Skip to main content
Global

18.6: דלק ביולוגי (אנרגיית ביומסה)

  • Page ID
    209301
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    דלקים ביולוגיים (אנרגיית ביומסה) מכילים אנרגיה המופקת מאורגניזמים, כגון פסולת בעלי חיים, צמחים או אצות. זוהי צורה עקיפה נוספת של אנרגיה סולארית. לדלקים ביולוגיים שימושים רבים. הם נשרפים ישירות או מומרים תחילה לאתנול (לרוב בעזרת חיידקים ופטריות) לייצור חשמל. החום מהבעירה מייצר קיטור והופך טורבינה להנעת גנרטור. ביודיזל מציעה אלטרנטיבה לפטרוכימיה לתדלוק רכבים. דלקים ביולוגיים אף שימשו להנעת מטוסים קטנים (איור\(\PageIndex{a}\)). יתר על כן, שריפת עץ או קש מספקת חימום.

    מטוס קרב של חיל הים בשם "הצרעה הירוקה" טס
    איור\(\PageIndex{a}\): טיסת ניסוי של "הצרעה הירוקה", מטוס קרב של חיל הים המונע בחלקו על ידי דלק ביולוגי. תמונה מאת הצי האמריקאי (נחלת הכלל).

    שלא כמו דלקים מאובנים, דלק ביולוגי הוא ניטרלי פחמן (איור\(\PageIndex{b}\)). דלקים מאובנים אוגרים פחמן שנלכד על ידי אורגניזמים לפני מיליוני שנים. כאשר אנו שורפים אותם, פחמן דו חמצני משתחרר הרבה יותר מהר ממה שהוא הוסר. דלקים ביולוגיים הוציאו פחמן דו חמצני מהאטמוספירה לאחרונה, והם נוצרים על פני טווחי זמן קצרים יותר. כאשר דלקים ביולוגיים נשרפים, פחמן דו חמצני זה שהוסר לאחרונה משתחרר בחזרה לאטמוספירה.

    מאגר נפט וגז טבעי ותחנת כוח. בעירה משחררת פחמן דו חמצני לאטמוספירה.חווה מייצרת דלקים ביולוגיים שנשרפים. התהליך הוא ניטרלי פחמן, גם מסיר וגם מוסיף פחמן דו חמצני לאטמוספירה.
    איור\(\PageIndex{b}\): דלקים מאובנים, כגון נפט וגז טבעי, מכילים פחמן שאוחסן מתחת לאדמה במשך מיליוני שנים. בעירה (שריפה) של דלקים מאובנים אלה משחררת פחמן דו חמצני לאטמוספירה, ותורמת לשינויי האקלים. כאשר מגדלים דלקים ביולוגיים, הם לוכדים פחמן דו חמצני באמצעות פוטוסינתזה. שריפתם או מוצריהם לחום, תחבורה או ייצור חשמל משחררים את הפחמן הדו-חמצני הזה, שנלכד רק לאחרונה. מסיבה זו, דלק ביולוגי נחשב ניטרלי פחמן. תמונות שנוצרו על ידי מליסה הא מ- NETL/DOE (נחלת הכלל) ו- publicdomainvectors.org (נחלת הכלל).

    יתרון נוסף של דלק ביולוגי הוא שניתן לייצר אותם באופן מקומי וניתן לטפח אותם במקומות רבים ושונים. מצד שני, הם תופסים מקום שאחרת יכול לשמש לייצור מזון. כדי לסבך עוד יותר את העניינים, המאפיינים שהופכים מין צמחי לאידיאלי לדלק ביולוגי (כמו עמידות בפני מזיקים וצמיחה מהירה) הם גם מאפיינים המסייעים למינים פולשים לשגשג. יש להקפיד להכיל מינים אלה אם הם גדלים מחוץ לטווח הילידים שלהם.

    בעירה של פסולת עירונית מוצקה (ראה להלן) או פסולת של בעלי חיים כדלק ביולוגי, מפחיתה פסולת ומייצרת חשמל בו זמנית. בניגוד לרוב צורות האנרגיה המתחדשת, בעירה של דלק ביולוגי מזהמת את האוויר. (הפחמן הדו חמצני המשתחרר אינו מהווה בעיה מכיוון שדלקים ביולוגיים הם ניטרליים בפחמן, אך גם מזהמי אוויר אחרים משתחררים.) למעשה, זיהום אוויר פנימי משריפות המשמשות לבישול בתוך הבית הוא גורם מוות עיקרי במדינות מתפתחות.

    יש להעריך כל סוג של ביומסה על השפעתו הסביבתית והחברתית על מנת לקבוע אם הוא באמת מקדם קיימות ומפחית את ההשפעות הסביבתיות. לדוגמה, כריתת שטחים גדולים של יערות רק לייצור אנרגיה אינה אפשרות בת קיימא מכיוון שדרישות האנרגיה שלנו כה גדולות עד שהיינו מבטלים במהירות את העולם, והורסים בית גידול קריטי. כדי שביומסה תהיה אופציה בת קיימא, היא בדרך כלל צריכה להגיע מחומר פסולת, כגון נסורת טחנת עצים, בוצה של טחנת נייר, פסולת חצר או קליפות שיבולת שועל ממפעל לעיבוד שיבולת שועל, זבל בעלי חיים או אשפה. חומרים אלה היו פשוט מצטברים או מתפרקים. מספר דוגמאות לשימוש בדלק ביולוגי נדונות להלן ביתר פירוט, כולל היתרונות והחסרונות הספציפיים של סוג השימוש.

    שריפת עץ

    שימוש בעץ ופחם העשוי מעץ לחימום ובישול יכול להחליף דלקים מאובנים ועלול לגרום לפליטת פחמן דו חמצני נמוכה יותר. אם עצים נקצרים מיערות או מגרשים שיש לדלל או מעצים עירוניים שנופלים או שצריך לכרות בכל מקרה, אז השימוש בו לביומסה אינו משפיע על אותן מערכות אקולוגיות. עם זאת, עשן עץ מכיל מזהמים מזיקים כמו פחמן חד חמצני וחומרים חלקיקים (ראה זיהום אוויר).

    לחימום הבית, הוא היעיל ביותר והכי פחות מזהם בעת שימוש בתנור עץ מודרני או בתוספת אח המיועדים לשחרר כמויות קטנות של חלקיקים. עם זאת, במקומות בהם עץ ופחם הם דלקי בישול וחימום עיקריים כמו במדינות מתפתחות, העץ עשוי להיבצר מהר יותר מכפי שעצים יכולים לצמוח וכתוצאה מכך כריתת יערות (איור\(\PageIndex{c}\)). החלק הגדול ביותר בשימוש בדלק ביולוגי מגיע מביומסה מסורתית, בעיקר עץ דלק שנאסף לבישול וחימום ביתי, לרוב ללא התחשבות בהחלפה בת קיימא.

    ארבעה שלבים של ייצור פחם באוגנדה. הראשון הוא כריתת יערות.
    איור\(\PageIndex{c}\): ייצור פחם באוגנדה. (א) עצים שנכרתו לפחם. (ב) חתיכות עצי הסקה. (ג) בולי עץ נקראים לשריפת פחם. (ד) פחם ארוז ומוכן לשוק. תמונה וכיתוב (שונה) מ- Bamwesigye et al. קיימות 2020, 12 (20), 8337. (CC-BY)

    ניתן להשתמש בביומסה בתחנות כוח קטנות. למשל, לקולגייט קולג 'יש דוד עצים מאז אמצע שנות השמונים (איור). \(\PageIndex{d}\) בשנה אחת היא עיבדה כ -20,000 טונות של שבבי עץ שנקטפו באופן מקומי ובר-קיימא, שווה ערך ל -1.17 מיליון גלונים (4.43 מיליון ליטר) מזוט, תוך הימנעות מ -13,757 טון פליטות וחסכה לאוניברסיטה מעל 1.8 מיליון דולר בעלויות חימום. מתקן שריפת העצים לייצור קיטור של האוניברסיטה מספק כעת יותר מ 75% מצרכי החום והמים החמים הביתיים של הקמפוס.

    תצלום מראה ערימה של שבבי עץ, שהם סוג של ביומסה
    איור\(\PageIndex{d}\): שבבי עץ הם דוגמה אחת לדלק ביולוגי שניתן לשרוף כדי לייצר חשמל. מקור: אולריצ'ולריך

    פסולת עירונית מוצקה

    פסולת מוצקה עירונית (MSW) ידועה בכינויו זבל ויכולה ליצור חשמל על ידי שריפתה ישירות או על ידי שריפת המתאן המיוצר כשהוא מתפורר. תהליכי פסולת לאנרגיה זוכים להתעניינות מחודשת מכיוון שהם יכולים לפתור שתי בעיות בבת אחת: סילוק פסולת וייצור אנרגיה ממשאב מתחדש. רבות מההשפעות הסביבתיות דומות לאלו של מפעל פחם: זיהום אוויר, ייצור אפר וכו 'מכיוון שמקור הדלק פחות סטנדרטי מפחם וחומרים מסוכנים עשויים להיות קיימים ב- MSW, משרפות ותחנות כוח פסולת לאנרגיה צריכות לנקות את הגזים מחומרים מזיקים. הסוכנות להגנת הסביבה בארה"ב מסדירה את המפעלים הללו בקפדנות רבה ודורשת התקנת מכשירים נגד זיהום. כמו כן, בזמן שריפה בטמפרטורה גבוהה, רבים מהכימיקלים הרעילים עלולים להתפרק לתרכובות פחות מזיקות. האפר מצמחים אלה עשוי להכיל ריכוזים גבוהים של מתכות שונות שהיו בפסולת המקורית. אם אפר נקי מספיק ניתן "למחזר אותו" ככיסוי למזבלה של MSW או לבניית כבישים, גושי מלט ושוניות מלאכותיות (בדומה לשוניות אלמוגים, אך נבנו על ידי בני אדם).

    גז הטמנה (ביוגז)

    גז הטמנה (ביוגז) הוא מעין גז "ביוגני" מעשה ידי אדם כפי שנדון לעיל (איור). \(\PageIndex{e}\) מתאן נוצר כתוצאה מתהליכים ביולוגיים במפעלי טיהור שפכים, מזבלות פסולת, קומפוסט אנאירובי ומערכות ניהול זבל בעלי חיים. גז זה נלכד ונשרף כדי לייצר חום או חשמל. החשמל עשוי להחליף חשמל המיוצר על ידי שריפת דלקים מאובנים, הפחתת פליטת פחמן דו חמצני. ההשפעות הסביבתיות היחידות הן מהקמת המפעל עצמו, בדומה לזו של מפעל גז טבעי.

    איסוף, עיבוד ושימוש בגז הטמנה
    איור\(\PageIndex{e}\): איסוף ועיבוד של גז הטמנה לייצור מתאן לשימושים מרובים. ראשית, גז הטמנה נאסף מבאר גז ההטמנה. מערכת צנרת אנכית ואופקית הקבורה במזבלה עירונית של פסולת מוצקה. גז ההטמנה מעובד ומטופל לשימוש (מפוח/התלקחות/טיפול). שימושים סופיים פוטנציאליים כוללים שימושים תעשייתיים/מוסדיים, אומנויות ומלאכות, גז צינור ודלק לרכב. תמונה וכיתוב (שונה) מתוכנית ההסברה של מטמנה מתאן/EPA (נחלת הכלל).

    ביואתנול וביודיזל

    ביו-אתנול וביו דיזל הם דלקים ביולוגיים נוזליים המיוצרים מצמחים, בדרך כלל יבולים. ניתן לתסוס ביואתנול בקלות ממיץ קנה סוכר, כפי שנעשה בברזיל. בנוסף, ניתן לתסוס אותו מעמילן תירס מפורק, כפי שנעשה בעיקר בארצות הברית.

    יש לקחת בחשבון את ההשפעות הכלכליות והחברתיות של גידול צמחים לדלקים, שכן האדמה, הדשנים והאנרגיה המשמשים לגידול גידולי דלק ביולוגי יכולים לשמש לגידול גידולי מזון במקום. תחרות הקרקע על דלק מול מזון יכולה להעלות את מחיר המזון, מה שמשפיע לרעה על החברה. זה יכול גם להפחית את אספקת המזון ולהגדיל את תת התזונה והרעב ברחבי העולם. כמו כן, בחלקים מסוימים של העולם נכרתו שטחים נרחבים של צמחייה טבעית ויערות כדי לגדל קני סוכר לביואתנול ופולי סויה ועצי שמן דקלים לייצור ביו-דיזל. זה לא שימוש בר קיימא בקרקע. דלק ביולוגי נגזר מחלקי צמחים שאינם משמשים למזון, כגון גבעולים, מפחית את השפעתם הסביבתית. ניתן להכין ביו-דיזל משמן צמחי משומש והופק על בסיס מקומי מאוד. בהשוואה לסולר, פטרוכימיה המופקת מנפט גולמי, בעירה ביו-דיזל מייצרת פחות תחמוצות גופרית, חלקיקים, פחמן חד חמצני ופחמימנים לא שרופים ואחרים, אך היא מייצרת יותר תחמוצת חנקן (ראה זיהום אוויר).

    דלק ביולוגי נוזלי מחליף בדרך כלל נפט ומשמש להנעת כלי רכב (איור\(\PageIndex{f}\)). למרות שתערובות אתנול-בנזין נשרפות נקיות יותר מבנזון טהור, הן גם נדיפות יותר ולכן יש להן "פליטת אידוי" גבוהה יותר ממכלי דלק וציוד מחלק. פליטות אלה תורמות להיווצרות אוזון וערפיח מזיקים בגובה הקרקע (ראה זיהום אוויר). בנזין דורש עיבוד נוסף כדי להפחית את פליטת האידוי לפני שהוא מעורבב עם אתנול.

    בחזית האוטובוס כתוב: "תוכנית הסויה של נברסקה" ובמגרש האוטובוסים כתוב "מרכז העיר".
    איור\(\PageIndex{f}\): אוטובוס שפועל על ביו דיזל סויה. תמונה וכיתוב (שונה) ממשרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל).

    ייחוס

    שונה על ידי מליסה הא מאנרגיה מתחדשת ואתגרים והשפעות של שימוש באנרגיה מביולוגיה סביבתית על ידי מתיו ר 'פישר (מורשה תחת CC-BY)