بیوگاز چیست؟
بیوگاز، منبعی گازی و تجدیدپذیر از انرژی است که از تجزیه بیهوازی مواد اولیه مختلفی مانند ضایعات کشاورزی، فضولات حیوانی، پسماندهای شهری، مواد گیاهی، فاضلاب و زبالههای غذایی تولید میشود. این فرآیند که تخمیر بیهوازی نام دارد، توسط میکروارگانیسمهای بیهوازی یا متانوژنها در دستگاههایی به نام هضمکننده بیهوازی (anaerobic digester)، بایودایجستر یا بایوراکتور انجام میشود.
ترکیب اصلی بیوگاز شامل متان (CH4) و دیاکسید کربن (CO2) است و ممکن است مقادیر کمی سولفید هیدروژن (H2S)، رطوبت و سیلُکسان نیز در آن وجود داشته باشد. متان و هیدروژن موجود در بیوگاز قابلیت احتراق دارند و میتوانند انرژی آزاد کنند.
کاربردهای بیوگاز
انرژی آزاد شده از بیوگاز، آن را به سوختی ارزشمند تبدیل میکند:
- تولید گرما: برای مصارفی مانند پختوپز و گرمایش.
- تولید برق: با استفاده در موتورهای گازی یا توربینهای گازی، همزمان با تولید برق، گرما نیز بازیابی میشود (سیستمهای CHP - تولید همزمان گرما و برق).
- سوخت وسایل نقلیه: پس از خالصسازی و حذف CO2 و H2S، بیوگاز را میتوان فشرده کرده و مانند گاز طبیعی فشرده (CNG) در موتور خودروها استفاده کرد. در بریتانیا، پتانسیل جایگزینی حدود ۱۷٪ سوخت خودروها با بیوگاز تخمین زده شده است.
- سلولهای سوختی: استفاده در سلولهای سوختی برای تولید برق.
بیوگاز خالصسازی شده و ارتقا یافته به استانداردهای گاز طبیعی، بیومتان نامیده میشود.
منبع تجدیدپذیر بودن بیوگاز
بیوگاز یک منبع انرژی تجدیدپذیر محسوب میشود زیرا چرخه تولید و مصرف آن پیوسته است و انتشار خالص دیاکسید کربن ندارد. در طول رشد مواد اولیه زیستی، به همان اندازه دیاکسید کربن از اتمسفر جذب میشود که هنگام تبدیل آن به انرژی آزاد میگردد.
تولید بیوگاز
تولید بیوگاز توسط میکروارگانیسمها از طریق تنفس بیهوازی صورت میگیرد. این فرآیند هم به صورت طبیعی و هم صنعتی رخ میدهد:
تولید طبیعی
در خاک، متان توسط متانوژنها در محیطهای بیهوازی تولید میشود، اما عمدتاً در مناطق هوازی توسط متانوتروفها مصرف میگردد. انتشار متان زمانی رخ میدهد که تعادل به نفع متانوژنها باشد. خاکهای تالابی اصلیترین منبع طبیعی متان هستند. منابع دیگر شامل اقیانوسها، خاک جنگلها، موریانهها و نشخوارکنندگان وحشی است.
تولید صنعتی
هدف اصلی تولید صنعتی بیوگاز، جمعآوری بیومتان برای استفاده به عنوان سوخت است. تولید صنعتی به دو روش اصلی انجام میشود:
- گاز محل دفن زباله (LFG): تولید شده از تجزیه زبالههای زیستتخریبپذیر در محل دفن زباله به دلیل واکنشهای شیمیایی و میکروبی.
- گاز هضم شده: تولید شده در داخل یک هضمکننده بیهوازی.
کارخانههای بیوگاز (Bio-gas Plants)
کارخانه بیوگاز به هضمکننده بیهوازی اطلاق میشود که پسماندهای مزرعه یا محصولات انرژیزا را فرآوری میکند. این دستگاهها که به صورت مخازن دربسته با پیکربندیهای مختلف هستند، میتوانند با محصولاتی مانند سیلو ذرت یا پسماندهای زیستتخریبپذیر مانند لجن فاضلاب و زبالههای غذایی تغذیه شوند.
در این فرآیند، میکروارگانیسمها زیستتوده را به بیوگاز (عمدتاً متان و دیاکسید کربن) و دیجستات (digestate) تبدیل میکنند. ترکیب فاضلاب با پسماندهای دیگر از صنایع لبنی، قند یا آبجوسازی، میتواند تولید بیوگاز را به طور قابل توجهی افزایش دهد. به عنوان مثال، مخلوط کردن ۹۰٪ فاضلاب کارخانه آبجوسازی با ۱۰٪ آب پنیر گاوی، تولید بیوگاز را ۲.۵ برابر افزایش داده است.
نکته: تولید بیوگاز از ذرت کاشته شده به صورت عمدی، به دلیل تمرکز بالا، شدت و فرسایش خاک، ناپایدار و مضر توصیف شده است.
فرآیندهای کلیدی
دو فرآیند کلیدی در تولید بیوگاز وجود دارد: مزوفیلیک (mesophilic) و ترموفیلیک (thermophilic)، که به دما بستگی دارند. تحقیقات نشان داده است که حتی در دماهای پایینتر (با استفاده از باکتریهای رواندوست برداشت شده از دریاچههای یخزده)، میتوان بیوگاز تولید کرد، هرچند میزان آن کمتر از دماهای بالاتر است.
خطرات بیوگاز
اگرچه بیوگاز منبع انرژی پاکی است، اما خطراتی نیز به همراه دارد:
- آلودگی هوا: احتراق بیوگاز، مانند گاز طبیعی، دیاکسید کربن تولید میکند که یک گاز گلخانهای است.
- سولفید هیدروژن سمی: این گاز خورنده است و میتواند منجر به حوادث جدی شود. همچنین هنگام احتراق، دیاکسید گوگرد و اسید سولفوریک تولید میکند که هر دو خورنده و خطرناک برای محیط زیست هستند.
- نشت متان: متان یک گاز گلخانهای بسیار قوی است و نشت آن خطرات زیستمحیطی جدی به همراه دارد.
- خطر انفجار: بیوگاز در نسبت یک قسمت بیوگاز به ۸ تا ۲۰ قسمت هوا میتواند منفجر شود. هنگام ورود به هضمکنندههای خالی برای تعمیرات، باید اقدامات ایمنی ویژه انجام شود. سیستم بیوگاز هرگز نباید فشار منفی داشته باشد، زیرا این امر میتواند منجر به انفجار شود.
اقدامات ایمنی: بررسی مکرر بو، باز کردن پنجرهها و درها در صورت استشمام بو، و قطع جریان گاز در صورت آتشسوزی ضروری است.
گاز محل دفن زباله (Landfill Gas - LFG)
گاز محل دفن زباله از تجزیه بیهوازی زبالههای آلی مرطوب در محلهای دفن زباله تولید میشود. این گاز اگر به درستی جمعآوری و مدیریت نشود، میتواند خطرناک باشد، زیرا هنگام مخلوط شدن با هوا قابل انفجار است. متان موجود در LFG ۲۸ برابر قویتر از دیاکسید کربن به عنوان گاز گلخانهای عمل میکند و انتشار کنترل نشده آن به گرمایش جهانی کمک میکند. همچنین ترکیبات آلی فرار (VOCs) موجود در LFG به تشکیل ازون تروپوسفری (مه دود فتوشیمیایی) کمک میکنند.
کاربردها و پیشرفتهای فناوری
بیوگاز کاربردهای متنوعی دارد، از تولید برق و گرما گرفته تا تامین سوخت وسایل نقلیه. فناوریهای نوین مانند استفاده از نانوذرات اکسید آهن، پتانسیل تولید بیوگاز را تا سه برابر افزایش دادهاند.
بیوگاز و بهداشت
مدیریت صحیح لجن فاضلاب و تولید بیوگاز از آن، علاوه بر تولید انرژی، به کاهش بیماریهای منتقله از آب و آلودگی محیط زیست کمک میکند.
قوانین و مقررات
اتحادیه اروپا و کشورهایی مانند بریتانیا و آلمان، قوانین حمایتی برای توسعه صنعت بیوگاز دارند. در ایالات متحده نیز قوانینی برای کنترل انتشار گازهای گلخانهای از محلهای دفن زباله وجود دارد و برنامههای حمایتی برای توسعه سیستمهای هضمکننده بیهوازی ارائه میشود.
تحولات جهانی
ایالات متحده، اروپا (به ویژه آلمان، اتریش و سوئد) و کشورهای آسیایی مانند چین و هند، در توسعه و استفاده از فناوری بیوگاز پیشرو هستند. در این کشورها، بیوگاز نقش مهمی در تامین انرژی پاک، کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی و توسعه اقتصادی مناطق روستایی ایفا میکند.
انجمنها
- انجمن جهانی بیوگاز (World Biogas Association)
- شورای بیوگاز آمریکا (American Biogas Council)
- انجمن بیوگاز اروپا (European Biogas Association)
نکات جالب
در فیلم استرالیایی «مکس دیوانه: جاده خشم» (Mad Max Beyond Thunderdome)، شهرکی پسا-آخرالزمانی با استفاده از سیستم مرکزی بیوگاز مبتنی بر مرغداری، انرژی خود را تامین میکند.