سوخت‌ زیستی

سوخت زیستی چیست؟

به طور کلی، هر گونه سوختی که از زیست توده مشتق شود، سوخت زیستی نامیده می‌شود. روند تولید این سوخت بر خلاف سوخت‌های فسیلی کند نبوده و تجدید پذیر هستند. همین تجدید پذیری باعث می‌شود که کاندید مناسبی برای جایگزینی سوخت های فسیلی باشند.

البته باید توجه کنیم مزیت‌های سوخت‌های زیستی تنها به تجدید پذیر بودن آن‌ها ختم نمی‌شود و مزیت‌های بیشمار دیگری از جمله جلوگیری از آلودگی محیط زیست دارند.

چرا سوخت‌ زیستی؟

در پی پیشرفت تمدن‌ها، مصرف سوخت‌های فسیلی روزبه‌روز بیشتر می‌شود. معایب گسترده سوخت‌های فسیلی از جمله گرمایش زمین، آلودگی‌ها و اثرات زیست‌محیطی آن‌، استفاده از یک سوخت جایگزین را الزامی می‌کند.

سوخت‌ زیستی، سوختی است که از زیست‌توده یا به بیان دیگر از مواد زیستی و مواد آلی که بدن موجودات زنده را می‌سازند، به دست می‌آید.

از آنجایی که ماهیت اصلی این سوخت‌ها به گیاهان برمی‌گردد و گیاهان نیز از فتوسنتز و نور خورشید برای سنتز مواد آلی استفاده می‌کنند؛ پس برخلاف سوخت‌های فسیلی مانند نفت، زغال‌سنگ و گاز طبیعی، یک سوخت تجدیدپذیر است.

منابع سوخت‌های زیستی

• زیست توده

زیست توده به مواد آلی مشتق شده از گیاهان و حیوانات اطلاق می‌شود؛ این مواد شامل محصولات کشاورزی، بقایای محصول، چوب و زباله‌های آلی است.

 زیست توده سلولزی، مانند علف و بقایای کشاورزی، می‌تواند از طریق فرآیندهایی مانند هیدرولیز آنزیمی و تخمیر به سوخت‌های زیستی تبدیل شود.

• روغن های گیاهی

از روغن‌های گیاهی مانند روغن سویا می‌توان برای تولید بیودیزل استفاده کرد؛ بیودیزل یک سوخت دیزل تجدید پذیر است که می‌تواند در موتورهای دیزل معمولی استفاده شود.

• جلبک

جلبک‌ها را می‌توان برای تولید سوخت‌های زیستی کشت کرد. سوخت‌های زیستی جلبکی مانند بیودیزل و بیواتانول را می‌توان از روغن‌ها و کربوهیدرات‌های تولید شده توسط جلبک‌ها از طریق فتوسنتز به دست آورد.

• بیوگاز

بیوگاز از طریق هضم بی هوازی مواد آلی مانند بقایای کشاورزی، کود دامی و فاضلاب تولید می‌شود متان که جزء اصلی بیوگاز است، می‌تواند مستقیماً به عنوان سوخت استفاده شود یا بیشتر به گاز طبیعی فشرده (CNG) یا گاز طبیعی مایع (LNG) تبدیل شود.

• قند و نشاسته

قندها و نشاسته‌های مشتق شده از محصولاتی مانند نیشکر، ذرت و سورگوم شیرین را می‌توان برای تولید بیواتانول تخمیر کر؛ برای مثال برزیل اتانول را از نیشکر تولید می‌کند که به طور گسترده‌ای به عنوان سوخت زیستی برای وسایل نقلیه استفاده می‌شود.

• پسماندهای جامد شهری (MSW)

 زباله‌های جامد شهری را می‌توان برای تولید بیوگاز از طریق هضم بی هوازی پردازش کرد. این فناوری‌ها همچنین قادرند زباله‌های جامد شهری را به برق یا گرما تبدیل کنند.

• بقایای چوب و جنگلداری

بقایای چوب و جنگلداری از جمله خاک اره، خرده چوب و پوست درخت را می‌توان به سوخت زیستی تبدیل کرد. از این مواد می‌توان برای تولید گرما، الکتریسیته یا سوخت‌های زیستی پیشرفته از طریق فرآیندهایی مانند تجزیه در اثر حرارت و تبدیل به گاز استفاده کرد.

• چربی‌ها و فضولات حیوانی

  چربی‌های حیوانی و چربی‌های زائد صنایع گوشت و لبنیات را می‌توان به بیودیزل تبدیل کرد؛ این مواد می‌توانند منبع انرژی‌های تجدیدپذیر باشند و استفاده جایگزینی برای مواد زائد ارائه دهند.

• ضایعات روغن پخت و پز

روغن پخت و پز استفاده شده، که اغلب از رستوران‌ها و مراکز فرآوری مواد غذایی جمع آوری می‌شود، می‌تواند به بیودیزل تبدیل شود. توسعه سوخت‌های زیستی یک حوزه فعال تحقیق و نوآوری است و مواد اولیه و فناوری‌های جدید به طور مداوم برای بهبود کارایی و پایداری تولید سوخت زیستی در حال بررسی هستند.

انواع سوخت‌ های زیستی

دانشمندان این سوخت‌ها را بر اساس مواد اولیه‌ مورداستفاده در تولید، به چهار نسل تقسیم‌بندی نموده‌اند.

• سوخت‌های معمولی یا نسل اول از مواد غذایی یا زراعی تولید می‌شوند. لازم به ذکر است، رایج‌ترین سوخت‌های زیستی یعنی دیزل‌زیستی، اتانول و گاز‌ ‌زیستی مانند متان در این بخش جای می‌گیرند.
• نسل دوم متعلق به گروهی از این مواد است که از محصولات غیرغذایی یا ضایعات کشاورزی تولید می‌شوند.
• در جایگاه بعدی، نسل سوم  قرار دارد که از ارگانیسم‌های اتوتروف مانند جلبک که کانون اصلی سوخت‌های زیستی نسل سوم است، استفاده می‌کند.

در اینجا تأکید بر اتوتروف بودن به این دلیل است که منبع موردنیاز برای تولید سوخت نسل سوم باید از نور و کربن‌دی‌اکسید برای تولید مواد اولیه موردنیاز استفاده کند و یک ارگانیسم هتروتروف در این قسمت مورداستفاده نمی‌باشد.

• در آخر، گیاهان مهندسی‌شده در جهت تولید انرژی بیشتر، نسل چهارم سوخت‌های زیستی را تشکیل می‌دهند و قادر به رشد در زمین‌های غیرکشاورزی و بدون آب هستند. این محصولات مهندسی‌شده دارای اجزای کارآمد برای جذب کربن هستند و آن را در شاخه‌ها، تنه و برگ‌های خود حبس می‌کنند. سپس زیست‌توده غنی از کربن با استفاده از تکنیک‌های نسل دوم به سوخت و گاز تبدیل می‌شود. بیو‌متان و بیوهیدروژن نمونه‌هایی از سوخت‌زیستی نسل چهارم و سوخت مصنوعی هستند.

تاریخچه سوخت زیستی

در حالی که انقلاب صنعتی با استفاده از سوخت‌های فسیلی همراه است، سوخت‌های مشتق شده از زیست توده که همان سوخت‌های زیستی هستند، از ابتدا موتورها و خودروها را تامین می کردند. اولین موتور با سوخت بیواتانول در سال 1824 مورد استفاده قرار گرفت و اولین موتور دیزل که در دهه 1890 اختراع شد، می‌توانست با روغن گیاهی کار کند. تا سال 2021، 40 درصد ذرت صرف تولید بیواتانول شد؛ با این وجود که تنها 5 درصد از انرژی مورد نیاز کشور را تامین می کرد. به دنبال این چالش، محققان به دنبال منابع زیست توده جایگزین مناسب بودند.

سوخت های زیستی نسل دوم با پوشش گیاهی غیرخوراکی یا بقایای کشاورزی و جنگلداری مرتبط هستند. از آنجایی که آنها مستقیماً از محصولات غذایی به عنوام منبع استفاده نمی‌کنند، رقابت بین انرژی و نیازهای غذایی را کاهش می‌دهند.

البته باید در نظر گرفت برخی از انواع زیست توده نسل دوم غذای دام را تامین می‌کنند و یا برخی دیگر به مقدار قابل توجهی آب نیاز دارند. پروسه پرورش و رشد برخی از آن‌ها نیز ممکن است به تخریب زمین و جنگل زدایی ختم شود.

سوخت‌های زیستی نسل سوم نیز همانطور که اشاره کردیم با زیست توده جلبکی مرتبط هستند؛ این در حالی است که آنها هنوز به تولدی انبوه برای استفاده به عنوان منبع نرسیده‌اند و همین مساله پردازش سوخت زیستی جلبکی را فعلا نسبتاً ناکارآمد می‌کند؛ این در حالی است که تحقیقات مداومی برای مهندسی انواع جدیدی از جلبک‌ها در حال اجرا است.

نمونه‌هایی از سوخت‌ زیستی

این سوخت‌ها به سه حالت جامد، مایع و گاز تقسیم می‌شوند.

• مثالی از سوخت‌ زیستی جامد، چوب است. این ماده می‌تواند به‌طور مستقیم به‌عنوان یک ماده اولیه برای تولید گرما سوزانده شود. گرما به نوبه خود، می‌تواند برای ژنراتورها در یک نیروگاه برای تولید برق مورداستفاده قرار گیرد.
• سوخت‌های زیستی مایع نمونه دیگری هستند که در حال حاضر در صنعت حمل‌ونقل مورداستفاده قرار می‌گیرند.

پراستفاده‌ترین نسخه از سوخت‌های زیستی مایع، اتانول است که از تخمیر نشاسته یا شکر تولید می‌شود. برزیل و آمریکا از جمله تولیدکنندگان پیشرو اتانول هستند. در ایالات ‌متحده سوخت‌زیستی اتانول در درجه اول از دانه ذرت ساخته شده‌است و در برزیل سوخت‌زیستی اتانول در درجه اول از نیشکر ساخته می‌شود.

دومین سوخت‌ زیستی مایع رایج، بیودیزل است که از گیاهان روغنی مانند سویا ساخته می‌شود که بیشترین پذیرش را در اروپا دارد. محققان در تلاش‌اند تا با استفاده از جلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها که نسل سوم سوخت‌های زیستی را تشکیل می‌دهند؛ بیودیزل را تولید کنند.

تحقیقات حاکی از آن است که ۴۰ درصد وزن برخی از گونه‌های جلبکی را چربی تشکیل می‌دهد که می‌تواند به بیودیزل یا نفت مصنوعی تبدیل شوند.

• آخرین حالت از سوخت‌های زیستی، مواد گازی مانند متان است که می‌توانند از تجزیه زیست‌توده در غیاب اکسیژن به‌دست آیند.

مزایا سوخت‌های زیستی

سوخت‌های زیستی دارای مزایای متعددی هستند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

• کاهش گازهای گلخانه‌ای

سوخت‌های زیستی در مقابل سوخت‌های فسیلی کمترین میزان گازهای گلخانه‌ای را تولید می‌کنند. زمانی که سوخت‌های زیستی سوخته می‌شوند، مقدار کربن دی‌اکسیدی که آزاد می‌شود، بازگشت پذیر است و به طور طبیعی توسط گیاهان در فرایند جذب کربن توسط فتوسنتز مصرف می‌شود؛ این مسئله باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاهش اثرات تغییرات اقلیمی می‌شود.

• پایداری و تجدیدپذیری

سوخت‌های زیستی از منابع تجدیدپذیری مانند گیاهان، جانوران و میکروب‌ها تولید می‌شوند؛ این منابع با استفاده از فتوسنتز و فرایندهای زنده دیگر می‌توانند مجدداً تولید شوند، که این به معنای پایداری و قابلیت تجدیدپذیری سوخت‌های زیستی است.

• تنوع منابع

سوخت‌های زیستی می‌توانند از منابع متنوعی مانند گیاهان نفتی، کاه، چوب، زباله‌های آلی و دیگر مواد آلی به دست آیند؛ این تنوع منابع به معنای وجود گزینه‌های بیشتری برای تولید سوخت است و از وابستگی به یک منبع خاص سوخت فسیلی جلوگیری می‌کند.

• کاهش وابستگی به منابع خارجی

با استفاده از سوخت‌های زیستی، کشورها می‌توانند به میزان قابل توجهی به منابع سوختی خارجی وابستگی کمتری داشته باشند و نیاز داخلی خود را تامین کنند.

کاربرد سوخت‌های زیستی

1.حمل و نقل

در سراسر جهان، حمل و نقل 24 درصد انرژی و بیش از 60 درصد نفت استخراج شده را به خود اختصاص می‌دهد و این به آن معنی است که بیش از یک سوم سوخت برای کارکرد وسایل نقلیه استفاده می‌شود.

مشکل اصلی جایگزین‌ها این است که انرژی خورشیدی، بادی و دیگر انرژی‌های جایگزین برای حمل‌ونقل کاربردی نیستند و نمی‌توانند انرژی کافی ای مناسب را برای این کار تامین کنند. با تبدیل سوخت‌های زیستی به بخار هیدروژن می‌توان از آن‌ها به عنوان سوخت جایگزین استفاده نمود و بیشتر شرکت‌های خودرو سازی بزرگ در زمینه تولید خودروهایی که با سوخت زیستی کار می‌کنند سرمایه گذری کرده‌اند.

2.تولید انرژی

علاوه بر تولید سوخت برای حمل و نقل، از سوخت زیستی می‌توان برای تولید نیرو در سیستم های پشتیبان استفاده کرد که در مدارس، بیمارستان ها و سایر اشکال واقع در مناطق مسکونی استفاده می‌شود.

3.شارژ الکترونیک

محققان به تازگی یک سلول سوختی را توسعه دادند که با  استفاده از روغن خوراکی و شکر  برق تولید می‌کند. مصرف کنندگان می‌توانند به جای تولید برق از سلول‌های سوختی به جای باتری‌ها برای شارژ  وسایل الکترونیکی خود استفاده کنند.

4.مصارف خانگی دیگر!

در حالی که نفت سفید رایج ترین ماده‌ای است که در اجاق گازها و فانوس‌ها استفاده می‌شود، بیودیزل هم می‌تواند به عنوان جایگزین عالی برای آن عمل کند.

علاوه بر تامین گاز برای پخت و پز یا گرمایش خانه‌ها، سوخت زیستی می‌تواند جایگزین محصولات مضری شود که برای حذف رنگ و چسب طراحی شده‌اند.

 جایگاه این صنعت نوین در ایران

در ایران نیز مانند سایر کشورهای دنیا، تولید و گسترش استفاده از سوخت‌های تجدیدپذیر رو به افزایش می‌باشد. درحال حاضر اتانول‌زیستی به میزان 5 درصد با بنزین مخلوط شده و در صنایع مختلفی همچون حمل‌ونقل در حال استفاده است. دیزل زیستی به آن شدت که در دنیا کاربرد گسترده دارد؛ در ایران استفاده نمی‌شود. اما برنامه‌های پیش‌رو بر این است که از این سوخت برای مصرف خودروهای دیزل‌ سبک و اتوبو‌س‌های شهری استفاده کنند.

انقلابی در اتمسفر

دلیل اصلی ارجعیت سوخت‌های زیستی به سوخت‌های فسیلی، تجدیدپذیربودن آن‌ها است که در بلندمدت تأثیر به‌سزایی در صنایع مختلف خواهند داشت. اگر از جهت دیگری به نتایج بلندمدت آن بنگریم؛ به یک موضوع متمایز از دیگر مزایا می‌رسیم. یعنی حذف کربن‌دی‌اکسید از اتمسفر!

جذب و ذخیر‌سازی کربن یک فناوری نوظهور است که در ترکیب با سوخت زیستی ممکن است قادر به حذف دائمی دی‌اکسیدکربن از جو باشد. بر اساس این فرایند، این ماده در حین استفاده دی‌اکسیدکربن را از هوا حذف می‌کند و تأسیسات انرژی موجود، دی‌اکسید‌کربنی را که هنگام سوزاندن سوخت‌های زیستی برای تولید انرژی تولید آزاد می‌شود، جذب می‌کنند.

 روی دیگر سوخت‌های زیستی

گذشته از تمام مزایا، سوخت‌های زیستی نیز بدون عیب نیستند. در ارتباط با نسل‌اول، مواد غذایی با ارزش و بعضاً استراتژیک فقط برای تولید سوخت‌‌زیستی باید کشت شود که این امر، موجب به خطر انداختن امنیت چرخه غذایی می‌شود و هم‌چنین کشت محصولات برای تولید این مواد، لزوماً اقتصادی نمی‌باشد.

نسل‌ دوم که یکی از بزرگ‌ترین مزایا‌یش توانایی رشد منابع  در زمین‌های نامرغوب با هزینه‌های جاری بسیار کم برای رشد است؛ برای استخراج سوخت از مواد ‌اولیه پروسه دشواری دارد.

همان‌طور که گفته شد؛ نسل‌ سوم متعلق به گروهی از این مواد است که از جلبک‌ها به‌عنوان منبع اصلی استفاده می‌کنند. با اینکه استفاده از این منبع، باعث کاهش تولید مواد غذایی نمی‌شود و هم‌چنین نیازی به زمین‌های کشاورزی و آب شیرین ندارد؛ اما هنوز برای تولید در مقیاس تجاری، جایگاه خود را نیافته است و هنوز در مرحله امکان‌سنجی برای دستیابی به عملکرد حداکثری قرار دارد.

در آخر، سوخت‌های زیستی معمولی مبتنی بر گیاهان تنها 4 درصد از کل مصرف سوخت حمل‌‌و‌نقل را به خود اختصاص داده‌اند. در ادامه به چند مانع که محدودیت‌های اصلی توسعه بازار سوخت‌زیستی را تشکیل می‌دهند، اشاره می‌کنیم.

موانع خوراکی: از آنجایی که سوخت‌های نسل اول یا سوخت‌های معمولی از مواد غذایی یا زراعی به‌عنوان منبع استفاده می‌کنند، این منابع زیست توده با عرضه مواد غذایی رقابت می‌کنند.

موانع مالی: تولید سوخت‌های زیستی در حال حاضر، نسبتاً گران است.

موانع فناوری و زیر ساختی: برای تولید سوخت‌های زیستی خاص، پیشرفت در فناوری‌‎های حال حاضر یا وجود یک فناوری جدید و توسعه زیرساخت‌ها مورد نیاز است.

موانع سیاسی: به دلیل اینکه عمده مزایا این مواد، در مدت طولانی نمایان می‌شود، فقدان یک اراده قوی و مصمم برای ترویج و توسعه بازار سوخت‌های زیستی حس می‌شود.

و در آخر، ما به تمام جنبه‌های این فناوری ارزشمند دست پیدا نکرده‌ایم و هنوز کمبود دانش در این صنعت وجود دارد.

نویسنده: زهرا جهان‌بخش

منابع:

1. https://zist-fan.ir/biopedia
2. https://www.britannica.com/technology/biofuel
3. https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/biofuel
4. https://nhenergygeek.org/blog-post/history-of-biofuels/#:~:text=Generally%2C%20first%2Dgeneration%20biofuels%20are,motivated%20greater%20investment%20in%20biofuels.
5. https://www.sgbiofuels.com/top-10-uses-for-biofuel/

تهیه شده در آکادمی بیوتکنولوژی ایران