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.
کلیدواژه: انرژی، بیوگاز، زباله زیستی، جهان، منابع جانشین
مقدمه
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).