .حذف خطر سوم با یافتن جایگزین هایی براي سوخت فسیلی می بایست داراي پیامدهاي خوشحال کننده اي از کاهش خطر هر دو مورد باشد .
سوخت هاي فسیلی علی رغم مشکلاتی که ایجاد می کنند از منابع ایده آل انرژي می باشند. آنها انرژي قابل حمل و تراکم بالایی را ارائه می نمایند که می تواند به آن چیزي که جامعه نیاز دارد تبدیل شود: گرما، برق و نیروي حرکت. ما در اینجا مزایاي سوخت فسیلی را مد نظر قرارداده ایم. جایگزین هاي تجدید پذیر می بایست از لحاظ مطلوبیت و مناسب بودن با آنها مطابقت داشته باشند. بعلاوه، سوخت هاي فسیلی می توانند خدمات انرژي را در مقیاس زیاد ارائه نمایند: که هم اکنون بیش از - 1TW=1012W=3/2EJ/YEAR - 10Tw در سراسر جهان می باشد .
احتراق سوخت هاي فسیلی هر ساله حدود 6 گیگاتن co2 را به اتمسفر می افزاید .ب،،کذ, کئألاژقم استخراج و سوزاندن سوخت هاي فسیلی را به عنوان برداشت از اراضی فانتوم و یا بیوماس متمرکز جمع شده طی صدها میلیون سال، توصیف نموده است. تنها در چند سال، انسانها، کربن آلی را آزاد کرده اند که طی صدها میلیون سال تجمع می یابد. بنابراین سطح منواکسید کربن اتمسفري از آنجا که انقلاب صنعتی با سرعت رو به رشدي در حال افزایش بوده است.
سوخت فسیلی که امروزه مصرف می کنیم داراي مقدار زیادي است و مصرف ما تا 60 درصد افزایش خواهد یافت و یا در 20 سال آینده افزایش می یابد مگر آنکه بتوانیم آن را در مقیاس بسیار زیاد با گزینه اي دیگر جایگزین نماییم. حفاظت و کارایی براي حفظ تقاضاي انرژي کل از سطوح در حال رشد به سطوح کاملا غیر قابل کنترل الزامی خواهد بود.
در اصل با حفاظت و کارایی انرژي، جایگزین هاي تجدید شدنی سوخت هاي فسیلی فرصت می یابند تا گرماي جهانی را کند نمایند ، منتها این امر تنها در صورتی است که در مقیاس بسیار زیادي اجرا شود. دو گزینه براي انرژي قابل احیا داراي پتانسیلی براي ارائه انرژي تجدیدپذیر و خنثی کننده co2 در مقادیر زیاد می باشند. که هر دو انرژي خورشیدي را از طریق اثر فوتولتی یا بیوماس می گیرند. این مقاله بر انرژي بیوماس - زیست توده - متمرکز است که گزینه هاي بسیاري را نشان می دهد . و گزینه هاي عمده اي را توضیح می دهند.
روش ها
-2 گزینه ها و اصول انرژي زیست توده
اصل اول، این است که انرژي در الکترون هاست. همه بازده هاي بیوانرژي که در جدول آمده متشکل از حامل هاي الکترون تراکم بالا می باشند. در حالیکه بقیه غیر آلی هستند.
دومین اصل این است که منبع نهایی انرژي، نورخورشید است. فتوسنتز انرژي خورشید را می گیرد و آن را به مولکول هاي آلی تبدیل می کند که حاصل الکترون و انرژي می باشد. در برخی موارد، مولکول هاي آلی کاملا همگن هستند مانند کربوهیدرات هاي ساده که در ذرت و نیشکر دیده می شود.
در موارد دیگر، مولکول هاي آلی به صورت کمپکس اشکال ناهمگن دیده می شوند مانند سلولزي، مازاد گیاهی و ضایعات حیوانی. انرژي زیست توده - بیوماس - قابل احیاست زیرا منبع نهایی آن نور خورشید است. و خنثی کننده کربن می باشد .در حالیکه زیست توده ها یک حامل الکترونی مفیدي از نقطه نظر گیاهان فتوسنتزي و میکروارگانیسم ها و همچنین جانورانی که آنها را می خورند هستند، بیوماس ها یک حامل الکترونی کاملا نامناسب براي سوخت فعالیت هاي جامعه صنعتی ما نیز محسوب می شوند.
زیست توده به اندازه کافی متراکم نمی باشد. جامعه اشکال انرژي متمرکز مانند سوخت هاي فسیلی را بیشتر ترجیح می دهد. بعلاوه، زیست توده ها بیشتر مرطوب و داراي بوي بد و گاها خطرناك می باشند بیشتر جریان انرژي طبیعی که از نور خورشید گرفته می شود باید به اکوسیستم زمین برگشت داده شود. انسانها براي احتیاجات تمدن خود نمی توانن فقط 1/10 جریان طبیعی الکترون هاي پرانرژي را از بیوماس بگیرند. و این نشان می دهد که براي اینکه زیست توده به عنوان یک جایگزین عمده قابل تجدید باشد، گرفتن انرژي فتوسنتزي باید براي تولید بیوماس جدید گسترش یابد. بعلاوه، بیوماس هاي موجود باید طوري به کار روند که خللی در عملکرد اکوسیستم طبیعی ایجاد نکند .
1-2 تبدیل بیوماس مازاد به انرژي مفید
منبع زیاد بیوماس براي ایجاد انرژي مفید، بیوماس مازاد از فعالیت هاي طبیعی انسان می باشد. کشاورزي، صنایع تولید غذا و فاضلابهاي شهري صنعتی حاوي کافی براي بر آوردن جزء زیادي از کل تقاضاي انرژي جهان می باشد، البته در صورتی که به طور کارآمد جمع آوري و به اشکال انرژي مفید تبدیل شده باشد . سازمان انرژي آمریکا برآورد کرد که مقدار انرژي همه بیوماس هاي مازاد در ایالات متحده، 0/2-0/3Tw می باشد. که شامل ضایعات و مازاد کشاورزي، دامی، صنعتی و انسانی می باشد . تبدیل این منابع انرژي بیوماس به اشکال مفید تقریبا 7 درصد کل مصرف انرژي سالیانه ایالات متحده را مرتفع می نماید. این مقدار در سراسر جهان بسیار بیشتر است و احتمالا 25 درصد یا بیشتر است
تبدیل بیوماس مازاد به انرژي مفید از تولید اتانول از محصولات غذایی متفاوت است زیرا ماده آغازین معمولا به لحاظ شیمیایی پیچیده تر می باشد . تجزیه جامدت کمپکس و ماکروملکول ها به اقسام شیمیایی ساده که می تواند توسط میکروارگانیسم ها صورت پذیرد. تخمیر به محصولات ساده تر و تثبیت نهایی توسط میکرو ارگانیسم هاي خاص به الکترون مرحله آخر - ایجاد شکل غنی انرژي که به طور طبیعی در آب باقی می ماند- مزیت ذاتی سیستم تبدیل انرژي میکروبی است زیرا از هزینه زیاد انرژي براي استخراج سوخت از آب جلوگیري می کند.
در مرحله اول، این مواد کمپکس باید با ترکیب مواد شیمیایی، مکانیکی و حملات آتریلی به بخش هاي تشکیل دهنده آن تجزیه شوند. این مرحله پیش تیمار نامیده می شود و فنون بسیاري براي قابل دسترس عنوان زیستی بیوماس هاي کمپکس براي تبدیل انرژي نهایی مورد بررسی قرار گرفته است وقتی ماده آلی داراي قابلیت و دسترسی زیستی می باشد، یک فرایند تبدیل خوب می تواند تقریبا 100 درصد الکترون موجود در بازده انرژي مفید را بگیرد. ضروري است که محصولاتی که داراي هزینه انرژي بسیار زیادي می باشند که با جداسازي اتانول از آب همراه است اجتناب شود.
خوشبختانه، گروههاي مختلف میکروارگانیسم ها دقیقا همان کاري را انجام می دهند که ما انتظار داریم: یعنی، مخزن الکترونی را تولید می کنند که به طور طبیعی آب را باقی می گذارند. و می توانند براي مصارف انسانی به کار روند. سه تا از بهترین بازده هاي الکترون و انرژي عبارتست از گاز متان - ch4 - ، گاز هیدروژن - - h2 و خود الکترون - یعنی الکتریسیته -
2-2 متانوژنی
ایجادcH4 به وسیله جوامع میکروبی غیر هوازي، متانوژنی نامیده می شود. 8 الکترون از بیوماس گرفته می شود و در نهایت 1 مول ch4 را تشکیل می دهد که نیمه واکنش زیر نشان داده شده است .
20Co2+8H++8e‐ CH4‐2H2O
CH4 که همانند گاز طبیعی است. یک گاز داراي حلال پذیري پایین است که به سرعت از آب به صورت حباب بیرون می زد و می تواند به خاطر مقدار انرژي اش گرفته، پاکسازي و مصرف شود. CH4 داراي مقدار انرژي بالایی است که می تواند از طریق احتراق بدست آید. گرماي آزاد شده در احتراق می تواند براي پردازش و یا گرما دهی فضا به کار رود و یا می تواند با سیستم توربین بخار معمولی به الکتریسیته تبدیل شود.
متانوژنی با جامعه پیچیده اي از میکروارگانیسم ها انجام می شود .هر دو گروه متانوژن از پروش دهنده ها کند هستند و نیاز به شرایط بی هوازي دارند و تقریبا هیچ گزینه متابولیکی دیگري علاوه، بر واکنش ها در اینجا نشان داده نشده است H2. و اسید استیک با طیف وسیعی از باکتري تخمیر کننده از مولکول هاي آلی پیچیده تر تولید می شوند . در برخی موارد، مصرف سریع H2توسط متانوژن هاي اکسید کننده H2 ، براي ایجاد واکنش ترمودینامیکی تخمیر H2 الزامی است.
باکتري تخمیر کننده آنزیم هاي هیدرولینکی خارج سلولی را براي بریدن ماکرومولکول ها به مولکول هاي کوچک و ساده تولید می کند. که می تواند تخمیر شوند. متانوژنی، مدت بیش از 15 سال است که براي گوارش و تثبیت گل و لاي ایجاد شده در تصفیه فاضلاب به کار برده می شود. و تکنولوژي بالغی را تشکیل می دهد که می تواند براي اکثر اشکال بیوماس هاي مازاد اختصاص یابد.
