سالهاست که سوختهای فسیلی بخش اصلی تأمین انرژی در جهان را بر عهده دارند، اما استفاده مداوم از این منابع با پیامدهای جدی همراه بوده است. آلودگی هوا، افزایش گازهای گلخانهای، تشدید تغییرات اقلیمی و کاهش منابع تجدیدناپذیر از جمله مهمترین مشکلاتی هستند که ادامه این مسیر ایجاد میکند. به همین دلیل، توجه پژوهشگران و سیاستگذاران به سمت منابع انرژی پاکتر و پایدارتر جلب شده است. در این میان، انرژیهای تجدیدپذیر جایگاه مهمی پیدا کردهاند، زیرا میتوانند وابستگی به سوختهای فسیلی را کاهش دهند و در عین حال آسیب کمتری به محیطزیست وارد کنند. یکی از گزینههای مهم در این حوزه، زیستتوده است، یعنی مواد آلیای که میتوان از آنها برای تولید انرژی استفاده کرد و در صورت مدیریت درست، میتوانند بخشی از نیازهای آینده را تأمین کنند.
زیستتوده از موادی مانند چوب، بقایای کشاورزی و برخی پسماندهای آلی تشکیل میشود و به دلیل ماهیت تجدیدپذیر خود، به عنوان یک گزینه مهم در تولید پایدار انرژی شناخته میشود. اهمیت این منبع در آن است که کربن آزادشده از مصرف آن، تا حد زیادی با کربنی که گیاه در دوره رشد جذب کرده، متعادل میشود؛ به همین دلیل از آن با عنوان منبعی نزدیک به «خنثی از نظر کربن» یاد میشود. افزون بر این، زیستتوده فقط برای تولید گرما یا برق کاربرد ندارد و میتواند در سامانههای پیچیدهتر برای تولید همزمان چند محصول مانند برق، آب شیرین یا حتی سوختهای پاک به کار رود. از همین رو، بررسی روشهایی که بتوانند از یک ماده به ظاهر کمارزش، مانند پوسته قهوه، چندین محصول مفید به دست آورند، از نظر علمی و کاربردی اهمیت زیادی دارد.
در همین چارچوب، امیرحسین شیری از بخش مهندسی فرآیند دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه تربیت مدرس، با همکاری دانشگاه یاسوج، پژوهشی را درباره طراحی یک سامانه تولید همزمان بر پایه سوخت زیستتوده پوسته قهوه انجام داده است. این مطالعه به زبان ساده به این پرسش میپردازد که آیا میتوان از پوسته قهوه، که معمولاً یک پسماند به شمار میرود، در یک سامانه یکپارچه برای تولید همزمان هیدروژن، آب شیرین، برق، آب گرم و آب سرد استفاده کرد یا نه. اهمیت این کار در آن است که به جای نگاه صرف به تولید یک نوع انرژی، تلاش شده چند نیاز مختلف بهطور همزمان در یک ساختار مشترک پاسخ داده شود.
در این پژوهش، یک سامانه یکپارچه بررسی شده که در آن از احتراق زیستتوده پوسته قهوه و همچنین سرمایش گاز طبیعی مایعشده استفاده میشود. این سامانه از چند بخش اصلی تشکیل شده است؛ از جمله چرخه رانکین آلی، چرخه رانکین آمونیاک، واحد نمکزدایی چنداثره و الکترولایزر غشای تبادل یونی. برای فهم سادهتر، میتوان گفت پژوهشگران سامانهای را طراحی کردهاند که انرژی موجود در پوسته قهوه را به شکلهای مختلف بازیابی و هدایت میکند تا چند محصول مفید به دست آید. نمکزدایی چنداثره روشی برای شیرین کردن آب است که با استفاده مرحلهای از گرما، آب شور را به آب قابل استفاده تبدیل میکند. الکترولایزر غشای تبادل یونی نیز دستگاهی است که با استفاده از برق، آب را تجزیه و هیدروژن تولید میکند.
نتایج این مطالعه نشان میدهند که سامانه پیشنهادی از نظر تولید همزمان چند محصول، توانایی قابل توجهی دارد. بر اساس یافتهها، این سامانه دارای بازده حرارتی حدود ۱۰درصد و بازده الکتریکی حدود ۹۱ درصد است. همچنین سامانه میتواند ۸۳۹۱ کیلووات توان الکتریکی، ۵۰۵۳ کیلووات توان سرمایشی و ۸۵۰ کیلووات توان گرمایشی تولید کند. افزون بر این، میزان تولید هیدروژن در آن ۱۲/۱ کیلوگرم بر ساعت و میزان تولید آب شیرین ۱۵۶۹ کیلوگرم بر ساعت گزارش شده است.
یافتههای تکمیلی نشان میدهند که با تنظیم بهتر برخی دماها در سامانه، میتوان بازده بخش سرمایشی را به شکل محسوسی بهتر کرد. همچنین بررسی حساسیت سامانه نشان داده که برخی دماهای کلیدی، مانند دمای سیال ورودی به توربین چرخه رانکین آلی و دمای خروجی از تبخیرکننده، اثر مهمی بر کارایی کلی دارند.
اهمیت این پژوهش در آن است که یک پسماند زیستی مانند پوسته قهوه را به عنوان منبعی برای تولید همزمان چند خدمت مهم مطرح میکند: برق، هیدروژن، آب شیرین، گرمایش و سرمایش. این رویکرد میتواند بهویژه در شرایطی که هم کمبود آب و هم نیاز به انرژی پاک وجود دارد، توجهبرانگیز باشد. همچنین استفاده همزمان از چند فناوری در یک سامانه واحد میتواند به بهرهبرداری بهتر از انرژی کمک کند و اتلاف را کاهش دهد. پژوهشگران در این مطالعه برای کاهش برگشتناپذیری در بخارساز چرخه رانکین آلی نیز دو راهکار اصلاحی پیشنهاد کردهاند و ارزیابیها نشان داده اجرای این راهکارها میتواند بازده حرارتی و کارایی اکسرژی سامانه را بهبود دهد.
از سوی دیگر، نتایج این تحقیق که در «فصلنامه فرآیند نو» وابسته به شرکت ملی پالایش و پخش فرآوردههای نفتی ایران منتشر شدهاند، حاکی از آن هستند که هنوز مسیر توسعه این سامانه ادامه دارد و میتوان در آینده آن را از جنبههای بیشتری بررسی کرد. در ادامه محققان پیشنهاد نمودهاند که مطالعات آینده به سمت بهینهسازی چندهدفه و ارزیابی فنی-اقتصادی پیش برود. این موضوع مهم است، زیرا یک فناوری زمانی به مرحله استفاده صنعتی نزدیک میشود که علاوه بر عملکرد فنی، از نظر هزینه، امکان اجرا و شرایط بهرهبرداری نیز قابل قبول باشد. بنابراین این مطالعه را میتوان گامی اولیه اما مهم در مسیر طراحی سامانههای پایدارتر دانست که بتوانند از مواد دورریختنی، محصولات مفید و متنوع تولید کنند.
منبع:ایسنا
