چگونگی تبدیل زباله به انرژی

از زمان انقلاب صنعتی، زباله‌ها یک مسئله مهم زیست محیطی در سراسر جهان بوده‌اند. طبق آمار، انسان‌ها سالانه ۲.۱۲ میلیارد تن زباله تولید می‌کنند. این عدد به بزرگی آن است که اگر بتوانیم همه آن‎ها را بر روی کامیون‎هایی بار کنیم، چیزی حدود ۲۴ برابر سطح زمین، فضا اشغال می‎کنند. همین آمار بالای تولید زباله باعث شده است که پای زباله‌های انسانی به اقیانوس‌ها، قطب جنوب، جزایر دورافتاده و حتی مدار زمین هم کشیده شود.

اما موضوع جالب توجه آن است که آیا می‌توان از زباله‌ها که به عنوان یک معضل در زندگی انسان وجود دارند تولید انرژی کرد؟ یا واضح تر سوالمان را مطرح کنیم، چگونه از زباله برق تولید کنیم؟

روش‌هایی برای تولید انرژی از زباله وجود دارد. اینها شامل احتراق، گاز زدایی، هضم بی هوازی و بازیابی گاز دفن زباله است. اما، ما می‌توانیم با تبدیل آن‌ها به انرژی، این زباله ها را به گنج تبدیل کنیم.

انواع زباله‌ها

زباله‌ها جامد یا مایع هستند که هر دو نوع آن می تواند برای زندگی انسان خطرناک باشد. زباله‌های مایعات، مواد پسماندی به شکل مایع هستند که بیشتر در صنعت دیده می شود. مایع شامل آب شستشو، مایع مورد استفاده برای تمیز کردن در صنایع، نمونه ای از زباله مایع است.

اما زباله‌های جامد هرگونه مواد پسماند به شکل جامد که در خانه یا هر مکان دیگری تولید می‌کنیم، هستند. لاستیک اتومبیل، روزنامه، شیشه شکسته، مبلمان شکسته و حتی زباله مواد غذایی، نمونه هایی از زباله های جامد به شمار می‌آیند.

اما خارج ازین دسته‌ بندی، نوعی از زباله‌ها تهدیدی جدی‌تری برای سلامتی و محیط زیست انسان محسوب می‌شوند. این نوع زباله‌ها می توانند به راحتی آتش گرفته و منفجر شوند. نمونه این نوع زباله ها مواد شیمیایی، تجهیزات حاوی جیوه، لامپ های فلورسنت و باتری‌ها هستند.

تبدیل زباله به انرژی

کارخانه‌های جدید تبدیل زباله به انرژی باید کلیه‌ی استانداردها در رابطه با تولید گازهای حاصل از سوزاندن زباله از جمله اکسیدهای نیتروژن (NOx)، اکسیدهای گوگرد (SOx) فلزات سنگین و دیوکسین را به‌طور دقیق مورد آزمایش قرار دهند.

زباله‌سوزهای مدرن می‌توانند حجم زباله اصلی را به میزان ۹۵ تا ۹۶ درصد کاهش دهند و بسته به ترکیب و درجه، می‌توانند سبب بازیافت فلزات از خاکستر باقیمانده شوند.

زباله‌سوزها بازده الکتریکی بین ۱۴ تا ۲۸ درصد دارند، لذا به منظور جلوگیری از اتلاف بقیه انرژی، می‌توان از آن به عنوان منبع حرارت مرکزی به کار گرفت.

روش‌های تولید انرژی از زباله به غیر از سوزاندن

فناوری‌های حرارتی

• تبدیل کردن به گاز یا گاززدایی(گاز تولید قابل احتراق، هیدوژن، سوخت مصنوعی)
• تجزیه حرارتی پلیمرها (تولید نفت خام مصنوعی، که می‌تواند بیشتر تصفیه شود)
• تجزیه در اثر حرارت
• پلاسما تبدیل به گاز قوس یا فرایند تبدیل به گاز پلاسما (PGP)

فناوری‌های غیرحرارتی

• تجزیه به طریق بی هوازی (از طریق بیوگاز غنی در متان)
• تخمیر تولیدات (مانند آتانول، اسید لاستیک، هیدروژن)
• بیولوژیکی مکانیک (MBT)
• MBT به اضافه بی هوازی هضم.
• MBT به غیرا ز سوخت مشتق شده

در ادامه بعضی از روش هایی که بیشتر به کار گرفته شده‌اند و در صنعت پاسخگو بوده‌اند را بررسی می‌کنیم.

گاز زدایی

پسماندهای جامد برای تولید انرژی به گاز تبدیل می‌شوند. این یک فرایند در حال توسعه برای ایجاد گاز از زباله است. در این فرآیند، ابتدا مواد کربنیک از زباله ها جدا می‌شود. در دمای بالا و در حضور اکسیژن به دی اکسید کربن، مونو اکسید کربن و مقدار کمی هیدروژن تبدیل می شوند.

سپس این گاز از آلودگی ها (از جمله ذغال سنگ، ذرات ریز، ذرات معلق در هوا)  پاک می شود و منبع انرژی تمیزی را ارائه می دهد که می تواند برای تولید نیرو از طریق توربین گازی یا موتور استفاده شود.

تنها مشکل موجود آن است که  تبدیل زباله به گاز معمولاً با احتراق دنبال می شود. پس مشکلاتی مانند نشر آلاینده در هوا و.. را به همراه دارند.

تجزیه حرارتی پلیمرها

شاید یکی از بهترین راه‌های مقابله با زباله‌های پلاستیکی، فناوری پلیمر زدایی زباله‌ها است که پسماندها را به حامل‌های انرژی مایع مانند سوخت‌ها تبدیل می‌کند. به غیر از کاهش زباله، متخصصان صنعت، این فناوری را بی نهایت مفید در تولید نفت نیز می دانند.

این فرآیند با تغذیه پلاستیک‌ها (حتی غیر قابل بازیافت‌های صنعتی) از طریق خردکن و گرانول برای ایجاد مواد اولیه آغاز می‌شود. سپس گرم می‌شوند و به راکتور اصلی منتقل می‌شود، که در آن از یک کاتالیزور برای حذف هیدروکربن های پلاستیک استفاده می‌شود و پلاستیک را در حالت گازی خارج می‌کند. در طول فرآیند گاز به صورت فشرده ذخیره می‌شود.

گازهای حاوی بنزین می توانند در مخازن متراکم ذخیره شوند، در حالیکه متان، اتان، پروپان و بوتان به صورت مایع‌ ذخیره سازی می‌شوند. مایعات بوتان و پروپان در هنگام فشرده‌سازی، امکان جداسازی و ذخیره آن‌ها وجود دارد ولی از سایر گازها برای تأمین انرژی سیستم ها استفاده می شود.

انتشار دی اکسید کربن

در فناوری‌های حرارتی تبدیل زباله به انرژی تقریباً تمام محتوای کربن در زباله به عنوان دی اکسید کربن به جو وارد می‌شود. باید به این نکته توجه داشت که تمام فعالیت‌های در راستای تولید انرژی از زباله، با اهداف حفاظت از محیط زیست و کاهش استفاده از سوخت های فسیلی پایه گذاری شده‌اند. اما در روش‌های حرارتی برخلاف اهداف اصلی فعالیت‌های ما، حجم زیادی دی اکسید کربن به جو وارد می‌شود.

مزایای استفاده از روش‌های حرارتی

• حجم زباله سطح زمین را کاهش می دهد.
• انرژی تولید می کند.
• فروش انرژی هزینه را کاهش می دهد.

معایب استفاده از روش‌های حرارتی

• گران قیمت برای ساختن.
• زباله های خطرناک تولید می کند.
• CO2 و برخی از آلاینده های هوا را منتشر می کند.
• باعث تشویق مردم به تولید زباله می‌شود.

تجزیه به طریق بی هوازی

هضم بی‌هوازی، تجزیه میکربی مواد آلی در غیاب اکسیژن است که نتیجهٔ این فرایند، تولید متان و مواد تثبیت شده می‌باشد. هضم بی‌هوازی دارای سه مرحله، پیش تصفیه، هضم و پس تصفیه است.

باکتری‌های تخمیرکننده، تولیدکننده H2 (کاهنده پروتون) و متان‌زا سه گروه عمده میکروارگانیسم‌های فعال در این فرایند هستند. هضم بی‌هوازی در مقایسه با کمپوست هوازی، یک تولیدکننده انرژی خالص است.

در هضم بی‌هوازی ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلو وات ساعت در هر تن زبالهٔ تر انرژی تولید می‌شود، در حالی‌که در کمپوست هوازی ۷۵۰–۵۰۰ کیلووات ساعت انرژی برای تصفیه هر تن زبالهٔ تر مصرف می‌شود.

در هضم بی‌هوازی مواد زاید جامد فسادپذیر، بهره‌دهی متان بین ۰٫۲ تا ۰٫۵ متر مکعب بر هر کیلوگرم جامدات فرار افزوده شده‌است.

رآکتور به‌وسیله یک کویل که آب گرم در آن جریان دارد، گرم می‌شود. به‌طوری‌که دمای درون هاضم در محدودهٔ ۳۳ تا ۳۷ درجه سانتیگراد نگهداری می‌رسد. تولید گاز ۲۵۰۰ تا ۹۴۰۰ لیتر بر هر متر مکعب رآکتور در روز و بهره‌دهی متان بین ۰٫۲۳ تا ۰٫۶۷ متر مکعب متان به ازای هر کیلوگرم جامدات نوید روش مناسبی برای تولید انرژی از زباله را می‌دهد.

مزایای اقتصادی

هضم بی‌هوازی همچنین می‌تواند مزایای اقتصادی زیر را به همراه داشته باشد.

• تولید و فروش بیوگاز به عنوان منبع تولید الکتریسیته و حرارت
• تولید و فروش فیبر و کود مایع
• بهبود کشاورزی

تولید برق از پسماند مواد غذایی

سوپر مارکت‌ها، رستوران‌ها، مدارس و بیمارستان ها هر روز مقدار زیادی مواد غذایی را در سطل زباله دور می‌ریزند. در این روش، از فرآیندی به نام “هضم بی هوازی” برای ساختن برق از زباله‌های مواد غذایی استفاده می‌کند.

 یک شرکت نوپا در سیاتل آمریکا به نام «زیست‌انرژی ایمپکت» Impact Bioenergy راهی برای کمک کردن به این قضیه پیدا کرده است. طی سال های اخیر، این شرکت مشغول توسعه‌ی یک ماشین هضم بی‌هوازی به نام «اسب» (Horse) بوده که غذای خام را می‌گیرد و آن را به انرژی برق و کود تبدیل می‌کند.

این ماشین می‌تواند سرجمع ۳۶۰ هزار BTU (یک واحد انرژی، هر ۱ BTU معادل ۲۵۲ کالری است) در روز تولید کند که شامل ۱۲۵ کیلووات انرژی می‌شود.

چند دهه می‌شود که از فناروی هضم بی‌هوازی استفاده می‌شود. در حال حاضر، کالیفرنیا یک ماشین بزرگ دارد که روزانه ۱۰۰ تن زباله را بازیافت می‌کند. همچنین باغ وحش دیترویت هم از یک نمونه از این دستگاه‌ها برای تولید انرژی از فضولات حیوانات استفاده می‌کند.

Quantum Biopower سالانه ۴۰،۰۰۰ تن زباله مواد غذایی را از منازل و مناطق مسکونی به عنوان مواد اولیه دریافت می‌کند و ۱.۲ مگاوات برق تولید می کند. این  مقدار برق تولیدی، توانایی تغزیه‌ی تقریباً ۱۰۰۰ خانه را دارد.

تولید برق از بخار زباله‌ها

سیستمهای ORC که از نظر تجاری در دسترس هستند، می‌توانند از گرمای زباله با دمای کم‌تر از ۵۵ درجه سانتیگراد (۱۳۱ درجه فارنهایت)، انرژی الکتریسیته تولید کنند.

یک سیستم ORC طبق همان اصول توربین بخار معمولی کار می‌کند. تفاوت اصلی این است که محیط کار به جای آب یک مایع آلی است و اینکه از گرمای زباله برای تبخیر مایعات  استفاده می‌شود.

مایع آلی دارای نقطه جوش پایین‌تر از آب است و باعث می‌شود از گرمای ضایعات با دمای پایین برای تولید برق استفاده شود. بخار با فشار کم در توربین گسترش می‌یابد و باعث تولید برق یا کار مکانیکی می‌شود. بخار کم فشار با استفاده از آب خنک کننده متراکم شده و دوباره به قسمت فشار قوی پمپ می‌شود. بهره وری به طور میانگین ۵-۱۰٪ تبدیل گرمای زباله به برق است.

سیستم‌های ORC در جایی سودآور هستند

• قیمت برق بالای ۶۰ یورو / مگاوات ساعت است.
• ۷ مگاوات (در ساعت) گرمای زباله در دسترس است.
• آب خنک کننده موجود است.
• اختلاف دما بین آب خنک کننده خروجی و گرمای زباله ۶۰ درجه باشد.

در شکل بالا مسیر قرمز رنگ، مسیر زباله است و مسیر آبی رنگ محا ورود آب سرد کننده می‌باشد. همان طور که در شکل مشاهده می کنید، مایع آلی توسط پمپ موجود در چرخه‌ی تولید به سمت زباله‌ی گرم فرستاده می‌شود. این مایع آلی با بخار و گرمای زباله‌ها تبخیر شده و بخار آن وارد توربین تولید برق می شود. در نهایت انرژی الکتریسیته تولید می‌شود.

فرآیندهای جدید زیستی جهت تولید انرژی

در دانشگاه میشیگان یک فرآیند جدید تولید سوخت‌های زیستی ایجاد شده است. محققان این دانشگاه معتقدند، این روش حدود ۲۰ برابر بیشتر از روش‌های موجود، بازدهی در تولید برق دارد. رویکرد محققان در این روش، استفاده از میکروب‌ها برای تولید سوخت‌های زیستی و هیدروژن در هنگام مصرف پسماندهای کشاورزی است.

Gemma Reguera، میکروبیولوژیست MSU، سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی موسوم به سلول‌های الکترولیز میکروبی یا MECها را با استفاده از باکتری‌ها برای تجزیه و تخمیر زباله‌های کشاورزی و تبدیل آن‌ها به اتانول توسعه داده است.

به گفته‌ی او وقتی MEC هیدروژن تولید می کند، در واقع بازیابی انرژی را دو برابر می‌کند. و با این کار بازیابی انرژی را تا ۷۳ درصد افزایش می‌دهند.

Reguera به بهینه سازی MEC های خود ادامه می دهد. هدف وی توسعه سیستم های غیرمتمرکز است که می تواند به پردازش پسماندهای کشاورزی کمک کند؛ سیستم های غیر متمرکز می‌توانند در مقیاس های کوچک و متوسط ​​(مقیاس هایی مانند سطل کمپوست و سیلوهای کوچک) سفارشی شوند تا یک روش جذاب برای بازیافت زباله‌ها هنگام تولید سوخت برای مزارع فراهم کنند.