اصول طراحی و ساخت دستگاه های بیوگاز

دسته بندي : فنی و مهندسی » کشاورزی و زراعت

در ده سال اخير بعلت كمبود انرژي و افزايش قيمت آن در كشورهاي وارد كننده مواد سوختي مورد توجه خاص قرار گرفته است. در حال حاضر رشد مصرف انرژي در جهان سه برابر رشد جمعيت است. بشر براي بدست آوردن رفاه بيشتر، نياز به انرژي بيشتري دارد. افزايش قيمت منابع انرژي تجديد­ناپذير (فسيلي) از دهه 1970 به بعد، همچنين محدوديت و مخاطرات زيست محيطي (برهم زدن تعادل گرمایی جو زمین و ...)، توجه بسياري از محققان در سراسر جهان را به منابع انرژي تازه معطوف كرده است. منابعی که احیا­پذیر بوده و مخاطرات زيست­محيطي كمتري 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 فزاينده نياز و تقاضا براي انرژي (هر ده سال دو برابر مي­شود)، تلاش براي يافتن منابع جانشين انرژي امري ضروري است. بیوگاز حاصل از زیست­توده از مهم­ترین انرژی­های نوین می­باشد. امروزه ازدياد روز­افزون مواد زائد و توليد انرژي از اين مواد با توجه به سهولت فناوري و اقتصادي بودن این منابع سبب گرديده است تا توسعه آنها در بسياري از كشورهاي جهان، به صورت يك فناوري صنعتي مورد استفاده قرار گيرد. در خصوص تخريب لايه ازن كه اكنون مسئله روز جهاني شده است، گفته مي‌شود كه در سطح جهان ساليانه حدود 40 ميليون تن گاز متان تنها از زباله‌هاي شهري خود به خود توليد شده و در جو زمين پراكنده مي‌گردد كه جمع‌آوري و سوخت آنها به صورت مناسب به خوبي امكان­پذير 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 طي قرن دهم قبل از ميلاد مسيح در آشور و در قرن شانزدهم در ايران از بيوگاز براي گرم كردن آب جهت حمام و شستشوي بدن استفاده مي‎شد. در سال 1776 ميلادي الكساندر ولتا نتيجه گرفت كه بين مقدار مواد آلي فساد­پذير و ميزان گاز قابل اشتعال رابطه مستقيمي وجود دارد (عبدلی، 1364). در سال 1859 اولين واحد تخمير بي­هوازي در بمبئي هند ساخته شد. در سال 1860 ميلادي ‌اولين واحد استفاده شده براي تصفيه مواد جامد فاضلاب بوسيله شخصي به نام اچ ـ موراس بكار گرفته شد (نجف­پور، 1374). در اروپا برخي واحدهاي بيوگاز بيشتر از‌20 سال است كه مشغول به كار هستند. در حال حاضر بيش از600 واحد هاضم در اروپا مشغول بكار مي‌باشند و تنها در كشور آلمان در حدود250 واحد بيوگاز، طي پنج سال گذشته نصب شده است. از نيمه اول قرن بيستم در بسياري از كشورها ساخت دستگاه­هاي توليد كننده بيوگاز و استفاده از گاز حاصله آن به منظور پخت و پز، تأمين روشنايي و بكار انداختن موتورهاي احتراقي وسايل نقليه به سرعت توسعه يافت (ثقفی، 1382). در اين بين كشورهاي چين و هند بيش از ساير كشورهاي ديگر به ساخت و بهره­‎برداري از دستگاه­هاي توليد­كننده بيوگاز پرداخته‎اند (سالک، 1373). بيش از نيم­قرن پيش در تصفيه­خانه‎هاي فاضلاب­هاي شهري در اروپا استفاده از گاز متان حاصل از تخمير مواد بيولوژيكي مطرح بود؛ اما استفاده از بيوگاز بصورت متداول از جنگ جهاني دوم به بعد مطرح شد. اهميت و توسعه بيوگاز در جهان طي سال­هاي اخير بسيار مورد توجه قرار گرفته است. به عنوان مثال تعداد اين دستگاه­ها در چين از سال 1920 تا سال 1985 بالغ بر هفت ميليون برآورد­گرديده كه نيازهاي انرژي پنجاه ميليون روستايي را بر طرف مي­نمايد. دركشور امريكا بيش از 400 ژنراتور بزرگ و كوچك بيوگاز براي مصارف خانگي و صنعتي از انرژي بيوگاز استفاده مي­نمايد (عمرانی، 1375).

تعداد هاضم­هاي كوچك و متوسط مورد استفاده در سطح جهان در سال 2005 از 25 ميليون واحد فراتر رفته و ده­ها هزار واحد بزرگ بويژه در اروپا و آمريكا نصب شده است. دامداري­ها، مجتمع­هاي كشاورزي و تقريباً تمام تصفيه­خانه­هاي فاضلاب كشورهاي اروپاي غربي موظف به استفاده از هاضم­هاي بي­هوازي و واحدهاي بيوگازي شده­اند (جدول 1).

جدول 1- تعداد واحدهای بیوگاز ساخته شده در کشورهای مختلف

راندمان مناسب فرآيند هضم بي­هوازي در حل معضل زباله­ها و توليد انرژي باعث توجه كشورهاي اروپايي نظير دانمارك، سوئد، فرانسه، آلمان، هلند، ايتاليا، انگلستان و ... به استفاده و توسعة اين فناوري شده است (ثقفی، 1382). علاوه بر كشورهاي اروپايي، كشورهاي آمريكايي و آفريقايي هم به منظور تأمين بخشي از انرژي خود، استفاده از فرآيند هضم بي­هوازي را مد نظر قرارداده­اند. آمريكا از جمله كشورهايي است كه تمايل زيادي به استفاده از نيروگاه­هاي بيوگازي صنعتي نشان داده است. هاضم­هاي موجود در آمريكا اكثراً داراي حجم­هاي بالا با قابليت­هاي كاربرد متنوع براي استفاده از فاضلاب و زباله­هاي شهري، فاضلاب صنعتي، فضولات دامي و زائدات كشاورزي ساخته شده­اند. آمريكا علاوه بر توجه به كاربرد بيوگاز، در مبحث تحقيقات بيوگازي نيز از كشورهاي پيشتاز در جهان مي­باشد. در سا ل 2003 پروژه (MEAD) توسعه بيوگاز در آمريكا را شتاب قابل توجهي بخشيد (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 كشورهاى اروپاى غربى و جنوب شرقى آسيا فناورى توليد انرژى از بيوگاز بسيار قابل توجه است. در ميان كشورهاى اروپايى به كشور سوئد مى­توان اشاره كرد كه در زمره بهترين مصرف كنندگان اين نوع از انرژى در صنعت حمل و نقل به حساب مى­آيد. 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 مي­آورند؛ 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. كمبود و افزايش قيمت روز افزون سوخت­های فسيلي از يك­سو، وفور مواد فسادپذير و سادگي عمل با توجه به هزينه­های كم از سوی ديگر، سبب گرديده تا ساختمان دستگاه تخمير و توليد بيوگاز در بسياری از كشورهای اروپايي و حتي آمريكا بصورت يك تكنولوژی ساده و سنتي مورد استفاده قرار بگيرد (عبدلی، 1364). كشورهاي اروپايي عمدتاً با توجه به نداشتن ذخائر نفتي كافي و يا محدوديت آن، آغازگر حركت به سمت استحصال انرژي از منابع تجديد­پذير بوده­اند و مطالعاتي را جهت يافتن كليه منابع موجود در تبديل به سوخت و انرژي نموده­اند.

در كشورهاي اروپايي نظير بلژيك، دانمارك، فرانسه، يونان، هلند، انگلستان، ايتاليا و ايرلند تا سال 1982 نزديك به 600 هاضم وجود داشته كه از پسماندهاي كشاورزي، فضولات انساني و فاضلاب­هاي صنعتي تغذيه مي­نموده­اند. 20% انرژي اروپا تا سال 2020 از طريق بيوگاز تامين خواهد شد. بيوگاز يك روش تأمین انرژی است كه كربني توليد نمي­كند. مواد منتج شده از گياهان و حيوانات ( نظير فضولات حيواني يا ضايعات گياهي ) در طول دوره ماند (ماندگاري) خود، تا زماني كه تجزيه شوند تنها دي­اكسيد كربن توليد مي­كنند و هيچ گونه انرژی توليد نمي­نمايند، در حالي كه برق توليد شده از بيوگاز نسبت به انرژی­هاي معمول انتشار دي­اكسيد كربن بسيار كمتري دارد (عمرانی، 1375). 1كيلووات توليد برق با بيوگاز از توليد 7000 كيلوگرم دي­اكسيد كربن در هر سال جلوگيري مي­كند. 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 كره اهميت توليد بيوگاز به صورت جدي مورد توجه قرار گرفته است؛ به­طوري­كه تا سال1975 حدود 30000 واحد بيوگاز در اين كشور فعال بوده است.

چین

اهميت و توسعه بيوگاز در جهان طي سال­هاي اخير بسيار مورد توجه قرار گرفته است؛ به­طوري­كه تعداد اين دستگاه­ها در چين از سال 1920 تا 1972 تنها 1300 و بعد از آن تا سال 1985 بالغ بر هفت ميليون بر­آورد گرديده است (عبدلی، 1364). در اين كشور بيش از 400 ژنراتور بزرگ و كوچك بيوگاز براي مصارف خانگي و صنعتي از انرژي بيوگاز استفاده مي­نمايند. کشور چین با ابداع نوعي سيستم زراعی همراه با دام توانسته است گیاه و دام را در يك 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 كه متان حاصل از این فرایند برای پخت­وپز و روشنایی و لجن باقي­مانده در دستگاه هضم کننده، برای تولید قارچ خوراکی مورد استفاده قرار مي­گيرد. 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).

وضعيت انرژي هند در مقايسه با ساير كشورهاي توسعه يافته تفاوت بسياري دارد كه حكايت از مجموعه­اي از منابع متعدد انرژي، براي تأمين نيازهاي مردم اين كشور دارد. در گذشته، اقدام­هاي هند به دليل فعاليت هاي پراكنده و مجزا موفق نبوده است. روند حركت به سمت انرژي هاي نو در هندوستان سه مرحله را پشت سر گذاشته است (عبدلی، 1364):

مرحله اول: در اواخر دهه 1970 و اوايل دهه 1980 بيشتر تلاش­ها در زمينه بيوگاز، ساخت اجاق­هاي مدرن­تر و استفاده از انرژي خورشيدي و تلاش براي افزايش آگاهي مردم بود.

مرحله دوم: تأسيس وزارت انرژي­هاي غيرمرسوم در سال 1992 بود كه پس از آن مؤسسات و سازمان­هاي زيادي درخصوص تأمين سوخت­هاي مناطق مختلف و با هدف افزايش اشتغال در مراكز روستايي و محلي مشغول فعاليت شدند.

مرحله سوم: فعاليت­هاي جاري به صورت منسجم­تري انجام شد و بر توسعه فناوري­ها براي توليد برق از باد، ايجاد نيروگاه­هاي كوچك آبي، توسعه سيستم­هاي تركيبي توليد انرژي از بيوگاز و بيومس تأكيد شد. مجموعه اين تلاش­ها سبب شد كه از بار مشكلات و سختي­هاي تأمين انرژي براي روستائيان و همچنين آلودگي­هاي زيست­محيطي در كشور هند به نحو مؤثري کاسته شود. از اقدام­هاي مهم انجام شده در حوزه­هاي مختلف انرژ ي­هاي تجديدپذير در هند مي­توان موارد زير را نام برد (عدل، 1378):

در سال 200 در هندوستان انرژي بيومس حدود يك­سوم كل انرژي مصرفي كشور را به خود اختصاص مي­داد، كه 90 درصد آن در مراكز روستايي و 10 درصد در مراكز شهري به مصرف مي­رسيد. واحدهاي توليد بیوگاز در كشور هند رواج زيادي پيدا كرده است، به طوري كه هم­اكنون براي روشنايي منازل و يا معابر نيز در روستاها مصرف مي-شود. پسماندهاي گياهي نيشكر از منابع توليد انرژي است كه نوعي انرژ­ي بيومس بوده و مي­توان توليد انرژي برق حاصل از آن را تا 340 مگاوات در هند افزايش داد. دولت هند در صدد است تا طرح­هاي استفاده از اين نوع انرژي را در نواحي مختلف كشور گسترش دهد. از سال 2000 تا سال 2010 ميزان مصر

منابع

ثقفی، محمود (1382) " انرژي­هاي تجدید پذیر نوین". انتشارات امیر­کبیر، چاپ دوم.

عدل، مهرداد (1378) "برآورد قابلیت­های توليد انرژي از زائدات زيستي". پايان نامه كارشناسي ارشد، دانشکده محيط زيست، دانشگاه تهران.

قارداشي، ابوالقاسم علي و مهرداد، عدل (1379)""گزارش بررسي اقتصادی پروژه زيست توده" .گروه انرژی‌های نو، پژوهشگاه نيرو.

قارداشي، ابوالقاسم­علي و عدل، مهرداد (1380) "بيوگاز در ايران". سومين همايش ملي انرژي