تبدیل زباله به هیدروژن

تبدیل زباله به هیدروژن
تهیه و تنظیم: سمیه خطی

منبع: برگرفته از نوشته ویکی مک کانل روزنامه نگار امریکایی در «بولتن پیل‌سوختی». مک کانل بیش از یک دهه است که در مورد فناوری پیل‌سوختی و توسعه تجاری آن می‌نویسد.


سازندگان پیل‌های سوختی در سطح جهان از اوایل دهه ۱۹۹۰ درحال بررسی کاربردهای مرتبط با تبدیل زباله به انرژی ((WtE و به‌صورت تولید هیدروژن از زباله می‌باشند. در طول این مدت عملکرد پیل‌های ‌سوختی پلیمری، قلیایی، کربنات مذاب و کربنات مستقیم، اکسیدجامد و اسید فسفریک به‌نمایش گذارده شده است. به تازگی اقتصاد «تبدیل زباله به انرژی» در خصوص پیل‌های‌ سوختی بیوگازی مطرح‌ شده که دارای چشم‌اندازی امیدبخش بوده و می‌تواند با تولید توان در مقیاس مگاوات فرصت‌های درآمدی فراوانی را ایجاد کند. ما در این مقاله در ابتدا عملی بودن فرآیند استفاده از هیدروژن زیستی (BioH2)در پیل‌های ‌سوختی را بررسی نموده و سپس نشان می‌دهیم که چگونه شرکت «فیول‌سل‌انرژی»Fuel Cell Energy) (در این مسیر گام نهاده است و سپس به سایر فناوری‌ها و اقدامات انجام شده از سوی دیگر شرکت‌ها می‌پردازیم.


آیا می‌توان یک سوخت «کثیف» را به سوختی «سبز» تبدیل نمود؟

در مقایسه با سوخت‌های هیدروکربنی «کثیف» (از قبیل متان و زغال‌سنگ)، تبدیل زباله به انرژی هیدروژن زیستی جهت مصرف در پیل‌های ‌سوختی، پاک‌ترین گزینه موجود تولید توان الکتریکی می‌باشد. در بسیاری از موارد، تاسیسات نصب شده «تبدیل زباله به انرژی» پیل‌سوختی می‌تواند به‌صورت هم‌زمان به تولید گرما و توان (CHP) در محل پرداخته و درعین حال می‌توان الکتریسیته، هیدروژن و دی‌اکسیدکربن اضافی را نیز به شبکه و یا مشتریان دیگری فروخت.

البته هنوز هم ممکن است به‌دلیل خاستگاه‌های انحصاری این سوخت‌های غیرهیدروکربنی در حوزه زباله‌های ارگانیک، این منابع کثیف به‌نظر برسند. از دامداری‌ها(کودها)، صنایع غذایی، پسماندهای جنگلی تا علف‌های تازه زراعتی (از قبیل علف‌ها و ملاس)، پوست سیب‌زمینی، پوست پیاز، پسماند دریاچه‌ها)، پوسته تخم‌مرغ، لجن‌های فاضلابی، همه و همه ممکن است بسیار تعفن‌آور به‌نظر برسد. در واقع این زباله‌ها و یا مواد زاید جامد (سالانه ۲/۱۱ میلیارد تن زباله در سطح جهان جمع‌آوری می‌شود) را می‌توان تبدیل به زیست‌توده نمود و سپس از آن هیدروژن زیستی تولید کرده و به‌عنوان یک منبع سوخت تجدیدپذیر جهت تامین توان پیل‌های‌سوختی استفاده کرد.


ارزش چندجانبه روش تبدیل زباله به هیدروژن

فناوری پیل‌سوختی و منابع بیوگازی، منافع دیگری را نیز در زمینه انرژی به‌همراه دارند و می‌توانند به‌عنوان روشی جایگزین، به‌جای «سوزاندن و دفن» زباله‌ها در مدیریت زباله‌ها مورد استفاده قرار گیرند. اما تولید هیدروژن تجدیدپذیر از زیست‌توده‌ها و گازهای حاصل از زباله کاری آسان نیست. هزینه سرمایه اولیه این فرآیند بالا بوده و این امر ریسک سرمایه‌گذاری برای مشتریان را افزایش می‌دهد.

سازندگان اصلی فناوری پیل‌سوختی و کسانی که تازه به این صنعت روی آورده‌اند، مشوق‌های ارائه شده در زمینه سرمایه‌گذاری دولتی نظیر «اعتبارات مالیات سرمایه‌گذاری» و اعطای وام‌های برنامه توسعه پایدار را بسیار مفید دانسته‌اند. همچنین شرکت‌های پیشگام بایست جهت هدایت و همگرایی فعالیت‌های پراکنده بین‌المللی و ایجاد فرهنگ لازم در زمینه درک سبز بودن و ارزشمند بودن کاربردهای «تبدیل زباله به انرژی» به ارائه مدل‌های خلاق تجاری پرداخته و مشارکت‌های راهبردی ایجاد کرده و ثبات کافی را در این حوزه به‌وجود آورند.


فناوری پیل‌سوختی: کم‌هزینه‌ترین راه‌حل

دفتر مرکزی «فیول‌سل‌انرژی» در ایالت کنکتیکات، تا این تاریخ، بیشترین تعداد تجهیزات «تبدیل زباله به انرژی» دما بالا و مجهز به فناوری پیل‌سوختی کربنات مذاب جریان مستقیم (DFC) را نصب نموده است. واحدهای DFC این شرکت در آلمان، ژاپن، کانادا، کره جنوبی و در پانزده سایت در ایالات متحده راه‌اندازی شده است.

اولین واحد بیوگاز این شرکت در اوایل ۲۰۰۴، در منطقه کینگ واشنگتن آغاز به‌کار کرد. این سامانه نمایشی یک مگاواتی به‌خوبی نشان داد که تجهیزات پیل‌سوختی در مقیاس مگاوات می‌توانند به‌خوبی با استفاده از سوخت‌های تجدیدپذیر کار کنند. تجهیزات نصب شده بیوگازی این شرکت در حال حاضر، سالانه در حدود ۱۳۰ میلیون کیلووات ساعت توان تجدیدپذیر و عاری از مواد آلاینده تولید نموده که این مقدار معادل توان مورد نیاز ۱۲ هزار خانوار آمریکایی است.

اغلب این سامانه‌های DFC در دمای ۵۳۸ درجه سانتیگراد کار کرده و سوخت آنها بیوگازی است که در محل، از طریق هاضم‌های بی‌هوازی در ترکیب با تجهیزات تصفیه گازی تولید می‌گردد. در برخی از پروژه‌ها، گاز هاضم خالص‌سازی ‌شده، به داخل شبکه لوله‌کشی موجود گاز طبیعی تزریق شده و سپس به سمت واحدهای DFC در مکان‌هایی دیگر، هدایت می‌شوند. از این‌رو «بیوگاز جریان مستقیم» به آنها اطلاق می‌شود.

بیوگازها حاوی رطوبت، گوگرد و دی‌اکسیدکربن می‌باشد. برای تجهیزات پیل‌سوختی که از بیوگاز تولید شده در محل استفاده می‌کنند، گوگرد و رطوبت حذف می‌شود و برای سامانه‌های بیوگازی جریان مستقیم، برای حفظ کیفیت خطوط لوله دی‌اکسیدکربن باید حذف گردد.

انجام فرآیند تصفیه جهت کیفی‌سازی خطوط لوله، انرژی‌بر بوده و هزینه‌های بیشتری را تحمیل می‌نماید. البته شرکت فیول‌سل انرژی در طول زمان، توانسته فناوری اختلاط بیوگاز با گاز طبیعی را کامل نموده و از کیفیت ثابت سوخت برای تامین سوخت پیل‌های ‌سوختی اطمینان خاطر ‌دهد. برای مثال، بارش طولانی و سنگین باران می‌تواند برای مدتی باعث رقیق شدن ترکیب متان بیوگاز در مجموعه‌های تصفیه فاضلاب شده، که از طریق فرایند اختلاط جبران می‌شود.

هیچ‌کس نمی‌تواند ادعا کند که افزایش راندمان نیروگاه‌های پیل‌سوختی تا چه حد ممکن است. نسبت تبدیل سوخت به الکتریسیته در دو پیل‌سوختی DFC300 در کارخانه «گیلز آنیون» (سومین واحد بزرگ فرآوری پیاز تازه در ایالات متحده واقع در کالیفرنیا) %۴۹-۴۷ گزارش شده است. این پیل‌های سوختی در سال ۲۰۰۹ و با هزینه ۵/۹ میلیون دلار نصب شده است و به سامانه پیشرفته بازیافت انرژی (AERS) انحصاری که توسط «گیلز آنیون» و با همکاری »فیول‌سل‌انرژی» و شرکت گاز کالیفرنیای جنوبی ساخته شده، مجهز است.

روزانه حدود ۳۶۳ تن پیاز در «گیلز آنیون» فرآوری شده که ۱۱۳ تن زباله تولید می‌کند. هزینه حمل و نقل این مقدار زباله در سال برابر۴۰۰ هزار دلار می‌باشد. در این واحد با استفاده از سامانه پیشرفته بازیافت انرژی، بیوگازهای حاصل از آب پیاز تخمیر شده بازیافت شده و %۷۵ از جریان الکتریکی مورد نیاز این واحد تامین می‌گردد. طبق گزارشات مربوطه %۹۹ از زباله‌ها در این واحد بازیافت شده و ۱/۱ میلیون دلار نیز در هزینه‌های انرژی و حمل و نقل صرفه‌جویی می‌گردد.

از لحاظ بازگشت سرمایه (ROI) هنوز کارهای زیادی باقی مانده که «فیول‌سل‌انرژی» برای پروژه‌های با ظرفیت مگاوات انجام دهد. اما برای هر پروژه باید سرمایه‌گذاری اولیه، اعتبارات مالیاتی، استهلاک، موضوع عدم قطعیت بهای انرژی و موقعیت جغرافیایی منابع نسبت به مراکز تقاضا مدنظر قرار گیرد. گفتنی است که بسیاری از تولید‌کنندگان بیوگازها نظیر واحدهای تصفیه فاضلاب، برای فرآیند خود نیازمند میزان قابل‌توجهی انرژی الکتریکی بوده که یک واحد چند مگاواتی کم‌هزینه‌ترین راه‌حل موجود جهت استفاده از پیل‌سوختی می‌باشد.

«فیول‌سل‌انرژی» تاکنون واحدهای DFC خود را در ۱۲ پروژه واحدهای تصفیه فاضلاب ارائه داده که اغلب این پروژه‌ها در ایالت کالیفرنیا بوده و راندمان تبدیل سوخت به الکتریسیته آنها تا ۴۷ درصد نیز رسیده و در مواردی که گرمای تلف ‌شده نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند، راندمان کل به %۹۰ نیز خواهد رسید.



پروژه‌های چندمنظوره شرکت »فیول‌سل‌انرژی»

یک واحد با نام DFC300 در واحدهای تصفیه فاضلاب واقع در سن‌دیگو، الکتریسیته لازم جهت خالص‌سازی بیوگازهای حاصل از هاضم‌های بی‌هوازی موجود را تولید می‌نماید. یک پیل‌سوختی DFC1500 به ظرفیت ۴/۱ مگاوات نیز در واحد تصفیه فاضلاب South Bay نصب شده که به‌طور پیوسته توان پایه ایستگاه پمپاژ این واحد را تامین نموده به‌طوریکه جهت پشتیبانی عملیات واحد پمپاژ دیگر نیازی به خرید برق شبکه نیست. یک DFC3000 به ظرفیت ۸/۲ مگاوات نیز در دانشگاه کالیفرنیا در سن‌دیگو نصب شده که توان پیوسته و بی‌وقفه(حدود %۸ از توان کل مورد نیاز) را تامین نموده و در واقع یک میکروشبکه مستقل برای ۴۵ هزار دانشجوی مستقر در دانشگاه ایجاد نموده است.

چندمنظوره بودن پروژه‌های «فیول‌سل‌انرژی» را می‌توان در پیل‌های ‌سوختی مختلف استفاده شده، شبکه‌های چندگانه مصرف‌کنندگان نهایی و روش‌های متعدد درآمدزای ایجاد شده توسط این فناوری مشاهده نمود. »فیول‌سل‌انرژی» در بزرگترین پروژه کاربردی واحدهای تصفیه فاضلاب خود تا با امروز، یک سامانه پیل‌سوختی DFC3000 به ظرفیت ۸/۲ مگاوات را به شرکت بیوانرژی UTS (واقع در شهر ساحلی انسینیتاس کالیفرنیا) به فروش رساند تا %۶۰ از برق کل مورد نیاز واحد تصفیه فاضلاب و تامین‌کننده عمده آب در چینو کالیفرنیا (IEUA) را در کالیفرنیا تامین نماید. با جایگزینی دو موتور احتراق داخلی با DFC3000، گرمای خروجی به‌عنوان محصول جانبی این سامانه به‌منظور فرآوری بیوگازهای تجدیدپذیر به مصرف هاضم‌ها می‌رسد.

اولین واحد زیستی «سه منظوره» شرکت »فیول‌سل‌انرژی» در ۲۰۱۱ آغاز به‌کار نمود. این واحد به‌عنوان یک پروژه پایلوت سه ساله در حوزه تخلیه فاضلاب منطقه اورنج واقع در کالیفرنیا راه‌اندازی گردید. DFC مذکور، ۲۵۰ کیلووات الکتریسیته برای عملیات‌های واحد تصفیه فاضلاب تولید می‌کند. میزان تولید هیدروژن زیستی، ۱۰۰ کیلوگرم در روز بوده که در ایستگاه‌های سوخت‌گیری احداث شده در حاشیه واحدهای تصفیه فاضلاب و مجاورت بزرگراه مصرف شده و امکان دستیابی خودروهای الکتریکی پیل‌سوختی را به سوخت هیدروژن مسیر می‌سازد. شرکای دیگر «فیول‌سل‌انرژی» در این پروژه عبارتند از: ایرپروداکتس، وزارت انرژی امریکا، دانشگاه کالیفرنیا و مرکز ملی تحقیقات پیل‌سوختی و ستاد منابع هوای پاک کالیفرنیا .(CARB) شرکت «فیول‌سل‌انرژی»، وسعت بازار واحدهای زیستی سه منظوره را برای بخش صنعتی ایالات متحده حدود ۶/۱ میلیارد دلار برآورده نموده است.

«فیول‌سل‌انرژی» در اوایل آوریل ۲۰۱۴ یک پروژه کاربردی «چهار منظوره» را در ونکوور بریتیش کلمبیا راه‌اندازی نمود. این پروژه ۵/۷ میلیون دلاری نمادی از اولین استفاده از بیوگازهای حاصل از سایت‌های دفن زباله برای تولید ۳۰۰ کیلووات الکتریسیته و گرما، ۱۳۵ کیلوگرم هیدروژن در روز، به همراه دی‌اکسیدکربن توسط شرکت «فیول‌سل‌انرژی» بود. دی‌اکسیدکربن برای تسریع رشد گیاهان در مزارع گلخانه‌ای به‌کار می‌رود. شرکای دیگر این پروژه عبارتند از: انجمن ملی تحقیقات کانادا، فناوری توسعه پایدار کانادا و شبکه بیوانرژی BC.



از ایالات متحده تا سئول: جغرافیای رشد

باتوجه به این سطح از توسعه فناوری و بازار سرمایه‌گذاری «تبدیل زباله به انرژی»، واضح است که «فیول‌سل‌انرژی» به امکان پایداری فنی این فناوری و کاهش هزینه‌ها معتقد می‌باشد. نکته کلیدی دستیابی «فیول‌سل‌انرژی» به این جایگاه ارزشمند در این است که آنها توانستند زباله‌ها را تبدیل به فرصت‌های درآمدزا و حتی فرصت‌های چند منظوره درآمدزا نمایند.

هدف کوتاه‌مدت «فیول‌سل‌انرژی» ادامه نصب واحدهای زیستی واحدهای تصفیه فاضلاب، سایت‌های دفن زباله و سایر مناطق صنعتی دارای هاضم‌های بی‌هوازی است. البته سطح انطباق‌پذیری بیوگاز حاصل از هاضم‌ها به‌میزان زیادی تحت تاثیر شرایط جغرافیایی و اندازه هاضم‌هاست. مثلاً کشور آلمان دارای تعداد زیادی از هاضم‌هایی است که به میزان فراوان در صنعت کشاورزی استفاده می‌شوند اما اندازه بسیاری از این هاضم‌ها کوچک است و جهت تولید گاز به‌منظور تامین سوخت نیروگاه‌های پیل‌سوختی چندمگاواتی مناسب نمی‌باشد. از طرفی واحدهای بزرگ کشاورزی تجاری که با مشکل دفع زباله رو‌به‌رو هستند جزء بازارهای بالقوه محسوب می‌شوند خصوصاً مزارع پرورش دام و طیور. واحدهای کشاورزی کوچک‌تر جزء فرصت‌های تجاری بلندمدت به‌شمار می‌آیند زیرا این واحدها نیازی به‌توان محلی نداشته و جمع‌آوری زباله باعث افزایش هزینه‌های آنها می‌گردد.

در همین ماه، آزمایش یک واحد DFC به ظرفیت ۳۰۰ کیلووات در مرکز اطلاعات نمایشی مایکروسافت واقع در ایالت وایومینگ امریکا آغاز شده است. سوخت این واحد از طریق بیوگاز حاصل از مجموعه تصفیه فاضلاب Dry Creek و به روش جریان مستقیم تامین می‌گردد. مراکز داده تجاری می‌توانند بخش تجاری جدید و گسترده‌ای برای «تبدیل زباله به انرژی» محسوب گردند. به‌علاوه پارک‌های انرژی در کره جنوبی، از طریق شریک مهم و استراتژیک «فیول‌سل انرژی» یعنی پوسکو انرژی در سئول تاکنون بیش از ۲۶۰ مگاوات پیل‌سوختی DFC را نصب نموده و یا سفارش داده‌اند. هم‌چنین، پروانه ساخت واحدهای توانی DFC در کره را کسب نموده است.

سایر فناوری‌ها…

در بخش دوم این مقاله ما به بررسی شرکت‌های دیگری می‌پردازیم که برای نمایش فناوری‌های خود در این زمینه کاربردی مشتاق می‌باشند، نظیر فناوری پیل‌سوختی قلیایی شرکت AFC Energy همراه با فرآیند گازی‌سازی پلاسما زباله‌ها و تصمیم شرکت تولیدی BMW در کارولینای جنوبی مبنی بر راه‌اندازی ناوگان خودروهای جا‌به‌جایی مواد پیل‌سوختی که سوخت آنها هیدروژن تولیدی از گاز حاصل از سایت‌های دفن زباله می‌باشد.


شروع به‌کار پیل‌های سوختی قلیایی

برخلاف طیف دمای عملیاتی پیل‌های‌سوختی کربناتی، پیل‌های‌سوختی قلیایی معمولاً در بازه دمایی ۷۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد به تولید الکتریسیته می‌پردازند.

شرکت سهامی عام «ای‌اف‌سی‌انرژی» در ۲۰۰۶ تاسیس گردید. دفتر مرکزی این شرکت در «سوری» در انگلستان واقع شده است. پیش‌بینی می‌شود این شرکت در شش ماه آینده، سامانه AFC KORE را به‌صورت خودکار و رباتیک مونتاژ نموده و به بازار عرضه کند. ویلیام‌سون، مدیرعامل این شرکت می‌گوید، «حرکت جدید ما به سمت تجاری‌سازی این فناوری با اعطای کمک مالی از جانب برنامه چهارچوبی هفتم کمیسیون اروپایی سرعت بیشتری به خود گرفت.»

ای‌اف‌سی‌انرژی به‌همراه شریک خود ایرپروداکتس مدیریت پروژه “Power Up” 1/6 میلیون یورویی (۳/۸ میلیون دلاری) کمیسیون اروپا را برعهده دارد. هیدروژن تولید شده به‌صورت محصول جانبی در واحد فرآوری گاز صنعتی ایرپروداکتس واقع در اشتدته آلمان، سوخت سامانه پیل‌سوختی AFC KORE را تامین خواهد نمود. این سامانه بر پایه کارتریجبا قابلیت اتصال گرم ]بدون نیاز به خاموش کردن دستگاه می‌توان قطعات آن را جابجا نمود[بوده و انرژی گرمایی که در آن تولید می‌شود مجدداً جهت استفاده در فرآیند وارد سیکل می‌گردد. ویلیامسون دراین‌باره می‌گوید:انتظار می‌رودساختار بدنه اولیه KORE با ظرفیت ۲۴ کارتریج تا پایان امسال تکمیل شودو دومین واحد نیز با همین اندازه، در سال آینده نصب گردد و بدین‌ترتیب قابلیت تولید ۵۰۰ کیلووات توان الکتریکی فراهم گردد.

دومین فاز از پروژه ابتکاری فناوری هیدروژن و پیل‌سوختی کمیسیون اروپا کهPower Up بخشی از آن است، با یک بودجه ۴/۱ میلیارد یورویی (۸/۱ میلیارد دلاری) از طرف کمیسیون اروپا/صنعت در جولای گذشته آغاز شد. یکی از اهداف کلیدی و مهم فاز دوم پروژه که در سال ۲۰۲۴ خاتمه می‌یابد، نمایش امکان تولید هیدروژن در مقیاس زیاد با استفاده از الکتریسیته حاصل از منابع تجدیدپذیر می‌باشد.

ای‌اف‌سی‌انرژی پیش از این نیز دو سامانه «بتا» که در سال ۲۰۰۹ در آلمان توسعه داده را تست و ارزیابی نموده است. این سامانه‌ها در واحدهای کلروآلکالین در بیترفلد نصب شده است. این واحدها متعلق به شرکت رنگ‌ها و پوشش‌های شیمیایی آکزونوبل می‌باشد. ای‌اف‌سی‌انرژی به‌عنوان بخشی از استراتژی بازار «تبدیل زباله به انرژی» خود وارد حوزه تجاری صنعت تولید کلر شده است. طبق برآوردهای ویلیامسون «هیدروژن مازاد تولید شده توسط این صنعت در اروپا می‌تواند حدود %۲۰ از نیازهای توان این صنعت (۳۰۰۰ مگاوات ظرفیت) را تامین نماید.»

علاوه بر دمای پایین عملیاتی سامانه KORE شرکت ای‌اف‌سی، از دیگر مزایای این سامانه می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

راندمان الکتریکی %۶۰، سهولت فرآیندهای الکتروسینتیکی در الکترودها در طول اکسیداسیون سوخت و احیا اکسیژن، استفاده از مواد کم‌هزینه و قابل بازیافت و امکان تولید در هر مقیاسی با استفاده از روش نصب مدولار کارتریج‌ها. مدیریت آب و گرما نیز از طریق گردش الکترولیت هیدروکسید پتاسیم (KOH)صورت می‌گیرد. سامانه بدون کاتالیست پلاتین KORE یکی از معماهایی است که بر ارزش ای‌اف‌سی‌انرژی نزد مشتریان خود افزوده است. ویلیامسون دراین‌باره می‌گوید «یکی از مشخصه‌های شرکت ما اجتناب از کاربرد پلاتین در کاتالیست‌هاست. ما برای طراحی فرآیند تولید خود در راستای کاهش هزینه‌ها، از دیگر صنایع –نظیر صنایع تولیدی خوراک و خودرو- نیز کمک گرفته‌ایم.» وی افزود: «این سیستم به‌صورت یک سامانه کم‌هزینه و قابل بازیافت طراحی شده که هر ۱۲ ماه قابل تعویض می‌باشد. استراتژی بلند‌مدت ما همراهی با مشتریان است به‌طوریکه هدف اصلی ما فروش توان به آنها می‌باشد و نه فروش تجهیزات.»

در ادامه ویلیامسون درخصوص تشکیل مدل تجاری ای‌اف‌سی‌انرژی می‌گوید: «شرکت‌های بزرگ نظیر آکزونوبل و ایرپروداکتس درخصوص صرف هزینه برای سامانه‌های جدیدی از قبیل پیل‌های‌سوختی، متحمل ریسک قابل‌توجهی شده‌اند. اکنون به سطح خوبی رسیده‌ایم و باید به مشتریان زمان کافی جهت تائید این سیستم‌ها داده شود. این امر به تجاری شدن این سامانه‌ها کمک می‌کند.»

او در ادامه می‌گوید: «ما از طریق کاهش ریسک فاکتورهای عملیاتی، درحال تغییر روش معرفی پیل‌های‌سوختی هستیم.» وی افزود: «ما به این مسیر به منزله یک دریچه باز نگاه می‌کنیم، مدل تجاری‌ای که مزایای استفاده از موتور (تجهیزات تولید توان یا پیل‌های ‌سوختی) و منافع سوخت مصرفی (هیدروژن زیستی) را ترکیب می‌کند.»


گازی‌سازی پلاسما

ویلیامسون به توصیف چالش‌های متعدد موجود در راستای کاربردهای بین‌المللی «تبدیل زباله به انرژی» می‌پردازد و توضیح می‌دهد: «چشم‌انداز مدیریت زباله در کشورها، متفاوت است. در ایالات متحده زباله‌ها در هر ایالت توسط خود ایالت مدیریت شده درحالیکه در اروپا، صحبت از یک بازار کلی است. همچنین آیین‌نامه‌ها نیز در هر کشور متفاوت است. ما مرکز توسعه اولیه خود را انگلستان قرار دادیم زیرا فناوری جدید و تغییرات ایجاد شده در راستای کاربرد زباله در آنجا پتانسیل خوبی را به‌وجود آورده است.»

این امر در فرصت ایجاد شده جهت یک پروژه نمایشی در «پارک فناوری و انرژی نوین» در شهر تی‌ساید در انگلستان انعکاس یافته است. ایرپروداکتس در حال ساخت یک واحد پیشرفته گازی‌سازی به ظرفیت ۵۰ مگاوات در این مکان است. توان اولیه توسط توربین‌های گازی فراهم خواهد شد؛ خواسته ایرپروداکتس در بلندمدت، تبدیل این سایت به بستر آزمایش پیل‌های ‌سوختی است. ای‌اف‌سی‌انرژی امید دارد تا بتواند سامانه KORE خود را با استفاده از هیدروژن زیستی تولیدی این سایت آزمایش نماید. Waste 2 Tricity،(W2T) یک شرکت لندنی ارائه‌دهنده راه‌حل‌های ساختاری، این پروژه را به‌عنوان یک گزینه مناسب جهت همکاری ایرپروداکتس و ای‌اف‌سی‌انرژی و شرکت AlterNRG که یک شرکت فعال در زمینه فناوری گازی‌سازی پلاسما در کلگری کاناداست، عنوان کرده است. فناوری گازی‌سازی پلاسمای شرکت AlterNRG توسط شرکت وستینگهاوس توسعه داده شده است.

ویلیامسون دراین خصوص می‌گوید: «پیش از این فناوری گازی‌سازی پلاسما به‌عنوان یک فناوری بسیار پاک جهت تولید گاز سنتزی از طریق تجهیزات تایید شده‌ای به غیر از سامانه‌های پیل‌سوختی بود. البته در این فناوری جهت تولید یک گاز سنتزی پاک نیاز به یک شعله پلاسما با دمای بسیار بالا (۵۰۰۰ درجه سانتیگراد) می‌باشد و بدین‌ترتیب نمی‌توان مستقیماً یک پیل‌سوختی را به پشت یک گازی‌ساز متصل نمود. ما در این پروژه مشترک به‌دنبال یافتن مناسب‌ترین اجزا جهت طراحی بهترین فرآیند تبدیل زباله به الکتریسیته هستیم.»



رشد بازار، رشد شرکت ای‌اف‌سی‌انرژی

ویلیامسون در بازنگری عملیاتی و گزارش استراتژیک سال ۲۰۱۳ خود به این نکته اشاره می‌کند که «سال ۲۰۱۳، سال دیگری جهت رشد شرکت بود، اما می‌توان این سال را به‌عنوان سال «رشد و نمو مشهود» شرکت توصیف نمود. مجموعه‌های ساختاری مهم و متعددی در این سال به استراتژی بلندمدت ما افزوده شد.»

این مهم شامل مشارکت شرکت در سه پروژه سرمایه‌گذاری شده توسط کمیسیون اروپایی و آغاز یک همکاری فنی با دانشگاه لن‌کاستر در انگلستان، درخصوص آزمایش پیل‌های‌سوختی با سوخت‌های متعدد هیدروژنی با خلوص متفاوت، می‌گردد. یکپارچه‌سازی سامانه با استفاده از اطلاعات عملیاتی جمع‌آوری شده از واحدهای آزمایشی آکزونوبل به‌صورت پیشرفته‌ای انجام شد؛ طول عمر الکترود به بیش از ۱۲ ماه افزایش یافته و ۳۰ پتنت در این حوزه ثبت شد.

فعالیت‌های ای‌اف‌سی‌انرژی از طریق پروژه‌های متعدد «تبدیل زباله به انرژی»، با مشارکت W2T، در سطح بین‌الملل و خصوصاً در تایلند ادامه دارد.ویلیامسون می‌گوید:«خواسته ای‌اف‌سی‌انرژی و W2T، تمرکز فعالیت‌ها بر جذب مشتریان جدید در مکان‌های جغرافیایی مناسب است. ازنظر ما یک فناوری موفق، فناوری‌ایست که مدلی تجاری را به مشتریان ارائه دهد که برای مشتریان شناخته شده و قابل‌قبول باشد؛ ایده ما تنها نصب یک جعبه سیاه و سپس خداحافظی نیست.»

یکی دیگر از مناطق جغرافیایی نویدبخش، کره جنوبی است. ویلیامسون در‌این‌باره می‌گوید: « ما کشش به فناوری پیل‌سوختی را در این کشور حس نمودیم، و پیش‌بینی کرده‌ایم تا راه‌حل‌های خود را روانه این کشور نماییم. کره دارای یک صنعت شیمیایی پیشرفته بوده و تولیدکننده عمده هیدروژن محسوب می‌گردد.»

سال گذشته ای‌اف‌سی‌انرژی، اولین دفتر فروش منطقه‌ای خود را در سئول بازگشایی نمود. هدف از افتتاح این دفتر، دسترسی به بازار کره جنوبی و توسعه همکاری‌های تجاری با شرکت «اینترالینک»، جهت حضور دائم در منطقه‌ بود دولت آن ارائه یارانه‌به الکتریسیته تولیدی از فناوری پیل‌سوختی را پیشنهاد می‌داد. ویلیامسون درخصوص بازارهای تبدیل انرژی از زباله در تمامی نقاط جهان این‌طور نتیجه‌گیری می‌کند که «ما معتقدیم که اگر شما خواهان استفاده از هیدروژن در پیل‌سوختی هستید و راه دیگری نیز در اطراف شما موجود نیست، شما مجبور به ایجاد تغییرات ایمنی، فناوری و فرهنگی در محل نیستید و می‌توانید آزادانه خود سرنوشت خود را تعیین نمایید.»

گازی‌سازی پلاسما تنها یکی از فناوری‌های تبدیل «زباله به انرژی» است که W2T آن را به مشتریانی که به‌دنبال هیدروژن تجدیدپذیر هستند، معرفی می‌کند. فناوری‌های دیگر عبارتند از الکترولیز آب، رفرمینگ متان با بخار آب و هضم بی‌هوازی. همچنین سامانه KORE شرکت ای‌اف‌سی‌ تنها گزینه تولید توان نیست که W2T آن را پیشنهاد می‌دهد و این شرکت درگیر پروژه‌های توربین‌ها و موتورهای احتراق داخلی نیز می‌باشد.

هوارد وایت، مدیر اجرایی پیشین ای‌اف‌سی‌انرژی و مشاور ارشد فعلی دو شرکت مذکور در این‌باره می‌گوید: درحالیکه W2T متعهد شده است تا در حال حاضر از فناوری‌های تایید شده استفاده نماید، اما در حال سرمایه‌گذاری بر روی فناوری‌های آینده است. این «فناوری‌های آینده» در پروژه‌های «تبدیل زباله به انرژی» کاربرد خواهند داشت به‌طور مثال تبدیل ۳۵۰ هزارتن زباله جامد شهری به هیدروژن زیستی در نیروگاه‌های «تیس ولی» شرکت ایرپروداکتس و ورود به تایلند جهت پایه‌ریزی موفقیت پروژه تی‌ساید. در حقیقت، احتمالاً ساخت سامانه KORE شرک ای‌اف‌سی‌ در آینده‌ای نزدیک در تایلند، میسر خواهد گردید. چنین حرکتی می‌تواند باعث گسترش سریع بازار «تبدیل زباله به انرژی» و راه‌اندازی پروژه‌های مشابه، در سایر کشورهای جنوب شرق آسیا گردد.

در انگلستان، W2T حقوق انحصاری گسترده‌ای جهت استفاده از فناوری پیل‌سوختی قلیایی ای‌اف‌سی‌انرژی در زمینه‌های کاربردی «تبدیل زباله به انرژی» و همچنین کاربرد فرآیند گازی‌سازی پلاسما شرکت AlterNRG داراست. این شرکت با همکاری چندین شرکت دیگر در حال مطالعه بر روی طراحی یک واحد «تبدیل زباله به انرژی» پیشرفته هستند که بتواند ۱۰۰ هزار تن خوراک را در هر سال تبدیل به جریان الکتریسیته نماید. این واحد ۶/۱۳ مگاواتی با هدف تولید حدوداً ۱۰۹ هزار مگاوات ساعت انرژی الکتریکی در سال، به‌طور نمایشی از سامانه KORE شرکت AFC و فناوری گازی‌سازی پلاسما زباله‌ها استفاده خواهد نمود. طبق برآوردهای آقای وایت چنین سیستمی جهت تولید توان فقط به ۵۰۰۰ تن خوراک زباله به ازای هر مگاوات نیاز دارد که این میزان درمقایسه با روش سنتی تبدیل نمودن به خاکستر، %۵۰ کاهش یافته است.

وایت معتقد است که در بازارهای انرژی الکتریکی رقابت فقط بر سر راندمان تبدیل نیست، بلکه سرنوشت بازی را کسی تعیین خواهد نمود که بتواند بیشترین انرژی الکتریکی را از حداقل مقدار خوراک تولید نماید.

او در ادامه می‌گوید: «میزان افزایش راندمان در پیل‌های‌سوختی نسبت به توربین‌ها می‌تواند باعث افزایش ۳۰ درصدی انرژی الکتریکی تولیدی گردد که این امر در انگلستان بسیار ارزشمند بوده و می‌تواند مقدار درآمد حاصل از فروش الکتریسیته را به میزان ۴۰ میلیون دلار در سال افزایش داده و منجر به اعطا یارانه‌های بیشتر گردد. افزایش هزینه سرمایه اولیه و هزینه‌های عملیاتی، احتمالاً تنها درصد کمی از درآمد حاصله را شامل می‌گردد- طبق برآوردهای من کمتر از ۱۰ میلیون دلار در سال.»


آینده انرژی‌های زیستی

سایر شرکت‌های سازنده اجزاء اولیه (OEMها) پیل‌های ‌سوختی و شرکت‌های فعال در امر توسعه بازار WTE(که شامل دولت‌ها نیز می‌گردد) عبارتست از: بلارد پاورسیستم، پلاگ‌پاور،کلییر ادج پاور، فیول‌سل تکنولوژی، نداستک فیول‌سل تکنولوژی و بلوم‌انرژی. شرکت بلارد در سنگاپور، کره جنوبی، ژاپن، کانادا و ایالات متحده دارای استک‌های پیل‌سوختی پلیمریاست که از بیوگاز به‌عنوان سوخت استفاده می‌کنند. شرکت بلوم‌انرژی به‌دلیل نصب یک سامانه پیل‌سوختی اکسیدجامد به ظرفیت ۱۰ مگاوات در مرکز اطلاعاتی اپل در کارولینای شمالی، تبدیل به موضوع سرفصل اخبار رسانه‌ها گردید؛ سوخت این سامانه‌های پیل‌سوختی اکسیدجامد، بیوگازی است که مستقیماً از واحد تبدیل سایت‌های دفن زباله منتقل می‌گردد.

درخصوص شرکت‌های دولتی، وزارت انرژی ایالات متحده، حداقل بیست سال پیش، مرکز تحقیق و توسعه پیل‌سوختی را تاسیس نمود. این آژانس در سال ۲۰۰۲، یک برنامه زیست‌توده‌ای را تدوین نمود و آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آن (NREL) درکلرادو، در حال تلاش در جهت کمک به تاسیس یک صنعت داخلی بیوانرژی می‌باشد. وزارت انرژی از طریق دفتر فناوری‌های پیل‌سوختی خود و با همکاری دفتر فناوری‌های بیوانرژی خود، درحال تحقیق درخصوص رفرمینگ زیست‌توده‌ها و گازی‌سازی، دسترسی به منابع زیست‌توده‌ای و استفاده از هیدروژن تجدیدپذیر به‌عنوان یک محصول زیست‌سوختی می‌باشد. همچنین وزارت انرژی مسئولیت مالی پروژه‌هایی نظیر فناوری پیل‌سوختی، زیست‌توده‌ها و زیست‌سوخت‌ها را طبق برنامه‌های خود برعهده دارد.

هدف از پروژه‌های تحت حمایت وزارت انرژی که با همکاری پلاگ‌پاور صورت می‌گیرد تعیین این مهم است که آیا در عمل تبدیل گازهای سایت‌های دفن زباله به هیدروژن زیستی و استفاده از آن جهت راه‌اندازی خودروهای جا‌به‌جایی کالا به اندازه گزینه استفاده از هیدروژن تجاری موفقیت‌آمیز هست یا خیر. در یک واحد ۳۷۱٫۰۰۰متر مربعی متعلق به شرکت خودروسازی بی‌ام‌و واقع در کارولینای جنوبی، این خودروساز، باتری‌های قدیمی موجود در ۲۷۵ لیفتراک‌ و جک‌های مخصوص حمل پالت‌ها را با سامانه‌های جن درایو شرکت پلاگ‌پاور (از استک‌های پیل‌سوختی پلیمری بلارد در آنها استفاده شده) تعویض نموده است. همچنین بی‌ام‌و یک سامانه سوخت‌گیری را برای این تجهیزات احداث کرده و هیدروژن تجاری این سامانه سوخت‌گیری توسط شرکت «لینده» تامین می‌گردد.

در خلال پروژه خالص‌سازی گاز سایت زباله کارولینای جنوبی که در سال ۲۰۱۱ آغاز گشت، وزارت انرژی به توسعه اولین واحد تولید هیدروژن از طریق گازهای سایت‌های دفن زباله، در سایت بی‌ام‌و واقع در ایالات متحده، کمک نموده است.

بی‌ام‌و هم گزینه تعویض باتری‌ها با پیل‌های‌سوختی هیدروژنی و هم امکان استفاده از فناوری تبدیل گاز حاصل از زباله به سوخت هیدروژن را جزء اهداف پایدار و به‌عنوان یک فرآیند تولید پاک درنظر گرفته است.

بخش تحقیق و توسعه کاربردی «اداره تحقیقات کارولینای جنوبی» (SCARA) برنامه مدیریت پروژه سه فازی تبدیل گاز حاصل از زباله به سوخت هیدروژن (LFG-to-H2) را ارائه نموده است. متان مصرفی این پروژه، گاز متان زاید سایت دفن زباله «پالمتو» در نزدیکی «ولفورد» بوده که بخش قابل‌توجهی از الکتریسیته مورد نیاز واحد تولیدی بی‌ام‌و را تامین می‌نماید.

طبق اظهارات «راش کِلِر» نایب رئیس SCRA، دو فاز اول پروژه LFG-to-H2 شامل بررسی اجرایی بودن پروژه از لحاظ فنی و تحلیل موارد تجاری و همچنین نصب یک سامانه تصفیه جهت زدایش گوگرد و آلاینده‌ها از متان می‌باشد. یکی از چالش‌های موجود در این رابطه، غلظت بالای نیتروژن در جریان گاز حاصل از زباله در سایت بی‌ام‌و در زمان تحویل اولیه آن به واحد تصفیه می‌باشد. کِلِر در این رابطه می‌گوید:«تیم پروژه ما برای حل این مشکل با کارشناسان جداسازی مشغول در آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی همکاری می‌کنند.»

پس از نصب واحد جداسازی گاز، مراحل دیگر عبارتند از: نصب برخی از تجهیزات جدید وتغییر در الگوریتم سامانه کنترل. باید تعادل بین اجزای سامانه تصفیه برقرار شده و فشار/زمان سیکل و زمان‌های تعویض جاذب تصحیح گردد.

کِلِرتوضیح می‌دهد: «ما تجهیزات PSA (جذب نوسان فشاری) خود را به‌عنوان مرحله نهایی فرآیند تصفیه گاز، در پایان تابستان ۲۰۱۳ نصب نمودیم و این پیکربندی جدید به شکلی موفقیت‌آمیز مشکل غلظت بالای نیتروژن را حل نمود.» اولین آزمایش موفقیت‌آمیز این پروژه در اواسط اکتبر ۲۰۱۳ انجام شد. ما این فرآیند را در اواسط ژانویه ۲۰۱۴ تکرار نمودیم تا مطمئن شدیم که هرگونه نوسانات فصلی ترکیب گاز حاصل از زباله می‌تواند با تغییر پیکربندی تجهیزاتمان اصلاح گردد. همچنین تحلیل انجام شده بر روی نمونه‌های هیدروژن در اواسط ژانویه مؤید خلوص مناسب هیدروژن در مقیاس صنعتی برای استفاده در تجهیزات پیل‌سوختی بود.

تحلیل‌های صورت‌گرفته بر روی نمونه‌های هیدروژن، در اکتبر و ژانویه نیز، خلوص بسیار بالای %۹۹۹۸/۹۹ آن را تایید نمودند. این امر تمام الزامات مطالعات فاز ۲ پروژه را تکمیل می‌کرد.

فاز سوم پروژه «تبدیل زباله به هیدروژن»: سوخت‌گیری خودروهای جا‌به‌جایی کالا بی‌ام‌و با هیدروژن حاصل از زبالهدر عمل. کِلِرآغاز این فاز را چهار تا شش هفته دیگر تخمین می‌زند. این فاز شامل نظارت بر عملیات برای شش تا هشت هفته می‌باشد تا از طریق جمع‌آوری اطلاعات کافی این امر مشخص شود که آیا عملکرد پیل‌های ‌سوختی‌ای که از هیدروژن حاصل از زباله استفاده می‌کنند با عملکرد پیل‌های ‌سوختی‌ای که از هیدروژن تجاری به‌عنوان منبع سوخت استفاده می‌کنند، تفاوت مشهودی دارند یا خیر.

براساس پیش‌بینی کِلِر، گزارش پیشرفت فاز نهایی درخصوص برنامه پیل‌سوختی و هیدروژنی، در اجلاس سالانه AMR وزارت انرژی در واشنگتن دی‌سی، در اواسط ژوئن، ارائه خواهد گردید. بی‌ام‌و با دسترسی به این گزارش می‌تواند تصمیمات تجاری خود را در رابطه با توسعه فرآیند LFG-to-H2 جهت تامین نیازهای گسترده سایت به سوخت هیدروژنی اصلاح نماید. قیمت رقابتی موردنظر برای این ‌گاز زیستی در حدود ۵/۵دلار به ازای هر کیلوگرم می‌باشد.


کاربردهای دیگر زباله

شاید نتایج موفقیت‌آمیز نمایش LFG-to-H2، کاربردهایی نیز در پروژه‌های مشابه پیل‌سوختی در وزارت دفاع ایالات متحده داشته باشد. به‌عنوان بزرگترین مصرف‌کننده انرژی در ایالات متحده، همکاری وزارت دفاع و وزارت انرژی منطقی به‌نظر رسیده و می‌تواند برای عملیات‌های نظامی ثابت و درحال گسترش کاربرد داشته باشد. یکی از پروژه‌های وزارت دفاع، تولید هیدروژن زیستی از گاز فرآوری شده حاصل از تصفیه فاضلاب و استفاده از آن به‌عنوان سوخت در لیفتراک‌های و اتوبوس تندروی پایگاه بوده که با همکاری «پایگاه مشترک لوئیس-مک‌کورد» در ایالت واشنگتن صورت گرفته است.طبق گزارش NREL، ۷۱ سایت زباله فعال در تاسیسات وزارت دفاع و ۴۰۰ سایت زباله غیرفعال وجود دارد که به‌طور قطع منابع زباله‌ای خوبی جهت انتقال فناوری LFG-to-H2 محسوب می‌گردند.

نهایتاً، گزینه استفاده تجاری از سامانه‌های پیل‌سوختی با سوخت زیست‌توده‌ای، در صورت دسترسی به منابع خوراک و بالا بودن قیمت الکتریسیته، قوی‌ترین گزینه می‌باشد. طبق پیش‌بینی موسسه تحقیقاتی پایک در ژانویه ۲۰۱۲، ظرفیت تولید توان از منابع زیست‌توده‌ای در سطح جهان از ۵۸ گیگاوات در سال ۲۰۱۱ تا حداقل ۸۶ گیگاوات تا سال ۲۰۲۱ افزایش خواهد یافت. اما هنوز سهم پیل‌های‌ سوختی‌ای که از زیست‌توده‌ها به‌عنوان سوخت استفاده می‌کنند در این میان مشخص نیست، اما مطمئناً این فناوری مزایای زیادی داشته و با پیشرفت آن دیگر خبری از توده‌های زباله نخواهد بود.

منبع:انجمن مهندسی شیمی