معرفی موتورهای بیومتان و آشنایی با طرز کار آن‌ها

در جدیدترین مقاله آموزشی پدال به معرفی موتورهای بیومتان خواهیم پرداخت.


سوخت‌های فسیلی برای همیشه در دسترس نخواهند بود و اگرچه بسیاری از کارشناسان اعلام کرده‌اند منابع این سوخت‌ها در آینده نسبتاً نزدیک به اتمام خواهد رسید اما واقعیت این است که فاکتورهایی همچون افزایش مصرف و کشف منابع جدید می‌تواند این بازه زمانی را دستخوش تغییر کند؛ اما صرف‌نظر از این موارد، هنوز هم اکثر افراد معتقدند سوخت‌های فسیلی بالاخره به پایان می‌رسند و بنابراین زمان کمی برای تغییر جهت حرکت و به‌کارگیری منابع انرژی تجدید پذیر باقی مانده است.

در سال ۲۰۲۲ بیش از یک چهار مصرف انرژی آمریکا به بخش حمل‌ونقل ارتباط داشته است. به همین خاطر جای تعجبی ندارد که یافتن منابع سوخت جایگزین و موتورهای جدیدی که بتوانند از این سوخت‌ها استفاده کنند جزو مهم‌ترین مباحث در دست مطالعه هستند؛ و یکی از راه‌حل‌های احتمالی که کارشناسان روی آن تأکید دارند استفاده از سوخت‌های زیستی همچون بیومتان است. سال قبل فورچون اعلام کرد صنعت سوخت‌های جایگزین نه تنها ارزش بیش از ۴۶۰ میلیارد دلاری دارد بلکه انتظار می‌رود ارزش آن تنها در ۹ سال به ۱۰ برابر رقم فعلی برسد. همچنین تنها حدود یک دهه به ممنوعیت رسمی عرضه خودروهای درون‌سوز در اتحادیه اروپا باقی مانده و این قانون از سال ۲۰۳۵ عملیاتی خواهد شد. با در نظر گرفتن تمامی این موارد، مشوق‌های متنوعی برای سرمایه‌گذاری و حمایت از توسعه سوخت‌های جایگزین وجود خواهد داشت. با این تفاسیر، بیومتان چگونه می‌تواند به عنوان سوخت جایگزین مطرح باشد و تفاوت‌های آن با دیگر سوخت‌های جایگزین سوخت‌های فسیلی چیست؟

بیومتان چیست؟

پیش از آنکه به بیومتان بپردازیم لازم است با مهم‌ترین ترکیب آن یعنی بیوگاز یا سوخت زیستی آشنا شویم. به عبارت ساده‌تر، بیوگاز یکی از محصولاتی است که به‌صورت طبیعی پس از هضم و تجزیه بی‌هوازی تولید می‌شود. در شرایط معمولی این فرایند بدون دخالت انسان و در مناطقی همچون زمین‌های کشاورزی و جنگل‌ها رخ می‌دهد و البته در تأسیسات بازیافت و دفع زباله نیز وجود دارد. در گذشته بیوگاز برای استفاده در بخش‌های مختلف، از چراغ‌های خیابان گرفته تا مراکز داده اپل مورد استفاده قرار گرفته‌ است اما برای اینکه بیوگاز بتواند بجای گاز طبیعی در موتورها بکار رود باید در فرایندی به منظور بهبود کیفیت و کارایی خود شرکت کند.

علت این کار آسیبی است که بیوگاز می‌تواند در حالت عادی به موتورها وارد کند چراکه موتورهای موجود برای کار با گاز طبیعی طراحی شده‌اند و به خاطر وجود مواد شیمیایی‌ای همچون سیلوهگزان ها در بیوگاز، احتمال آسیب دیدن موتورها وجود دارد. خوشبختانه محققان توانسته‌اند فرایند بهینه‌سازی بیوگاز را انجام دهند و گاز طبیعی تجدید پذیر RNG را تولید کنند. بنا به گفته آژانس حفاظت محیط‌زیست آمریکا، RNG می‌تواند مستقیماً به شبکه توزیع گاز طبیعی موجود اضافه شود و در موتورهای گازسوز موجود بکار رود. در حال حاضر اکثر بیومتان دنیا محصول بیوگازی است که خالص‌سازی شده و ارتقا یافته است. برای رساندن بیوگاز به سطح جدید باید موادی همچون نیتروژن، کربن دی‌اکسید و دیگر ترکیبات آلی فرار در این فرایند حذف شوند. البته راه‌های جایگزینی برای تولید بیومتان نیز وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به قرار دادن بیومس یا زیست‌توده در شرایط خاص همچون دما و فشار بالا اشاره کرد.

موتورهای بیومتان چگونه کار می‌کنند؟

از آنجایی که طرز کار موتورهای بیومتان تقریباً مشابه موتورهای گازسوز است بنابراین بیومتان را می‌توان در شبکه توزیع گاز طبیعی بکار گرفت. همچنین امکان استفاده از این سوخت جایگزین در موتورهای درون‌سوز وجود دارد. در حقیقت بسیاری از کشورهای اروپایی از جمله سوئد، فرانسه و آلمان قبلاً بیومتان را به گاز طبیعی خود اضافه کرده‌اند. فولکس‌واگن در سال ۲۰۱۰ تست‌های خود را روی بیوباگ به عنوان اولین خودروی استفاده کننده از بیوگاز آغاز کرد. این خودرو اگرچه همچنان می‌توانست از بنزین استفاده کند اما بنا به ادعای ژرمن‌ها در صورت استفاده از بیوگاز هیچ خللی در عملکردش به وجود نمی‌آمد. این خودروساز با همکاری شرکت انرژی GENeco به مدت شش ماه زباله‌های خانه‌های بریستول را جمع‌آوری نمود تا سوخت جایگزین خود را تولید کند.

در دسامبر ۲۰۲۳ نسخه خاصی از موتورهای هوی دیوتی OC13 اسکانیا که با بیومتان کار می‌کردند معرفی شدند. این شرکت ادعا داشت با استفاده از بیومتان می‌توان تا ۵ درصد در مصرف سوخت ناوگان تجاری صرفه‌جویی کرد. یک سال بعد شرکت‌های تویوتا، سوزوکی و نیسان نیز برنامه‌های خود برای توسعه خودروهایی با سوخت‌های جدید را اعلام کردند. این برنامه‌ها همچنین شامل سرمایه‌گذاری روی موتورهای بیومتان بوده است. همچنین در آینده نزدیک سوزوکی واگن R با سوخت بیومتان راهی بازار خواهد شد. از طرف دیگر چندین شرکت ژاپنی قدم‌های مهمی در زمینه توسعه و آزمایش تکنولوژی حامی این نوع سوخت‌ها برداشته‌اند و کارخانه‌هایی تأسیس کرده‌اند که ضایعات کشاورزی را به بیوگاز تبدیل کرده‌اند. بیوگاز تولیدی به‌صورت آزمایشی به بیومتان مایع تبدیل شده تا در قایق‌ها و کشتی‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

مشکلات موتورهای بیومتان

این روزها حتی خودروهای برقی نیز از طریق زنجیره تأمین و فرایند پایان عمر و اسقاط خود باعث آلایندگی کربن می‌شوند. با این تفاسیر، مشکل موتورهای بیومتان چیست؟ یک دهه پیش مطالعه‌ای درباره ریسک‌های مرتبط با تولید بیوگاز در مقیاس بزرگ منتشر شد و آسیب‌های وارد شده به تأسیسات پردازش بیوگاز به ویژه تخمیرکننده‌ها و بافرهای گاز را نشان داد. این آسیب‌ها می‌تواند موجب مسمومیت و اشتعال شود. متأسفانه برخی دانشمندان هنوز هم نگران هستند تأسیسات تولید بیومتان نتوانند سلامت و ایمنی عموم مردم را تأمین کنند. در سال ۲۰۲۲ مقاله‌ای دیگر ادعا کرد فرایند هضم بی‌هوازی ضروری برای تولید متان نیز آلاینده‌های سمی همچون نیتروژن اکسید را تولید می‌کند.

این مواد می‌توانند مشکلات سلامتی از بیماری‌های تنفسی گرفته تا اختلالات حسی و حرکتی را ایجاد کنند. از نظر تجاری نیز به چالش‌های لجستیکی موجود در زمینه تأمین بیومتان در مقیاس بزرگ اشاره شده است. گفته می‌شود بیومتان کارایی کمتری نسبت به گاز طبیعی دارد که علت اصلی آن کاهش غلظت متان است. البته شاید این مشکلات با پیشرفت تکنولوژی حل شوند مخصوصاً اینکه موتورهای بیومتان توسط خودروسازان توسعه یافته‌اند؛ اما ذکر این نکته مهم است که علیرغم وجود تمامی چالش‌ها، همچنان مزیت‌های استفاده از موتورهای بیومتان بر معایب آن‌ها می‌چربد.