بایگانی دسته: انرژی های تجدید پذیر

انواع پیل سوختی

انواع پیل سوختی و کاربردهای آن

طبقه بندی رایج پیلهای سوختی بر اساس نوع الکترولیت آنها می باشد که عبارتست از :

  • (PEMFC ) پیل سوختی پلیمری
  • (AFC ) پیل سوختی قلیایی
  • (PAFC) پیل سوختی اسید فسفریک
  • (MCFC) پیل سوختی کربنات مذاب
  • (SOFC) پیل سوختی اکسید جامد
  • (DMFC) پیل سوختی متانولی

خلاصه ای از خصوصیات هر کدام از انواع پیلهای سوختی و جدول خصوصیات آنها بشرح ذیل می باشد:

۱. پیل سوختی غشاء پروتون(PEMFC )

پیلهای سوختی غشاء پروتون دارای غشاء پلیمری جامد هستند که در حال حاضر عمدتًا غشاء    Nafion دراین پیل سوختی بکار برده م ی شود و به شکل یک ورقه باریک منعطف است. این غشاء کوچک و سبک بوده و در دمای پایین کار می کند )دمای کارکرد بهینه در حدود ٨٥ درجه سانتیگراد است. ( سایر الکترولیتهای جامد در دمای بالا کار می کنند. شکل زیر یک الکترولیت غشاء پروتون را به ما نشان می دهد.

انرژی هیدروژن 17

برای سرعت بخشیدن به واکنش، یک کاتالیست پلوتونیومی در دو سطح غشاء الکترولیت استفاده می شود که این کاتالیست موجب افزایش قیمت پیل سوختی م ی شود؛ اما بدلیل جامد بودن الکترولیت پیل سوختی وهمچنین انعطاف پذیر بودن این الکترولیت، امکان شکستن یا ترک خوردن در آن کم است و این مشخصه ،پیل سوختیPEMرا برای کاربردهای خانگی و کاربردهای حمل و نقلی مناسب می کند.

در پیل سوختی نوعPEMاتمهای هیدروژن در آند یونیزه می شوند و الکترونهای آنها جدا می شود. یونهای هیدروژن که شامل بار مثبت هستند، به سطح غشاء خلل دار نفوذ می کند و بسمت کاتد می روند؛ الکترونهای جدا شده نمی توانند از این غشاء عبور کنند و از یک مدار خارجی عبور می کنند و موجب تولید برق می شوند. در کاتد الکترونها، پروتونهای هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند. پیل سوختی PEM نیازمند هیدروژن خالص است؛ بنابراین باید از یک رفورمر در خارج از پیل سوختی استفاده کنیم تا احتمال بوجود آمدن CO و در نتیجه مسمومیت کاتالیست را کاهش دهیم

واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بشرح ذیل است :

انرژی هیدروژن 19

مزایا:

  • دمای پایین و شروع بکار سریع
  • عدم حساسیت به دی اکسیدکربن
  • امکان استفاده از گازهای مشتق از هیدروکربن بعنوان سوخت

معایب:

  • حساسیت به مونواکسید کربن
  • بکارگیری فلزات کمیاب در ساختمان پیل
  • پیچیده بودن سیستم مدیریت آب در مجموعه غشاء و الکترود

۲. پیل سوختی قلیایی(AFC)

پیل سوختی قلیایی با هیدروژن و اکسیژن خالص کار می کند و از محلول هیدروکسید پتاسیم در آب بعنوان الکترولیت استفاده می کنند و الکترود آند آن از جنس نیکل و الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده می باشد. درجه حرارت کارکرد این پیل پایین بوده و بین ٦٠ تا ٨٠ درجه سانتیگراد می باشد.

در این پیل سوختی یونهای هیدروکسیل OH از سمت کاتد به آند رفته و در آند گاز هیدروژن با یونهای هیدروکسیل واکنش داده و آب و الکترون را ایجاد می کند. الکترونهای بوجود آمده در آند توسط یک مدارخارجی، توان الکتریکی تولید می کند و از طریق این مدار خارجی، الکترونها به کاتد باز می گردد . الکترونها در کاتد با اکسیژن و آب واکنش م ی دهند و موجب تشکیل یونهای هیدروکسیل بیشتری می شوند. این یونهادرون الکترولیت نفوذ کرده و واکنش ادامه پیدا می کند.

انرژی هیدروژن 26

مزایا:

  • عدم نیاز به فلزات کمیاب
  • بالا بودن راندمان

معایب:

  • حساسیت شدید به دی اکسید کربن
  • لزوم استفاده از هیدروژن خالص

پیل سوختی قلیایی از میزان آلودگی کمی برخوردار است و بخاطر احتمال واکنشهای ناخواسته در این پیل نیاز به هیدروژن خالص شده داریم و در صورتی که هیدروژن خالص نباشد موجب واکنشهای شیمیایی اضافی و ایجاد کربنات جامد می شود که این ماده در واکنشهای پیل سوختی اختلال ایجاد می کند. مشکل دیگر پیل سوختی قلیایی میزان زیاد پلوتونیم است که بعنوان کاتالیست از آن استفاده می شود. این کاتالیست قیمت زیادی دارد و پیل سوختی قلیایی را برای کاربردهای عادی نامناسب می کند و از آنجایی که احتمال نشت الکترولیت مایع نیز ممکن است؛ بنابراین برای کاربردهای حمل و نقلی مناسب نیست . عملکرد یک پیل سوختی قلیایی را در شکل می بینید.

 

انرژی هیدروژن 20

عملکرد یک پیل سوختی قلیایی

۳. پیل سوختی اسید فسفریک(PAFC)

پیل سوختی اسید فسفریک در دمای حدود ١٥٠ تا ٢٠٠ درجه سانتیگراد کار می کند و از الکترولیت اسید فسفریک استفاده می کند و الک ترودهای پیلهای سوختی اسید فسفریک از جنس پلاتین می باشد که بر روی سطح پودر کربن فعال نشانده شده است . در این نوع پیل سوختی از سوختهای بیشتری می توان استفاده کرد .

عملکرد پیل سوختی اسید فسفریک به این ترتیب است که یونهای هیدروژن مثبت توسط الکترود از آند به کاتد می روند و الکترونهای بوجود آمده در آند از طریق یک مدار خارجی عبور می کند و برق تولید می کند و به کاتد برمی گردد. واکنشهای انجام شده در این پیل عبارتست از:

انرژی هیدروژن 21

مزایا:

  • توان تحمل ١ تا ٢ درصد مونواکسید کربن
  • امکان استفاده در مولدهای )تولید همزمان برق و حرارت(
  • ثبات الکترولیت در محیط الکتروشیمیایی
  • سادگی سیستم مدیریت آب و دما

معایب:

  • کم بودن سرعت احیاء اکسیژن
  • H۲Sحساسیت به

 

انرژی هیدروژن 22

عملکرد یک پیل سوختی اسیدفسفریک

در کاتد الکترونها، یونهای هیدروژن و اکسیژن آب بوجود می آورند که با فشار به بیرون پیل سوختی هدایت می شود. با وجود کاتالیست پلوتنیم سرعت واکنشها بالا می رود.از مزایای پیل سوختی اسید فسفریک می توان به توان تحمل پیل سوختی در قبال میزان کمی از مونوکسید کربن و همین طور توانایی تحمل دمای بالای دمای جوش آب را دارد . این پیل سوختی اجزایی با مقاومت بالا باید داشته باشد تا در مقابل خورندگی اسید مقاومت کند. هیدروژن مورد نیاز برای PAFC می تواند یک Reformer خارجی از یک سوخت هیدروکربنی بوجود بیاید در صورتی که سوخت مورد نظر گازوئیل باشد، سولفور آن باید جدا شود . زیرا سولفور به کاتالیست الکترودها صدمه می زند. می توان از گرمای بوجود آمده درPAFC ها در کاربرد ترکیبی گرما و برق استفاده کرد. عملکرد یک پیل سوختی اسید فسفریک را در شکل می بینید.

۴. پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)

در پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)الکترولیت ترکیب ٣٢ % درصد کربنات پتاسیم و ٦٨ % درصد کربنات لیتیم می باشد. الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده و الکترود آند از جنس آلیاژ نیکل  کروم(٢ تا ١٠ درصد کروم ) است. درجه حرارت کارکرد ٦٥٠ درجه سانتیگراد و جزء پیلهای سوختی با دمای کارکرد بالا بشمار می آید. در آند، هیدروژن با این یونها واکنش می دهد و دی اکسیدکربن، آب و الکترون تشکیل می دهد. الکترونها توسط یک مدار خارجی از آند به کاتد منتقل می شود و برق تولید می کند. اکسیژن هوا، دی اکسیدکربن بازیافت شده از آند با الکترونها واکنش داده و یونهای CO۳۲ را بوجود می آورد والکترولیت را سرشار از یونها CO۳۲می کند.

انرژی هیدروژن 23

مزایا:

  • امکان بکارگیری در مولدهای دو منظوره
  • عدم استفاده از کاتالیست گران قیمت
  • راندمان بالا

معایب:

  • حساسیت زیاد به سولفور
  • حل شدن اکسید نیکل
  • احتیاج به چرخه دی اکسید کربن

 

پیل سوختی کربنات مذاب، (MCFC) دما بالا می توانند هیدروژن را از سوختهای مختلف توسط رفورمرداخلی یا خارجی استخراج کند؛ بعلاوه حساسیت کمتری نسبت به مسمومیت مونوکسیدکربن دارند.

MCFC ها با کاتالیستهای نیکلی بسیار خوب کار می کنند و کاتالیستهای نیکلی ارزانتر،پلوتینم هستند .

از گرمای خروجی پیل سوختی می توان برای کارهای صنعتی استفاده نمود.

 

انرژی هیدروژن 24

عملکرد پیل سوختی کربنات مذاب

پیل سوختی کربنات در مقا یسه با پیل سوختی اکسید جامد دارای دو مشکل است؛ یکی از این مشکلات پیچیدگی کار با الکترولیت مایع است و دومین مشکل باقیمانده های واکنش شیمیایی در پیل سوختی کربنات مذاب است . یونهای کربنات الکترولیت در واکنشهای آند استفاده می شوند؛ بنابراین نیاز داریم که توسط تزریق دی اکسید کربن در کاتد، این مقدار را جبران کنیم.

۵. پیل سوختی اکسید جامد(SOFC)

پیل سوختی اکسید جامد(SOFC) از یک الکترولیت سرامیکی ( ترکیبی از زیرکنا(Zr) و ایتریا (Y) با فرمول.Zr۰,۹۲Y۰.۰۸O۱,۹۶  می باشد)بجای یک الکترولیت مایع استفاده می کند. الکترود آند ملغمه ای از نيکل وزیرکنیا و الکترود کاتد از جنس منگنیت لانتانیم است . درجه حرارت کارکرد پیل ٧٠٠ الی ١٠٠٠ درجه سانتیگراد می باشد. الکترولیت جامد با الکترودها که از مواد متخلخل مخصوصی تشکیل شده اند، پوشانده شده اند . در دمای بالای عملکرد پیل سوختیSOFC، یونهای اکسیژن)با بارمنفی ( از شبکه کریستالی عبور می کند . وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یونهای اکسیژن از الکترولیت عبور می کند تا سوخت را اکسید کنند . اکسیژن ذخیره شده در کاتد معمولا ً از هواگرفته می شود. الکترونهای ایجاد شده در آند از یک بار خارجی (مدار خارجی ) عبور کرده و به کاتد می رود.

با این کار یک مدار الکترویکی کامل می شود و انرژی برق تولید می شود. پیلهای سوختی نوع اکسید جامدSOFC  نیاز به رفورمر خارجی ندارند. عملکرد کلی پیل سوختی اکسید جامد را می توان در شکل زیر دید

 

انرژی هیدروژن 25

عملکرد پیل سوختی اکسید جامد

 

 

واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بصورت زیر می باشد:

انرژی هیدروژن 26

مزایا:

  • عدم حساسیت به مونواکسیدکربن
  • قابلیت مصرف سوختهای گوناگون
  • عدم نیاز به هیدروژن خالص
  • بالا بودن راندمان سیستم
  • عدم نیاز به سوخت مجزا
  • امکان استفاده مستقیم از گاز طبیعی بعنوان سوخت
  • قابل استفاده در مولدهای دو منظوره
  • عدم استفاده از الکترولیت مایع
  • عدم استفاده از فلزات گران قیمت و کمیاب در ساخت

معایب:

  • طولانی بودن زمان شروع به کار
  • تشدید خوردگی و خرابی اجزاء بعلت کارکرد در دمای بالا
  • گران قیمت بودن بعضی از اجزاء

۶. پیل سوختی متانولی (DMFC)

پیل سوختی متانولی در حقیقت یک پیل سوختی پلیمری است که قادر است متانول مایع را مستقیمًا بعنوان سوخت مصرف کند ؛ از اینرو الکترولیت آن مانند پیل سوختی پلیمری غشاء پلیمری (عمدتًا (Nafion می باشد . الکترود آند از جنس آلیاژ پلاتین  روتینیوم (Pt-Ru) و الکترود کاتد آن از جنس پلاتین است . این پیل سوختی در محدوده وسیعی از درجه حرارت کار می کند و دمای کارکرد آن بین٦٠ تا ١٢٠ درجه سانتیگراداست. واکنشهای انجام شده در الکترودهای این پیل سوختی عبارتند از:

انرژی هیدروژن 27

مزایا:

  • قابلیت استفاده از متانول مایع بعنوان سوخت
  • چگالی قدرت بالا
  • دما و فشار عملکردی پایین
  • سادگی ساختار و مدیریت حرارت پیل
  • ضریب اطمینان بالای سیستم
  • حذف سیستم مبدل سوخت
  • حذف سیستم پیچیده مدیریت آب و حرارت(بعلت همراه بودن سوخت با آب)
  • کاهش قابل ملاحظه وزن وحجم

معایب:

  • عبور متانول از غشاء و در نتیجه افت ولتاژ کلی پیل و به هدر رفتن سوخت
  • پایین بودن عملکرد در مقایسه با دیگر پیلها
  • استفاده از پلاتین در ساختار پیل
  • پایین بودن فعالیت کاتالیست Pt-Ru  در آند

در جدول زیر انواع پیلهای سوختی با خصوصیات مورد نظر آنها به منظور مقایسه آورده شده است:

انرژی هیدروژن 28

 منبع:satba.gov.ir

سند ملی توسعه پیل سوختی

تشکیل کمیته راهبری پیل سوختی و سند ملی توسعه پیل سوختی

در دیماه 1380 با پیگیری وزارت نیرو و دفتر همکاریهای فناوریهای ریاست جمهوری، میز گرد تعیین راهکار های تحقیق و توسعه فناوری پیل سوختی در کشور برگزار گردید . بر اساس نتایج این میزگرد ضرورت ایجاد اجماع مابین فعالان این حوزه در کشور و تشکیل کمیته راهبری پیل سوختی مورد تایید قرار گرفت . بنابراین به طور خلاصه می توان گفت که به دلایل زیر کمیته راهبری پیل سوختی تشکیل شد :

  • بررسی اهمیت فناوری پیل سوختی در کشور و تعیین نحوه برخورد کشور با آن
  • تعیین اولویتهای تحقیقاتی ،پژوهشی و اجرایی در حوزه فناوریهای پیل سوختی
  • جلوگیری از فعالیتهای موازی و ارائه اهداف کمی و کیفی مشخص در این خصوص
  • تعیین راهکارهای اجرایی توسعه پیل سوختی در کشور

اعضاء کمیته راهبری پیل سوختی عبارتند از :

وزارت نیرو ،دفتر همکاریهای فناوری ریاست جمهوری،وزارت صنایع ومعادن ،وزارت علوم ،تحقیقات و فناوری ،وزارت نفت، سازمان مدیریت و برنامه ریزی ،سازمان حفاظت محیط زیست ، نمایندگان بخش خصوصی (ایران خودرو،سایپا و )و مشاورین و خبرگان 

هدف این کمیته مطالعات تحلیل جذابیت فناوری پیل سوختی و تدوین استراتژی توسعه آن در کشور بود که در 3 مرحله برنامه ریزی شد

مرحله اول: مطالعات جذابیت پیل سوختی برای کشور (ارزیابی جذابیت پیل سوختی)

مرحله دوم : تدوین استراتژی توسعه تکنولوژی پیل سوختی در کشور .

در این مرحله لازم است که دو مسئله مشخص شود :  

  1-  تعیین اولویتهای سرمایه گذاری در حوزه پیل سوختی
2-  تعیین روش اکتساب تکنولوژیهای منتخب (استراتژیک)

مرحله سوم : ارائه راهکارهای پیاده سازی جهت تحقق استراتژیها ، برای این منظور لازم است که تعیین شود که گامهای پیاده سازی توسعه تکنولوژی پیل سوختی چیست  ثانیا نقش دولت ،مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی و صنعت چیست .

برای  هریک از این مراحل متدولوژیهای خاص درنظر گرفته شد بطوریکه بتوان به نتایج مطلوب که راهگشای توسعه این فناوری در عرصه فنی و اقتصادی در کشورمی باشد، دست یافت  .

ولی آنچه که بنظر می رسد از اقدامات ضروری برای توسعه فناوری پیل سوختی در کشور می باشد و از اولین گامها است عبارتند از :

  • تصویب سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی کشور در هیات دولت
  • تشکیل ستاد توسعه فناوری پیل سوختی
  • تخصیص منابع مالی لازم برای اجرای سند بر اساس پیش بینی صورت گرفته در برنامه ریزی عملیاتی
  • تعیین و انتخاب فناوری پیل سوختی به عنوان یکی از فناوریهای کلیدی کشور در بخش انرژی شورای عالی علوم و تحقیقات و فناوری

اولین گام تصویب سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی کشور بود که  پس از طرح و بررسی در کمیسیون زیربنایی هیات دولت در تاریخ 3/4/86 در هیات محترم دولت نهم، طرح و به تصویب رسید.

فهرست مفاد این سند عبارت بود از :

  • مقدمه و چشم انداز سند
  • اهداف کلان
  • سیاستهای کلان
  • راهبردها
  • اقدامات
  • ترتیبات اجرایی و شرح وظایف ارکان اجرایی

برای توضیح بهتر هر یک از بندهای این مفاد می توان به فایل pdf این سند مراجعه کرد .

 

 دریافت فایل pdf سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی (pdf13.5mb )

منبع : سازمان انرژی های نو ایران

تاریخچه پیل سوختی

پیل سوختی چیست ؟

پیل سوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیمًا به ا نرژی الکتریکی تبدیل می کند. در آند پیل سوختی پلیمری واکنش اکسیداسیون انجام می گردد و الکترون تولید شده واردمدار خارجی شده و سپس به کاتد وارد می شود. یون مثبت تولیدی در آند با عبور از غشاء (الکترولیت) به قسمت کاتد رفته و در حضور کاتالیزور با اکسیژن هوا و ا لکترونی که از مدار خارجی به قسمت کاتد واردشده است به آب تبدیل می گردد.

 

 تاریخچه پیل سوختی 

اگر چه پیل‌سوختی به تازگی به عنوان یکی از راهکارهای تولید انرژی الکتریکی مطرح شده است ولی تاریخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر می‌گردد. او اولین پیل‌سوختی را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.

واژه پیل‌سوختی در سال 1889 توسط لودویک مند و چارلز لنجر به کار گرفته شد. آنها نوعی پیل‌سوختی که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف می‌کرد، ساختند. تلاش‌های متعددی در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیل‌سوختی انجام شد که به دلیل عدم درک علمی مسئله هیچ یک موفقیت آمیز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.
فصلی دیگر از تاریخچه تحقیقات پیل‌سوختی توسط فرانسیس بیکن از دانشگاه کمبریج انجام شد. او در سال 1932 بر روی ماشین ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسیاری انجام داد. این اصلاحات شامل جایگزینی کاتالیست گرانقیمت پلاتین با نیکل و همچنین استفاده از هیدروکسیدپتاسیم قلیایی به جای اسید سولفوریک به دلیل مزیت عدم خورندگی آن می‌باشد. این اختراع که اولین پیل‌سوختی قلیایی بود، “Bacon Cell” نامیده شد. او 27 سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیل‌سوختی کامل وکارا ارائه نماید. بیکون در سال 1959 پیل‌سوختی با توان 5 کیلووات را تولید نمود که می‌توانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری را تامین نماید.
تحقیقات جدید در این عرصه از اوایل دهه 60 میلادی با اوج گیری فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مرکز تحقیقات ناسا در پی تامین نیرو جهت پروازهای فضایی با سرنشین بود. ناسا پس از رد گزینه‌های موجود نظیر باتری (به علت سنگینی)، انرژی خورشیدی(به علت گران بودن) و انرژی هسته‌ای (به علت ریسک بالا) پیل‌سوختی را انتخاب نمود.
تحقیقات در این زمینه به ساخت پیل‌سوختی پلیمری توسط شرکت جنرال الکتریک منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضایی Gemini استفاده نمود که اولین کاربرد تجاری پیل‌سوختی بود.
پرت و ویتنی دو سازنده موتور هواپیما پیل‌سوختی قلیایی بیکن را به منظور کاهش وزن و افزایش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضایی آپولو به کار بردند. در هر دو پروژه پیل‌سوختی بعنوان منبع انرژی الکتریکی برای فضاپیما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پیل‌های سوختی برای فضانوردان آب آشامیدنی نیز تولید می‌کرد. پس از کاربرد پیل‌های سوختی در این پروژه‌ها، دولت‌ها و شرکت‌ها به این فن‌آوری جدید به عنوان منبع مناسبی برای تولید انرژی پاک در آینده توجه روزافزونی نشان دادند.
از سال 1970 فنآوری پیل‌سوختی برای سیستم‌های زمینی توسعه یافت. تحریم نفتی از سال1973-1979 موجب تشدید تلاش دولتمردان امریکا و محققین در توسعه این فن‌آوری به جهت قطع وابستگی به واردات نفتی گشت.
در طول دهه 80 تلاش محققین بر تهیه مواد مورد نیاز، انتخاب سوخت مناسب و کاهش هزینه استوار بود. همچنین اولین محصول تجاری جهت تامین نیرو محرکه خودرو در سال1993 توسط شرکت بلارد ارائه شد.

 تاریخچه پیل‌سوختی قلیایی

فرانسیس بیکن آزمایشات خود در زمینه الکترولیت قلیائی را در اواخر سال 1930 آغاز نمود و هیدروکسیدپتاسیم جایگزین الکترولیت اسیدسولفوریک که به تازگی توسط گرو کشف شده بود، گردید. هیدروکسیدپتاسیم کارایی مشابه اسید سولفوریک دارد ولی خورنده الکترودها نمی باشد. پیل بیکن همچنین از الکترودهای نفوذ گاز متخلخل تشکیل شده بود. الکترودهای متخلخل، مساحت سطح را افزایش داده موجب واکنش بین الکترود، الکترولیت و سوخت می‌گردد. همچنین بیکن گازهای فشرده را جهت جلوگیری از پدیده طغیان به کار برد. پس از گذشت 12 سال، بیکن جهت ارائه پیل سوختی قلیائی در مقیاس بزرگ پیشرفت کافی ایجاد نمود.
در سال 1959 Allis-Chalmers یک تراکتور پیل سوختی ارائه نمود که توان سری پیل سوختی آن 15000 وات و متشکل از 1008 تک سل بود. این تراکتور قادر به کشیدن وزن 3000 پوند بود. Allice-Chalmer، برنامه‌های تحقیقاتی خود را با ساخت کامیون گلف، زیردریایی و جرثقیل ادامه داد. سازمان نیروی هوایی امریکا در این برنامه‌ها مشارکت داشت.
شرکت Union Carbide در اواخر دهه1950 و 1960 آزمایشاتی را بر روی پیل‌های سوختی قلیایی انجام داد. آنها پیل‌های ‌سوختی با الکترود نفوذ گاز از جنس کربن را در دستگاه رادار برای ارتش امریکا و به عنوان نیرومحرکه موتورسیکلت‌ به کار گرفتند. در همان زمان ادوارد جاستی از آلمان الکترودهای نفوذ‌کننده گاز از جنس نیکل اسفنجی که بر روی ماتریس نیکل‌کربونیل نگهداری می‌شدند را ارائه نمود.
در اوایل سال 1960 سازنده‌های موتورهای هواپیمای Pratt و سازمان Whitney، ارائه دهنده گواهینامه به اختراعات بیکن و سازمان بین‌المللی هوانوردی و مدیریت فضا (ناسا) قرار ساخت آپولو فضاپیما با پیل‌سوختی قلیائی را بستند.
پیل‌های‌سوختی قلیائی با چالش‌هایی روبرو هستند از جمله: نیاز به هیدروژن خالص و کاتالیست گران قیمت پلاتین دارند و از طرف دیگر پیل‌های‌سوختی رقابت سختی با انواع دیگر پیل‌های‌سوختی در پیش‌رو دارند.
فعالیت تحقیقاتی دکتر فرانسیس بیکن نقش مهمی در گسترش و ارائه پیل‌های سوختی قلیایی داشته است. بیکن (Bacon) کار تحقیقاتی خود را در این زمینه از سال 1932 آغاز کرد و ساخت یک مولد 5 کیلوواتی از پیل‌سوختی قلیایی را به همراه ارزیابی کارایی این پیل در سال 1952 به پایان رساند.
در آلمان بیشترین تلاش‌ها در زمینه پیل‌سوختی قلیایی توسط دو شرکت زیمنس (siemens) و وارتا (Varta) انجام شد. در این شرکت‌ها علاوه بر پیل‌سوختی قلیایی تلاش برای تولید پیل‌های‌سوختی دیگر با الکترولیت‌های متفاوت نیز انجام می‌شد. هر دو شرکت بر روی پیل‌سوختی با سوخت هیدرازین و متانول کار می‌کردند که پس از چند سال کار بر روی این سوخت‌ها، تلاش‌ها در این زمینه‌ها متوقف شد.
در اوائل دهه 1970 شرکت زیمنس (siemens) پیل‌سوختی قلیایی با سوخت (H2-O2) را به عنوان زمینه مناسب برای فعالیتهای‌ بعدی انتخاب کرد. الکترود مورد استفاده در این پیل از فلزات کمیاب و گرانقیمت نبود. الکترودها عبارت بودند از رانی نیکل (آلیاژ نیکل و آلومینیم در آند و نقره در کاتد). کار بر روی این نوع پیل‌سوختی در شرکت زیمنس ادامه پیدا کرد تا اینکه در نیمه‌های دهه هفتاد، یک واحد 6 کیلووات پیل‌سوختی قلیایی با طراحی مهندسی قابل توجه جهت کاهش حجم ارائه شد. وزن این واحد 85 کیلوگرم و توان و ولتاژ تولیدی آن 6 کیلووات در 48 ولت بود.
در ایالات متحده شرکت UTC مولد پیل‌سوختی 7 کیلووات را جهت کاربری در سفینه‌های فضایی و ماهواره‌ها تولید نمود. از دهه هفتاد تا کنون این نوع پیل‌سوختی برق و آب مورد نیاز برای سفینه های فضایی را تامین می‌کند.

تاریخچه پیل‌سوختی اسید فسفریک (PAFC) 

استفاده از اسید به عنوان الکترولیت از سال 1842 توسط گرو آغاز شد. او از اسید سولفوریک استفاده کرد، اما اسید فسفریک یک رسانای ضعیف الکتریسیته بوده و جذاب نبود. بنابراین PAFCنسبت به سایر انواع پیل‌سوختی آهسته‌تر توسعه یافتند. در سال 1961، المر و تانر در مقاله‌ای به نام پیل‌های‌سوختی با دمای میانی موفقیت‌های تازه‌ای را منتشر ساختند. آنها تشریح نمودند که در آزمایشاتشان از الکترولیتی استفاده کردند که 35 درصد اسیدفسفریک و 65 درصد پودر سیلیکای چسبیده شده به یک واشر تفلونی دارد. آنها اذعان نمودند که بر خلاف اسیدسولفوریک، اسیدفسفریک تحت شرایط عملیاتی پایداری خود را به لحاظ الکتروشیمی از دست نمی‌دهد.
مهمترین فعالیت‌ها در زمینه تولید پیل‌سوختی اسید فسفریک در اواخر دهه 1960 تحت نام پروژهTARGET توسط گروهی متشکل از متخصصین صنایع برق و گاز آغاز شد. هدف اصلی از این برنامه گسترش نیروگاه‌های تولید توامان برق و حرارت جهت مصارف خانگی و کوچک بود. پیل‌سوختی اسید فسفریک به دلیل عدم حساسیت به CO2 در این زمینه مورد استفاده قرار گرفت.
تعداد 65 مولد پیل‌سوختی اسید فسفریک با سوخت گاز طبیعی توسط شرکت‌های سازنده موتور هواپیما Patt و شرکت Whitney و با همکاری شرکت گاز آمریکا در فاصله زمانی 83-1969 در آمریکا، کانادا و ژاپن، نصب و راه اندازی گردید. توان این واحدها از 15 کیلووات در سال 1969 به 5 مگاوات در سال 1983 رسید.
همچنین آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس مطالعات پیل‌سوختی را آغاز نمود و با هدف ساخت خودروی برقی یک خودروی گلف را با پیل‌سوختی اسیدفسفریک ارائه نمود.
افزایش میزان تحقیقات به منظور پاسخ دادن به نیازهای تجاری در زمینه تولید تجاری پیل‌های سوختی بوده و فعالیت های زیردر جهت پیشرفت پیل‌سوختی اسید فسفریک به منظور دستیابی به بازارهای تجاری انجام شد:
1. تولید، نصب و راه اندازی 48 واحد نیروگاه 40 کیلووات پیل‌سوختی اسید فسفریک به منظور تولید همزمان برق و حرارت از سال 1976. این پروژه با حمایت GRI و DOE انجام شد.
2. نصب نیروگاه‌های 1 مگاوات و 5/4 مگاوات جهت تولید انرژی الکتریکی توسط شرکت UTC. همچنین نصب 245 واحد PC25 با توان 200 کیلووات را از سال 1990 به فروش رسانید.
3. فعالیتهای تحقیقاتی توسط شرکت‌های Westinghouse و Engelhard در زمینه توسعه نیروگاه‌های پیل‌سوختی اسید فسفریک (PAFC) با سیستم خنک کننده هوا یا روغن.
بحران انرژی در سال 1973 سبب افزایش فعالیت ها در زمینه احداث نیروگاه‌های پیل‌سوختی اسید فسفریک شد. این پیشرفت‌ها نه تنها در ایالات متحده بلکه در ژاپن هم مشاهده شد.
در ژاپن برنامه Moonlight با پشتیبانی دولت ژاپن، به توسعه فن‌آوری‌هایی با مصرف بهینه انرژی پرداخت. این برنامه‌ها شامل ساخت و نصب دو نیروگاه یک مگاوات از پیل‌سوختی اسید فسفریک می‌شد.

 

تاریخچه پیل‌سوختی کربنات مذاب (MCFC) 

تاریخچه توسعه فن‌آوری پیل‌های سوختی اکسید جامد وکربنات مذاب در یک مسیر قرار داشتند تا اینکه در دهه 1950 مسیر تحقیقات در رابطه با این دو نوع پیل‌سوختی از یکدیگر جدا شد. در دهه 1930 در کشور سوئیس Emil Baur و H. Preis آزمایشاتی را با الکترولیت اکسید‌جامد در دمای بالا انجام دادند و با مشکلاتی از قبیل هدایت الکتریکی و واکنش‌های جانبی ناخواسته روبرو شدند. واکنش‌های جانبی از قبیل واکنش الکترولیت با گاز مونوکسیدکربن و گازهای واکنش‌گر بودند.
در انتهای دهه1950 دانشمندان آلمانی Broers و Ketelaar بر پایه تجربیات قبلی و تجربه غیر موفق الکترولیت اکسید جامد، توجه خود را بر روی الکترولیت نمک‌های ‌کربنات مذاب متمرکز کردند.
کار با الکترولیت‌های کربنات مذاب راحتتر بوده و نیازی به فرآیندهای پیچیده تولید پیل‌سوختی اکسید جامد وجود نداشت. با توجه به دمای بالای کارکرد این نوع پیل‌سوختی و مزایای متعدد آن بحث نیروگاهی این نوع پیل‌سوختی مورد توجه قرار گرفته است.
در سال 1960 بروئرس (Broers)و کتیلار (Ketelaar) گزارش کردند که موفق به ساخت یک تک سل شده‌اند که در ساخت آن از الکترولیت کربنات مذاب با مخلوط کربنات‌های لیتیم، سدیم و پتاسیم توزیع شده در بستر اکسید منیزیم استفاده شده است این تک سل به مدت 6 ماه کارکرد داشته است. با این وجود Broers و Ketelaar متوجه شدند که یون کربنات با گذشت زمان با اجزای سل وارد واکنش شده و مصرف می‌شود.
تقریباً در همین زمان دکتر فرانسیس بیکن از الکترولیت کربنات مذاب بدون استفاده از بستر، جهت ساخت پیل‌سوختی کربنات مذاب استفاده کرد و در نهایت تحقیقات دو گروه فوق بر روی الکترولیت با ساختار خمیر مانند متمرکز شد.
در نیمه‌های دهه 1960 مرکز تحقیقات و گسترش وسایل قابل حمل ارتش ایالات متحده (MERDC) پیل‌سوختی کربنات مذاب ساخته شده توسطTexas Instrument را مورد آزمایش قرار داد. محدودة توان این پیل‌های ‌سوختی بین 100 تا 1000 وات بود. این پیل‌های ‌سوختی مجهز به مبدل سوخت خارجی بوده و با سوخت بنزین کار می‌کردند.
تاریخچه پیل‌سوختی اکسید جامد (SOFC) 

در سال 1899 اولین اکسید جامد با خاصیت هدایت یونی توسط نرنست با فرمول (ZrO2)0.85 (Y2O3)0.15 ساخته شد. درسال 1937 بار و پریس این مواد را برای ساخت اولین پیل‌سوختی اکسید جامد مورد استفاده قرار دادند. آند در این پیل‌سوختی از جنس کک و کاتد از جنس اکسید آهن بود و دمای کارکرد این پیل‌سوختی1050 درجه سانتیگراد و گازهای واکنش دهنده در این پیل‌سوختی هیدروژن و هوا بودند. دانسیته جریان 1 و ولتاژ تولیدی سل mV 650 بود.
در تحقیقات بعدی ویسبارت و روکا پیل‌سوختی اکسید جامدی را تهیه کردند که در آن زیرکونیا پایدار شده توسط کلسیم به عنوان الکترولیت استفاده شده بود. در این نوع پیل‌سوختی هیدروژن و هیدروکربن‌ها به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گرفتند. مقاومت لایه ضخیم الکترولیت، ولتاژ خروجی را محدود می‌کرد.
در سال 1940 شرکت روسی Davtyan از ترکیب شن مونازیت با کربنات سدیم، تری اکسید تنگستن به منظور افزایش هدایت‌پذیری و مقاومت مکانیکی استفاده نمودند.
اولین سری پیل‌سوختی اکسید جامد (SOFC) توسط آرچر و همکارانش در سال 1965 تولید شد. توان این پیل 100 وات و الکترولیت آن زیر‌کونیای پایدار شده توسط کلسیم بود و الکترودها از جنس پلاتین سینتر شده بودند. الکترودهای گران قیمت پلاتین که در ابتدا در این نوع پیل‌سوختی مورد استفاده قرار می‌گرفت، با الکترودهایی از جنس سرمیت (مخلوط سرامیک و فلز) نیکل و زیرکونیا جایگزین شدند. الکترودهایی از جنس اکسیدهای فلزی هادی الکتریسته نیز مورد آزمایش و بررسی قرار گرفتند.
در اواخر سال 1950، تحقیقات در زمینه فن‌آوری اکسید جامد در سازمان مرکز صنعتی در Hague، هلند و اتحادیه شرکت‌های ذغال سنگ در پنسیلوانیا و جنرال الکتریک روند پرشتابی را آغاز کرد.
شرکت وستینگهاوس در سال 1962 از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم استفاده نمود. امروزه در حدود 40 شرکت در زمینه پیل‌سوختی اکسیدجامد به تحقیق و توسعه مشغول هستند.

 

 

تاریخچه پیل‌سوختی پلیمری

فن‌آوری پیل‌سوختی پلیمری در سال1960در شرکت جنرال الکتریک توسط T. Grubb و L. Niedrach ابداع شد. اولین موفقیت جنرال الکتریک در تولید پیل سوختی پلیمری در اواسط دهه1960 در پی همکاری این شرکت با U.S. Navy’s Bureau of Ship وU.S. Army Signal Corp. به منظور ساخت مولدهای کوچک برق بود. این مولدها با سوخت هیدروژن تولیدی از ترکیب آب و هیدرید لیتیم تغذیه می شود. پیل‌سوختی تهیه شده کوچک و قابل حمل بود و در آن از کاتالیست گران قیمت پلاتین استفاده شده بود.
تکنولوژی پیل‌سوختی پلیمری در پروژه جمینی ناسا نیز مورد استفاده قرار گرفت. در برنامه‌های فضایی Mercury از باطری‌ به عنوان منابع تامین انرژی استفاده شد ولی برای پروژه آپولو نیاز به وسیله‌ای با طول عمر بیشتر بود. لذا برای این منظور پیل‌های سوختی پلیمری ساخت شرکت جنرال الکتریک مورد تست و آزمایش قرار گرفت. ولی مدل های اولیه پیل‌سوختی پلیمری(PB2) با برخی مشکلات از قبیل نشت اکسیژن از میان غشاء و اثر آلوده کننده ها بر روی عملکرد سل و طول عمر پائین غشاء مواجه ‌شد. از اینرو جنرال الکتریک پیل‌سوختی خود را مورد باز بینی قرار داد و مدل P3 را تولید کرد و با وجود کارکرد ضعیف آن در Gemini5 مورد استفاده قرار گرفت. ناسا در پروازهای فضایی بعدی خود از پیل سوختی قلیایی استفاده نمود.
شرکت جنرال الکتریک فعالیت خود را در دهه 1970 با توسعه فنآوری الکترولیز جهت تجهیزات زیر دریایی با حمایت واحد تولید اکسیژن نیروی دریایی امریکا آغاز نمود. ناوگان انگلیسی Royal در اوایل دهه 1980 این فن آوری را برای ناوگان زیر دریایی خود پذیرفت.
در اوایل دهه1990 سایر گروه ها نیز تحقیقات در این زمینه را آغاز نمودند. آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و دانشگاه A&M روش هایی را جهت کاهش میزان کاتالیست مورد نیاز آزمایش نمودند.

 

 

تاریخچه پیل‌سوختی متانولی

پیل‌سوختی متانولی جدیدترین فن‌آوری پیل‌سوختی در دهه اخیر است. در سال 1995 پیشرفتهای قابل توجهی در زمینه فن‌آوری پیل‌سوختی متانولی در مقیاس بزرگ در آمریکا آغاز شد.
مطالعات اولیه در JPL (1997)، و در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس(2000) و در دانشگاه ایالتی Penn (2001) انجام شد. درحال حاضر در اغلب مراکز تحقیقاتی و بیشتر شرکت‌های پیل‌سوختی از جمله موتورلا، هیتاچی و توشیبا تحقیق و توسعه برروی پیل‌سوختی متانولی در حال اجرا می‌باشد.

 

پیل سوختی میکروبی

در پایان قرن اخیر، ایده استفاده از پیل‌های میکروبی در تلاش برای تولید الکتریسیته ارائه شد. به گونه‌ای که M.C. Potter پروفسور گیاه‌شناسی در دانشگاه Durham، اولین کسی بود که در سال 1911 کار بر روی آن را آغاز نمود. Potter قصد تولید الکتریسیته از E. coli را داشت. در سال 1931، Branet Cohen با ایجاد تعدادی پیل‌سوختی میکروبی نیمه که به صورت سری به یکدیگر متصل شده بودند و ظرفیت تولید بیش از 35 ولت تنها با 2 میلی‌آمپر جریان را داشتند. کار وی را ادامه داد. فعالیت بیشتر در این زمینه توسط DelDuca و همکاران صورت گرفت. آن‌ها از هیدروژن تولید شده توسط تخمیر گلوکز با Clostridium butyricum که به عنوان ماده واکنش دهنده در آند پیل‌سوختی هوایی و هیدروژن قرار داشت، استفاده نمود. متأسفانه با وجود آن‌که پیل کار نمود، به دلیل طبیعت ناپایدار تولید هیدروژن از طریق میکروارگانیسم‌ها غیرقابل اطمینان بود. اگرچه این مسئله در ادامه توسط سوزوکی و همکاران در سال 1976 حل شد).
حتی با گذشت زمان از کار سوزوکی جزئیات کمی از چگونگی عملکرد پیل‌سوختی میکروبی بدست آمد تا این‌که بررسی بیشتر توسط MJ Allen و در ادامه توسط H. Peter Benetto هر دو از King College لندن، صورت گرفت. Bennetto پیل‌سوختی را به عنوان یک روش برای تولید الکتریسینه برای کشورهای جهان سوم مدنظر قرار داد. او کار خود را در اوایل دهه 1980 شروع و به فهم چگونگی عملکرد پیل‌های‌سوختی کمک شایان توجهی نمود.
هم‌اکنون یافته‌ها حاکی از آن است که الکتریسیته می‌تواند مستقیماً از تجزیه مواد آلی در یک پیل‌سوختی میکروبی تولید شود، اگرچه مکانیسم دقیق فرآیند هنوز باید به درستی مشخص گردد. همانند یک پیل‌سوختی معمولی، یک MFC نیز دارای محفظه کاتدی و آندی دقیق فرآیند می‌باشد، به‌گونه‌ای که محفظه آندی غیر هوازی از درون به محفظه کاتدی توسط یک غشاء تبادل یونی متصل شده است و مدار به کمک یک سیم خارجی کامل می‌شود.
ددر ماه می سال 2007، دانشگاه Queen Sland در استرالیا، نمونه آزمایشی MFC خود را به صورت یک پروژه مشترک با شرکت Fosters Brewing، تکمیل نمود. این نمونه آزمایشی، با حجم 10 لیتر، فاضلاب کارخانه تخمیر را به دی‌اکسیدکربن، آب تمیز و الکتریسیته تبدیل می‌نمود. با انجام موفقیت‌آمیز این نمونه آزمایشی، طرح‌هایی برای تولید پیاپی 660 گالنی ریخته شد تا میزان تقریبی 2 کیلووات انرژی را تأمین نماید. اگرچه مقدار انرژی تولیدی قابل چشم‌پوشی است، تولید آب تمیز برای استرالیا از درجه اهمیت بالاتری برخوردار بود.

 

منبع : سازمان انرژی های نو ایران

 

روش تولید و توزیع هیدروژن

images27-220x150

هیدروژن یکی از عناصری است که در سطح زمین به وفور یافت می شود. این عنصر در طبیعت بصورت خالص وجود ندارد اما می توان آن را توسط چندین روش مختلف از سایر عناصر بدست آورد .

روشهای تولید و توزیع گاز هیدروژن

زیرساخت سوخت هیدروژن را می توان به روشهای گوناگون طراحی نمود . کارشناسان معتقدند که منابع تولید هیدروژن و نحوه انتقال و توزیع آن متناسب با شرایط و مزایای جغرافیایی متفاوت خواهد بود . بعنوان مثال در مناطقی که منابع گاز طبیعی ارزان وجود دارد تولید هیدروژن از منابع گازی به صرفه ترین روش می باشد. در منطقه ای که منابع برق ارزان در دسترس باشد ، از منابع برق و با روش الکترولیز آب ، تولیدهیدروژن توجیه اقتصادی دارد و در مناطقی که سوختهای دیگری مانند اتانول وجود داشته باشد، اتانول بعنوان منبع اولیه هیدروژن مزیت ویژه ای دارد.

روشهای تولید و توزیع هیدروژن عبارتند از:

۱. تولید انبوه هیدروژن بصورت متمرکز

  • توزیع بصورت هیدروژن مایع
  • توزیع بصورت گاز فشرده شده
  • توزیع بصورت جامد )گاز ذخیره شده در هیدریدهای فلزی(

۲. تولید گاز هیدروژن در جایگاههای سوخت گیری )غیرمتمرکز(

  • از منابع گاز طبیعی به روش رفورمینگ متان و اکسیداسیون جزئی
  • با روش الکترولیز قلیایی آب
  • به روش الکترولیز با غشاء پلیمری

۳. تولید گاز هیدروژن بر روی خودرو

  • استفاده از بنزین یا گازوئیل بعنوان سوخت و تبدیل آن به هیدروژن در مبدل موجود در خودرو
  • استفاده از متانول و یا هر سوخت مایع مناسب دیگر بعنوان سوخت و تبدیل آن به هیدورژن در مبدل مناسب نصب شده بر روی خودرو

دسته بندی اطلاعات مربوط به روشهای تولید هیدروژن

دورنمای هیدروژن بعنوان یک سوخت در آینده در دو مرحله از زمان حائز اهمیت است:

۱. تولید هیدروژن از منابع فسیلی

  • اکسیداسیون جزئی نفت سنگین
  • مبدل گاز طبیعی با پروسه تبدیل گاز توسط بخار (Steam Reformer)
  • مبدل گاز طبیعی  اکسیداسیون جزئی( (Partial Oxidation Reformer

۲. تولید هیدروژن از منابع غیرفسیلی )تجدیدپذیرها(

  • فتوالکتروشیمیایی
  • مواد بیولوژیکی
  • بیوشیمیایی
  • ترموشیمیایی
  • ترمولیز آب
  • رادیولیز آب
  • مواد زیست توده
  • الکترولیز آب

روشهای تولید هیدروژن

با وجود اینکه هیدروژن دومین عنصر فراوان در طبیعت می باشد ولی هیدروژن بصورت عنصرهمانند سوختهای فسیلی متداول در دسترس نیست . هیدروژن را می توان از سوختها یی همچون زغال سنگ،نفت یا گاز طبیعی بدست آورد.

امروزه هیدروژن را می توان از فرایندهایی همچون الکترولیز آب، رفورمینگ گاز طبیعی و اکسیداسیون جزئی سوختهای فسیلی بدست آورد . درحال حاضر ٩٨ % از کل هیدروژن تولید شده در جهان از سوختهای فسیلی بدست می آید؛ در آینده نزدیک از سوخت هیدروژن برای بحرکت در آوردن وسایل نقلیه، گرم کردن و غذاپختن در خانه ها، استفاده می شود. در حال حاضر هیدروژن تولیدی در صنعت بعنوان یک فرآورده شیمیایی و نه بعنوان یک سوخت تلقی می شود. فروش تجاری هیدروژن کمتر از ١٠ % میزان تولید آن در دنیا می باشدکه این رقم بالغ بر بیست میلیون تن در سال تخمین زده می شود؛ بدین معنی که ٩٠ % هیدروژن تولیدی درمحل تولید به مصرف می رسد؛ بعنوان مثال امروزه صنایع هیدروژنی در ایالات متحده آمریکا سالیانه نه میلیون تن هیدروژن تولید می کند که این میزان سوخت مورد نیاز ٢٠ تا ٣٠ میلیون وسیله نقلیه هیدروژن سوزو تعداد ٥ تا ٨ میلیون خانوار را تأمین می کند.امروزه تنها سهم کوچکی از هیدروژن تولیدی بعنوان یک حامل انرژی مورد استفاده قر ار می گیرد. روشهای مختلف تولید هیدروژن از منابع گوناگون انرژی، نیازهای منحصر به فرد دارند و محصولات جانبی منحصربه فرد تولید یا توزیع می کند. برای بهینه سازی و ایجاد تنوع در روشهای تجاری تولید هیدروژن نیاز به تحقیق و توسعه بیشتر و ساخت نمونه است. روشهای پیشرفته جهت جداسازی مواد آلاینده لازم است تا قیمتهای هیدروژن تولیدی را کاهش داده و راندمان ر ا افزایش دهند . روشهای مناسبتری هم برای تولید هیدروژن بصورت ایستگاهی وهم بصورت پراکنده برای تولید هیدروژن نیازا ست و باید تلاشهایی بر روی فرایندهای تجاری موجود همچون رفورمینگ متان، الکترولایزرها و … در توسعه تکنیکهای پیشرفته همچون پیرولیز مواد زیست توده و جداسازی آب به روش ترموشیمیایی، الکترولیز فتو الکتروشیمیایی و روشهای بیولوژیکی متمرکز باشد . هیدروژن در پالایشگاههای بزرگ ، در مناطق صنعتی ، پارکهای انرژی، جایگاههای سوخت گیری در جوامع مختلف تولید خواهد شد و بسهولت در مناطق روستایی و منازل مشتریان توزیع وپخش خواهد شد.

 

هیدروژن مورد نیاز (مثلا” برای پیل سوختی) را می توان ازمنابع مختلفی همانند منابع انرژی اولیه (نفت خام )، منابع انرژی ثانویه) آنهایی که با استفاده از منابع اولیه انرژی تولید می شوند ما نند هیدروژن( منابع تجدیدپذیر (آنهایی که بدون دخالت انسان بطور متناوب تولید می شوند مانند باد، خورشید و آب) بدست آورد ؛ بعلت عدم آلایندگی محیط زیست و عدم تولید دی اکسید کربن و عدم تأثیر درگرم شدن کره زمین،همچنین دانسیته انرژی بالا و امکان استفاده و انتقال آن در مصارف گوناگون انرژی، دانشمندان از هیدروژن بعنوان سوخت آینده یاد می کنند.

دانسیته کم هیدروژن در حالت گازی، کاربرد هیدروژن را بعنوان حامل انرژی با مشکل روبرو ساخته است .بدین معنی که نسبت به سوختهای مایع همچون بنزین یا متانول از محتوای انرژی کمی به ازاء هر واحد حجم برخوردار است )حدود ٧/١٢٠ کیلوژول به ازاء هرکیلوگرم ( و به این دلیل بعنوان سوخت موشک از آن استفاده می گردد.هیدروژن مایع بالاترین دانسیته انرژی را نسبت به کلیه سوختها داراست  . اما باید در دمای بسیار پایین ) ٢٥٣ درجه سانتیگراد  ( و فشارهای بالا ذخیره شود که این مسئله، ذخیره سازی و حمل و نقل آنرا مشکل می سازد.

هیدروژن در طبیعت بطور خالص وجود ندارد، بلکه باید از آنرا از آب و یا سوختهایی نظیر زغال سنگ،گاز طبیعی، نفت، متانول و اتانول که در ساختار مولکولی خود هیدروژن دارند، تهیه نمود. بنابراین سوخت هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی از الکترولیز آب و یا تبدیل سوختهای متداول فراهم می گردد. در صورت دوم وجود مبدلهای سوخت الزامی می باشد؛ بنابراین می توان گفت عملکرد مبدل سوخت تبدیل یک سوخت فسیلی سرشار از هیدروژن به هیدروژن و محصولات فرعی دیگر نظیرCO۲ می باشد. مبدلها یابصورت یک واحد مجزا (متمرکز و غیرمتمرکز ) و ساکن در نیروگاهها هستند) مبدلهایی که در محل سوخت گیری نصب می شوند) و یا در کنار پیل سوختی بصورت مبدل نصب شده[۱] در وسایل حمل و نقل بکار گرفته می شوند. استفاده از مبدل بصورت مبدلهای نصب شده در کشتیهای مجهز به پیل سوختی وخودروها خصوصًا در مورد خودروها موجب پیچیدگی سیستم می گردد؛ اما دارای این مزیت است که ازسوختهای موجود در زیرساختها و شبکه های توزیع فعلی استفاده می کند.

کارمبدل سوخت، فراهم آوردن هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی با استفاده از سوختهایی است که دردسترس بوده و حمل و نقل آن آسان می باشد. مبدلهای سوخت باید توانایی انجام این کار را با حداقل آلودگی و بالاترین راندمان داشته باشند . عملکرد مبدلهای سوخت به زبان ساده عبارتست از اینکه یک سوخت سرشار از هیدروژن را به هیدروژن و محصولات فرعی دیگر (CO۲) تبدیل نماید.

یکی از مشکلات مهم مبدلهایی که بر روی خودروها نصب می گردند، وزن و حجم مبدل می باشد. برای ارتقاء سطح بازده، لازم است وزن و حجم مبدلها به ازای هر واحد انرژی الکتریکی حاصل از سیستم تا حد ممکن کاهش یابد؛ بهمین ترتیب هزینه ساخت مبدلها نیز باید پایین نگاه داشته شود تا گران بودن این فناوری مانع از تولید انبوه خودرو نشود و دومین مشکل در این زمینه میزان خلوص هیدروژن تولید شده ازمبدلها است. در مورد مبدلهایی که سوخت ورودی به آنها گاز طبیعی و یا مشتقات نفت می باشد، وجودناخاصیهای گوگرد دار در سوخت می باشد.این ترکیبات آلی گوگرد دار بایستی از سوخت زدوده شوند؛ زیراگوگرد بعنوان مسموم کننده کاتالستهای مبدل عمل می کند. در مورد گاز طبیعی ترکیبات گوگرد دارعبارتنداز: ترکیبات بوداری که جهت ایمنی به گاز اضافه می گردند. طراحی سیستم گوگرد زدایی باید به دقت انجام گیرد تا از عدم وجود مشتقات گوگرد دار در گاز عبوری از روی کاتالیستهای مبدل اطمینان حاصل گردد وبرای این منظور از راکتوری استفاده می شود که در آن واکنشهای هیدروژناسیون در حضور کاتالیستهای اکسید مولیبدم  نیکل یا اکسید مولیبدم  کبالت صورت م ی پذیرد و طی یک سری واکنشهای شیمیایی،ترکیبات آلی گوگرد دار به گاز سولفید هیدروژن تبدیل می گردند.

روشهای مختلفی برای تولید هیدروژن وجود دارد . هیدروژن را می توان از طریق تبدیل سوختهای فسیلی)بنزین، نفت، گاز طبیعی و ( … در مبدل سوخت بدست آورد و یا با استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر)باد،خورشید و( … و الکترولایزر (تجزیه آب ) هیدروژن استحصال نمود . انواع فناوریهای تولید هیدروژن عبارتست از:

۱. مبدل گاز طبیعی  تبدیل با بخار آب

تبدیل گاز طبیعی توسط بخار یکی از روشهای متداول تولید هیدروژن می باشد. متان (عنصر اصلی گازطبیعی) در واکنش تعادلی با بخار شرکت می کند و محصول واکنش بطور عمده هیدروژن و گاز منوکسیدکربن می باشد:

CH۴ + H۲O → CO + ۳H۲

نقش اصلی بخار در واکنشهای تبدیل با بخار این است که تعادل را به سمت تولید  COو۲H هدایت می کند وبا توجه به تعادلی بودن واکنش، با کاهش فشار، واکنش به سمتی پیش می رود که تعداد بیشتری مولکول هیدروژن تولید شود . علاوه بر متان سایرهیدروکربنها نیز می توانند در واکنش تبدیل با بخار آب شرکت کرده و تولید هیدروژن نمایند. از اینرو شکل عمومی واکنش تبدیل بخار آب را می توان بصورت ذیل نشان داد:

C H + nH O ↔ nCO+(n+m/۲)H۲

این واکنش بشدت گرماگیر بوده و برای تولید بیشتر هیدروژن و مونوکسید کربن باید واکنش درشرایط دمای بالا و فشار پائین انجام شود . فشار معمولا”  ثابت می باشد؛ بنابراین بالا بردن درجه حرارت واکنش را به سمت تولید هیدروژن پیش می برد. برای تأمین چنین حرارت بالایی(حدود ٨٠٠ الی ٩٠٠ درجه سانتیگراد ) راکتوری که واکنش در آن انجام می شود را در بخش تشعشعی یک کوره قرار می دهند.

 

 

در این فرایند نسبت بخار به کربن خوراک ورودی۵/۳ می باشد؛ بنابراین با این شرایط ٩٨ درصد متان به هیدروژن تبدیل می شود و در صورت نیاز به تبدیل بالاتر متان، می توان از مبدل دومی (مبدل اکسیداسیون جزئی)

استفاده کرد . در مبدل دوم مقدار معینی اکسیژن یا هوا با گاز خروجی از مبدل اول در مجاورت کاتالیزور واکنش می دهند. این واکنش باعث اکسید شدن گاز شده و در نتیجه درصد بیشتری از متان به هیدروژن تبدیل میگردد. با استفاده از مبدل دوم بیشتر از۶/٩٩ درصد از متان به هیدروژن تبدیل می شود .

مزیت داشتن توأم مبدل بخار و اکسیداسیون جزئی بر مبدل بخار این است که دیگر نیازی به عملکرد مبدل بخار اول در شرایط سخت درجه حرارت بالا نمی باشد؛ بعبارت دیگر در سیستم دو مبدلی، مبدل اول بخاردر درجه حرارت پایینتری کار می کند، ضمنًا در سیستم دو مبدلی راندمان و مقدار تبدیل افزایش یافته وهزینه دستگاهها و تجهیزات کاهش می یابد. در صورت استفاده از گاز طبیعی بعنوان سوخت در دستگاه پیل سوختی، از مبدل گاز طبیعی استفاده می شود.

 

۲. مبدل گاز طبیعی  تبدیل با استفاده از اکسیداسیون جزئی

در مواردی که استفاده از گاز طبیعی اقتصادی نباشد یا نفت سنگین به قیمت ارزان در دسترس باشد ازاکسیداسیون جزئی برای تولید هیدروژن استفاده می شود. باقیمانده های حاصل از فرایندهای شیمیایی ترجیحًا برای تولید هیدروژن و مونوکسیدکربن استفاده می شود. واکنشهای اکسیداسیون جزیی شامل موارد زیر است:

 

اکسیداسیون جزیی یک واکنش گرمازا بوده و در دمای بالا ( بین ١٢٠٠ تا ١٥٠٠ درجه سانتیگراد ) بدون وجودکاتالیست انجام می گیرد. مزیت استفاده از این روش بر فرایندهای کاتالیستی این است که دیگر نیازی به پاکسازی موادی نظیر مشتقات گوگرد دار نیست . هر چند گوگرد بایستی در مراحل بعدی زودوده شود.دمای بالا در اکسیداسیون جزیی استفاده از برشهای نفتی سنگین تر که در فرایندهای کاتالیستی قابل مصرف و تبدیل به هیدروژن نبوده اند را در این فرایند امکان پذیر می سازد. دمای بالای عملیاتی، کاربرد این فرایند را در مقیاسهای کوچک با مشکلات متعددی مواجه ساخته است . استفاده از کاتالیست ها سبب می گردد تا دمای فرایند کاهش یابد که در این صورت به آن فرایند اکسیداسیون جزیی کاتالیستی [۲] گفته می شود.

کاتالیستهای مورد استفاده در CPO بر پایه پلاتین و نیکل هستند . در فرایند تبدیل اکسید اسیون جزیی نسبت به فرایند تبدیل با بخار آب، میزا ن هیدروژن کمتری به ازای هر مولکول متان تولید می گردد که این به معنی پایین بودن راندمان اکسیداسیون جزیی (کاتالیستی یا بدون استفاده از کاتالیست ) نسبت به فرایند تبدیل با بخار آب است؛ همچنین بدلیل گرمازا بودن واکنش تبدیل در این فرایند،حرارت تولید شده در پیل نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد و از اینرو راندمان پیل کمی پایین است.

برای تهیه خوارک پیلهای سوختی مبدل اکسیداسیون جزئی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مبدل با تغییرنسبت هوا به سوخت، حرارت واکنش و در نتیجه حرارت راکتور کنترل می شود؛ از اینرو هیچ مبدل حرارتی دیگری نیاز نمی باشد.

 

۳. مبدل گاز طبیعی  تبدیل با استفاده از Auto thertmal

تبدیلAuto thermal روش دیگری است که در تبدیل سوخت بکار می رود. در این فرایند مخلوط بخار آب و اکسید کننده (اکسیژن یا هو ا) به قسمت مشعل راکتور وارد گردیده و سپس از روی سطح کاتالیست دردمای بالا عبور می کند. واکنشها در این فرایند مخلوطی از واکنشهای گرمازای اکسیداسیون جزیی و گرماگیرتبدیل با بخار آب می باشد و در واقع انرژی مورد نیاز واکنش تبدیل با بخار آب توسط واکنش اکسیداسیون جزیی تأمین می گردد. از اینرو با تغییر نسبت هوا به سوخت دمای واکنش و در نتیجه دمای راکتور کنترل می شود.

 

روش Auto thermal

 

برای تمامی سوختهای هیدروکربنی(CnHmOp) واکنش اکسیداسیون جزئی بصورت زیر می باشد:

 

که در واکنش فوق xنسبت هوا به سوخت می باشد. دمای و اکنش فقط تابعxاست . وقتیx صفرشود

واکنش فوق یک واکنش تبدیل با بخار آب خواهد بود که بسیار گرماگیرست ، وبا زیاد شدن مقدارxاز شدت گرماگیری کاسته می شود تا اینکه در یک نسبت خاص، واکنش نه گرماگیر و نه گرمازا است؛ به همین دلیل است که این نوع مبدل، مبدل را Auto thermal می نامند . مزیت این فرایند Auto thermal این است که نسبت به سیستمهای معمول به بخار آب کمتری نیاز دارد وهمه حرارت مورد نیاز واکنش نیز بوسیله احتراق بخشی از سوخت فراهم می گردد؛ بنابراین مدیریت حرارت آن ساده بوده و نیازی به سیستمهای پیچیده نیست.

 

 

مقایسه فرایند تبدیل سوخت در دو فرایندAuto thermalو فرایند تبدیل با بخار آب

۴. پیرولیز

علاوه بر روشهای فوق، روش دیگری برای تولید هیدروژن از هیدروکربنها وجود دارد که این روش عبارتست از حرارت دادن هیدروکربنها در غیاب هوا که طی این فرایند ، هیدروکربنها شکسته شده و به هیدروژن و کربن جامد تجزیه می گردند. مزیت فرایند شکست حرارتی این است که هیدروژن با خلوص بالایی تولید می گردد. مشکل آن هم وجود کربن جامد است که بایستی از راکتور مربوطه خارج شود . با افزودن هوا به راکتور داغ، کربن بصورت دی اکسیدکربن از سیستم خارج می شود. اخیرًا هم استفاده ازفرایند شکست حرارتی پروپان برای تأمین هیدروژن جهت کاربرد در سیستمهای پیل سوختی پلیمری پیشنهاد شده است.

 

 

۵. هیدروژن حاصل از گازی شدن زغال سنگ

گازی شدن زغا ل سنگ فر ایندی است که در آن زغال سنگ به گاز تبدیل می شود. برای تولید هیدروژن یاگاز غنی از هیدروژن معمولا” زغال سنگ با استفاده از اکسیژن خالص(%٩٥(< در درجه حرارت وفشارهای بالا گازی می شود.

۲C+O۲ → ۲CO+ Heat

C + H۲O +Heat → CO + H۲

۶. هیدروژن حاصل از فرایند بخار آهن

فرایند بخار  آهن یکی از قدیمی ترین راههای تولید هیدروژن می باشد. این فرایند بر پایه زغال سنگ بناشده است . گاز حاصل از زغال سنگ برای احیاء اکسید آهن و تبدیل آن به آهن کاربرد دارد . هیدروژن از اثرمتقابل بخار با اکسید آهن حاصل می شود. در مرحله اول زغال سنگ تحت تأثیر بخار و هوا برای تولیدگازهای احیا کننده هیدروژن و منوکسیدکربن، گازی می شود

۲C+O۲ → ۲CO+ Heat

C + H۲O +Heat → CO + H۲

در مرحله دوم این گازها با اکسیدهای آهن واکنش داده و شکلهای احیا شده اکسیدهای آهن را ایجاد می نمایند.

 

 

مهمترین ایراد فرایند بخار آهن این است که فقط ٦٠ % درصد از تو ان بالقوه گاز جهت احیاءاستفاده می شود.در سومین مرحله واکنش اجزاء احیاء شده مجددًا در حضور آب اکسید می شوند و آهن تولید شده مجددًا وارد راکتور بخار -آهن می شود و در نتیجه وجود بخار، مقداریFe۳O۴  و گاز غنی از هیدروژن حاصل می شود.

 

 

۷.  الکترولیز آب

اصول الکترولیز آب اولین بار توسطMichael Faraday در سال ١٨٢٠ میلادی ارائه گردید و فرایندی است که طی آن هیدروژن و اکسیژن از آب تولید می شود.لغت lysis به معنی حل شدن و یا از هم جدا شدن می باشد؛همچنین لغت الکترولیز در حقیقت به معنای شکستن و جدا کردن (در اینجا آب ) با استفاده از جریان برق می باشد. الکترولیز آب فرایند بسیار ساده ای می باشد که طی آن جریان برق را از میان محلولی که شامل آب والکترودها می باشند، می گذرانند. مطابق شکل ذیل طرز کار دستگاه الکترولیز به این صورت است که قطب منفی باتری به کاتد (الکترود منفی ) و قطب مثبت باتری به آند (الکترود مثبت ) متصل می شود.در الکترود آند تمایل به جذب الکترونها وجود دارد . آب دارای هدایت الکتریکی پایینی برای عبور جریان الکتریکی می باشد به این خاطر برای افزایش هدایت الکتریکی در فرایند الکترولیز به آن الکترولیت اضافه می کنند.

 

 

مولکولهای آب در اطراف الکترود کاتد به یونهایOH- و H+تفکیک می شود و مقدار مولکولهای آب در اطراف کاتد کاهش می یابد و غلظتOH بالا می رود . انتظار می رود که مولکول آب به یک یونH+و یک یونOH-تفکیک شود اما این اتفاق رخ نمی دهد برای اینکه اتم اکسیژن دارای الکترونگاتیوی بیشتری نسبت به اتم هیدروژن می باشد.

H۲O → H+ + OH−

بنابراین این مسئله باعث می شود که سطح بیرونی کاتد کاملا” توسط یونهای هیدروکسید پوشیده شود اما یونH+ فاقد پروتون می باشد و تلاش زیادی کرده تا یک الکترون گرفته و بصورت یک اتم هیدروژن در می آید:

H+ + e− → H

این اتم هیدروژن با اتم هیدروژن دیگری برخورد کرده و تشکیل یک مولکول گاز هیدروژن را میدهد واین مولکول گاز هیدروژن بصورت حبابهایی از سطح آب خارج می شود :

H+H → H۲

 

در عین حال یونهای هیدروکسید(OH-)به سمت آند مهاجرت کرده و به سطح آند می رسند. آند الکترونهای اضافی را که یونهای هیدروکسید از هیدروژن گرفته بود، را پس می گیرد و یون هیدروکسید مجددًا با سه مولکول هیدروکسید دیگر تشکیل یک مولکول گاز اکسیژن و دو مولکول آب می دهد. مولکول اکسیژن پایدار بوده و بصورت حبابهایی به سطح آب می آید.

۴OH- → O۲ + ۲H۲O + ۴e

 

 

 

[۱] Onboard

[۲] Partial Oxidation Reforming

کاربردهای انرژی زیست توده

کاربردهای انرژی زیست توده :
 امروزه برای منابع مختلف زیست­ توده و کاربردهای گوناگون آن، تکنولوژی­های زیادی توسعه یافته و یا در حال توسعه می­باشند. منابع زیست توده با فن آوری های مختلف تولید انرژی، به صورتهای مختلف انرژی نظیر برق، حرارت و سوخت تبدیل می گردند. نمودار های ذیل با انواع کاربردهای انرژی زیست توده اشاره دارد .
2587_orig 2588_orig

مصارف غیر نیروگاهی زیست توده :

بخش اعظمی از سهم انرژی زیست توده در تامین انرژی اولیه مصرفی جهان به کاربردهای حرارتی و احتراق مستقیم بویژه در کشورهای در حال توسعه اختصاص دارد. عمده ترین کاربرد منابع زیست توده در تامین حرارت و پخت و پز می باشد.

بایو ماس 13

2589_orig

فناوری های استحصال انرژی از زیست توده

فناوری ها و سیستمهای استحصال انرژی از زیست توده :

امروزه برای منابع مختلف زیست­توده و کاربردهای گوناگون آن، تکنولوژی­های زیادی توسعه یافته و یا در حال توسعه می­باشند. تکنولوژی های مختلف زیست توده در مراحل مختلف توسعه و معرفی به بازار قرار دارند و طیف وسیعی از توسعه آزمایشگاهی و نمونه سازی تا کاملاٌ تجاری شده را در بر می گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.

تکنولوژی های مختلف زیست توده در مراحل مختلف توسعه و معرفی به بازار قرار دارند و طیف وسیعی از توسعه آزمایشگاهی و نمونه سازی تا کاملاٌ تجاری شده را در بر می گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.

 

 

فن آوریهای گرما شیمیایی:

این فن آوریها با گرما دادن به زائدات زیستی در حضور یا عدم حضور عوامل کمکی، انرژی تولید می کنند. انرژی تولید شده می تواند به صورت انرژی گرمایی یا انرژی ثانویه باشد که از فرآورده های انرژی زا بدست می آید مانند سوختهای جامد، مایع و گاز که می توانند به انرژی جنبشی یا الکتریسیته تبدیل شوند. عوامل کمکی در این فن آوریها می تواند بخار، هوا، اکسیژن، هیدروژن و مواد جامد باشند. مهمترین فن آوری های گرما- شیمیایی عبارتند از :

  • احتراق مستقیم  Direct Combustion  شامل : کاربری خانگی و صنعتی
  • آتشکافت   Pyrolysis  – آتشکافت با روش معمولی و آتشکافت با بخار
  • گازی کردن    Gasification- گازی سازی ساده در دمای معمولی و گازی سازی پلاسما در دمای بالا

 احتراق مستقیم : در این فناوری، منابع جامد زیست توده نظیر زائدات جنگلی- کشاورزی، زائدات صنایع غذائی و زباله های شهری مستقیماٌ در بویلرهای خاصی سوزانده شده و از حرارت حاصل برای تولید برق، حرارت و یا برق و حرارت استفاده می شود. مهمترین تکنولوژی تولید برق در این گروه زباله سوزها و چوب سوزها می باشند.

از دیدگاه فنی و کاربردی، فن‌آوری احتراق مستقیم را می‌توان به دوکاربری زیر تقسیم بندی نمود:

  1. کاربری خانگی
  2. کاربری صنعتی

 

شماتیکی از بویلر چوب سوز

کاربری خانگی:

این کاربری در مقیاس محدود مطرح بوده و کاربرد آن در تأمین نیازهای واحدهای مسکونی و واحدهای تجاری کوچک که اغلب در جوامع روستایی واقع هستند، رواج دارد نیازهای عمده این مصرف کننده‌ها پخت و پز، گرمای لازم برای گرمایش فضای مسکونی و آب گرم مصرفی و برخی کاربردهای دیگر به‌صورت محدود می‌باشد مانند کوره‌های متداول در صنایع کوچک (سفالگری، آهنگری، رنگرزی).

کاربری صنعتی:

در این زمینه، احتراق زیست توده در مقیاس بزرگتری مطرح می‌گردد. منابع زیست توده‌ مناسب در این کاربری شامل چوب و پسماندهای چوبی، بقایای کشاورزی و باغی (کاه، سبوس، برگ خشک سرشاخه‌ها، ترکه‌ها، نی، پوست ساقه درختان) و زباله‌های شهری هستند.

احتراق این سوختها به تولید انرژی گرمایی منجر می‌شود و انرژی آزاد شده می‌تواند در مصارف زیر مورد استفاده قرارگیرد:

  • صنایع غذایی (تولید بخار و تولید گرمای مورد نیاز فرآیندهای پخت)
  • صنایع آجر و سفال و سرامیک – صنایع چوب و کاغذ (تولید بخار و تولید گرمای موردنیاز فرآیندها)
  • صنایع ذوب فلزات (مانند کشور برزیل که از ذغال چوب بهره‌گیری می‌کنند)
  • بویلر نیروگاهها

بحث احتراق مستقیم در کاربری صنعتی را می‌توان از دو دیدگاه زیر مورد توجه قرار داد:

  1. احتراق در کوره‌های مخصوص چوب و ذغال‌سنگ و سوختهای با رطوبت پائین
  2. احتراق در کوره‌های زباله‌سوز و سوختهای پردازش نشده

 زباله سوزها : زباله سوزی فرآیندی است که توسط آن زباله ها در مجاورت حرارت مشتعل شده و موادی مثل خاکستر و گازهای دودکشی را به عنوان محصولات احتراق تولید می کند . طی این فرایند بیشتر فلزات و ترکیبات فلزی موجود در زباله بدون تغییر باقی مانده و از خاکستر حاصل قابل استخراج می باشند. مهم ترین مزایای روش زباله سوزی کاهش زیاد در حجم و وزن زباله ها بدون نیاز به مدت زمان  طولانی و یا مساحت زیاد عملیات، از بین رفتن اکثر زائدات خطرناک و به تبع کاهش اثرات مخرب زیست محیطی، امکان بازیافت انرژی به صورت برق و یا حرارت از گرمای آزاد شده در حین فرآیند احتراق زباله ها و همچنین امکان بازیافت فلزات – اعم از فلزات آهنی و غیر آهنی- از محصولات احتراق می باشد. تکنولوژی های مختلف زباله سوزی نیاز به پیش فرآوری های کمابیش یکسانی دارند. در مرحله اول می باید مواد خطرناک، اجسام بزرگ و مواد غیر قابل سوختن حجیم از جریان ورودی جدا شوند. احجام حجیم قابل سوختن باید ابتدا خرد شده و به جریان پسماند وارد شوند.  مواد قابل بازیافت می تواند طی فرآیند جداسازی از پسماند جدا شود.  سپس جریانهای متفاوت پسماند جهت حصول ورودی یکنواخت به لحاظ فیزیکی، شیمیایی و ارزش حرارتی با یکدیگر مخلوط می شوند. این یکنواختی به عملکرد زباله سوز و تاسیسات ثانویه تولید انرژی و کنترل آلودگی کمک می کند. خرد سازی پسماند ممکن است مورد نیاز باشد. کوره های دوار و سیستم های سوخت انداز  نیازی به خرد سازی کل پسماند ندارد اما در زباله سوزی به روش بستر شناور لازم است که پسماند ورودی خرد و مخلوط شود. همین طور ارزش حرارتی و ترکیب پسماند ممکن است انجام برخی فرآوری را قبل از ورود به سیستم های سوخت انداز یا کوره دوار اجباری کند. حداقل ارزش حراراتی مناسب برای تولید انرژی از پسماند به روش زباله سوزی ۶۰۰۰ کیلوژول بر کیلوگرم تخمین زده شده است.

انواع زباله سوز ها شامل توده سوز، مدولار و RDF می باشند .

نمایی از یک واحد زباله سوزی

امروزه ظرفیت جهانی زباله سوزی به منظور انهدام زباله و در کنار آن تولید انرژی و بازیافت فلزات (از زباله های جامد شهری) حدود ۱۳۰ میلیون تن در سال است که در حدود ۶۰۰ نیروگاه بزرگ زباله سوز انجام می شود. سوزاندن مواد زاید جامد شهری یک فرآیند مهار شده است که در آن مواد زاید جامد سوخته و به خاکستر مبدل شده و باقیمانده به گازهای بی خطر و یا کم خطر تبدیل میگردند. در این روش حجم زباله ها تا ۹۰ درصد کاهش پیدا میکند. زباله سوزی یکی از روشهای دفع مواد زاید جامد شهری است. این روش در شهرهایی که با مشکل کمبود زمین مواجه هستند کاربرد دارد. علاوه بر کاهش حجم، از این دستگاهها نیز می توان برای کاهش و یا رفع ویژگی سمی مواد استفاده نمود.

به طورکلی میتوان مواد زیر را در انواع مختلف زباله سوزها سوزاند:

  • زباله های شهری
  • مواد شیمیایی آلی
  • مواد پرتوشناسی
  • مواد بیولوژیکی
  • مواد آتش گرفتنی
  • مواد منفجرشدنی
  • لجن حاصل از تصفیه خانه های فاضلاب

زباله‌سوزی مزایای متعددی دارند که برخی از آنها عبارتند از:

  • کاهش حجم نیروگاه
  • کاهش حجم زباله
  • کاهش سریع حجم زباله
  • دفع زباله‌های خطرناک
  • کاهش هزینه‌ها
  • از بین رفتن خطر آلودگی آبهای سطحی
  • از میان رفتن بو
  • کاهش میزان گازهای گلخانه‌ای
  • کاهش میزان آلاینده‌های هوا
  • از بین رفتن زیستگاه جانوران موذی

زباله­سوز با سوخت RDF:  سوخت­های RDF از باقیماندة زباله‌های جامد شهری پس از جداسازی موادی از آن مانند شیشه‌ها و سایر ترکیباتی که نمی­سوزند،‌ تشکیل می‌شود. این سوخت می‌تواند به صورت یک سوخت جامد در بویلرهای RDF سوز استفاده شده و یا به همراه زغال سنگ و یا نفت در بویلرهای چندسوخته سوزانده شود. همچنین در حال حاضر RDF در کوره سیمان بعنوان جانشین سوخت­های فسیلی تزریق می­شود.

 

 

نمایی از یک نیروگاه زباله سوز

 انواع تکنولوژی های زباله سوزی که در تولید انرژی استفاده می شوند:

  • احتراق با کمبود اکسیژن ( احتراق چند مرحله ای)
  • احتراق توده ای (تک مرحله ای)
  • احتراق به روش بستر شناور
  • احتراق به روش کوره دوار   انواع زباله‌سوزها
  • سیستم باز (  Open Burning)
  • زباله‌سوزهای تک محفظه‌ای ( Single Chamber Incinerators)
  • زباله‌سوزهای روباز ( Open-pit Incinerator )
  • زباله‌سوزهای چند محفظه‌ای (Multiple-Chamber Incinerator )
  • زباله‌سوز با کوره‌های هوای کنترل‌شده ( Air Controlled Incinerator)
  • واحدهای زباله‌سوزی لجن ( Sludge Incinerator )
  • زباله‌سوز با تکنولوژی کوره دوار

 کربنیزه کردن: این تکنولوژی جزو قدیمی ترین تکنولوژی ها میباشد و محصول نهائی آن ذغال چوب، برق و حرارت می باشد. اخیراٌ نمونه های موفقی از آن در کانادا جهت تولید برق یا ذغال (قابل استفاده در صنایعی نظیر سیمان) راه اندازی شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است.

 

فن‌آوری آتشکافت (پیرولیز) :

آتشکافت فرآیندی است که در آن مواد آلی بوسیله گرما در غیاب اکسیژن تخریب می‌شوند و بخار آب، گازهای جدید، مواد فرار، قطران و ذغال بوجود می‌آید، از اینرو به این فرآیند، تقطیر تخریبی نیز می‌گویند.

واکنش آتشکافت برای زیست توده در دمای ۳۰۰ تا ۳۷۵ درجه سلسیوس آغاز می‌شوند. ذغال، مایعات آلی، گاز و آب با نسبت های متفاوتی از این فرآیند بدست می‌آیند و نسبت و مقدار آنها بستگی به دمای عملیاتی، نرخ گرمادهی، زمان ماند، نوع مواد خام و درصد رطوبت آنها دارد. در دماهای بالا و زمان ماند طولانی، گاز بیشتری پدید می‌آید در حالی که ذغال و مایعات بیشتر، در دمای پایینتر و زمان ماند کوتاه تولید می‌گردند.

مواد جامد پدید آمده در این فرآیند ذغال (از نوع کربن فعال) و خاکستر می باشد. مایعات بدست آمده، مواد آلی با وزن مولی سبکتر از ماده خام اولیه را شامل می شود . از جمله این ترکیبات می‌توان اسیدها، الکلها، آلدئیدها، ستن‌ها، استرها، ترکیبات فنلی را نام برد. در گاز بوجود آمده نیز ترکیبات زیر بیشتر به چشم می‌خورند: منوکسید کربن، هیدروژن، دی‌اکسید کربن، متان، اتان، اتیلن، بخار آب و دیگر هیدروکربنها به مقدار ناچیز. رآکتورهای گوناگونی برای فرآیند آتشکافت ساخته شده‌اند که انواع زیر را می‌توان نام برد:

  • راکتورهای بستر ثابت( fixed bed reactors)
  • راکتورهای بستر متحرک( moving bed reactors)
  • راکتورهای بستر معلق(suspended bed reactors)
  • راکتورهای بستر سیال( fluidized bed reactors)
  • راکتور ایستا با بستر ساکن ( stationary vertical shift)
  • کوره دوار شیبدار( Inclined Rotating Klin)
  • کوره افقی( Horizontal Klin)

 انواع تکنولوژی آتشکافت : آتشکافت به روش معمول آتشکافت- گازسازی    آتشکافت با بخار   آتشکافت معمولی : پسماند شهری به عنوان یک ماده بسیار ناهمگن باید برای ورود به این سیستم پیش فرآوری شود. این روش مشتمل بر حرارت دادن یک ظرف، مخزن ، … در غیاب اکسیژن است.

 

آتشکافت با بخار :

از آنجائیکه مواد حاصل از آتشکافت شامل قطران، روغن های آلی و گازها هستند می توان واکنش های دیگری را برای تجزیه هرچه بیشتر این مواد در سیستم در نظر گرفت. یکی از روش های معمول در این زمینه اضافه کردن بخار به راکتور آتشکافت برای افزایش تولید گاز مصنوعی است.

در این مرحله قطران موجود در راکتور با بخار آب واکنش داده و تولید گاز مصنوعی متشکل از هیدروژن و متان می کند.

  

گازی کردن (Gasification) :

اساس این فرآیند مشابه فرآیند آتشکافت است اما اولویت به تولید گاز داده شده و عمل گرمادهی تا تخریب و تجزیه حداکثر مواد خام ادامه می یابد. در این فرآیند یک ماده اضافی به نام عامل گازساز نیز وارد راکتور میشود. عامل گازی ساز باعث سوختن بیشتر یا شناورسازی مواد اولیه ورودی می باشد این عامل میتواند اکسیژن، هوا، بخار، هیدورژن، متان یا هلیم باشد.

تکنولوژی های گازی سازی:

  • گازسازی ساده
  • گازسازی پلاسما

 

یک واحد گاز ساز

 

 

فرایند کلی گازی سازی

 

گازسازی ساده :

این روش بر پایه اکسیداسیون جزئی مواد ورودی با پایه کربنی و تبدیل آنها به گاز مصنوعی عمل می کند.

در روش گازسازی ابتدا ۱۰% تا ۳۰% ارزش حرارتی مواد موجود در پسماند برای تولید انرژی اولیه اکسید می شود. این انرژی اولیه باعث تولید گاز مصنوعی متشکل از متان، هیدروژن و دی اکسید کربن می گردد. به راکتور گازسازی با توجه به نوع استفاده از گاز خروجی  هوا، اکسیژن یا بخار آب تزریق می گردد.

راکتورهای گازسازی معمولاً به دو صورت افقی و عمودی وجود دارند  و سه نوع طراحی دارند:

– بستر ثابت

– بستر سیال

– بستر کشیده

 

پلاسما :

پلاسما حالت چهارم ماده محیط یونیزه شده ای است که در دمای بالا ایجاد می شود. با عبور یک جریان مستقیم بین کاتد و آند مشعل قوسی پلاسما و عبور همزمان هوا در فضای حلقوی شکل، محیطی با گرمای بسیار زیاد بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه سلسیوس ایجاد می شود

در واکنش گاههای پلاسمایی معمولاً در اثر تخلیه الکترونی یک جریان مستقیم بین آند و کاتد، دمای بالای مورد نیاز برای تشکیل پلاسما ایجاد میشود در محدوده دمای بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ درجهت سیلسیوس در راکتور پلاسما کلیه ترکیبات  معدنی موجود در پسماند ذوب شده پس از خروج از راکتور در قالب های مناسب شکل دهی می شود.

 

مزایای سیستم پلاسما:

  1. توانایی عملکرد بر روی طیف وسیعی از مواد جامد و مایع با حداقل فرآیند پیش فرآوری و در بسیاری موارد بدون نیاز به فرآیندهای پیش فرآوری
  2. توانایی عملکرد بر روی طیف وسیعی از ضایعات که قابلیت استفاده از آنها در زباله سوزها موجود نمی باشد.
  3. ایجاد محصولات جانبی قابل فروش.
  4. جلوگیری از توسعه لندفیل ها، عدم پخش خاکستر و ذرات معلق در هوا
  5. عدم گزارش اثرات سوء زیست محیطی تا بحال نسبت به سایرسیستم های گرما شیمی

معایب پلاسما نیز شامل قیمت بالا،انحصاری بودن فناوری، عدم تجاری شدن وسیع آن و مشکلات کار با دمای بالا می باشد.

 

 

فن آوریهای بیو شیمیایی :

در این فن آوریها، تولید کننده انرژی، فرآورده هایی هستند که بوسیله عمل سوخت و ساز موجودات زنده پدید آمده و به خاطر داشتن ارزش گرمایی بالا به عنوان سوخت به کار میروند. گاز متان و الکل اتیلیک (اتانول) از مهمترین فرآورده های اینچنینی میباشند.گاز متان بوسیله فرآیند هضم بیهوازی و اتانول بوسیله فرآیند تخمیز الکلی تولید میشود.

 

هضم بیهوازی:

فرآیند تجزیه منابع زیست توده توسط باکتریها در عدم حضور هوا بوده و در آن متان و محصولات جنبی با ارزش حرارتی متوسط(بیوگاز) تولید میشود. بارزترین نمونه این فرآیند در لندفیل هاست. اخیراٌ نیز هاضم های مخزنی بشدت مورد توجه قرار گرفته اند. عمل هضم بیهوازی در محدوده دمایی نسبتاً وسیع ۶۰-۱۰  سلسیوس صورت می گیرد. مناسبترین درجه حرارت برای تولید بیوگاز از نظر فنی و اقتصادی حدود ۳۷ درجه سلسیوس می باشد.

 

همه موادی که برای تولید بیوگاز در فرآیند هضم بیهوازی مورد استفاده قرار میگیرند باید از دسته مواد آلی باشند که اساسا این مواد شامل پروتئینها چربیها و کربوهیدراتها هستند. این مواد آلی توسط گروهی از باکتریها در عدم حضور اکسیژن تجزیه میشوند که بازدهی فرایند هضم نیز متاثر از درجه حرارت هاضم ، PH ، نسبت کربن به نیتروژن، زمان ماند و وجود مواد سمی برای باکتریها می باشد.

 

منابع اولیه برای تولید بیوگاز بدین شرح هستند:

۱- فضولات دامی

۲- بقایای گیاهی

۳- پسماند‌های غذایی و مواد آلی فسادپذیر

۴- مواد آلی فاضلابها

۵- پسماندها و پسابهای فرآورده‌های کشاورزی

شماتیکی از هاضم بیهوازی زباله های شهری

 

بیوگاز چیست:

منابع زیست  توده حاوی ترکیبات آلی با مولکول های درشت زنجیر می باشد که در طی فرآیندهای هضم (مدفون در زمین، داخل مخازن مخصوص و یا رها شده در طبیعت)، مولکولهای مذکور شکسته شده و به مولکولهای ساده تر تبدیل می گردند. حاصل نهایی این فرآیند گازی است قابل اشتعال، که بیوگاز نام دارد. به بیوگاز، گاز مرداب نیز گفته می شود. این گاز شامل دو جزء عمده متان( و اندکی سایر هیدروکربورها) و دی اکسیدکربن به همراه مقادیر جزئی ناخالصی نظیر H۲S , ،بخارآب , N۲ و … می باشد. این مخلوط گازی با ارزش حرارتی  ۲۵-۱۵ مگاژول به ازاء هر مترمکعب بوده(۴۰ تا ۷۰ درصد ارزش حرارتی گاز طبیعی) و در صورت تبدیل به برق با استفاده از موتورهای بیوگازسوز موجود میتوان ۲/۲–۵/۱ کیلووات ساعت برق از هر متر مکعب آن به دست آورد(از هر متر مکعب گاز طبیعی ۳ کیلووات ساعت برق حاصل می شود). این گاز بوی ‏قابل تشخیص مانند تخم مرغ گندیده دارد و از هوا سبک تر می باشد.

مکانیسم تولید بیوگاز:

مکانیسم تولید بیوگاز در فرآیند هضم بیهوازی نسبتاً پیچیده و تحت تأثیر عوامل شیمیایی و بیوشیمیایی متنوعی می باشد، این مکانیسم به طور کلی به ۳ مرحله (در برخی مراجع ۴ مرحله) تقسیم می گردد:

مرحله اوّل: هیدرولیز مواد آلی پیچیده و نامحلول و تبدیل این مواد به ترکیبات محلول

مرحله دوّم: ترکیبات آلی حاصل از مرحله اول به وسیله باکتریهای اسیدساز شکسته شده و اسیدهای آلی تولید می شود. معمولاً هیدروکربن های پنج و شش کربنی در آب حل شده و توسط باکتریهای اسیدساز مصرف گردیده و به ترکیباتی از قبیل هیدروژن، فورمات، استات، پروپیونات و گاز کربنیک تبدیل می گردند.

مرحله سوّم: تمام ترکیبات آلی و اسیدهای تولید شده در مرحله اسیدسازی توسط باکتریهای متان ساز به بیوگاز تبدیل می گردند .

اجزای  تشکیل دهنده محل دفن زباله برای مهار  شیرابه و گاز

برای اینکه بتوان در محل دفن زباله شیرابه و گاز را کنترل نمود لازم است در ابتدا میزان زباله شهری ورودی به محل دفن تعیین گردد. بر اساس برای محل‌های دفن زباله تا حجم ۴۰ هزار متر مکعب زباله شهری نیاز به ایجاد سیستم های کنترل شیرابه و گاز نبوده و مکانیسم‌های طبیعی قادر به خودپالایی این آلاینده ها هستند. اما برای ظرفیتهای بیش از این مقدار لازم است از محلهای دفن مخزنی استفاده شود. این محلها باید دارای اجزایی برای کنترل شیرابه و گاز باشند که اجزای نامبرده به شرح زیر است:

  • پی
  • لایه نفوذ ناپذیر
  • سیستم جمع آوری شیرابه
  • سیستم جمع‌آوری گاز
  • پوشش نهایی
  • تصفیه شیرابه

 

 

 

فلودیاگرام نیروگاه بیوگازی

روند تولید گاز در دفنگاه

تولید بیوگاز در دفنگاه بین ۲ تا ۶ ماه پس از دفن زباله آغاز می‌شود و این تأخیر بستگی به درصد مواد آلی تجزیه‌پذیر در زباله، رطوبت زباله، نحوه توزیع مواد درون زباله، میزان نفوذ آب به دفنگاه و دمای محیط دارد. درصد متان در گاز دفنگاه اغلب پس از ۶ ماه تا یکسال به حالت پایدار و یکنواخت میرسد. تولید گاز پس از مدتی در حدود ۱ تا ۲ سال پس از آغاز به حداکثر خود می‌رسد و سپس روند کاهشی بخود می‌گیرد و در طی سالیان متمادی به نزدیک صفر میرسد. این مدت زمان بستگی به سرعت تجزیه مواد آلی و تولید گاز دارد.

satba.gov.ir

قیمت برق تولیدی از منابع زیست توده

قیمت جهانی برق تولیدی از منابع زیست توده :

برآورد هزینه های ساخت یک نیروگاه زیست توده فرایندی پیچیده است.زیرا هزینه های مربوطه با توجه به سوخت زیستی مورد استفاده در نیروگاه، هزینه خرید آن، و همچنین تکنولوژی به کار رفته در نیروگاه و طراحی آن جهت تبدیل مواد اولیه به سوخت و بعلاوه مکان ساخت نیروگاه متغیر است.در مجموع قیمت جهانی برق تولیدی از این منبع از ۲۶۰۰  تا ۱۰۰۰۰ دلار برای هر کیلووات می باشد. برای تجزیه و تحلیل قیمت برق حاصل از منابع زیست توده باید به موارد ذیل توجه نمود .

تنوع مواد اولیه : که در شکلهای و با خواص مختلف می باشد و طیف بزرگی از مواد را شامل می گردد . این موضوع وقتی اهمیت می یابد که بدانیم برخی از فناوری ها مانند احتراق مستقیم می تواند از تمامی منابع به صورت غیر همگن استفاده کند در حالی که در برخی از فناوری ها تنها از چند ماده و به صورت همگن می توان به عنوان مواد اولیه استفاده نمود که فرایند جداسازی دراین حالت موجب افزایش هزینه تمام شده انرژی خواهد شد در اینجا  اگر هزینه های مربوط به حمل و نقل مواد اولیه خاص تامحل نیروگاه را نیز در نظر بگیریم هزینه  تمام شده مجددا افزایش خواهد یافت . همچنین میزان رطوبت مواد اولیه بر روی هزینه  تمام شده برق تولیدی از آنها نیز تاثیر گذار می باشد . به طور کلی هزینه های مربوط به تهیه مواد اولیه و خام در حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد هزینه تمام شده برق می باشد .

به عنوان مثال هزینه های مربوط به مواد خام در آمریکا به شرح جدول ذیل است :

بایو ماس 25

همچنین هزینه های مربوط به این مواد در هند و برزیل نیز به شرح جدول ذیل می باشد :

بایو ماس 26

فرایند تبدیل انرژی : که این فرایندها نیز بسیار متنوع بوده و برای تولید برق ، حرارت و یا برق و حرارت همزمان استفاده می گردند .

فناوری های تولید برق یا انرژی : این فناوری ها نیز بسیار گسترده و متنوع می باشند . این هزینه هانیز در هر منطقه وکشور می تواند متفاوت باشد . هزینه های مربوط به ساخت جاده و سایر زیرساختهای مورد نیاز نیز معمولا در این گروه قرار می گیرد .

به عنوان مثال نمودار ذیل هزینه مورد نیاز برای سرمایه گذاری در کشور های OECD در فناوری های مختلف را نشان می دهد :

بایو ماس1

انواع هزینه سرمایه گذاری و هزینه های تراز شده نیروگاههای زیست توده در تکنولوژی های مختلف

بایو ماس 2

منبع:satba.gov.ir

آمار جهانی انرژی بیومس

آمار و وضعیت آخرین ظرفیت های نصب شده :

از منابع زیست توده برای تولید برق، گرمایش و حمل و نقل(به کمک سوختهای زیستی مایع ) استفاده می شود. رشد تقاضای زیست توده در جهان در خلال سالهای 2002 تا 2009 به طور متوسط در حدود 1.4 درصد و در شکلهای جامد ، مایع و گاز و برای انواع فناوری ها از جمله  تامین گرمایش ، تولید برق و حمل ونقل بوده است . در حال حاضر تقاضای جهانی این انرژی در کل چیزی برابر EJ 53 می باشد که  86 درصد از این مقدار جهت رفع نیازهای گرمایشی صنعتی و پخت و پز می باشد و اغلب نیز در سیستم های کهنه و سنتی و با راندمان پایین بوده و 14 درصد باقی مانده جهت تولید برق و یا تولید همزمان برق- حرارت  CHPو حمل ونقل به کار میرود . بر اساس آخرین آمار اعلام شده ظرفیت نیروگاههای نصب شده بایومس و نیز ظرفیت گرمایش این منبع به شرح ذیل می باشد :

بایو ماس 2

بایو ماس 14

بازار جهانی بایومس :

امروزه به دلیل نیاز به کاهش تولید گازهای گلخانه ای توجه بازار جهانی به مصرف سوختهای پاک و به ویژه بایومس معطوف گردیده است که این امر موجب افزایش تقاضای بین المللی این منبع انرژی برای مصارفی چون حمل و نقل ، برق و حرارت گردیده است .

به طور کلی تجارت جهانی سوخت های جامد بایومس در سال 2011 به جزء زغال چوب در حدود 18 میلیون تن و معادل 300 PJ می باشد که در حدود 90 درصد آن را pellet و fuel wood  و wood waste تشکیل می دهد و همچنین تجارت جهانی سوختهای مایع شامل بایو دیزل و بایواتانول تقریبا معادل 20 میلیون بشکه نفت خام بوده است .

کشور های پیشرو در زمینه زیست توده بسته به نوع سوخت تولیدی کشورهای مختلفی می باشند . به عنوان مثال مصرف 85 درصد pellet در کشور های اروپایی می باشد به طوری که 20 در صد آن به تنهایی جذب بازار سوئد می شود  اگرچه بیشتر بازار  pellet به کشور های اروپایی، شمال امریکا و روسیه محدود می شود ولی امروزه تعدادی از کشورهای آمریکای جنوبی و آسیا، از جمله آرژانتین، برزیل و شیلی در جنوب امریکا ، چین، هند ، ژاپن و کره در آسیا، و همچنین نیوزلند به مصرف این سوخت روی آورده اند .

بیشترین مصرف بیوگاز نیز در اروپا  می باشد به عنوان نمونه آلمان 65 درصد بازار این سوخت در اروپا را به خود اختصاص داده است .  در بخش سوختهای زیستی آمریکای شمالی بیشترین مصرف کننده بایواتانول در صنعت حمل و نقل بوده و اروپا و آمریکای لاتین بیشترین مصرف کننده بایو دیزل در این صنعت به شمار می روند.

بازار کاربردهای حرارتی و مستقیم زیست توده در سال 2011 :

میزان افزایش در بخش حرارت در سال 2011 در جهان در حدود GWth 10 می باشد که ظرفیت نصب شده کل را به 290 GWth رسانده که شامل سوختهای جامد ، مایع و گازی شکل و برای مصارف صنعتی ، کشاورزی ، گرمایش فضا ، پخت و پز در مقیاسهای کوچک ( مسکونی ) و بزرگ و نیز کاربردهای تولید همزمان برقو حرارت (CHP) می باشد .  به عنوان مثال در بخش تامین گرمایش در سال 2008 در حدود EJ  3.4 انرژی تولید گردیده که درتقریبا 7.5 برابر کاربردهای حرارتی در بخش ژئوترمال و خورشیدی می باشد .

کاربرد های حرارتی صنعتی این منبع بیشتر در صنایعی چون صنایع غذایی ، چوب ، سیمان ، آهن و فولاد می باشد ولی درصد پایینی در تامین انرژی در این بخش دارد . در سال 2010 مواد زائد شهری (MSW) درحدود  EJ 2.8 در اروپا انرژی تولید کرده است که نیمی از این مقدار در فرانسه ، آلمان، سوئد و فلاند مصرف گردیده است که 11 درصد آن مربوط به کاربردهای حرارتی منطقه ای در سوئد ، فرانسه ، دانمارک و اتریش بوده است .

به طور کلی استفاده از سیستمهای گرمایش محلی و منطقه ای در سال 2010 افزایشی 23.7 درصدی داشته و  به مقدار  PJ 300 رسیده است که دو سوم آن مربوط به واحدهای کوچک CHP می باشد .در کل انرژی حرارتی تولید شده توسط MSW ، 3 درصد از کل انرژی حرارتی تولید شده از منبع بایومس در سال 2010 را به خود اختصاص داده است .

امروزه کاربردهای حرارتی بایو گاز در حال رشد می باشد و کشورهای توسعه یافته به استفاده از نیروگاههای CHP روی آورده اند . انرژی کل حرارتی بدست آمده از بایوگاز در سال 2010 در اروپا در حدود PJ  63   می باشد و نیز در آمریکا در سال 2011 در حدود 576 عملیات دفن زباله و جذب متان جهت تامین حرارت مورد نیاز برا ی750000 خانوار معادل 62 PJ انجام گرفته است .

از نیروگاههای بایوگاز در تولید همزمان برق و حرارت نیز که در مجموع دارای 168 ژنراتور در حالت CHP هستند برای تولید PJ  0.2 حرارت در سال استفاده می شود که در 11 مورد از نیروگاههای مذکور صرفاً از بایو گاز استفاده میشود و در مابقی آنها از سوخت گاز طبیعی نیز به صورت هیبرید استفاده می شود .

کشور پیشرو در این صنعت آلمان می باشد . در کشورهای در حال توسعه از بایو گاز خانگی ( که در هاضم های کوچک و محلی تولید می شود ) بیشتر برای پخت و پز و گاهی نیز برای تهیه آب گرم و روشنایی استفاده می شود . چین و هند در بین سایر کشور ها دارای بیشترین تعداد از این نوع هاضم ها می باشند و به ترتیب تا پایان سال 2011 دارای 4.4 میلیون هاضم خانگی می باشند . کشورهای نپال و ویتنام  نیز در این زمینه فعال هستند و  جدیدا نیز برخی از کشورهای آسیایی و آفریقایی در این زمینه فعال شده اند .

از سوختها ی زیستی مایع نیز اغلب در صنعت حمل ونقل استفاده می شود لیکن در سال 2011 کشور های اروپایی از جمله آلمان  ، پرتغال و سوئد از این سوخت جهت مصارف گرمایش نیز استفاده نموده اند . بویلرها نیز در ابعاد کوچک برای گرمایش فضای اتاق و در ابعاد کمی بزرگتر برای گرمایش خانه و در ابعاد چند مگاوات و صنعتی در اروپا شاهد رشد چشم گیری در سال 2011 بوده اند . به طور کلی استفاده از انواع بویلر های خانگی مقدمه ای برای استفاده از  انواع اجاقهای بایوگاز سوز (gasifier) خانگی در سالهای اخیر جهت مصارفی مانند  پخت و پز بوده است که صنعت این نوع از اجاقهای نیز به طور فزاینده ای رو به رشد می باشد .

امروزه می توان گفت که در کشورهای در حال توسعه مانند چین ، هند ، سریلانکا و فیلیپین بویلر ها و اجاقهای خانگی که با سوختهای بایومس ( pelletو wood chips ) کار می کنند از محبوبیت بیشتری برخوردار میباشند .به عنوان مثال در آلمان احتراق pellet از 3000 واحد در سال 2000 به 155000 واحد در سال 2011 رسیده است و یا سوخت pellet در ایتالیا 14 درصد افزایش در سال جاری داشته و به مقدار 1.56 میلیون رسیده است . اجاقهایی با سوخت چوب نیز در سال 2011 در یونان ساخته شده است . در ایالات متحده آمریکا استفاده از سوخت زیست توده جهت مصارف گرمایش در خلال سالهای 2000 تا 2011 افزایشی در حدود 34 درصد داشته است که به نسبت سایر منابع انرژی گرمایشی در این کشور بیشترین رشد را داشته است و آمریکا در این زمینه در رتبه چهارم جهانی قرار دارد . تا سال 2011 در حدود 12 میلیون اجاق چوب و pellet در این کشور نصب گردیده و چیزی در حدود 2.1تا2.6 میلیون خانه از سیستمهای گرمایشی بایومس سوز استفاده می کنند که این سیستم ها توانایی خنک کردن فضا  با کمک سیستمهای تبرید را نیز دارا می باشند . استفاده از بایومس در چیلر ها هنوز رایج نشده است  و تنها یک مورد تحقیقاتی در ابعاد کوچک در اسپانیا  نصب گردیده و هنوز تجاری نشده است .

بایو ماس 24

نمودار تولید سوخت چوب و pellet در جهان از سال 2000 تا سال 2011

بازار کاربردهای نیروگاهی زیست توده در سال 2011 :

ظرفیت تولید برق در این بخش تا پایان سال 2011 برابر 76 گیگاوات بوده که این رقم در سال 2010 برابر 66 گیگاوات بوده است . این ظرفیت با کمک تکنولوژی های direct firing و co-firing و با کمک منابع سوختهای زیستی جامد (MSW) ، بایوگاز و سوخت های زیستی مایع و در نیروگاههای برق و CHP بوده که در بین منابع ذکر شده سوختهای زیستی جامد دارای بیشترین سهم( 83 % ) در تامین انرژی اولیه می باشند .

– کشورهای برتر در دنیا در این زمینه کشورهای آمریکا ، آلمان ، سوئد ، انگلستان ،  برزیل ، چین ، هند و ژاپن می باشند که به عنوان مثال ظرفیت نصب شده در آمریکا 13.7 گیگاوات تا پایان سال 2011 بوده که 3 درصد نسبت به سال 2010 پیشرفت داشته است و یا تولید خالص برق از منابع زیست توده جامد از 56.1 تراوات ساعت در سال 2010 به 56.7 تراوات ساعت در سال 2011 رسیده است .

– در اتحادیه اروپا کل ظرفیت نصب شده تا پایان سال2011 در حدود  26.6 گیگاوات بوده و تولید برق حاصل از سوخت جامد بایومس( MSW) در سال 2010  با افزایش 12.2 درصدی به 69.9 تراوات ساعت رسیده است که این درصد رشد در سال 2009 برابر 13.5 درصد بوده است . 25.3 تراوات ساعت برق حاصل از MSW  در سال 2010 ( 36%) و مابقی مربوط به نیروگاههای CHP می باشد.  سهم نیروگاههای MSW در سال 2009 برابر 46.3 بوده که نشان دهنده حرکت صنعت به سمت نیروگاههای  CHP می باشد . پنج کشور برتر اروپایی در بحث نیروگاهی کشور های آلمان ، سوئد ، فلاند ، انگلستان و هلند می باشند که تقریباً دو سوم برق تولیدی از MSW در اروپا مربوط به آلمان باسهمی برابر 17.6 درصد از کل می باشد و تولید کنندگان دیگر پس از پنج کشور فوق لهستان ، ایتالیا، دانمارک و اتریش می باشند .

– ظرفیت تولید انرژی از منبع زیست توده در سال 2011 در کشور برزیل از پیشرفت خوبی برخوردار بوده است . ظرفیت تولید از انرِژی زیست توده در سال 2010 برابر 7.8 گیگاوات  و اکثر آن تولید همزمان برق و حرارت با بایوگاز بوده است .     ( 7.3 گیگاوات )

– چین اولین نیروگاه بایومس خود را در سال 2006 احداث نمود ولی این صنعت در کشور چین به سرعت رشد کرد به نحوی که در سال 2011 دارای 4.4 گیگاوات توان نصب شده بوده که میزان رشد آن در سال 2011 نسبت به 2010 در حدود 10 درصد بوده است  .

– هند با افزایش 0.6 گیگاوات ظرفیت زیست توده در سال 2011 دارای ظرفیت کل  3.8 گیگاوات می باشد .که بیشتر آن مربوط به منابع MSW می باشد.

– توان نصب شده در تایلند نیز در حدود 1.6 گیگاوات می باشد .

در آفریقا نیز کشور های کنیا ، موریس ، تانزانیا ، اوگاندا و زیمباوه با کمک منبع بایوگاز و نیروگاههای CHP در این زمینه در حال فعالیت می باشند البته این قاره از لحاظ منابع زیست توده و به خصوص زباله ها بسیار غنی می باشد .ضمنا قرار است که یک نیروگاه به ظرفیت 1.5 مگاوات در سال 2012 در کنیا احداث گردد . همچنین در کشور های کامرون ، ساحل عاج ، غنا ، لیبریا ، نیجریه ، رواندا ، سنگال و سیرالئون برنامه ریزی لازم جهت احداث نیروگاههای زیست توده در سالهای آتی شده است .از تعدادی از منابع زیست توده می توان  به عنوان سوخت در نیروگاه استفاده نمود لیکن رویکرد کنونی این صنعت به استفاده بیشتر از pellet می باشد  .  به نحوی که بزرگترین نیروگاه با کمک این سوخت در انگلستان با ظرفیت تولید 750 مگاوات در حال کار می باشد که توان این نیروگاه در سال 2011 با کمک هیبرید شدن با زغال سنگ به 1 گیگاوات رسیده است .همچنین عملیات ساخت دو نیروگاه دیگر هر یک به توان 100 مگاوات با سوخت pellet در سال 2011 آغاز گردیده است .

می دانیم که با توجه به تکنولوژی موجود بسیاری از نیروگاههای زغال سنگ سوز و گاز سوز قابلیت آن را دارند که به نیروگاههای با سوخت زیست توده و CHP تبدیل گردند تا بدین وسیله از تولید گازهای گلخانه ای جلوگیری گردد . از سال 2009 عملیات جهت تغییر نیروگاههای گاز سوز و زغال سنگ سوز آغاز شد به نحوی که در مجموع 264 واحد نیروگاهی از سوخت فسیلی به بایومس تبدیل گردیداز جمله 81 نیروگاه در فلاند ، ایالات متحده 40 نیروگاه، آلمان 27 نیروگاه ،انگلستان 18 نیروگاه و سوئد10 نیروگاه .

استفاده از بیوگاز به عنوان سوخت ، امروزه رو به رشد می باشد به نحوی که قبلا در اروپا تولید ناخالص از بیوگاز برابر 30.3 تراوات ساعت در سال 2010 بوده که شاهد یک رشد 20 درصدی نسبت به سال 2009 می باشد . در حدود یک پنجم از کل ژنراتورهای نصب شده در نیروگاههای زیست توده CHP هستند .

در سال 2011 در آمریکا در حدود 14.3 تراوات ساعت جذب متان از دفنگاه وجود داشته است و از آن برای تولید انرژی مورد نیاز یک میلیون خانوار استفاده شده است .همچنین  از بیوگاز حاصل از لندفیل های مذکور برای تولید .5 تراوات ساعت انرژی در بخش کشاورزی نیز استفاده شده است . در کشورهای در حال توسعه از بیوگاز تولید شده در هاضم های بزرگ به طور کلی برای تولید برق استفاده می شود .

به عنوان مثال در چین تا پایان سال 2009 در حدود 2000 هاضم بزرگ و متوسط نصب گردیده و قرار است تعداد 22570 هاضم دیگر با منبع فضولات دامی و 630 هاضم نیز با منبع زباله های شهری و فاضلاب شهری ساخته و نصب گردد ظرفیت تولید بیوگاز در چین از هاضم های نصب شده تا پایان سال 2010 در حدود 800 مگاوات بوده است هند نیز تا پایان سال 2010 دارای 70 نیروگاه با منبع زباله شهری با ظرفیت کل 91 مگاوات بوده است .

از سوختهای زیستی مایع نیز می توان به عنوان منبع اولیه در نیروگاههای CHP استفاده نمود . به عنوان مثال برنامه ریزی لازم جهت آغاز عملیات ساخت 760نیروگاه CHP با منبع سوخت زیستی مایع در سال 2010 صورت گرفته است . بزرگترین نیروگاهی که با این نوع از سوخت ها ( palm oil ) کار می کند در حال حاضر در ایتالیا و با ظرفیت تولید 100 مگاوات می باشد . برزیل و آرژانتین نیز دارای نیروگاههای بایومس با سوخت اتانول و بایو دیزل می باشند .

منبع:satba.gov.ir

ظرفیت انرژی زیست توده در ایران

پتانسیل انرژی زیست توده: 

منابع زیست توده به ۵ منبع مختلف و عمده شامل زباله ها، فاضلاب های صنعتی، زائدات جنگلی – کشاورزی و دامی تفکیک می شود. که فقط بر اساس مطالعات انجام شده برای یکی از این منابع یعنی پسماندهای جامد شهری (زباله ها) آن هم فقط برای شهرهای بالای ۲۵۰،۰۰۰ نفر نتایج حاصل شده است.

بر اساس نتایج مذکور پتانسیل حداکثر تولید برق از انواع نیروگاههای زیست توده در سال ۸۶ برای شهرهای بالاتر از ۲۵۰ هزار نفر (۳۰ شهر) بالغ بر ۸۰۰ مگاوات به تفکیک ۳۱۱ مگاوات نیروگاه زباله سوز، ۲۱۷ مگاوات نیروگاه پیرولیز-گازی سازی، ۱۵۹ مگاوات نیروگاه هضم بیهوازی و ۱۱۲ مگاوات نیروگاه لندفیل بوده است. شایان ذکر است به کار گیری پتانسیل های برآورد شده نه تنها به استحصال انرژی بلکه به رفع بخش عظیمی از مشکلات مربوط به آلودگی و مسائل زیست محیطی ناشی از مدیریت پسماندها نیز کمک شایانی خواهد نمود.

مزایای استفاده از انرژی زیست توده

ضرورت و مزایای استفاده از انرژی زیست توده در کشور

  • رفع مشکلات زیست محیطی حاصل از رهاسازی منابع زیست توده در طبیعت(آلودگی آب، خاک، هوا و بو و …)
  • کاهش انتشار گازهای گلخانه ای بویژه متان در جو- بیش از 50% متان منتشره از این منابع میباشد.
  • امکان تولید انرژی در محل مصرف(کاهش تلفات شبکه)
  • امکان تحویل انرژی پاک به شکل جامد، مایع و گاز
  • امکان تحویل انرژی به فرم برق، حرارت و سوخت خودروها و یا خوراک واحدهای پتروشیمی
  • ایجاد ارزش افزوده و اشتغال مولد قابل توجه
  • تولید سالانه 25 میلیون تن زباله شهری و صنعتی، بیش از 5 میلیارد مترمکعب فاضلاب های شهری و صنعتی، بیش از 400میلیون تن زائدات و ضایعات کشاورزی- جنگلی و دامی
  • کمک به ارتقای بهداشت عمومی
  • تولید انرژی با قابلیت دسترسی بالا

استفاده از زیست توده بعنوان یک منبع انرژی نه تنها بدلایل اقتصادی بلکه به دلیل توسعه اقتصادی و زیست محیطی نیز جذاب است و از طرفی آنرا عامل تسریع در رسیدن به توسعه پایدار می دانند. سیستم‌هایی که زیست توده را به انرژی قابل مصرف تبدیل می‌کنند، می‌توانند در ظرفیت‌های کوچک به صورت ماژول و ظرفیت های متوسط و بالا بکار روند. صنایع کشاورزی و جنگلداری از ذخایر اصلی زیست توده هستند که فرصت‌های اساسی را برای توسعه اقتصادی مناطق روستایی و دورافتاده فراهم می‌کند. میزان نشر مواد آلاینده ناشی از احتراق زیست توده، معمولاً کمتر از سوخت‌های فسیلی است. بعلاوه استفاده و بهره برداری تجاری از زیست توده می‌تواند مشکلات مربوط به انهدام ضایعات و زباله در سایر صنایع از جمله جنگلداری و تولیدات چوب، فرآوری مواد غذایی و بخصوص ضایعات جامد شهری در مراکز شهری را حذف و یا کاهش دهد.

بایو ماس 4

سیکل کربن خنثی برای انرژی زیست توده

منبع:سازمان انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری انرژی برق