พลังงานชีวภาพ - การผลิตชีวมวล
สารอินทรีย์ถูกแปลงให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้ซึ่งเรียกว่าพลังงานชีวภาพ วัสดุที่ใช้ในกระบวนการผลิตพลังงานเรียกว่าวัตถุดิบ
เพื่อทำความเข้าใจชีวมวลให้ดีขึ้นเราจะสำรวจแหล่งต่างๆก่อน
การผลิตชีวมวลหมายถึงการเพิ่มขึ้นของปริมาณอินทรียวัตถุ เป็นการเพิ่มอินทรียวัตถุในพื้นที่หรือประชากรที่กำหนด ชีวมวลถือเป็นพลังงานหมุนเวียนเนื่องจากได้รับการเติมเต็มเมื่อพืชและสัตว์เติบโต
มีสองรูปแบบของการผลิต -
Primary productionหมายถึงการสร้างพลังงานโดยพืชโดยการสังเคราะห์ด้วยแสง พลังงานส่วนเกินที่สร้างขึ้นจะถูกจัดเก็บและรวมเข้ากับมวลชีวภาพทั้งหมดในระบบนิเวศ การผลิตขั้นต้นสามารถประมาณได้จากพื้นที่ป่าทั้งหมดในปีหนึ่ง ๆ
Secondary productionคือการดูดซึมสารอินทรีย์เป็นเนื้อเยื่อของร่างกายโดยสิ่งมีชีวิต รวมถึงการกลืนกินโดยสัตว์เช่นการกินอาหารไม่ว่าจะเป็นสัตว์อื่นหรือจากพืช นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับการย่อยสลายสารอินทรีย์โดยจุลินทรีย์ การผลิตขั้นทุติยภูมิสามารถประมาณได้เป็นเนื้อสัตว์ทั้งหมดที่ผลิตได้ต่อปี
แม้ว่ามวลชีวภาพสามารถวัดได้เป็นมวลของสิ่งมีชีวิตที่มีชีวิตและตายในสภาพแวดล้อมที่กำหนด แต่การผลิตก็ยากที่จะประเมินได้ สามารถประมาณได้เฉพาะการเพิ่มขึ้นของปริมาณแม้ว่าส่วนหนึ่งของชีวมวลเพิ่มเติมอาจถูกแทนที่ด้วยกระบวนการทางธรรมชาติ
การเผาไหม้โดยตรงสำหรับความร้อน
การเผาไหม้โดยตรงเพื่อให้ความร้อนเป็นวิธีการที่เก่าแก่ที่สุดในการเปลี่ยนชีวมวลเป็นพลังงานตั้งแต่อารยธรรมแรกสุด การแปลงทางเคมี (การเผาไหม้) สามารถทำได้หลายวิธีโดยใช้วัตถุดิบที่หลากหลาย
การเผาไหม้แบบสแตนด์อโลน
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้ชีวมวลใช้น้ำมันดีเซลที่ได้จากน้ำมันพืชเป็นเชื้อเพลิงในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล เครื่องปั่นไฟเผาน้ำมันดีเซลอินทรีย์เพื่อผลิตพลังงานในการผลิตไฟฟ้า
ความร้อนร่วมและโรงไฟฟ้าเป็นที่รู้จักกันในการผลิตไฟฟ้าและพลังงานความร้อนที่มีประโยชน์ อุตสาหกรรมเซรามิกใช้ความร้อนในการอบแห้งผลิตภัณฑ์เช่นกระเบื้องดินเผา
โรงไฟฟ้าบางแห่งใช้ชีวมวลในการทำน้ำร้อนและผลิตไอน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้า ชีวมวลถูกเผาเพื่อให้เกิดความร้อนเพียงพอที่จะต้มน้ำ
โรงขยะเทศบาลเผาขยะมูลฝอยเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ประเภทนี้มีแนวโน้มที่จะถูกวิพากษ์วิจารณ์เนื่องจากของเสียที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่มีก๊าซพิษจากพลาสติกและเส้นใยสังเคราะห์
การเผาไหม้ร่วมชีวมวล
นอกเหนือจากการเผาไหม้แบบแยกส่วนแล้วชีวมวลยังสามารถผสมผสานกับเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่น ๆ และเผาเพื่อสร้างพลังงานได้ สิ่งนี้เรียกว่าการยิงร่วม
ชีวมวลอาจถูกเผาโดยตรงเป็นถ่านหิน สิ่งนี้เรียกว่าการเผาไหม้ร่วมโดยตรง
ในกรณีอื่นชีวมวลจะถูกแปรรูปเป็นก๊าซก่อนแล้วจึงเปลี่ยนเป็นซินกัส
กรณีที่สามคือเชื้อเพลิงฟอสซิลถูกเผาในเตาเผาที่แตกต่างกันและพลังงานที่ผลิตได้จะถูกใช้เพื่ออุ่นน้ำในโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ
ประเภทของการเผาไหม้
การเผาไหม้ประเภทต่างๆ ได้แก่ -
Fixed bed combustion - นี่เป็นวิธีการที่ชีวมวลที่เป็นของแข็งจะถูกตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ ก่อนแล้วจึงเผาบนพื้นผิวเรียบ
Moving bed combustion- ในวิธีนี้ตะแกรงจะถูกตั้งค่าให้เคลื่อนย้ายทิ้งเถ้าไว้ข้างหลังอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอ เชื้อเพลิงเผาไหม้ในระดับการเผาไหม้
Fluid-bed combustion- เชื้อเพลิงถูกต้มภายใต้แรงดันสูงผสมกับทราย ทรายทำหน้าที่กระจายความร้อนอย่างสม่ำเสมอ
Burner combustion - ในวิธีนี้ฝุ่นไม้และฝุ่นละเอียดจะถูกวางไว้ในหัวเผาคล้ายกับเชื้อเพลิงเหลว
Rotary furnace combustion- เตาเผาใช้ในการเผาอินทรียวัตถุที่มีความชื้นสูง ของเสียเช่นเศษอาหารหรือของเสียจากฟาร์มชื้นอื่น ๆ จะถูกเผาด้วยวิธีนี้
ไพโรไลซิส
Pyrolysisเป็นอีกรูปแบบหนึ่งของการแปรรูปเชื้อเพลิงชีวภาพโดยการเผาภายใต้อุณหภูมิที่สูงมากโดยไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งอาจทำให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ สิ่งนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ การไม่มีกระบวนการออกซิเดชั่นหรือฮาโลเจนส่งผลให้เชื้อเพลิงชีวภาพมีความหนาแน่นสูงมากซึ่งสามารถใช้ในการเผาไหม้การเผาไหม้ร่วมหรือเปลี่ยนเป็นก๊าซ
Slow pyrolysisเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 400oC เป็นกระบวนการทำให้ถ่านแข็ง
Fast pyrolysisเกิดขึ้นระหว่าง 450oC ถึง 600oC และส่งผลให้เกิดก๊าซอินทรีย์ไอไพโรไลซิสและถ่าน ไอถูกประมวลผลโดยการควบแน่นให้อยู่ในรูปของเหลวเป็นไบโอออยล์ ต้องทำภายใน 1 วินาทีเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป ของเหลวที่ได้คือของเหลวสีน้ำตาลเข้มหนาแน่นกว่าชีวมวลจากไม้และมีปริมาณพลังงานเท่ากัน
ไบโอออยล์มีข้อดีหลายประการ ง่ายต่อการขนส่งเผาและจัดเก็บ วัตถุดิบหลายชนิดสามารถผ่านกระบวนการไพโรไลซิสเพื่อผลิตน้ำมันชีวภาพ
แผนภาพด้านล่างอธิบายถึงกระบวนการในการแปลงพลังงานให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้จากเชื้อเพลิงชีวภาพผ่านไพโรไลซิส
การหมักแอลกอฮอล์
การหมักแอลกอฮอล์เป็นกระบวนการที่เปลี่ยนน้ำตาลเป็นเซลลูโลส กระบวนการนี้ส่งผลให้เอทานอลและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลพลอยได้ กระบวนการนี้ถือเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจนเนื่องจากเกิดขึ้นในช่วงที่ไม่มีออกซิเจน นอกเหนือจากการอบขนมปังและการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์แล้วกระบวนการนี้ยังผลิตเชื้อเพลิงที่มีแอลกอฮอล์ สูตรทางเคมีสำหรับการหมักแอลกอฮอล์กำหนดโดย -
$ C_ {6} H_ {12} O_ {6} + ยีสต์ \ longrightarrow \: 2C_ {2} H_ {5} OH + 2CO_ {2} $
อ้อยเป็นวัตถุดิบหลักสำหรับกระบวนการนี้โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่แห้ง ข้าวโพดหรือน้ำตาลใช้ในพื้นที่เขตอบอุ่น
การใช้ผลิตภัณฑ์
ผลิตภัณฑ์มีการใช้งานดังต่อไปนี้ -
Acetone เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้ในการผลิตวัตถุเจือปนอาหารการละลายกาวการทำให้สีบางลงน้ำยาขจัดคราบไขมันและในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง
Hydrogenใช้เป็นสารทำความเย็นในอุตสาหกรรมไฟฟ้า นอกจากนี้ยังใช้ในเซลล์ไฮโดรเจนเพื่อการผลิตพลังงาน
Butanolให้เชื้อเพลิงที่ดีกว่าเอทานอล นอกจากนี้ยังใช้เป็นส่วนผสมในสีผลิตภัณฑ์เครื่องสำอางเรซินสีย้อมสารสกัดโพลีเมอร์และในการผลิตใยสังเคราะห์
Ethanolใช้เป็นเชื้อเพลิงส่วนประกอบของสีและสารเติมแต่งในน้ำยาฆ่าเชื้อ นอกจากนี้ยังใช้ในเครื่องดื่มแอลกอฮอล์
การย่อยสลายก๊าซชีวภาพแบบไม่ใช้ออกซิเจน
Anaerobic digestionเป็นกระบวนการทางชีวภาพที่สารอินทรีย์ถูกย่อยสลายเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน จุลินทรีย์เช่นแบคทีเรียที่เป็นกรดและอะซิโตเจนจะเปลี่ยนสารที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพให้เป็นก๊าซชีวภาพ นอกเหนือจากการเป็นแหล่งพลังงานแล้วยังเป็นวิธีการสะสมของเสียและเทคนิคการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมอีกด้วย
สมการหลักสำหรับการแปลงนี้ที่ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และมีเธนมีดังนี้ -
$ C_ {6} H_ {12} O_ {6} \ longrightarrow \: 3CO_ {2} + 3CH_ {4} $
กระบวนการทีละขั้นตอนอธิบายไว้ด้านล่าง -
Step 1- การแยกสารอินทรีย์เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่สำหรับการแปลง กระบวนการนี้เรียกว่าไฮโดรไลซิส
Step 2- Acidogens ทำหน้าที่ในการย่อยสลายโดยเปลี่ยนเป็นกรดไขมันระเหย (VFAs) ควบคู่ไปกับแอมโมเนีย CO2 และไฮโดรเจนซัลไฟด์ กระบวนการนี้เรียกว่า acidogenesis
Step 3 - VFAs ถูกแยกย่อยออกไปเป็นกรดอะซิติกคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจน
Step 4 - ขั้นตอนสุดท้ายคือการรวมกันของการปล่อยข้างต้นเพื่อผลิตเมทานอลคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ
