دستیابی به منابع سوخت‌های فسیلی اگرچه نقطه‌ی جهشی در روند رشد و پیشرفت جوامع صنعتی محسوب می‌شود، ولی زندگی بشر از عوارض گوناگون ناشی از آن نیز مصون نبوده است. در این مقاله به عمده عواملی که توجه بشر امروزی را به انرژی‌های تجدیدپذیر معطوف داشته است و همچنین چند مورد از منابع انرژی‌های تجدیدپذیر و سوخت‌های پاک اشاره‌ی مختصری شده است.
مقدمه
دوره‌های مختلف تمدن بشر بر اساس اکتشافات و اختراعات و چگونگی بهره برداری از منابع انرژی‌های گوناگون موجود شکل گرفته است، بنابراین می‌توان بحث انرژی را به عنوان اساس زندگی امروزی بشر بررسی کرد. بهره گیری از انرژی‌های مختلف و بهینه سازی روند استفاده از آنها، از بنیادی‌‌‌ترین گام‌هایی هستند که انسان‌ها در طول تاریخ در راه پیشرفت جوامع خویش برداشته اند. با مطالعه در تاریخ زندگی انسان‌ها خواهیم دید که انرژی قابل استفاده برای انسان نخستین تنها قدرت بدنی او بوده است، و مدت‌ها گذشت تا توانست با رام کردن حیوانات و نیز سوزاندن درختان احتیاج‌های خود را بر طرف سازد؛ تا اینکه با دستیابی به منابع سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز توانست قدرت فنی و مادی خویش را به صورت بی سابقه ای افزایش دهد.
مصرف گسترده‌ی انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی اگرچه رشد سریع جوامع پیشرفته صنعتی را به همراه داشته است ولی در عین حال زندگی ساکنین کره خاکی از عوارض گوناگون ناشی از آن مصون نبوده است. چنین امری بشر را بر آن می‌دارد تا همواره و همواره به دنبال منابعی سازگارتر با شرایط زندگی خویش گام بردارد.
جلوگیری از آلودگی هوا و حفظ محیط زیست، و از همه مهم‌‌‌تر ذخیره شدن سوخت‌های فسیلی برای آیندگان و یا تبدیل فرآورده‌های نفتی به مواد و محصولات پرارزش‌‌‌تر با استفاده از تکنیک‌های پتروشیمی، از عمده دلایلی هستند که لزوم استفاده از انرژی‌های نو و تجدیدپذیر را آشکار می‌سازند؛ بنابراین معرفی سوخت‌های جایگزین و مطالعه در خصوص امکان استفاده و بهره برداری از آنها با توجه به ملاحظات فنی و اقتصادی هر روز از اهمیت قابل توجه‌‌‌تری برخوردار می‌گردد.
سوخت‌های فسیلی
منابع انرژی‌های سنتی و سوخت‌های فسیلی عملاً بر سیستم عرضه و تقاضای انرژی در جهان امروز تسلط دارند، به طوریکه پیش بینی می‌شود که تا سال 2020 سوخت‌های فسیلی در ترکیب مصرف انرژی جهان نقشی برتر داشته باشند. وابستگی شدید جوامع صنعتی به این منابع انرژی به خصوص نفت و گاز، و مصرف بی رویه آنها ممکن است منابع عظیمی را که طی قرون متمادی در لایه‌های زیرزمینی تشکیل شده است، تخلیه نماید؛ به طوریکه در آینده ای نه چندان دور چیزی از آنها باقی نماند. نسل فعلی وظیفه دارد به آن دسته از منابع انرژی که دارای عمر و پتانسیل بیشتری هستند روی آورده، دانش خود را برای بهره برداری از آنها گسترش دهد.
از عوامل مهم دیگری که توجه بشر امروز را به «انرژی‌های تجدیدپذیر» و یا به عبارتی دیگر «سوخت‌های پاک» معطوف داشته، بحث آلودگی‌های زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی و بعضی خطرات و آسیب‌های جبران ناپذیر آن است. انتشار مواد آلاینده حاصل از احتراق و افزایش دی اکسید کربن در جو، جهان را با تغییرات روز افزونی رو به رو ساخته است که افزایش دمای زمین، تغییرات آب و هوایی و بالا آمدن سطح آب دریاها از جمله این پیامدها محسوب می‌شوند. فرایندهای استخراج، تصفیه، پالایش وانتقال سوخت‌های فسیلی یکی از بزرگ‌‌‌ترین منابع آلودگی هوا درجهان می‌باشند و استفاده از این سوخت‌ها در خودروها و ساختمان‌ها این مشکل را وخیم‌‌‌تر می‌سازد.
سوخت‌های پاک دارای خواص فیزیکی و شیمیایی‌ای هستند که آنها را پاک‌تر از سوخت‌های فسیلی (به عنوان مثال بنزین با ساختار و ترکیب فعلی) در عمل احتراق می‌نمایند. این سوخت‌ها در حین احتراق مواد آلاینده کمتری تولید می‌کنند، در ضمن استفاده از این سوخت‌ها شدت انباشته شدن دی اکسید کربن که موجب گرم شدن زمین می‌گردد را نیز کاهش می‌دهد.
بنابر این دلایل عمده، منابع تجدیدپذیر در تأمین انرژی جهان آتی سهمی کلان خواهند داشت. در حال حاضر تعدیل بین محیط زیست و اقتصاد انرژی مورد اهمیت قرار گرفته است که نقش کلیدی را بر مباحث آینده نیز بازی خواهد کرد. منابع تجدیدپذیر برای بررسی به گروه‌های متنوعی شامل خورشید، باد، زمین گرمایی، زیست توده، امواج دریا، آب و سرانجام هیدروژن تقسیم می‌شوند. در زیر به چند مورد از این منابع اشاره مفصل‌‌‌تری شده است.
زیست توده
در نتیجه رشد صنعتی و به تبع آن افزایش زندگی شهرنشینی همواره مقادیر بیشتری از انرژی در سال‌های آتی مورد نیاز خواهد بود. تأمین این انرژی توسط نیروگاه‌های آبی، زغال سنگ و یا سوخت‌های فسیلی حداقل برای بسیاری از کشورها به راحتی امکان پذیر نمی‌باشد؛ درحالی که منابع زیست توده در این کشورها یا در دسترس می‌باشند و یا امکان ایجاد آنها به سادگی وجود دارد.
زیست توده (Biomass) یکی از مناسب‌‌‌ترین منابع انرژی تجدیدشونده می‌باشد که علاوه بر خاصیت تجدیدپذیر بودن دوستدار محیط زیست نیز هست. هر ارگانیسم زنده ایی که انرژی خورشید را جذب نموده و به صورت کلروفیل در خود ذخیره می‌کند «زیست توده» نامیده می‌شود. این اصطلاح در زمینه انرژی به جهت توصیف رشته ایی از محصولاتی که حاصل عمل فتوسنتز هستند به کار می‌رود. در واقع از انرﮊی موجود در باقی مانده‌های کشاورزی (نظیر الیاف غلات، پوسته وشلتوک برنج، پوست گردو)، زایدات چوب (نظیر خاک اره، ترکه‌های چوب)، تکه‌های کاغذ و زایدات باغبانی استفاده می‌شود.
منابع انرژی‌های زیست توده می‌توانند به شکل تبدیل شده انرژی (مانند الکتریسته) و یا حامل‌های انرژی (چون سوخت‌های گازی و مایع) نیازهای بخش‌های مختلف را تأمین کنند. دامنه مصرف کنندگان زیست توده بسیار گسترده است، از خانوارهای کوچک در نواحی روستایی شروع شده تا واحدهای بزرگ صنعتی ادامه پیدا می‌کند. شاید بتوان گفت نیمی از مردم جهان برای تأمین انرژی مورد نیاز خود از چوب استفاده می‌کنند. چوب، ضایعات گیاهی (مانند ضایعات نیشکر، ذرت، چغندر قند) و دیگر منابع زیست توده، از منابع تجدیدپذیر کربن به شمار می‌آیند. استفاده از انرژی زیست توده به شکل سنتی یعنی سوزاندن چوب درختان و فضولات حیوانی باعث نابودی جنگل‌ها و آلودگی و تخریب محیط زیست می‌شود. اما با تلفیق روش‌های شیمیایی و زیست شناختی می‌توان قند، سلولز و دیگر مواد موجود در ضایعات کشاورزی را به سوخت‌های مایع و گاز تبدیل کرد. یکی از راه‌های تأمین منابع انرژی زیست توده، کاشت درختان یا درختچه‌های مناسب (با دوره رشد کوتاه و سریع) در زمین‌های نامرغوب و نیمه بایر است. گر چه سوزاندن این منابع گاز دی اکسیدکربن را در جو منتشر می‌کند، اما چون دوره کاشت و رشد و نمو آنها دایمی است به همان اندازه دی اکسیدکربن از جو زمین جذب می‌کنند و با استفاده از انرژی خورشیدی، از طریق فتوسنتز ، اکسیژن تولید می‌کنند. بدین ترتیب، یک «چرخه کربن خنثی» در طبیعت پدید می‌آید.
تکنولوﮊی زیست توده را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:
فرایندهای احتراق مستقیم: صنایع بزرگ که مصرف انرﮊی بالایی دارند نظیر کوره‌ها ودیگ‌های بخار، برای سوزاندن انواع زیست توده منجمله چوب، ضایعات چوب، لیکور سیاه حاصل از عملیات تهیه خمیر کاغذ، ضایعات صنایع غذایی و ضایعات جامد شهری بهبود داده شده اند، که می‌توانند با سیستم مشابه با سوخت فسیلی رقابت داشته باشند.
فرایندهای ترموشیمیایی: جهت تبدیل زیست توده به محصولات بسیار با ارزش و مناسب به عنوان سوخت قابل مصرف و یا برای سایر مصارف است. محصولات ایجاد شده اغلب عبارتند از یک مخلوط گازی، یک سیال از مشتقات نفتی و چیزی شبیه زغال کربنی خالص. توزیع این محصولات به میزان و حجم ذخیره دما و فشار واکنش، مدت زمان حضور گاز در محل احتراق و نرخ گرمایش بستگی دارد.
فرایندهای بیوشیمیایی: این فرایندها در بیوشیمی مواد خام وفعالیت متابولیک ارگانیسم‌های میکروبی جهت تولید سوخت‌های گازی و مایع کاربرد دارد.
در ایران بر اساس برنامه ریزی‌های انجام شده، نخستین نیروگاه زیست توده كشور تا یك سال آینده با ظرفیت 400 كیلووات در مشهد به بهره برداری می‌رسد، که امكان توسعه ظرفیت این نیروگاه در فاز فعلی تا 600 كیلووات پیش بینی شده است. مرحله اجرایی احداث این نیروگاه پس از تكمیل مطالعات اولیه در محل دفن زباله‌های شهری مشهد آغاز شده است.
در حال حاضر زیست توده در میان انرژی‌های تجدیدپذیر مقام نخست را در عرضه انرژی جهان داراست، به گونه ای که در سال 2000 بیش از 10 درصد عرضه انرژی اولیه جهان از منابع زیست توده تأمین گردیده است. در زمینه تولید برق از منابع تجدیدشونده، زیست توده پس از انرژی آب در جایگاه دوم قرار دارد و در سال 2000 حدود 6 درصد سهم جهانی را به خود اختصاص داده است؛ به طوری که مجموع ظرفیت نیروگاهی نصب شده جهت بهره برداری از انرژی زیست توده در کشورهای عضو سازمان توسعه همکاری‌های اقتصادی (OECD) معادل 23000 مگاوات بوده است. ولی همواره با توجه به عوامل اقتصادی و زیاده روی در مصرف انرژی‌های تجدید نشدنی، کمبود تولید زیست توده به عنوان یک انرژی نوین در کشورهای پیشرفته جهان به صورت یک خلأ احساس می‌شود. در عین حال قابل توجه است که انرژی زیست توده روز به روز از اهمیت بیشتری برخوردار می‌شود، چرا که می‌تواند هم جایگزین و تأمین کننده مواد شیمیایی مورد نیاز صنایع شود و هم در آینده ای نزدیک، زیست توده ارزان‌‌‌تر از محصولات پتروشیمی ساخته شده از نفت و گاز طبیعی خواهد شد، به گونه ای که استفاده از آن از نظر اقتصادی مقرون به صرفهتر خواهد بود.
بیوگاز
امروزه گازهای گوناگون و مفیدی برای سوخت وجود دارند كه سه نوع آن بیش از همه در جهان استفاده می‌شود. این سه نوع عبارتند از: گاز مایع شده (L.P.G) كه مخلوطی از بخش‌های پالایش شده نفت خام از قبیل پروپان، بوتان، پروپیلن و بوتیلن است. این گاز به این دلیل كه به آسانی به مایع تبدیل می‌شود، از آن برای سوخت سیلندر استفاده می‌شود. نوع دوم، گاز طبیعی است كه از دو منبع عمده منابع گاز مستقل و گاز همراه (گاز حاصل از تفكیك نفت خام) تأمین می‌شود و نوع سوم بیوگاز است كه در اینجا به آن مفصل‌‌‌تر پرداخته شده است.
بیوگاز بر اثر واكنش‌های بی هوازی میكرو ارگانیسم‌های زنده در محیطی که مواد آلی وجود دارند، تولید می‌شود. این میكرو ارگانیسم‌های زنده قادر به شكستن و تجزیه مواد آلی پیچیده و ساده هستند كه سرانجام به تولید بیوگاز منجر می‌شود و دلیل نام گذاری آن به بیوگاز نیز به همین موضوع بازمی‌گردد. در مرحله نخست این واكنش بیولوژیك، باكتری‌های بی هوازی مواد آلی گندیده را به اسیدهای آلی تبدیل می‌كنند. در مرحله دوم، گروه دیگری از باكتری‌ها اسیدهای آلی به وجود آمده را تجزیه می‌كنند كه در نتیجه آن بیوگاز كه بخش عمده آن متان است، تولید می‌شود. این باكتری‌ها تا حدودی گرما دوست هستند و در دمای 57 تا 82 درجه سانتی گراد می‌توانند زندگی كنند. تحقیقات نشان می‌دهد كه بهترین دما برای رشد این گونه باكتری‌ها 77 درجه سانتی گراد است كه در این دما باكتری‌ها بیشترین فعالیت آنزیمی را برای تجزیه موادِ آلی و تولید بیوگاز دارند. با توجه به این موضوع در فصل زمستان كه هوا سرد است، تولید بیوگاز در مرداب‌ها و باتلاق‌ها متوقف می‌شود (گازی كه در این محیط‌ها تولید می‌شود به گاز مرداب معروف است). از شرایط مطلوب دیگر برای تولید بیوگاز، قلیایی بودن (PH=7-8) محیط واكنش است.
در صنعت بیوگاز پس از اعمال مجموعه ای متنوع از فرایندهای فیزیکی، شیمیایی و زیست محیطی بر روی منابع مختلف زیست توده (مانند مواد زاید کشاورزی و دامی) بیوگاز به دست می‌آید که پس از اعمال فرایندهای تصفیه ای مطابق استانداردهای جهانی بر روی این گاز می‌توان آن را به عنوان یک حامل انرژی در نظر گرفت. بیوگاز قدری سبک‌‌‌تر ازهوا است . دمای احتراق آن 700 درجه سانتی گراد (گازوییل 350 درجه سانتی گراد و نفت و پروپان در حدود 500 درجه سانتی گراد) و دما شعله آن 870 درجه سانتی گراد است. بیوگاز تولید شده از این فرایند عمدتاً ترکیبی از گاز متان (حدود 56 درصد) و گاز کربنیک (حدود 53 درصد) است و ارزش حرارتی آن برای هر متر مکعب 5000 کیلو کالری است. درصد بالا ی متان، بیوگاز را به عنوان منبع عالی و ممتاز انرژی‌های تجدیدپذیر به ویژه برای جانشینی گاز طبیعی قرار داده است. امروزه از بیوگاز در گرم كردن دیگ‌های بخار كارخانه‌ها، گرم كردن خانه‌ها، روشنایی، پخت وپز و یا بهره گیری در تولید انرژی مکانیکی استفاده می‌شود. همچنین این حامل انرژی را می‌توان به عنوان سوخت اولیه در نیروگاه‌ها به کار برد. با سوخت این گاز در موتورهای گازی و با به حرکت در آمدن توربین‌ها، مشابه سیکل سنتی رایج در تمام نیروگاه‌های موجود، برق تولید می‌شود. برای تولید بیوگاز در مناطق روستایی و مجتمع‌های كشاورزی و دامپروری می‌توان اقدام به ساخت دستگاه بیوگاز كرد كه بسیار آسان است. در حالت کلی با به کار بردن مستقیم این گاز می‌توان طیف وسیعی از صنایع و سیستم‌های موجود را راه اندازی کرد.
استفاده از فناوری تولید بیوگاز در ایران، تاکنون کاربرد عمومی و صنعتی نیافته است و در مرحله آزمایشگاهی است. در کشورهای اروپای غربی و جنوب شرقی آسیا، به ویژه چین و هندوستان استفاده از این فناوری بسیار قابل توجه است و این كشورها با بهره گیری از آن نیاز خود را به سوخت برطرف كرده اند. به عنوان مثال سوئد، یکی از پیشروان صنعت بیوگاز، یكی از مصرف كنندگان بیوگاز در صنعت حمل و نقل است و برنامه ریزی شده است تا سال ۲۰۵۰ میلادی ۴۰ درصد از نیاز این كشور در بخش حمل و نقل از طریق بیوگاز تأمین شود. هزینه تولید بیوگاز در این کشور از تولید بنزین با صرفهتر است. بررسی‌ها نشان می‌دهد درصورت استفاده از بیوگاز در صنعت حمل و نقل، میزان آلاینده دی اكسیدكربن كه سبب افزایش گاز گلخانه‌ای جهان می‌شود تا حدود ۶۵ تا ۸۵ درصد كاهش می‌یابد.
هیدروژن
هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک (عدم تولید محصولات جانبی مخاطره آمیز برای محیط زیست) می‌تواند جایگزین مناسبی برای سایر سوخت‌های متداول باشد و در آینده به عنوان یک حامل انرژی مطرح گردد. فراوانی سهولت تولید از آب، مصرف تقریباً منحصربه فرد و سودمندی زیست محیطی ذاتی هیدروژن از جمله ویژگی‌هایی است که آن را در مقایسه با سایر گزینه‌های مطرح سوختی متمایز می‌کند. هیدروژن را می‌توان با استفاده از انواع منابع انرژی اولیه تولید کرد و در تمام موارد و کاربردهای سوخت‌های فسیلی مورد استفاده قرار داد. سیستم انرژی هیدروژنی به دلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دایمی و فراگیر می‌باشد، از این رو پیش بینی می‌شود که در آینده‌ای نه چندان دور، تولید و مصرف هیدروژن به عنوان حامل انرژی به سراسر جهان سرایت کند؛ به طوریکه حتی بعضی از کشورها برنامه‌های بزرگ و مدونی از سال‌ها پیش ارایه و به اجرا درآورده‌اند.
هیدروژن از روش‌های مختلفی به دست می‌آید که این روش‌ها بر اساس منابع کشورهای مختلف متفاوت است. کشورهای دارای نفت و گاز این قابلیت را دارند که هیدروژن را طی فرآیندهایی از این منابع به دست آورند. اما دیگر کشورها باید از منابع معدنی، زیست توده‌ها، بیوگاز و … برای تولید آن اقدام کنند. الکترولیز و رادیولیز آب، تبدیل زیست توده، باز ساخت گاز طبیعی یا بیوگاز با آب (Steam Reorming)، اکسیداسیون جزیی نفت سنگین و گازی کردن زغال سنگ تعدادی از روش‌های تولید هیدروژن می‌باشند. هیدروژن پس از تولید باید کاهش حجم پیدا کند تا قابل ذخیره سازی گردد که این مرحله شامل مشکلات عملیاتی خاص خود به خاطر خواص ویژه هیدروژن است.
سرمایه گذاری‌های فراوانی در زمینه تولید هیدروژن، مایع سازی، ذخیره سازی و حمل ونقل آن و نیز سیستم‌های پیل سوختی (Fuel Cell) که دارای راندمان بالایی هستند، در حال انجام است. با توجه به اینکه در یک پیل سوختی به وسیله واکنش شیمیایی که بین هیدروژن و اکسیژن انجام می‌گیرد الکتریسیته تولید می‌شود و محصولات جانبی بی خطری مثل بخار آب دارد، در نتیجه این روش بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است. راندمان این پیل‌ها حدود 50 درصد است که این در مقابل دیگر روش‌های الکتریسیته رقم بالایی محسوب می‌شود. هیدروژن می‌تواند در موتورهای درون سوز سوخته شود و یا در پیل‌های هیدروژنی انرژی به صورت برق تولید کند.
در نهایت هیدروژن را می‌توان به عنوان اتصال دهنده منابع تجدیدپذیر و انرژی شیمیایی و در واقع سوختی ایده آل برای دستگاه‌های جدید تولید انرژی به صورت تمیز شناخت.
منابع و صفحات اینترنتی مرتبط:
1- Biogashandbuch Bayern, Materialienband
2- Schweizerischer Biogas Fachverband: http://www.biogas.ch
3- Austrian Renewable Energy Network: http://www.renet.at
4- Canadian Renewable Energy Network: http://www.canren.gc.ca
5- دورنمای اقتصادی هیدروژن، رضا حسینی، نشریه فرآیند – نشریه علمی مهندسی شیمی و نفت دانشگاه صنعتی شریف، شماره ششم، بهار 83
6- بیوگاز انرژی از یاد رفته، س.خ. شانا، بانک مقالات کانون دانش
7- http://www.knowclub.net
8- http://www.mona-consultants.com
9- http://sinanumber.persianblog.com
10- http://www.daneshjoo-teh.blogfa.com
11- http://daneshnameh.roshd.ir
12- Hydrogen in Energy Sector, Dr. Wernerr Zittel, Reinhold Wurster
13- http://www.hidepost.com