أول شيء يجب أن تعرفه هو أن الكتلة الحيوية ليست أكثر من مادة عضوية من أصل نباتي أو حيوانيوالنفايات العضوية والنفايات مدرجة هنا ، وهي عرضة لاستخدامها في إنتاج الطاقة.
يرجع السبب إلى حقيقة أن النباتات تحول الطاقة المشعة للشمس إلى طاقة كيميائية من خلال البناء الضوئي ويتم تخزين جزء من هذه الطاقة في شكل مواد عضوية يمكننا الاستفادة منها.
حاليًا ، يتم قبول التعريف التالي للكتلة الحيوية:
"تعتبر الكتلة الحيوية مجموعة من منتجات الطاقة المتجددة والمواد الخام التي تنشأ من مادة عضوية مشكلة بوسائل بيولوجية".
ولهذا السبب ، فإن مفهوم الوقود الأحفوري والمواد العضوية المشتقة منه مثل البلاستيك ومعظم المنتجات الاصطناعية لا مكان له في تعريف الكتلة الحيوية.
على الرغم من أن هذا الوقود والمواد العضوية المشتقة كان لها أصل بيولوجي ، إلا أن تكوينها حدث في الماضي.
وبالتالي فإن الكتلة الحيوية هي طاقة متجددة من أصل شمسي من خلال عملية التمثيل الضوئي للنباتات.
بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لـ التوجيه 2003/30 / EC الكتلة الحيوية هي:
"الجزء القابل للتحلل البيولوجي من نفايات المنتجات والمخلفات من الزراعة والغابات والصناعات ذات الصلة ، وكذلك الجزء القابل للتحلل البيولوجي من النفايات الصناعية والبلدية."
مما ندرك أنه بشكل عام ، فإن أي تعريف للكتلة الحيوية يشمل مصطلحين بشكل أساسي ؛ متجددة وعضوية.
الكتلة الحيوية كمصدر للطاقة
منذ العصور القديمة ، استخدم الإنسان الكتلة الحيوية كمصدر للطاقة لأداء مهامه اليومية.
منذ بدء استخدام الوقود الأحفوري ، تم نسيان الكتلة الحيوية على مستوى منخفض، حيث كانت مساهمتها في إنتاج الطاقة الأولية ضئيلة.
اليوم ، بفضل عوامل مختلفة ، عادت الكتلة الحيوية إلى الظهور كمصدر للطاقة.
العوامل التي كانت مسؤولة عن إحياء الكتلة الحيوية كمصدر للطاقة هي:
- ارتفاع أسعار النفط.
- زيادة الإنتاج الزراعي.
- الحاجة إلى البحث عن استخدامات بديلة للإنتاج الزراعي.
- تغير مناخي.
- إمكانية استخدام المعرفة العلمية والتقنية لتحسين عملية إنتاج الطاقة.
- إطار اقتصادي مواتٍ لتطوير المصانع التي تستخدم الكتلة الحيوية كوقود ، وذلك بفضل دعم الإنتاج الذي تتلقاه محطات توليد الطاقة مع هذا المصدر.
- الصعوبة التنظيمية في تطوير أنواع أخرى من المشاريع ، مما يجعل الكتلة الحيوية هي البديل الأكثر منطقية لجعل الاستثمار الاقتصادي مربحًا.
أنواع الكتلة الحيوية
يتم الحصول على الكتلة الحيوية المستخدمة لإنتاج الطاقة من بقايا استغلال الغابات ، من صناعات التحول الأول والثاني للخشب ، من الجزء العضوي للنفايات الصلبة الحضرية ، من النفايات الناتجة عن عمليات الثروة الحيوانية ، من المنتجات الزراعية والغابات ومحاصيل الطاقة ، تلك المخصصة حصريًا لاستغلالها للحصول على الكتلة الحيوية.
وبوجه عام، يتم الحصول على الكتلة الحيوية من أي منتج عضوي عرضة لاستخدام الطاقة، على الرغم من أن هذه هي أهمها.
الكتلة الحيوية الطبيعية
الكتلة الحيوية الطبيعية هي التي تنتج في النظم البيئية الطبيعية. الاستغلال المكثف لهذا المورد لا يتوافق مع حماية البيئة ، رغم أنه أحد مصادر الطاقة الرئيسية في البلدان المتخلفة.
يتم إنشاء هذه الكتلة الحيوية الطبيعية دون أي تدخل بشري لتعديلها أو تحسينها.
هو في الأساس حول مخلفات الغابات:
- مشتقات تنظيف الغابات وبقايا المزارع
- الحطب والفروع
- الصنوبريات
- المورقة
الكتلة الحيوية المتبقية
الكتلة الحيوية المتبقية ما ولدت في الأنشطة البشرية التي تستخدم المواد العضوية. القضاء عليه في كثير من الحالات هو مشكلة. يرتبط هذا النوع من الكتلة الحيوية بمزايا في استخدامه:
- يقلل من مخاطر التلوث والحرائق.
- تقليل مساحة المكب.
- يمكن أن تكون تكاليف الإنتاج منخفضة.
- يمكن أن تكون تكاليف النقل منخفضة.
- تجنب انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
- استحدث الوظائف.
- يساهم في التنمية الريفية.
يتم تقسيم الكتلة الحيوية المتبقية بدورها إلى سلسلة من الفئات المذكورة أدناه.
الفائض الزراعي
تعتبر الفوائض الزراعية غير المستخدمة للاستهلاك البشري مناسبة للاستخدام ككتلة حيوية لأغراض الطاقة.
هذا الاستخدام للمنتجات الزراعية المستخدمة في السلسلة الغذائية البشرية تسبب في سمعة سيئة غير مبررة استخدام الكتلة الحيوية لأغراض الطاقة ، حيث تم اتهام هذا الاستخدام بزيادة تكلفة بعض المنتجات الزراعية التي تشكل أساس الغذاء في العديد من بلدان العالم الثالث والبلدان النامية.
يمكن استخدام هذه الفوائض الزراعية كوقود في محطات توليد الكهرباء وتحويلها إلى وقود حيوي.
محاصيل الطاقة
محاصيل الطاقة المذكورة أعلاه هي محاصيل محددة مخصصة حصريًا لإنتاج الطاقة.
على عكس المحاصيل الزراعية التقليدية ، فإن خصائصها الرئيسية هي إنتاجية عالية من الكتلة الحيوية وبيئة عالية ، معبراً عنها بخصائص مثل مقاومة الجفاف والمرض والقوة والنمو المبكر والقدرة على إعادة النمو والتكيف مع الأراضي الهامشية.
يمكن أن تشمل محاصيل الطاقة المحاصيل التقليدية (الحبوب وقصب السكر والبذور الزيتية) والمحاصيل غير التقليدية (السينارا والباتاكا والذرة الرفيعة) التي تخضع للعديد من الدراسات لتحديد احتياجاتها الزراعية.
عمليات تحويل الكتلة الحيوية
كما رأينا أعلاه ، فإن التنوع الكبير في المواد المضمنة في مفهوم الكتلة الحيوية يسمح بدوره بإنشاء ملف مجموعة متنوعة من عمليات التحول الممكنة من هذه الكتلة الحيوية إلى طاقة.
لهذا السبب ، يمكن تحويل الكتلة الحيوية إلى أشكال مختلفة من الطاقة من خلال تطبيق عمليات التحويل المختلفة ، وهذه الأنواع من الطاقة هي:
الحرارة والبخار
من الممكن توليد الحرارة والبخار عن طريق حرق الكتلة الحيوية أو الغاز الحيوي.
يمكن أن تكون الحرارة هي المنتج الرئيسي لتطبيقات التدفئة والطهي ، أو يمكن أن تكون نتيجة ثانوية لتوليد الكهرباء في المحطات التي تولد الكهرباء والبخار.
وقود غازي
يمكن استخدام الغاز الحيوي المنتج في عمليات الهضم اللاهوائي أو التغويز في محركات الاحتراق الداخلي لتوليد الكهرباء والتدفئة والتكييف في القطاعات المنزلية والتجارية والمؤسسية وفي المركبات المعدلة.
الوقود الحيوي
إن إنتاج الوقود الحيوي مثل الإيثانول ووقود الديزل الحيوي (يمكنك إلقاء نظرة على المقالة كيفية صنع وقود الديزل الحيوي محلي الصنع) لديه القدرة على استبدال كميات كبيرة من الوقود الأحفوري في العديد من تطبيقات النقل.
أظهر الاستخدام المكثف للإيثانول في البرازيل ، لأكثر من 20 عامًا ، ذلك الوقود الحيوي ممكن تقنيًا على نطاق واسع.
في الولايات المتحدة وأوروبا يتزايد إنتاجها ويتم تسويقها مختلطة بالمشتقات البترولية.
على سبيل المثال ، الخليط المسمى E20 ، المكون من 20٪ إيثانول و 80٪ بترول ، قابل للتطبيق في معظم محركات الإشعال.
حاليًا ، يتلقى هذا النوع من الوقود نوعًا من منحة أو مساعدة الدولةولكن ، في المستقبل ، مع زيادة محاصيل الطاقة ووفورات الحجم ، يمكن أن يؤدي خفض التكاليف إلى جعل إنتاجها تنافسيًا.
كهرباء
يمكن تسويق الكهرباء المولدة من الكتلة الحيوية على أنها "طاقة خضراء" منذ ذلك الحين لا يساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري لأنه خالٍ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2).
يمكن أن يقدم هذا النوع من الطاقة خيارات جديدة للسوق ، لأن هيكل التكلفة الخاص به سيسمح للمستخدمين بدعم مستويات أعلى من الاستثمار في التقنيات الفعالة ، مما سيزيد من صناعة الطاقة الحيوية.
التوليد المشترك (الحرارة والكهرباء)
التوليد المشترك يشير إلى الإنتاج المتزامن للبخار والكهرباء ، التي يمكن تطبيقها على العديد من العمليات الصناعية التي تتطلب كلا الشكلين من الطاقة.
في أمريكا الوسطى ، على سبيل المثال ، هذه العملية شائعة جدًا في صناعة السكر ، حيث يمكن الاستفادة من نفايات العملية ، خاصة تفل قصب السكر.
نظرًا للاعتمادية العالية لتفل قصب السكر المتاح ، فإن التوليد المشترك تقليديًا يتم بكفاءة تامة. ومع ذلك ، كان هناك اتجاه في السنوات الأخيرة لتحسين عملية توليد المزيد من الكهرباء وبيع الفائض لشبكة الكهرباء.
يمكن تقسيم العمليات التي يمكن اتباعها لإجراء هذا التحول إلى الفيزيائية والفيزيائية والكيميائية والحرارية والبيولوجية.
الاحتراق في مصانع الكتلة الحيوية
ببساطة ، الاحتراق هو تفاعل كيميائي سريع إلى حد ما ، حيث يجمع الأكسجين من الهواء (ما هو المؤكسد) مع العناصر المؤكسدة المختلفة للوقود وبالتالي ينشأ عن إطلاق الحرارة.
لهذا السبب ، لكي تحدث هذه العملية الكيميائية ، يجب أن تحدث هذه الظروف الأربعة:
- يجب أن يكون هناك كمية كافية من الوقود ، أي الكتلة الحيوية.
- يجب أن تصنع كمية كافية من هواء الاحتراق الذي يحتوي على الأكسجين الضروري لأكسدة الوقود أو التفاعل معه.
- يجب أن تكون درجة الحرارة عالية بما يكفي لحدوث التفاعل واستمراره. إذا كانت درجة الحرارة لا تتجاوز قيمة معينة ، تسمى نقطة الوميض ، فإن المؤكسد والوقود لا يتفاعلان.
- يجب أن يكون هناك بادئ احتراق ، وعادة ما يكون لهب موجود مسبقًا. هذا يعني أن العناصر الأخرى تشارك عادة في اشتعال نظام الاحتراق ، حتى أنواع الوقود الأخرى.
المعالجة المسبقة للكتلة الحيوية
يجب أن تخضع الكتلة الحيوية ، قبل الشروع في احتراقها في المرجل ، لعملية تحضير سابقة ، والتي تسهيل عملية التفاعل بين الوقود والمؤكسد.
تسهل هذه العملية الاحتراق لأنها تضبط بشكل أساسي قياس الحبيبات ودرجة الرطوبة.
مجموعة العمليات أو العلاجات السابقة لها ثلاثة أهداف أساسية:
- تجانس إدخال الكتلة الحيوية في المرجل ، بحيث يتلقى المرجل تدفقًا ثابتًا للطاقة بقيمة مماثلة.
- تخفيض قياس الحبيبات لزيادة مساحة سطحه المحددة.
في الواقع ، كلما كان حجم الحبوب أصغر ، زادت مساحة السطح بحيث يمكن للوقود والمؤكسد التفاعل ، وبالتالي تسريع التفاعل وتقليل كمية الكتلة الحيوية التي لا تتفاعل (غير محترقة) - تقليل الرطوبة الذي يحتوي عليه ، وتجنب استخدام ذلك الجزء من الحرارة المنبعثة في الاحتراق كحرارة لتبخير الماء ، مما يقلل من درجة حرارة الأبخرة.
كل هذا يجب أن يتم أيضًا باستخدام أقل استهلاك ممكن للطاقةنظرًا لأن كل الطاقة المستهلكة في هذه العمليات ، ما لم تكن طاقة أو طاقة متبقية يمكن استخدامها بدون تكلفة ، ستعني انخفاضًا في صافي الطاقة التي يولدها المصنع.
مرجل الكتلة الحيوية
المرجل هو بالتأكيد المعدات الرئيسية لمحطة الطاقة الحرارية لاحتراق الكتلة الحيوية.
في ذلك ، يتم تنفيذ عملية تحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الكتلة الحيوية إلى طاقة حرارية ، والتي سيتم تحويلها لاحقًا إلى طاقة ميكانيكية.
المرجل ، بالإضافة إلى كونه الجهاز الرئيسي ، هو أيضًا الشاغل الرئيسي للفنيين المسؤولين عن تشغيل المصنع.
لا شك أن المعدات هي التي يمكن أن تسبب معظم المشاكل المحتملة ، وتتسبب في معظم فترات التوقف عن العمل ، وتتطلب صيانة أكثر صرامة.
الأسباب التي تجعل المرجل يمثل مشكلة المعدات كما يلي:
- إنها تقنية ناشئة ، وليست متطورة بما فيه الكفاية. في مواجهة الخبرة الكبيرة المتراكمة في عمليات الاحتراق الأخرى التي تطلق كمية كبيرة من الطاقة الحرارية من أكسدة الوقود الصلب ، مثل محطات الفحم ، يواجه احتراق الكتلة الحيوية سلسلة من المشكلات الجديدة التي لم تتم معالجتها بعد. تم حلها بشكل مرضٍ تمامًا.
- يتسبب المحتوى العالي من البوتاسيوم والكلور في الكتلة الحيوية في حدوث تآكل وتآكل في أجزاء مختلفة من المرجل.
- الاحتراق ليس مستقرًا تمامًا ، مما يؤدي إلى اختلافات كبيرة في الضغط ودرجة الحرارة.
- هناك صعوبة كبيرة في أتمتة التحكم في الغلاية بالكامل ، بسبب تنوع الظروف التي يمكن فيها تقديم الكتلة الحيوية عند المدخل.
- ربحية المحطات ، حتى مع أقساط إنتاج الكهرباء التي يوفرها التشريع الإسباني ، ضيقة للغاية ، مما يؤدي إلى توفير جميع المكونات ، بما في ذلك الغلاية. لذلك ، لا يتم استخدام أفضل المواد أو أفضل التقنيات ، بسبب التكلفة المتزايدة التي تنطوي عليها.
واحدة فقط يمكن أن يؤدي الاختيار الصحيح لنوع المرجل إلى النجاح في تحقيق مشروع توليد كهرباء الكتلة الحيويةفي الوقت نفسه ، فإن الاختيار غير المناسب سيجعل من الصعب للغاية أن يكون الاستثمار في هذا النوع من المصانع ، والذي يمثل ما بين 1 و 3 ملايين يورو لكل ميجاوات من الطاقة الكهربائية المركبة ، مربحًا.
محطات الكتلة الحيوية الكهروحرارية
المصنع الكهروحراري للكتلة الحيوية هو أ محطة توليد الطاقة يستفيد من الطاقة الكيميائية الموجودة في كمية معينة من الكتلة الحيوية والتي يتم إطلاقها كطاقة حرارية من خلال عملية الاحتراق.
في المقام الأول ، يجب أن يكون لمحطة استعادة طاقة الكتلة الحيوية نظام معالجة مسبقة للكتلة الحيوية ، وتتمثل أغراضه الرئيسية في تقليل الرطوبة التي تحتوي عليها ، وتكييف حجم الكتلة الحيوية وتوحيدها ، من أجل توحيد الشروط. يدخل في الغلاية ويحقق أعلى كفاءة لنظام الاحتراق.
بمجرد إطلاق الطاقة الحرارية في فرن مناسب ، فإن الغازات المنبعثة أثناء الاحتراق ، المكونة من ثاني أكسيد الكربون و H2O في الغالب مع مواد صلبة وغازية أخرى ، تتبادل حرارتها في غلاية يدور الماء من خلالها ، والتي تتحول عادة إلى بخار عند ضغط ودرجة حرارة معينة.
تمر غازات احتراق الكتلة الحيوية عبر المرجل ، وتنتج طاقتها للماء / البخار في مراحل مختلفة: الجدران المائية ، السخان الفائق ، شعاع المرذاذ ، الموفر ، سخانات الهواء.
يتم بعد ذلك نقل البخار تحت الضغط المتكون في الغلاية إلى التوربينات ، حيث يتمدد ، مما ينتج عنه تحول طاقة جديد يتم من خلاله تحويل الطاقة الكامنة الموجودة في البخار تحت الضغط أولاً في الطاقة الحركية ، ثم في الطاقة الميكانيكية الدورانية.
الإطار التشريعي لمحطات الطاقة الحرارية للكتلة الحيوية في إسبانيا
توليد الكهرباء في إسبانيا يتوافق مع مستثمرين من القطاع الخاص، على الرغم من أنه نشاط تنظمه الدولة بشدة.
تنظم قوانين ومراسيم مختلفة هذا النشاط ، ومن الضروري لأي فني يعمل في محطات توليد الطاقة بالكتلة الحيوية أن يعرف هذا الإطار القانوني.
تخضع الأنشطة المختلفة المتعلقة بالطاقة الكهربائية لتدخل معين من الدولة ، نظرًا لأهمية هذه الأنشطة.
تقليديا ، تم استخدام طابع الخدمة العامة ، حيث تكون الدولة مسؤولة عن توليد ونقل وتوزيع وتسويق الطاقة الكهربائية.
اليوم لم تعد خدمة عامة ، حيث تم تحرير هذه الأنشطة بالكامل.
يتم الحفاظ على التدخل العام حاليًا نظرًا لأنها تخضع لأنشطة تنظيمية صارمة. سيكون من المثير للاهتمام دراسة في المقام الأول كيف هي المعايير المختلفة التي يمكن أن تؤثر على الأنشطة المتعلقة بتوليد ونقل وبيع الطاقة الكهربائية.
الكتلة الحيوية للاستخدام المنزلي
على الرغم من أنني ركزت بشكل أكبر على الحصول على الطاقة من أجل الكهرباء ، فقد تم ذكر استخدام الكتلة الحيوية لتوليد الحرارة لاستخدام التدفئة والأفضل من ذلك ، على المستوى المحلي مع الغلايات والمواقد المخصصة حصريًا لها.
إذا كنت تريد المزيد من المعلومات يمكنك قراءة مقال زميلي جيرمان كل ما تريد معرفته عن مواقد الحبيبات
بهذه الطريقة ، لن يكون هناك من يمنعك من مسألة الكتلة الحيوية ومن يدري ، ربما تجرؤ على تثبيت أحد هذه المواقد في منزلك.