انرژی جایگزین چیست
انرژی جایگزین (alternative energy) عبارتی است که به تمام منابع انرژی مربوط میشود که هدف آنها جایگزین کردن منابع سوخت با سوختهای جایگزین بدون ایجاد پیامدهای نامطلوب میباشد.
با توجه به وجود تفاوت در استفاده از انرژی، ماهیت تعریف منبع انرژی جایگزین در طول زمان تغییر زیادی کرده است. امروزه به دلیل تنوع منابع انرژی و اهداف مختلف طرفداران آنها، تعریف برخی از انواع انرژی به عنوان جایگزین بسیار بحث انگیز است.
انواع متداول انرژیهای جایگزین
- انرژی خورشیدی (solar energy) به معنی تولید برق با استفاده از خورشید است. انرژی خورشیدی به دو نوع انرژی حرارتی خورشیدی و انرژی الکتریکی خورشیدی تقسیم میشود. این دو زیر گروه به این معنی هستند که از آنها به ترتیب برای گرم کردن خانهها و تولید برق استفاده میشود.
- انرژی باد (wind energy) به معنی تولید برق از باد است.
- انرژی زمین گرمایی یا ژئوترمال (geothermal energy) به معنی استفاده از آب داغ یا بخار از داخل زمین برای گرمایش ساختمان یا تولید برق است.
- زیست سوختها یا بیوفیولها (biofuel) و اتانول جایگزینهای بنزین برای تامین انرژی وسایل نقلیه هستند و از گیاهان مشتق شدهاند.
- هیدروژن به عنوان سوخت پاک سفینههای فضایی و برخی از اتومبیلها استفاده میشود.
تکنولوژیهای کمکی انرژی جایگزین
پمپهای حرارتی (heat pumps) و ذخیرهسازی انرژی گرمایی (thermal energy storage) کلاسهایی از تکنولوژی هستند که میتوانند استفاده از منابع انرژی جایگزین را امکانپذیر کنند؛ در غیر این صورت انرژی جایگزین با توجه به دمای خیلی کم و یا تفاوت بین زمان در دسترس بودن و زمان نیاز، ممکن است غیر قابل استفاده باشد. همچنین با استفاده از پمپهای حرارتی میتوان انرژی اضافی از یک منبع با کیفیت پایین، مانند آب دریا و دریاچه، زمین و یا هوا را استخراج و بر روی توان الکتریکی و در برخی موارد توان مکانیکی یا حرارتی اعمال نفوذ کرد.
- طبیعی: مانند کلکتورهای گرمایی خورشیدی (solar-thermal collectors) و یا برجهای خنک کن خشک (dry cooling towers) که برای جمعآوری سرمای زمستان به کار میروند.
- انرژی اتلافی (waste energy): مانند حرارت تجهیزات HVAC، فرآیندهای صنعتی یانیروگاهها (power plants).
- انرژی مازاد (surplus energy): مانند انرژی فصلی از پروژههای برقآبی (hyropower) و یا انرژی متناوب مزارع بادی (wind farms).
ذخیرهسازی انرژی را میتوان در مخازن، حفرههای خوشهای در زمین شامل بسترهای شنی و سنگهای بستر، سفرههای آب عمیق و یا چالههای کم عمقی که اندود و عایق شدهاند انجام داد. در بعضی از کاربردها نیاز به یک پمپ حرارتی وجود دارد.
[h=1]
انرژیهای تجدید پذیر در مقابل انرژیهای تجدید ناپذیر[/h]
انرژیهای تجدید پذیر از منابع طبیعی مانند نور خورشید، باد، باران، جزر و مد و حرارت زمینگرمایی تولید میشود که تجدید پذیر (renewable) هستند و به عبارت دیگر به صورت طبیعی تولید مجدد میشوند. وقتی که فرآیندهای تولید انرژی را با هم مقایسه میکنیم، چند تفاوت اساسی بین انرژیهای تجدید پذیر و سوخت های فسیلی وجود دارد. فرآیند تولید سوخت نفت، زغال سنگ و یا گاز طبیعی یک فرآیند دشوار است که نیاز به مقدار زیادی از تجهیزات پیچیده، فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی است. از سوی دیگر، انرژیهای جایگزین را میتوان به طور گسترده با تجهیزات اولیه و فرآیندهای سادهای به صورت طبیعی تولید نمود. چوب تجدیدپذیرترین و در دسترسترین انرژی جایگزین است که نسبت به زمانی که به صورت طبیعی فرسوده میشود، میزان برابر دیاکسید کربن آزاد میکند.
[h=1]جایگزینهای دوستدار محیط زیست[/h]
منابع انرژی تجدید پذیر مانند زیست توده (biomass) گاهی به عنوان جایگزینی برای سوختهای فسیلی زیانبخش برای محیط زیست در نظر گرفته میشوند. برای این هدف، منابع تجدید پذیر انرژی ذاتا انرژی جایگزین محسوب نمیشوند. به عنوان مثال، هلند که زمانی در استفاده از روغن خرما به عنوان یک سوخت زیستی (biofuel) پیشرو بود، تمام یارانه پرداختی برای روغن خرما را متوقف کرد، زیرا شواهد علمی نشان دادن که استفاده از آنها گاهی بیش از سوختهای فسیلی آسیب زیست محیطی ایجاد میکند. در صورت تولید سوخت زیستی از مواد غذایی، باید توجه کرد که تبدیل کل غلات کشت شده در آمریکا تنها 16 درصد از نیاز سوخت خودروهای آن را تامین میکند. برای تولید سوخت زیستی در برزیل، بخش زیادی از جنگلهای گرمسیری جاذب دیاکسید کربن نابود شدهاند. آشکار است که قرار دادن بازار انرژی در رقابت با بازار مواد غذایی باعث بالا رفتن قیمت مواد غذایی و تاثیر ناچیز یا منفی در مسایل مربوط به انرژی مانند گرمایش زمین یا وابستگی به انرژی خارجی میشود. اخیرا جایگزینهایی برای چنین سوختهای ناسازگار با محیط زیست مورد مطالعه قرار گرفتهاند، از جمله منابع مقرون به صرفهای از اتانول سلولزی (cellulosic ethanol).
[h=1]
سوخت های کربن خنثی و منفی[/h]
سوخت های کربن خنثی (carbon-neutral fuels)، سوخت های مصنوعی از جمله متان، بنزین، گازوییل، سوخت جت و یا آمونیاک هستند که به وسیله هیدروژنه کردن دیاکسید کربن بازیافت شده از دودهای خروجی از دودکش نیروگاه، بازیافت شده از گاز اگزوز خودرو و یا مشتق شده از اسید کربنیک آب دریا به دست میآیند. شرکتهای سوخت مصنوعی تجاری ادعا میکنند که میتوانند زمانی که قیمت نفت بیش از 55 دلار در هر بشکه باشد، سوخت مصنوعی را با قیمت کمتر از سوختهای نفتی تولید کنند. متانول تجدید پذیر (renewable methanol) یا RM سوختی است که توسط هیدروژناسیون کاتالیستی تولید شده از هیدروژن و دیاکسید کربن تولید میشود که در آن هیدروژن از الکترولیز آب به دست آمده است. این سوخت را میتوان با سوختهای حمل و نقل مخلوط کرد و یا به عنوان مواد خام شیمیایی تحت فرآیند قرار داد.
این سوختها کربن خنثی در نظر گرفته میشوند، چرا که باعث افزایش خالص در میزان گازهای گلخانهای اتمسفر نمیشود. در جایی که سوخت های مصنوعی جایگزین سوخت های فسیلی (fossil fuels) میشوند و یا اگر از پسماند کربن و یا اسید کربنیک آب دریا تولید شده باشند و احتراق آنها همراه با جذب کربن (carbon capture) در دودکش یا لوله اگزوز شود، این سوختها باعث انتشار منفی دیاکسید کربن و خروج خالص دیاکسید کربن از هوا میشوند در نتیجه به نوعی باعث کاهش گازهای گلخانهای میشوند که به این سوختها، کربن منفی گفته میشود.
سوختهای کربن خنثی امکان ذخیره سازی انرژی با هزینه نسبتا پایین را فراهم میکنند که باعث کاهش مشکلات تناوب تولید در انرژیهای تجدیدپذیر باد و خورشید میشوند و امکان توزیع نیروی باد، آب و خورشیدی را از راه خطوط لوله گاز طبیعی موجود فراهم میآورند.
توان بادی (wind power) شبانه، به عنوان مقرون به صرفهترین شکل توان الکتریکی شناخته میشود که میتوان به کمک آن سوخت را سنتز کرد؛ زیرا منحنی بار (load curve) برق در گرمترین ساعات روز دارای پیک میشود اما باد در شب کمی بیشتر از روز وزش میکند؛ در نتیجه قیمت برق بادی شبانه اغلب بسیار ارزانتر از دیگر جایگزینهای آن است. در حال حاضر کشور آلمان یک پلانت 250 کیلوواتی متان مصنوعی ساخته است که میتواند تا 10 مگاوات بزرگ شود.
[h=2]
سوخت جلبکی[/h]
سوخت جلبکی (algae fuel) نوعی سوخت زیستی (biofuel) است که از جلبک به دست آمده است. در زمان فتوسنتز، جلبکها و سایر ارگانیسمهای فتوسنتزی دیاکسید کربن و نور خورشید را جذب و آن را به اکسیژن و زیست توده (biomass) تبدیل میکنند. مزیت سوختهای زیستی جلبکی این است که میتوان آن را به صورت صنعتی تولید کرد و در نتیجه استفاده از زمینهای زراعی و مزرعههای مواد غذایی مانند سویا، نخل، و کانولا را برطرف نمود.
زیست توده قالبی یا بیوماس بریکت (biomass briquettes) در کشورهای در حال توسعه به عنوان جایگزینی برای زغال چوب در حال توسعه است. این روش شامل تبدیل تقریبا هر ماده گیاهی به زغال پودری قالبی فشرده میباشد که معمولا دارای ارزش گرمایی حدود 70 درصد زغال چوب است. البته نمونههای نسبتا کمی از تولید بریکت در مقیاس بزرگ وجود دارد.
[h=2]بیوگاز هضمی[/h]
دایجست بیوگاز یا بیوگاز هضمی (biogas digestion) از جمعآوری گاز متان منتشر شده از تجزیه پسماندها به دست میآید. این گاز را میتوان از سیستمهای زباله و فاضلاب بازیابی کرد. هاضمها یا دایجسترهای بیوگاز، به وسیله باکتری زیست تودهها را در محیط بی هوازی تجزیه و گاز متان تولید میکنند. گاز متان جمعآوری و تصفیه شده را میتوان به عنوان منبع انرژی در محصولات مختلف استفاده نمود.
2H2 + O2 → 2H2O + High Energy
High Energy + 2H2O → 2H2 + O2
High Energy + 2H2O → 2H2 + O2
تولید هیدروژن نیازمند انرژی ورودی بالایی است که هیدروژن تجاری را بسیار ناکارآمد میکند. استفاده از بردار بیولوژیکی (biological vector) به عنوان وسیلهای برای تجزیه آب و در نتیجه تولید گاز هیدروژن، امکان استفاده از تابش خورشیدی را به عنوان انرژی ورودی فراهم میکند. بردارهای بیولوژیکی میتوانند شامل باکتری یا جلبک باشند. به این فرآیند به عنوان تولید بیولوژیکی هیدروژن (biological hydrogen production) شناخته میشود. این فرآیند برای تولید گاز هیدروژن از راه تخمیر نیاز به موجودات تک سلولی دارد. بدون حضور اکسیژن و در محیط بیهوازی، تنفس سلولی به طور منظم انجام نمیشود و فرآیند تخمیر بسیار طولانی میشود. محصول اصلی این فرآیند گاز هیدروژن است. اگر این فرآیند را در مقیاس بزرگ پیادهسازی کنیم، میتوانیم از نور خورشید، مواد مغذی و آب برای تولید گاز هیدروژن به عنوان یک منبع متراکم انرژی استفاده کنیم.
[h=2]مزارع بادی شناور[/h]
مزارع بادی شناور (floating wind farms) همانند مزارع بادی معمولی هستند با این تفاوت که آنها در وسط اقیانوس شناور میباشند. مزارع بادی فراساحلی را میتوان در آب تا عمق 40 متر قرار میگیرند، در حالی که توربینهای بادی (floating wind turbines) شناور میتوانند در آب تا عمق 700 متر شناور باشند. مزیت استفاده از یک مزرعه بادی شناور، امکان بهرهبرداری از باد موجود در اقیانوسهای باز است. بدون هرگونه مانع مانند تپه، درخت و ساختمان، باد در اقیانوس باز میتواند به سرعت دو برابر سرعت مناطق ساحلی برسد.