پیشگفتار :
استفاده، ساخت و تولید خودروهای هیدروژنی تا سال ۲۰۵۰ میلادی چندین برابر خواهد شد؛ اگر هزینه های میلیاردی این طرح ها تامین شود و شرکت های سرمایه گذار و علاقه مند به تولید خودروهای هیدروژنی بتوانند از موانع پیش رو عبور کنند. به این ترتیب می توان امیدوار بود تا سال ۲۰۵۰ میلادی، خودروها با سوخت هیدروژنی در سطح وسیع، جایگزین خودروها با سوخت های فسیلی یا همین خودروهای کنونی شوند.
چکیده :
فعالان محیط زیست معتقدند تنها راه جلوگیری از افزایش دمای زمین، تولید و استفاده از خودروهای هیدروژنی در سطح گسترده تا حد جایگزین شدن آنها با خودروهای کنونی و استفاده از سوخت های زیستی (سوخت های پاک) به جای سوخت های فسیلی، به عنوان سوخت خانه ها و واحدهای صنعتی است. در واقع هر چند در حال حاضر اجرای چنین طرح هایی، کمی سخت و پرهزینه به نظر می رسد، اما تا چند سال آینده، با گذر از بعضی موانع، به راحتی می توان از یکی از بهترین منابع انرژی قابل تجدید، یعنی هیدروژن استفاده کرد. در این پژوهش به بررسی انواع سوخت های پاک پرداخته شده است و ویژگی ها ، مزابا و معایب هر یک مورد بررسی قرار گرفته است ، در گزارش های دریافتی از فعالان محیط زیست اعلام شده، با طرح جایگزینی سوخت هیدروژنی در بخش های مختلف به ویژه صنعت خودروسازی، تا سال ۲۰۵۰ میلادی، میزان استفاده از سوخت های فسیلی در ناوگان حمل و نقل بسیاری از کشورها به ویژه کشورهای پیشرفته تا صد درصد کاهش خواهد یافت، علاوه بر اینکه با استفاده از این طرح ها، میزان تولید و انتشار آلاینده Co۲ به میزان چشمگیری کاهش می یابد، چرا که اصلی ترین منبع تولید این آلاینده، سوخت های فسیلی مورد استفاده در بخش های مختلف به ویژه خودروها است. به عقیده آنها برای دستیابی به این هدف، نیاز به برنامه ریزی صحیح، اعم از طرح های امنیت انرژی و سیاست های زیست محیطی قابل اجرا حتمی است. براساس آمار، تنها در امریکا ۴۴ درصد از مصرف سوخت های فسیلی در بخش حمل و نقل عمومی و خودروهای شخصی مورد استفاده قرار می گیرد که به این ترتیب، بیش از ۲۰ درصد از آلاینده دی اکسیدکربن از این طریق به هوای استنشاقی وارد می شود.
مقدمه :
یکی از کشورهای پیشگام در این سرمایه گذاری های کلان، امریکا است. این شاید تنها به دلیل وضعیت نسبتاً قابل قبول اقتصادی این کشور نباشد، بلکه شاید حجم بالای آلاینده دی اکسیدکربن در هوای تنفسی، دولت این کشور را به سرمایه گذاری کلان در زمینه ساخت و راه اندازی واحدهای تولیدی خودروهای هیدروژنی مجاب کرده است. شنیده ها حاکی از آن است که دولت امریکا ۱۴۵ میلیارد دلار بابت طرح های راه اندازی کارخانه های تولیدکننده خودروهای هیدروژنی در نظر گرفته است که ۵۰ میلیارد آن طی ۱۵ سال آینده در فاز اول طرح هزینه خواهد شد.
هر چند رقم اعلام شده، رقم بالایی است اما این رقم قرار نیست یکباره هزینه شود، بلکه طی چند مرحله هزینه خواهد شد. از طرفی در همین زمان نیز دولت امریکا باید یارانه (سوبسید) بنزین مصرفی به مبلغ ۱۶۰ میلیارد دلار را نیز پرداخت کند. در واقع با توجه به هزینه در نظر گرفته شده برای اجرای طرح و یارانه پرداختی برای بنزین، دولت امریکا باید تا سال ۲۰۲۰ میلادی مبلغی معادل دو میلیارد دلار بابت اجرای طرح خودروهای هیدروژنی پرداخت کند، علاوه بر اینکه تا سال ۲۰۲۳ میلادی نیز به دلیل بالا بودن بهای خودروهای هیدروژنی در مقایسه با خودروهای معمولی، بودجه لازم برای عدم فروش برخی از خودروهای هیدروژنی نیز باید محاسبه شود.
اما پس از این تاریخ، یعنی سال ۲۰۲۳ میلادی، میزان تولید خودروهای هیدروژنی تا سال ۲۰۳۵ به ۶۰ میلیون دستگاه و تا سال ۲۰۵۰ به ۲۰۰ میلیون خواهد رسید که در نتیجه با کاهش بهای خودروها می توان هزینه های پرداختی را جبران کرد. با این همه تحلیلگران اقتصادی و فعالان محیط زیست معتقدند سرمایه گذاری برای کاهش و کنترل آلاینده ها، تنها نباید روی یک شاخص، مثل استفاده از سوخت هیدروژنی به شکل های مختلف مانند استفاده از آن در ساخت خودروهای هیدروژنی متمرکز شود، بلکه باید سرمایه گذاری ها فراگیرتر و برای تولید گسترده سوخت های پاک صرف شود.
اما درباره سوخت هیدروژنی، ایجاد احتراق در موتور خودروها مساله یی است که باید بیش از هر چیز مورد بررسی و توجه قرار گیرد؛ واکنشی که هم بتواند به سرعت هیدروژن و اکسیژن را طی فرآیند شیمیایی به آب تبدیل کند و از سوی دیگر، انرژی لازم برای گرم کردن موتور را فراهم کند.
از طرفی هیدروژن به صورت آزاد در طبیعت موجود نیست و آن را باید از ترکیبی مانند آب یا سوخت های فسیلی مثل گاز یا زغال سنگ جدا کرد.
یکی از اصلی ترین اهداف طرح، کاهش آلاینده دی اکسیدکربن از طریق دفن آن در اعماق زمین است. تا سال ۲۰۲۵ میلادی، هیدروژن باید از جدا کردن آن از زغال سنگ به دست آید و تا سال ۲۰۵۰ نیز نیمی از هیدروژن مورد نیاز، باز هم از زغال سنگ تهیه خواهد شد که بخش دیگری از آن هم از گاز طبیعی به دست می آید.
استفاده از انرژی خورشیدی برای تجزیه آب و به دست آوردن هیدروژن، روش دیگری برای به دست آوردن هیدروژن است اما پیش از آن باید امکان انجام این کار و هزینه آن محاسبه شود.
هر چند روش های دیگری را هم برای تهیه هیدروژن می توان در نظر گرفت، اما در حال حاضر روش های ذکرشده، عملی ترین روش ها به نظر می رسند.
در هر صورت با وجود مشکلات پیش رو و هزینه های فراوان طرح، امریکا و به دنبال آن بسیاری از کشورهای جهان در حال طراحی خودروها با سوخت هیدروژنی هستند. مرحله نخست این طرح طی ۱۵ سال آینده به بهره برداری انبوه خواهد رسید.
فصل اول
انواع سوخت های پاک
مقدمه :
پیشرفت تکنولوژی در مسیر صدساله تاریخ صنعت خودروسازی باعث شده است هر ساله شاهد تولید اتومبیل هایی با کیفیت بهتر و مصرف پائین تر سوخت باشیم. اما در تمام این سال ها، دغدغه تأمین سوخت و انرژی های جایگزین برای اتومبیل ها همواره شرکت های معتبر خودروسازی را به خود مشغول ساخته است. این روزها در مورد تولید اتومبیل های دوگانه سوز یا هیبریدی مطالبی شنیده می شود. اتومبیل های الکتریکی از ایده به واقعیت رسیده اند و حتی روش های منحصربه فردی جهت رانش اتومبیل ها ابداع شده است؛ اما هنوز هیچ کدام، از نظر صرفه اقتصادی و کاربری آسان به پای سوخت های فسیلی مانند بنزین و گازوئیل نمی رسند. با این حال ملاحظاتی همچون مشکلات زیست محیطی به وجود آمده در ابعاد کلان از یک سو و تنگناهای مربوط به کاهش ذخایر سوخت های فسیلی از سوی دیگر، باعث شده است تا جهت گیری به سمت انرژی های جایگزینی روند جدی تری به خود بگیرد.
در سال های گذشته سوخت ها و انرژی های جایگزین متعددی برای خودروها معرفی شده است که حتی بعضی از این روش ها تا مرز تولید صنعتی هم پیش رفته و نیز بعضی از این روش ها به تولید انبوه دست یافته است. در این مقاله قصد بررسی این راهکارها را داریم تا به روش های جایگزین برای سوخت های فسیلی دست یابیم.
هوای فشرده:
یکی از جدیدترین شیوه های حرکتی در اتومبیل ها که از آلایندگی بسیار کمی نیز برخوردار است، استفاده از هوای فشرده برای پیش راندن اتومبیل ها است. شیوه کلی حرکتی این اتومبیل ها، استفاده از کپسول های هوای فشرده است. هوای فشرده درون این کپسول ها به شکل خاصی به سوی موتور 4 سیلندر هدایت می شود، سپس هوای فشرده، میل لنگ را به حرکت درمی آورد. این شیوه حرکتی با نیرویی در حدود 25 اسب بخار تنها برای اتومبیل های شهری کوچک، قابل استفاده است با این حال، از نظر سادگی و عملی بودن آن، شیوه ای قابل توجه و قابل پیشرفت است.
گاز طبیعی فشرده (CNG):
تولید مونوکسید کربن گاز طبیعی فشرده نسبت به بنزین حدود 60 درصد کمتر و تولید دی اکسید کربن آن نیز 10 درصد پائین تر است. موتور بسیاری از اتومبیل های حال حاضر جهان را می توان با ایجاد تغییرات کوچکی برای استفاده از گاز طبیعی فشرده آماده کرد. قابل ذکر است که استفاده از گاز طبیعی در اتومبیل ها به سال 1930 بازمی گردد. اما همواره کمبود جایگاه های تزریق گاز فشرده به اتومبیل ها از عوامل اصلی استفاده نکردن از این انرژی بوده است. البته راندمان گاز فشرده نسبت به بنزین پائین تر است اما در مجموع مزایای بسیاری دارد.
انرژی خورشیدی:
استفاده از انرژی بی پایان خورشیدی، سال ها است که مورد توجه خودروسازان قرار دارد. مهم ترین ویژگی انرژی خورشیدی، نامحدود بودن و پاکیزگی مطلق آن است؛ اما مانع اصلی استفاده از نیروی خورشیدی، تغییرات جوی و ابری شدن هوا است که معمولاً چندان قابل پیش بینی نیست. در ضمن صفحات بزرگ جذب انرژی خورشیدی و باتری های سنگین ذخیره آن، عملاً چابکی و تحرک اتومبیل را کم می کند. با این حال، پاکیزگی صددرصد انرژی خورشیدی همچنان مورد توجه تمام خودروسازان است.
هیدروژن:
هیدروژن بی تردید یکی از پاک ترین سوخت های موجود محسوب می شود، اما هیدرولیز آب و به دست آوردن هیدروژن خالص هزینه های زیادی می طلبد. شاید به همین دلیل است که استفاده از هیدروژن برای تعدادی از کمپانی های خودروسازی، هنوز در مرحله تحقیق و پژوهش است. در محیط های شهری نیز تنها بعضی از کشورها، هیدروژن را به عنوان سوخت اتوبوس های درون شهری به کار گرفته اند. در ضمن خاصیت انفجاری هیدروژن نیز از محبوبیت آن برای استفاده در خودروها کاسته است.
بیودیزل:
موتورهای دیزل با مصرف گازوئیل (نفت گاز) کار می کنند اما چندی است که بحث استفاده از بیودیزل بالا گرفته است. در بیودیزل از روغن های گیاهی، چربی های حیوانی و روغن های سنگین به عنوان سوخت استفاده می شود. ویژگی این مواد اولیه بازیافت و بازگشت آسان آنها به چرخه طبیعت است. تهیه روغن های فوق از طریق کشت و فرآوری به دست می آید؛ اما هنوز فاصله زیادی با مصرف عمومی دارد.
الکل:
اتومبیل های مسابقات مشهور آمریکا، موسوم به «ایندی 500» همگی از اتانول خالص استفاده می کنند. اتانول نوعی الکل است که به هنگام احتراق، نیروی بیشتری نسبت به بنزین تولید می کنند. حتی بعضی از اتومبیل های غیرمسابقه ای مانند فورد تا رولی FFV نیز به گونه ای طراحی شده اند که می توانند هم از اتانول و هم از بنزین استفاده کنند. درصد آلایندگی اتانول نیز پائین و در حد قابل قبولی است اما قیمت بالای آن، مهم ترین مانع برای فراگیر شدن استفاده از آن محسوب می شود.
نیروی الکتریکی:
با توجه به تخریب لایه ازن به وسیله سوخت های فسیلی مدت هاست که استفاده از نیروی الکتریکی برای رانش اتومبیل در قالب موتورهای هیبریدی، پیل سوختی و تمام برقی مطرح است. در حال حاضر بعضی از خودروهای جهان مجهز به باتری های قابل شارژ الکتریکی است اما از بدو شروع تحقیقات بر روی خودروهای تمام الکتریکی، معضل باتری های سنگین، نخستین و مهم ترین معضل برای حرکت این اتومبیل ها به حساب می آمده است. شاید به همین دلیل است که تنها 3 درصد اتومبیل های سراسر جهان با نیروی برق حرکت می کنند. با این حال، باتری این اتومبیل ها همواره در مسیر پیشرفت بوده و سبک تر از گذشته می شود.
خودروهای هیبریدی:
در حال حاضر خودروهای هیبریدی نمایانگر یکی از جدی ترین روش های استفاده از انرژی های جایگزین در خودروها هستند. این خودروها درواقع خودروهایی برقی هستند که برای شارژ باتری های کوچک خود از یک موتور درون سوز استفاده می کنند که همیشه در نقطه بهینه عملکرد قرار دارد. مزایای این خودروها، کوچک شدن اندازه موتور، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلاینده های محیط زیست است. در این زمینه شرکت خودروسازی تویوتا با ارائه خودروی پریوس پیشتاز بوده و طبق برنامه ریزی های اعلام شده قرار است این شرکت تا سال 2012 تمام خودروهایش را هیبریدی کند شرکت آمریکایی فورد نیز تصمیم دارد تا سال 2008 میلادی 5 مدل خودروی هیبریدی را ارائه کند.
خودروهای برقی:
یکی دیگر از زمینه هایی که اخیراً و به خصوص با پیشرفت های رخ داده در بازار تلفن همراه به عنوان یکی از چشم اندازهای جدی صنعت خودروسازی مطرح شده، خودروی تمام برقی است. این خودروها از باتری های الکتروشیمیایی به عنوان منبع قدرت استفاده می کنند و در نتیجه آلودگی زیست محیطی آنها تقریباً صفر است. از مهم ترین مشکلات این خودروها، وزن و هزینه بالای باتری ها و نیز کم بودن مقدار انرژی انباشته در آنها است که این موضوع سبب شد تا مدتی فعالیت های تحقیقاتی بر روی خودروهای تمام برقی به حالت رکود درآید اما امروزه به دلیل پیشرفت های شگرفی که در تکنولوژی باتری ها رخ داده است، افق روشنی برای این خودروها ترسیم می شود. این تحول، به طور عمده ناشی از نیاز بازار گوشی های تلفن همراه به باتری هایی با توان انباشت انرژی بالا بود. به عنوان نمونه تعداد گوشی هایی که مقدار مصرف باتری آنها از چند وات فراتر می رود، طی 4سال گذشته چند برابر شده است. این موضوع اهمیت نیاز به باتری های پرانرژی را بیشتر نشان می دهد. مثلاً در سال،1998 باتری های لیتیوم یون یا لیتیوم پلیمر از جمله باتری های گران قیمت به شمار می آمدند و لذا از آنها در مصارف خاص استفاده می شد اما در حال حاضر این نوع باتری ها به وفور در گوشی های تلفن همراه و یا لپ تاپ ها استفاده می شود.
اگر این پیشرفت ها را در کنار پیشرفت های رخ داده در دهه های گذشته در نظر بگیریم که در آنها روند کاهش قیمت باتری و افزایش توان آن به کندی صورت می گرفت، رشد چشمگیر صنعت باتری در حال حاضر بیشتر نمایان می شود. این پیشرفت ها به گونه ای است که هم اکنون شرکت تسلا موتور، یک خودرو مجهز به باتری های لیتیوم یون با قیمت تقریبی 100 هزاردلار ساخته است که با هر بار شارژ کامل، 320 کیلومتر را می پیماید. البته این خودرو در رده خودروهای اسپرت قرار می گیرد و صفر تا صد آن 4 ثانیه است.
حال با توجه به وضعیت باتری های کنونی و باتری های نسل گذشته و این که مناسب ترین باتری های قابل استفاده در خودروهای الکتریکی نسل گذشته باتری های سرب و اسید با توان تقریبی یک پنجم باتری های لیتیوم یون فعلی بود، به خوبی می توان فهمید که چرا برای برهه ای مشخص، تحقیقات بر روی خودروهای تمام برقی متوقف شد. اما در این سال ها با توجه به چشم انداز روشنی که در صنعت باتری به چشم می خورد و باتری های تحقیقاتی خوبی که با توانی در حدود 3 تا 4 برابر باتری های لیتیوم یونی فعلی ساخته شده اند، به نظر می رسد که بررسی ها برای ساخت خودروهای عمومی با قیمت مناسب و به صورت تمام برقی دوباره از سر گرفته شود. مثلاًَ شرکت بی.ام.و در تلاش است یک مدل خودروی سدان کلاس متوسط با قیمت حدودی 50 تا 70هزار دلار تا سال 2009 تولید کند. چین نیز درصدد تولید یک خودرو چهارچرخ کوچک و ارزان قیمت با نیرو محرکه برقی با قیمت حدودی 10 هزاردلار از سال 2006 بوده است. نروژ، هند و فرانسه نیز به دنبال این هستند که خودروی چهارچرخ کوچکی با قیمت قابل مقایسه با خودروهای سواری فعلی تولید کنند. به علاوه تعداد شرکت هایی که هر سال به شرکت های سازنده خودروهای تمام برقی می پیوندند روبه افزایش است. البته این روند هنوز محدود است، به گونه ای که تعداد تولید این خودروها از چند صد دستگاه تا 2 یا 3 هزار دستگاه بیشتر نمی شود.
در زمینه تولید قدرت در خودرو، کارهای دیگری نظیر استفاده از پیل سوختی (Fuel Cell) و نیز خودروهای هیدروژنی انجام شده است که به دلیل مشکلات فنی زیاد هنوز به بازار مصرف راه نیافته اند.
با توجه به مطالب ذکر شده، حتی در چشم اندازهای میان مدت نیز، ورود نیروی الکتریکی در زنجیره انتقال قدرت خودرو امری اجتناب ناپذیر است. بر پایه برخی گزارشات، پیش بینی می شود که تا سال 2020 حدود 10 درصد از خودروهای دنیا به صورت هیبرید و یا تمام برقی باشند.
قابل ذکر است که از میان 10 خودروی برتر سال،2006 شش خودرو به صورت هیبریدی بوده اند که این مسأله حاکی از نگاه جدید مدیران صنایع خودروسازی دنیا به خودروهای الکتریکی است.
فصل دوم
اتانول ، سوخت جایگزین
مقدمه:
وابستگی کشورهای پیشرفته به نفت و وقوع بحران‌های نفتی در دهه 1970 به دلیل فزونی مصرف بر تولید و نیز افزایش فوق‌العاده قیمت نفت، کشورهای صنعتی را بر آن داشت تا با مسئله انرژی برخوردی متفاوت کنند. شروع نگرانی‌های زیست‌محیطی و کاهش منابع فسیلی، بهبود استانداردهای زیست‌محیطی زندگی در قالب کنوانسیون‌ها و پیمان‌نامه‌های متفاوت- نظیر پروتکل کیوتو- از سوی دیگر، منجر شد تا متخصصان با اعمال روشهای گوناگون و استفاده از مواد جایگزین در بنزین و یا تهیه سوختهای جایگزین پاک، به اهداف خود در زمینه حفظ محیط‌زیست و توسعه پایدار، دست یابند. در حال حاضر، اتانول به عنوان منبعی قابل اعتماد، می‌تواند جایگزین سوختهای رایج باشد. اتانول با توجه به منابع هر کشوری قابل تولید است. در ایران از ملاس، در امریکا از ذرت، در اروپا از سیب‌زمینی و... اتانول به دست می‌آورند. در این مقاله سعی شده است، ضمن بررسی روشهای تولید اتانول در کشور، به جنبه‌های اقتصادی، زیست‌محیطی و... این سوخت پرداخته و روش‌هایی مناسب برای تولید و استفاده از آن پیشنهاد شود.
در حال حاضر، افزون‌بر 98 درصد از اتانول تولیدی در جهان، با استفاده از روش تخمیر قندها، حاصل می‌شود. قند مورد استفاده را می‌توان از منابعی مختلف نظیر مواد نشاسته‌ای، قندی، کشاورزی، پساب‌های صنعتی و منابع لیگنوسلولزی استحصال کرد.
هزینه تولید اتانول، نسبت به قیمت مواد اولیه، قیمت تحویل آن به بخش فرایند و همچنین ترکیب مواد اولیه، حساسیت بالایی دارد. بنابراین، موفقیت در تولید اتانول و رقابت آن با بنزین می‌تواند به موقعیت جغرافیایی منطقه، نوع آب و هوا، روش تولید، خواص محصولات کشاورزی و نوع ضایعات آنها بستگی داشته باشد. سیستمی که براساس هزینه پایین مواد اولیه، دسترسی آسان به مواد اولیه و استفاده از محصولات جانبی تأسیس شده باشد، ممکن است توجیه اقتصادی داشته باشد.
منابع سلولزی
در حال حاضر، با توجه به پیشرفت تکنولوژی، پتانسیلی جهانی برای استفاده از مواد لیگنوسلولزی و تبدیل آن به الکل از طریق تخمیر، به وجود آمده است.
تولید انبوه مواد سلولزی از انواع کربوهیدرات‌ها، در کل جهان رایج است و تحقیقات بسیاری در زمینه فرایندی‌کردن مواد لیگنوسلولزی و تبدیل آنها به اتانول در حال انجام است. البته مشکلات تکنیکی و اقتصادی موجود در زمینه هیدرولیز به منوساکاریدهای تشکیل‌دهنده آن، تأثیر زیادی بر امکان‌سنجی تولید اتانول دارد. برای اقتصادی‌بودن و استفاده مؤثر در مقیاس صنعتی، باید ملاحظات خاصی نظیر توسعه همه‌جانبه فرایند، جداسازی محصولات و بازیابی استفاده از محصولات جانبی را مدنظر قرار داد.
طبیعت کریستالی و چسبنده سلولز و مقاومت آن در برابر انواع روشهای هیدرولیز و تولید قندهای قابل تخمیر، به کانون تحقیق و توسعه برای تولید اقتصادی اتانول از مواد سلولزی تبدیل شده است.
مشتقات کشاورزی
میزان تولید ضایعات و پسمان محصولات کشاورزی در جهان، بسیار بالا بوده و با توجه به ترکیب آنها، به منبعی مناسب تبدیل شده است. برگشت این ضایعات به خاک، زمینه‌ساز افزایش حاصلخیزی، کنترل فرسایش، آزادسازی مواد موردنیاز خاک و پایداری ساختمان آن می‌شود. فصلی بودن این تولیدات و پراکندگی آنها، افزایش هزینه را در پی دارد.
جدول 1: ترکیب عمومی برخی انواع چوب
زباله‌های خانگی
یکی از منابع بزرگ ضایعات مواد سلولزی در کشورهای پیشرفته، زباله‌های خانگی هستند. در 1980، میزان تولید روزانه این ضایعات در امریکا 105×28 تن بوده که 58 درصد از آن سلولز بوده است. تولید اتانول از زوائد جامد شهری در سطح تجاری، توسط امریکا و کانادا امکان‌پذیر خواهد بود.
محیط‌های جنگلی
تولید اتانول به عنوان محصول سلولزی به مثابه منبع قندی، حساسیت شدیدی به نوع درخت دارد. در حالت عمومی، چوب‌های سخت، سوبسترای مناسب‌تری در مقایسه با چوب‌های نرم هستند. میزان سلولز در چوب، به میزان باران، شرایط خاک و آب و هوا بستگی دارد.
چوب سخت در درختانی مانند درخت سپیدار، تبریزی، افرا، بلوط و... چوب نرم در درختانی مانند درخت کاج سفید، درخت ماموت و صنوبر شرقی، یافت می‌شود. سایر مواد اولیه در جدول 2 آمده‌اند.
جدول 2: منابع اولیه تولید الکل
کاربرد اتانول
اتانول با توجه به خواص شیمیایی و فیزیکی خود، موارد استفاده متعددی دارد که چند نمونه از آنها عبارتند از:
1. اتانول به عنوان حلال
2. اتانول به عنوان سوخت
3. اتانول به عنوان ماده اولیه تولید ETBEا1 به منظور افزایش عدد اکتان
نظیر ETBEا2 که ماده‌ای افزودنی به بنزین برای افزایش عدد اکتان است. البته در حال حاضر MTBE مشکوک به سرطان‌زایی بوده و مصرف آن رفته‌رفته متوقف می‌شود. با جایگزین ETBE می‌توان به عدد اکتان بالاتری دست یافت. ETBE دارای ضریب فراریت کمتری نسبت به MTBE بوده و محتوای اکسیژن آن بیشتر است. بنابراین با مصرف آن، احتراق کامل‌تر و سوختی تمیزتر و در نتیجه آلودگی کمتر هوا خواهیم داشت.
اتانول به عنوان سوخت
یکی از مسائل و مشکلات پیش‌روی بشر در قرن 21، مسئله محیط‌زیست است. افزایش جمعیت و توسعه استانداردهای زندگی، رابطه‌ای مستقیم با مصرف انرژی و سوخت در منازل و خودروها دارد. انسان‌ها همواره به آب و هوای پاک، سوخت تمیز و مواد قابل بازیافت و تجزیه شونده نیاز دارند. به همین علت، بشر ناخواسته بهسوی استفاده از سوخت پاک هدایت می‌شود. در این میان، اتانول می‌تواند به عنوان منبع انرژی تمیز و قابل اطمینان مطرح باشد.
در حال حاضر، سه راه برای استفاده از اتانول به عنوان سوخت وجود دارد:
1. اتانول به صورت مخلوط با بنزین به صورت 10-E یا 85-E
2. تولید ETBE به مثابه افزایش‌دهنده عدد اکتان
3. اتانول به صورت خالص به عنوان سوخت
بنزین حاوی اتانول Gashol نامیده می‌شود. از اتانول می‌توان به عنوان افزایش‌دهنده عدد اکتان استفاده کرد. اتانول را می‌توان از منابع سلولزی، قندی و نشاسته‌ای به دست آورد و سپس به صورت مخلوط یا خالص، به عنوان سوخت به کار برد. در حال حاضر، اختلاف قیمت بنزین و اتانول و نیز مشکلاتی نظیر فرایند تولید، قیمت مواد اولیه و قیمت نفت، نمونه‌هایی از مهم‌ترین مسائل تأثیرگذار بر توسعه این سوخت جدید تلقی می‌شوند.
برطبق قانون فدرال امریکا، تمامی خودروها تا سال 2010، باید از توانایی استفاده از 85-E برخوردار باشند. در 1990، شرکت فورد، خودروهای سازگار با 85-E خود را معرفی کرد. این خودروها با هر نوع سوختی نظیر بنزین بدون سرب و 10-E کار می‌کنند.
در حال حاضر، افزون‌بر 40 درصد از وسایل نقلیه برزیل، از اتانول خالص و بقیه از 10-E استفاده می‌کنند. امید است که تا سال 2010، با توجه به پیشرفت تکنولوژی توسعه میکرو ارگانیسم‌ها و استفاده کامل از محصولات جانبی، بتوان قیمت اتانول را تا 40 سنت به ازای هر گالن، کاهش داد که در این صورت 100 درصد قابل رقابت با بنزین است.
گفتنی است که میزان تولید بیواتانول در سال 2003 توسط امریکا، به 81/2 میلیارد گالن رسید که نسبت به سال 2003، حدو 32 درصد و نسبت به 1999، حدود 91 درصد رشد داشته است.
تولید اتانول در اروپا به منظور مصرف در خودروها، 5/4 برابر رشد داشته است. یعنی میزان تولید آن در 1993 از 47500 تن به 216 هزار تن در سال 2001 رسیده است. نمودار زیر، روند رشد تولید در این دوره را نشان می‌دهد.
مزایای زیست محیطی اتانول
1. کاهش انتشار CO2 : CO2 حاصل از سوخت بنزین و یا هر سوخت دیگر وارد اتمسفر می‌شود و این گاز سبب تشدید پدیده گلخانه‌ای می‌شود درحالی که CO2 حاصل از سوخت بیواتانول و تولید شده در فرایند تخمیر توسط گیاهان کاشته شده جهت تولید اتانول جذب خواهد شد و این مزیت بزرگ جهت استفاده بیواتانول به عنوان سوخت است که حتی در سوختهای تمیزی مانند گاز طبیعی نیز یافت نمی‌شود. [7]
نمودار زیر نتایج حاصل از آنالیز آلاینده‌های CO2 در سوختهای مورد استفاده اتوبوس‌ها در سوئد را نشان می‌دهد [5].
2. کاهش انتشار CO و CH: سوخت 10-E و 5-E و 7-E نشان داده‌اند که میزان CO را 15-4% و میزان CH ا7-2% کاهش می‌دهند.
3. کاهش انتشار VOC: سوختهای حاوی اتانول کاهش VOC را نشان می‌دهند و در عین حال نسبت به سایر سوختها صدمه کمتری به ازن وارد می‌کنند.
4. کاهش انتشار ذرات معلق (10اPM): اجزای معلق با قطری کمتر از 10 میلی‌متر هستند که در کیسه‌های هوایی شش انسان تجمع پیدا می‌کنند و سبب صدمه زدن به سیستم تنفس و سرطان می‌شود. در سوختهای حاوی اتانول انتشار ذرات معلق در حدود 10درصد کاهش می‌یابد.
5 . اکسیدهای سولفور (SOX): اگر بیواتانول به عنوان سوخت به صورت خالص به کار رود هیچ‌گونه سولفوری ندارد، در نتیجه اسیدی نداریم و در سوختهای حاوی اتانول نیز SOX کمتری تولید می‌شود.
6 . اکسیدهای نیتروژن (NOX): این عامل در سوختهای حاوی اتانول تا 10 درصد افزایش می‌یابد. با افزایش میزان اتانول در بنزین، میزان NOX کاهش می‌یابد. با تنظیم موتور و درجه حرارت احتراق، می‌توان این عامل را در حدی مطلوب نگه داشت.
7. آروماتیک‌ها: اتانول، حاوی هیچ‌گونه آروماتیک، نیست. این در حالی است که بنزین‌های بدون سرب، 45 درصد آروماتیک دارند.
8 . آلدئیدها: میزان استالدئید در سوختهای حاوی اتانول، افزایش می‌یابد. با استفاده از تبدیل‌کننده کاتالیستی می‌توان این عامل را حذف کرد.
9. افزایش عدد اکتان
10. کاهش ضربه زدن3 در موتور
11. ایمنی الکل: اتانول، از بنزین ایمن‌تر بوده، دیرتر آتش می‌گیرد، در برابر شعله آتش به آسانی می‌سوزد و دود کمتری در مقایسه با بنزین، تولید می‌کند.
دیگر مصارف اتانول
سولفورزدایی از زغال سنگ: در این روش، اتانول به زغال سنگ اضافه می‌شود، سپس در حضور یک کاتالیزور، حرارت‌دهی می‌شود و سولفورهای معدنی و ارگانیک با بازده 90 درصد حذف می‌شوند.
پلاستیک قابل تجزیه: برخی میکروارگانیسم‌های خاص، با مصرف اتانول می‌توانند پلاستیک‌های سازگار با طبیعت نظیر پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) و پلی هیدروکسی والدیت (PHV) تولید کنند.
محصولات جنبی ناشی از تولید اتانول
برای تولید اقتصادی و رقابتی الکل با بنزین، باید حداکثر استفاده از محصولات جنبی را انجام داد.
محصولات جنبی تولید شده در فرایند تولید الکل، عبارتند از:
پروتئین: مواد لیگنوسلولزی می‌توانند حاوی حدود 15 درصد پروتئین بر مبنای وزن خشک باشند. از این پروتئین می‌توان در غذای حیوانات در واحدهای دامداری و پرورش ماهی استفاده کرد.
لیگنین: این ماده به هنگام تولید اتانول از مواد لیگنوسلولزی، بدون تغییر باقی می‌ماند. اگر واحدی سالانه 95 میلیون گالن اتانول تولید کند، لیگنین تولیدی روزانه آن 100 تن است و این یعنی مقدار زیادی جامد. لیگنین، دارای ارزش حرارتی بوده و میزان آن از 9100 تا 13000 BTU و به ازای هر پوند با توجه به نوع چوب فرق می‌کند. بنابراین، لیگنین را می‌توان به عنوان سوخت در بویلرها سوزاند و از انرژی آن استفاده کرد. تحقیقاتی در مورد استفاده بهتر از لیگنین به عنوان ماده اضافه شونده به آسفالت، آنتی اکسیدان و... در حال انجام است.
فورفورال: هیدرولیز زیست توده، آزاد کردن قندهای سلولز و همی سلولز را در بر دارد. زیلوزقند اولیه همی سلولز، می‌تواند در حضور اسید، به فورفورال تبدیل شود. از این ترکیب می‌توان به عنوان حلالی انتخابی، به منظور بالا بردن کیفیت روغن (نرم‌تر و روان‌تر شدن آن) استفاده کرد. هیدروژنه کردن فورفورال در دمای 200 درجه سانتیگراد، منجر به تولید الکل فورفورال می‌شود که در تولید رزین‌های تجاری کاربرد دارند.
فورفورال در دمای پایین، حالت چسبندگی پیدا کرده و به عنوان روکش چوب کاربرد دارد. از این ماده در تولید نایلون نیز استفاده می‌شود.
CO2: به ازای تولید یک متر مکعب اتانول، 76 کیلوگرم دی‌اکسید کربن تولید می‌شود که می‌توان 70 تا 80 درصد از آن را بازیابی کرده و پس از خالص‌سازی، به‌طور مستقیم در نوشابه‌های گازدار و یا یخ خشک به کار برد. باید توجه داشت که آزاد شدن CO2 در اتمسفر، زمینه‌ساز افزایش پدیده گلخانه‌ای و دمای زمین خواهد شد.
استیلج4: اگر از نیشکر برای تولید اتانول استفاده شود، به ازای تولید هر لیتر الکل، 12 لیتر استیلج حاصل می‌شود. معمولاً در هر 100 لیتر استیلج 40 تا 50 گرم ماده آلی وجود دارد که به عنوان خوراک دام به کار می‌رود.
این ماده شامل اجزای غیرفرار مواد باقی مانده بعد از تقطیر الکل است که ترکیب آن بستگی به عواملی مختلف مانند خوراک و محل کشت بستگی دارد. در حالت کلی، این ماده شامل واکس‌ها، چربی، الکل باقی مانده، فیبر، نمک‌های معدنی و پروتئین است که BOD بسیار بالایی دارد و آلاینده محیط‌زیست تلقی می‌شود. استیلج را می‌توان به عنوان کود به خاک برگرداند، اما باید توجه کرد که این امر به مرور زمان باعث افزایش غلظت نمک و اسیدیته خاک می‌شود.
جدول 3: مقدار مصرف MTBE در سال 1381 به تفکیک پالایشگاه‌ها
روشهای تولید اتانول از مواد لیگنوسلولزی
قندهای حاصل از هیدرولیز مواد سلولزی، توسط میکروارگانیسم‌های مختلف مصرف شده و اتانول تولید می‌شود. مواد لیگنوسلولزی، بخش چوبی شده گیاهان هستند. این قسمت‌ها در ذرت، نیشکر، زائدات چوب، کاغذ و... به آسانی قابل مشاهده بوده و قسمت اعظمی از این مواد را تشکیل می‌دهند. مثلاً در زمینی که یک Acre نیشکر در آن تولید می‌شود، حدود 10 تن شکر قابل استفاده انسان و 3 تن ملاس تولید می‌گردد. همچنین، در کنار آن حدود 20 تا 25 تن مواد زائد نیز تولید می‌شود. این مولکول‌های گیاهی طی فرایندی خاص می‌توانند قند تولید کنند. این قند پس از تخمیر به اتانول تبدیل می‌شود.
با پیشرفت تکنولوژی، روشهای متفاوتی برای استخراج قندها از سلولز و همی سلولز و تبدیل آن به اتانول، در اختیار ما گذاشته است. از طریق پیش تصفیه مواد لیگنوسلولزی، می‌توان سلولز و همی سلولز را از گیاه آزاد کرد. تصفیه (تصفیه شیمیایی) در مراحل بعدی با استفاده از آنزیم‌ها و میکروارگانیسم‌ها، باعث تشکیل آزادسازی قندها از سلولز و همی سلولز شده و زمینه فعالیت میکروارگانیسم‌ها برای تخمیر و تولید اتانول را فراهم می‌سازد.
در انتخاب روش تولید اتانول باید بازهای نهایی تولید الکل از مواد لیگنوسلولزی، نوع مواد اولیه، هزینه تولید اتانول، میزان مصرف انرژی، میزان محصولات جانبی و تکنولوژی تولید آنزیم و... را در نظر گرفت. ممکن است برای یک سوبسترای خاص، فرایندی خاص طراحی شود. در حال حاضر، 6 روش متداول به صورت تجاری- اقتصادی توسط شرکت‌های مختلف ارائه می‌شود که از میان این روش‌ها، به نظر می‌رسد فرایند آبکافت و تخمیر همزمان از لحاظ اقتصادی و بازدهی، روش مناسب‌تری باشد.
- فرایند هیدرولیز اسیدی (رقیق) خنثی‌سازی و تخمیز
- هیدرولیز اسید (غلیظ) خنثی‌سازی- تخمیر
- فرایند آبکافت و تخمیر همزمان سلولز (SSF)
- تخریب آمونیاکی هیدرولیز آنزیمی تخمیر
- تخمیر اسیدی و تخمیر توسط میکروارگانیسم‌های ترانس ژنتیک شده
نتیجه‌گیری بحث
در ایران، با توجه به وجود منابع بالقوه مواد اولیه برای تولید اتانول حاصل از ملاس‌های نیشکری و چغندری، مواد نشاسته‌دار (ذرت و گندم) و مواد لیگنوسلولزی (ضایعات چوب، ضایعات کشاورزی، کاغذ بازیافتی از زباله و..)، امکان تولید اتانول فراهم است. در صورت ایجاد بازار مصرف و سرمایه‌گذاری مناسب، می‌توان سالانه بیش از 2 میلیون تن اتانول در کشور تولید کرد. در حال حاضر، بیشتر بخش‌های اتانول تولیدی کشور، از ملاس نیشکر و چغندر به دست می‌آید.
جدول 4: قیمت یک لیتر بنزین نهایی
جدول 5: اثربخشی استفاده از اتانول و MTBE
در بازار ترکیبات اکسیژن‌دار جهان، MTBE رقیب اصلی اتانول است. مصرف MTBE به طور معمول در سال‌های گذشته بیش از اتانول بوده، اما با توجه به گزارش‌های متعددی که MTBE را عامل آلودگی آب‌های زیرزمینی و همچنین سرطان‌زایی معرفی می‌کنند، ادامه استفاده از این ماده در بسیاری از کشورها مورد تردید است.
پژوهش‌های صنعت نفت کشور، امکان استفاده از اتانول در سوخت بنزین را در دستور کار قرار داده و نتیجه بررسی‌ها نشان می‌دهند که نه تنها امکان استفاده از اتانول در سوخت خودروهای کشور وجود دارد بلکه تا اختلاط 10 درصد، هیچ گونه نیازی به تغییر موتور و یا سیستم سوخت‌رسانی نیست.
براساس اطلاعات شرکت ملی پالایش و پخش فراورده‌های نفتی ایران و نیز پژوهشکده صنعت نفت، قیمت بنزین و MTBE تولیدی و وارداتی کشور، عبارت است از:
1. قیمت تمام شده بنزین موتور تولید داخل با درنظر گرفتن قیمت‌های فوب خلیج فارس در اواخر دسامبر 2003، هر لیتر 1905 ریال.
2. قیمت تمام شده بنزین موتور وارداتی با درنظر گرفتن قیمت‌های فوب خلیج فارس در اواخر دسامبر 2003 با احتساب هزینه‌های انتقال و توزیع، هر لیتر 2032 ریال.
3. متوسط قیمت MTBE در شش ماه اول سال 1382، هر لیتر 2173 ریال.
بنزین تولیدی در کشور، معمولاً دارای اکتان پایه 3/84 است که این رقم با افزودنی‌های خاص به 87 در بنزین نرمال و 93 تا 95 در بنزین سوپر می‌رسد.
آزمایش‌های انجام شده نشان می‌دهند که افزودن MTBE به بنزین، به نسبت درصدهای جدول 4، دارای اثرهای مختلفی است.
افزایش 5 تا 10 درصدی اتانول به بنزین پایه، دارای اثرهای مشخص در جدول شماره (3) است. ملاحظه می‌شود که اثربخشی استفاده از اتانول و MTBE به شرح جدول (5) قابل ارائه است.
با توجه به جدول‌های شماره (3و4) شاید بتوان محصول نهایی حاصل از استفاده 15 درصد MTBE و 10 درصد اتانول را که محصول نهایی را به عدد اکتان تقریباً 90 می‌رساند، از لحاظ هزینه‌ای مقایسه کرد.
با توجه به استفاده از اتانول برای استفاده مطلق در سوخت با درصد خلوص 8/99 درصد، قیمت تمام شده برای هر لیتر اتانول، حدود 3600 ریال است.
جدول 6: قیمت یک لیتر بنزین نهایی
جدول 7: وضعیت مصرف بنزین و امکان جانشینی بنزین اتانول‌دار
با توجه به اثرات نامطلوب استفاده بلندمدت از MTBE و مزیت‌های تولید داخلی اتانول و آثار مثبت زیست‌محیطی این افزوده، به نظر می‌رسد که با افزایش تولید، قیمت تمام شده اتانول کاهش یابد و امکان برنامه‌ریزی برای تولید 60 میلیون لیتر اتانول مطلق در سال به منظور استفاده در سوخت خودروها وجود دارد. بدیهی است در صورت ایجاد شرایط مناسب و تشویق سرمایه‌گذاران به سرمایه‌گذاری در این بخش و بهره‌برداری از کارخانه‌های تولید اتانول در دست احداث میزان تولید به حد مطلوبی افزایش خواهد یافت.
یارانه سالانه، برای 600 میلیون لیتر بنزین مصرفی حاوی 10 درصد اتانول در کشور، معادل 78 میلیارد ریال خواهد بود. گفتنی است که یارانه مصرف روزانه بنزین در کلان شهرهای مندرج در جدول 7 که دارای مشکلات آلودگی در هوا و محیط‌زیست هستند، می‌توان تعداد روزهایی را مشخص کرد که در آن امکان استفاده کامل از بنزین حاوی 10 درصد اتانول وجود دارد.
کشورهای جهان برای سوختهای حاوی اتانول، یارانه می‌پردازند. یارانه پرداختی به سوختهای حاوی اتانول در امریکا و هندوستان به شرح زیر است:
امریکا: میزان یارانه پرداختی در امریکا برای هر گالن اتانول مصرفی تولید بنزین توسط شرکت‌های تولیدکننده بنزین اتانول‌دار، معادل 54 سنت و برای تولید کنندگان الکل، معادل 10 سنت و در مجموع برای هر لیتر بنزین E10،ا 648/1 سنت (140 ریال) است.
هندوستان: در هندوستان به ازای هر لیتر بنزین تولیدی اتانول‌دار (به میزان 10 درصد) معادل 75 روپیه (150 ریال) یارانه پرداخت می‌شود
فصل سوم
سوخت خورشیدی ، منابع پایدار
مقدمه
خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. طبق برآوردهای علمی در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.
قطر خورشید ۶۱۰ × ۳۹/۱ کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروژن (۸/۸۶ درصد) هلیوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر دیگر که مهم‌ترین آنها اکسیژن – کربن – نئون و نیتروژن است تشکیل شده‌است.
میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد میباشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می‌شود.
زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید حدود از کل انرژی تابشی آن میباشد.
جالب است بدانید که سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژیهای باد و آبشار و امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید میباشد.
تاریخچه
شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می‌گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدانهای محرابها را روشن می‌کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می‌شد.
ولی مهم‌ترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم میباشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می‌شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته‌است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده‌است. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمان‌های قدیم بوده‌است.
با وجود به آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستمها شده بود تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولد انرژی از راههای دیگر (غیر از استفاده سوختهای فسیلی) توجه جدی‌تری نمایند.
کاربردهای انرژی خورشید
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره‌گیری می‌شود که عبارت‌اند از:
1. استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی.
2. تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 68 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله سوخت های پاک
