کتاب-اصول طراحی و ساخت دستگاه های بیوگاز
در ده سال اخیر بعلت کمبود انرژی و افزایش قیمت آن در کشورهای وارد کننده مواد سوختی مورد توجه خاص قرار گرفته است. در حال حاضر رشد مصرف انرژی در جهان سه برابر رشد جمعیت است. بشر برای بدست آوردن رفاه بیشتر، نیاز به انرژی بیشتری دارد. افزایش قیمت منابع انرژی تجدیدناپذیر (فسیلی) از دهه 1970 به بعد، همچنین محدودیت و مخاطرات زیست محیطی (برهم زدن تعادل گرمایی جو زمین و ...)، توجه بسیاری از محققان در سراسر جهان را به منابع انرژی تازه معطوف کرده است. منابعی که احیاپذیر بوده و مخاطرات زیستمحیطی کمتری را داشته باشند. انرژیهای نوین با ساختاری متفاوت از انرژیهای فسیلی، باعث تحولی عظیم در استفاده از انرژی شدهاند. در این میان، با توجه به رشد فزاینده نیاز و تقاضا برای انرژی (هر ده سال دو برابر میشود)، تلاش برای یافتن منابع جانشین انرژی امری ضروری است. بیوگاز حاصل از زیستتوده از مهمترین انرژیهای نوین میباشد. امروزه ازدیاد روزافزون مواد زائد و تولید انرژی از این مواد با توجه به سهولت فناوری و اقتصادی بودن این منابع سبب گردیده است تا توسعه آنها در بسیاری از کشورهای جهان، به صورت یک فناوری صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. در خصوص تخریب لایه ازن که اکنون مسئله روز جهانی شده است، گفته میشود که در سطح جهان سالیانه حدود 40 میلیون تن گاز متان تنها از زبالههای شهری خود به خود تولید شده و در جو زمین پراکنده می‌گردد که جمع‌آوری و سوخت آنها به صورت مناسب به خوبی امکانپذیر است. بعضی از کشورهای جهان برای حل مشکل یاد شده و نیز برای توزیع نوین سوخت به مناطق روستایی به استفاده علمی از انرژی زیستی از طریق تولید بیوگاز از مواد مختلف اقداماتی انجام داده اند. از جمله این کشورها می توان هلند، ایتالیا، چین، کره شمالی، پاکستان، هندوستان و نپال را نام برد.به دنبال اهداف فوق، بیشتر کشورهای جهانسوم و همچنین، اغلب کشورهای صنعتی به بهرهبرداری از سیستمهای بیوگاز برآمدهاند. در این مقاله روند پیشرفت بیوگاز در قرن اخیر مورد مطالعه قرار گرفته است.
در طی قرن دهم قبل از میلاد مسیح در آشور و در قرن شانزدهم در ایران از بیوگاز برای گرم کردن آب جهت حمام و شستشوی بدن استفاده میشد. در سال 1776 میلادی الکساندر ولتا نتیجه گرفت که بین مقدار مواد آلی فسادپذیر و میزان گاز قابل اشتعال رابطه مستقیمی وجود دارد (عبدلی، 1364). در سال 1859 اولین واحد تخمیر بیهوازی در بمبئی هند ساخته شد. در سال 1860 میلادی اولین واحد استفاده شده برای تصفیه مواد جامد فاضلاب بوسیله شخصی به نام اچ ـ موراس بکار گرفته شد (نجفپور، 1374). در اروپا برخی واحدهای بیوگاز بیشتر از20 سال است که مشغول به کار هستند. در حال حاضر بیش از600 واحد هاضم در اروپا مشغول بکار می‌باشند و تنها در کشور آلمان در حدود250 واحد بیوگاز، طی پنج سال گذشته نصب شده است. از نیمه اول قرن بیستم در بسیاری از کشورها ساخت دستگاههای تولید کننده بیوگاز و استفاده از گاز حاصله آن به منظور پخت و پز، تأمین روشنایی و بکار انداختن موتورهای احتراقی وسایل نقلیه به سرعت توسعه یافت (ثقفی، 1382). در این بین کشورهای چین و هند بیش از سایر کشورهای دیگر به ساخت و بهرهبرداری از دستگاههای تولیدکننده بیوگاز پرداختهاند (سالک، 1373). بیش از نیمقرن پیش در تصفیهخانههای فاضلابهای شهری در اروپا استفاده از گاز متان حاصل از تخمیر مواد بیولوژیکی مطرح بود؛ اما استفاده از بیوگاز بصورت متداول از جنگ جهانی دوم به بعد مطرح شد. اهمیت و توسعه بیوگاز در جهان طی سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به عنوان مثال تعداد این دستگاهها در چین از سال 1920 تا سال 1985 بالغ بر هفت میلیون برآوردگردیده که نیازهای انرژی پنجاه میلیون روستایی را بر طرف مینماید. درکشور امریکا بیش از 400 ژنراتور بزرگ و کوچک بیوگاز برای مصارف خانگی و صنعتی از انرژی بیوگاز استفاده مینماید (عمرانی، 1375).
تعداد هاضمهای کوچک و متوسط مورد استفاده در سطح جهان در سال 2005 از 25 میلیون واحد فراتر رفته و دهها هزار واحد بزرگ بویژه در اروپا و آمریکا نصب شده است. دامداریها، مجتمعهای کشاورزی و تقریباً تمام تصفیهخانههای فاضلاب کشورهای اروپای غربی موظف به استفاده از هاضمهای بیهوازی و واحدهای بیوگازی شدهاند (جدول 1).
جدول 1- تعداد واحدهای بیوگاز ساخته شده در کشورهای مختلف
راندمان مناسب فرآیند هضم بیهوازی در حل معضل زبالهها و تولید انرژی باعث توجه کشورهای اروپایی نظیر دانمارک، سوئد، فرانسه، آلمان، هلند، ایتالیا، انگلستان و ... به استفاده و توسعة این فناوری شده است (ثقفی، 1382). علاوه بر کشورهای اروپایی، کشورهای آمریکایی و آفریقایی هم به منظور تأمین بخشی از انرژی خود، استفاده از فرآیند هضم بیهوازی را مد نظر قراردادهاند. آمریکا از جمله کشورهایی است که تمایل زیادی به استفاده از نیروگاههای بیوگازی صنعتی نشان داده است. هاضمهای موجود در آمریکا اکثراً دارای حجمهای بالا با قابلیتهای کاربرد متنوع برای استفاده از فاضلاب و زبالههای شهری، فاضلاب صنعتی، فضولات دامی و زائدات کشاورزی ساخته شدهاند. آمریکا علاوه بر توجه به کاربرد بیوگاز، در مبحث تحقیقات بیوگازی نیز از کشورهای پیشتاز در جهان میباشد. در سا ل 2003 پروژه (MEAD) توسعه بیوگاز در آمریکا را شتاب قابل توجهی بخشید (سالک، 1373). افزایش مواد زائد در جهان اعم از مایع یا جامد و تولید بیوگاز از این مواد، با توجه به سهولت فناوری و ساخت دستگاه تولید بیوگاز در شرایط بیهوازی سبب شده است که تولید و مصرف آن در بسیاری ازکشورها به دو صورت (صنعتی وسنتی) مورد توجه قرار گیرد. کشورهای هند و چین در دهه 1930 میلادی، به طور وسیع به ساخت دستگاههای بیوگاز اقدام نمودند (نجفپور، 1374).
در کشورهاى اروپاى غربى و جنوب شرقى آسیا فناورى تولید انرژى از بیوگاز بسیار قابل توجه است. در میان کشورهاى اروپایى به کشور سوئد مىتوان اشاره کرد که در زمره بهترین مصرف کنندگان این نوع از انرژى در صنعت حمل و نقل به حساب مىآید. صنعت بیوگاز در کشورهای آسیای جنوب شرقی، در سطح بسیار وسیعی پیاده شده است و موفقیتهای چشمگیری نیز داشته است (ثقفی، 1382).
اغلب کشورهای پیشرفته طرحهای بزرگی در زمینه استفاده از بیوگاز در مناطق روستایی به مرحله اجرا گذاشتهاند. به عنوان مثال، در کشور چین800 میلیون روستایی80 % انرژی مورد نیاز روزانه خود را از منابع زیستی به دست میآورند؛ در غیر این صورت طبق برآوردها سالانه باید حدود500-400 میلیون تن چوب و شاخ و برگ در مناطق روستایی سوزانده شود. ذکر این نکته ضروری است که انرژی حرارتی ناشی از سوختن بیوگاز تولید شده از منابعی همچون چوب و... در مقایسه با سوزاندن مستقیم آنها30-40% افزایش نشان میدهد. امروزه نصف جمعیت جهان برای استفادههای گرمایی و آشپزی از چوب استفاده میکنند و مصرف چوب سالانه حدود۲ الی ۳ درصد افزایش مییابد (نجفپور، 1374). درسال۱۹۹۰ مصرف چوب، درحدود ۲ میلیارد متر مکعب (حدود۱۰ میلیون بشکه در روز معادل نفت) بوده است. منابع انرژی بیومس (زیستتوده) را میتوان با استفاده از روشهای جدید مهندسی ژنتیک گسترش داد. راههایی نیز وجود دارد که از آنها میتوان برای بالابردن کیفیت سوخت استفاده کرد، مانند تبدیل چوب به زغال، زباله چوب و خاک اره را هم از طریق فشردن و شکل دادن، به صورت قالب(Pellet) در میآورند. درآمریکای شمالی و اروپا از این قبیل سوختهای جامد در صنایع استفاده میشود (سالک، 1373).
بیشتر کشورهای دنیا برنامهریزی گستردهای برای تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژیهای نو انجام دادهاند. با توجه به روند کنونی، کشورهای اروپایی به دنبال توصیه اتحادیه اروپا، به سمت استفاده از انرژیهای جانشین و تجدیدپذیر، تا سال۲۰۳۰ میلادی حدود ۱۵ درصد از مجموع انرژی مورد نیاز خود را از طریق انرژیهای تجدیدپذیر، تأمین خواهند کرد. دنیای امروز نیاز مبرم می داند که توجه زیادی برای تولید و استفاده از بیوگاز نشان دهد. اغلب کشورهای پیشرفته طرحهای بزرگی در این زمینه به مرحله اجرا گذاشتهاند، درکشورهای اسکاندیناوی طرحهای بزرگ صنعتی با استفاده از بیوگاز، راهاندازی شده است. کشور سوئد تا سال۲۰۵۰ میلادی، ۴۰% از بازار خودرو خود را به استفاده از بیوگاز مجهز میکند که آن را از فرایند سینیتیک بر روی چوب تأمین میکند. در کشور انگلیس آییننامه کاربرد سوختهای تجدیدپذیر در ترابری این کشور، برای شرکتهای دستاندر کار فعالیتهای انرژی مانند، شرکتهای نفتی، مؤسسات واردکننده نفت و گاز و دیگر نهادهای عرضه کننده سوخت، لازمالاجرا خواهد بود. استفاده از بیوگاز در اغلب کشورهای جنوب شرقی آسیا که با مشکل سوخت فسیلی مواجه هستند، وجود دارد (نجفپور، 1374). از این سیستم برای سه منظور استفاده میکنند: تولید انرژی برای روستاها با قیمت ارزان، بهسازی محیط زیست و جلوگیری از آلودگی آن و تهیه کود حیوانی غنیتر برای کشاورزان. کمبود و افزایش قیمت روز افزون سوختهای فسیلی از یکسو، وفور مواد فسادپذیر و سادگی عمل با توجه به هزینههای کم از سوی دیگر، سبب گردیده تا ساختمان دستگاه تخمیر و تولید بیوگاز در بسیاری از کشورهای اروپایی و حتی آمریکا بصورت یک تکنولوژی ساده و سنتی مورد استفاده قرار بگیرد (عبدلی، 1364). کشورهای اروپایی عمدتاً با توجه به نداشتن ذخائر نفتی کافی و یا محدودیت آن، آغازگر حرکت به سمت استحصال انرژی از منابع تجدیدپذیر بودهاند و مطالعاتی را جهت یافتن کلیه منابع موجود در تبدیل به سوخت و انرژی نمودهاند.
در کشورهای اروپایی نظیر بلژیک، دانمارک، فرانسه، یونان، هلند، انگلستان، ایتالیا و ایرلند تا سال 1982 نزدیک به 600 هاضم وجود داشته که از پسماندهای کشاورزی، فضولات انسانی و فاضلابهای صنعتی تغذیه مینمودهاند. 20% انرژی اروپا تا سال 2020 از طریق بیوگاز تامین خواهد شد. بیوگاز یک روش تأمین انرژی است که کربنی تولید نمیکند. مواد منتج شده از گیاهان و حیوانات ( نظیر فضولات حیوانی یا ضایعات گیاهی ) در طول دوره ماند (ماندگاری) خود، تا زمانی که تجزیه شوند تنها دیاکسید کربن تولید میکنند و هیچ گونه انرژی تولید نمینمایند، در حالی که برق تولید شده از بیوگاز نسبت به انرژیهای معمول انتشار دیاکسید کربن بسیار کمتری دارد (عمرانی، 1375). 1کیلووات تولید برق با بیوگاز از تولید 7000 کیلوگرم دیاکسید کربن در هر سال جلوگیری میکند. با توجه به این که امروزه واردات بنزین، بودجه زیادی لازم دارد، میتوان با بهرهگیری از بیوگاز به عنوان منبعی پاک و در دسترس علاوه بر کاهش وابستگی به واردات بنزین و همچنین آلودگیهای ناشی از مصرف بنزین در حملونقل، به حفظ منابع نفت و گاز به عنوان سرمایههای ملی کوشید (ثقفی، 1382).
آشنایی با نحوه تولید و استفاده از بیوگاز در کشورهای دیگر به منظور استفاده ازنکات مثبت تجربیات آنها بسیار مفید است. در ادامه نحوه تولید و استفاده از بیوگاز در چند کشور به اجمال مورد بررسی قرارمیگیرد (عمرانی، 1375):
کره
در کره اهمیت تولید بیوگاز به صورت جدی مورد توجه قرار گرفته است؛ بهطوریکه تا سال1975 حدود 30000 واحد بیوگاز در این کشور فعال بوده است.
چین
اهمیت و توسعه بیوگاز در جهان طی سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است؛ بهطوریکه تعداد این دستگاهها در چین از سال 1920 تا 1972 تنها 1300 و بعد از آن تا سال 1985 بالغ بر هفت میلیون برآورد گردیده است (عبدلی، 1364). در این کشور بیش از 400 ژنراتور بزرگ و کوچک بیوگاز برای مصارف خانگی و صنعتی از انرژی بیوگاز استفاده مینمایند. کشور چین با ابداع نوعی سیستم زراعی همراه با دام توانسته است گیاه و دام را در یک سیستم، در ارتباط با زنجیره ریزهخواری قرار دهد. در این سیستمها برنج محصول زراعی اصلی است، زمانیکه دانه برداشت میشود کاه وکلش، همراه با کود دامی در یک دستگاه هضم کننده بیوگاز به صورت کمپوست در میآید که متان حاصل از این فرایند برای پختوپز و روشنایی و لجن باقیمانده در دستگاه هضم کننده، برای تولید قارچ خوراکی مورد استفاده قرار میگیرد. بعد از اینکه قارچ برداشت شد، بقایای ماده آلی هم به عنوان کود آلی به مزارع برنج برگردانده میشود (نجفپور، 1374). این سیستم، از نظر مصرف انرژی و چرخش عناصر غذایی بسیار کارآمد است (شکل 1و2).
وضعیت انرژی هند در مقایسه با سایر کشورهای توسعه یافته تفاوت بسیاری دارد که حکایت از مجموعهای از منابع متعدد انرژی، برای تأمین نیازهای مردم این کشور دارد. در گذشته، اقدامهای هند به دلیل فعالیت های پراکنده و مجزا موفق نبوده است. روند حرکت به سمت انرژی های نو در هندوستان سه مرحله را پشت سر گذاشته است (عبدلی، 1364):
مرحله اول: در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980 بیشتر تلاشها در زمینه بیوگاز، ساخت اجاقهای مدرنتر و استفاده از انرژی خورشیدی و تلاش برای افزایش آگاهی مردم بود.
مرحله دوم: تأسیس وزارت انرژیهای غیرمرسوم در سال 1992 بود که پس از آن مؤسسات و سازمانهای زیادی درخصوص تأمین سوختهای مناطق مختلف و با هدف افزایش اشتغال در مراکز روستایی و محلی مشغول فعالیت شدند.
مرحله سوم: فعالیتهای جاری به صورت منسجمتری انجام شد و بر توسعه فناوریها برای تولید برق از باد، ایجاد نیروگاههای کوچک آبی، توسعه سیستمهای ترکیبی تولید انرژی از بیوگاز و بیومس تأکید شد. مجموعه این تلاشها سبب شد که از بار مشکلات و سختیهای تأمین انرژی برای روستائیان و همچنین آلودگیهای زیستمحیطی در کشور هند به نحو مؤثری کاسته شود. از اقدامهای مهم انجام شده در حوزههای مختلف انرژ یهای تجدیدپذیر در هند میتوان موارد زیر را نام برد (عدل، 1378):
در سال 200 در هندوستان انرژی بیومس حدود یکسوم کل انرژی مصرفی کشور را به خود اختصاص میداد، که 90 درصد آن در مراکز روستایی و 10 درصد در مراکز شهری به مصرف میرسید. واحدهای تولید بیوگاز در کشور هند رواج زیادی پیدا کرده است، به طوری که هماکنون برای روشنایی منازل و یا معابر نیز در روستاها مصرف می-شود. پسماندهای گیاهی نیشکر از منابع تولید انرژی است که نوعی انرژی بیومس بوده و میتوان تولید انرژی برق حاصل از آن را تا 340 مگاوات در هند افزایش داد. دولت هند در صدد است تا طرحهای استفاده از این نوع انرژی را در نواحی مختلف کشور گسترش دهد. از سال 2000 تا سال 2010 میزان مصر
منابع
ثقفی، محمود (1382) " انرژیهای تجدید پذیر نوین". انتشارات امیرکبیر، چاپ دوم.
عدل، مهرداد (1378) "برآورد قابلیتهای تولید انرژی از زائدات زیستی". پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران.
قارداشی، ابوالقاسم علی و مهرداد، عدل (1379)""گزارش بررسی اقتصادی پروژه زیست توده" .گروه انرژیهای نو، پژوهشگاه نیرو.
قارداشی، ابوالقاسمعلی و عدل، مهرداد (1380) "بیوگاز در ایران". سومین همایش ملی انرژی
