*معهد تقنيات تصنيع مكونات ومركبات السيراميك، جامعة شتوتغارت، جامعة شتوتغارت
مقدمة
أصبحت المواد الخام المتجددة في الآونة الأخيرة موضوعًا رئيسيًا للنقاش بسبب محدودية توافر الوقود الأحفوري. وتحتل الأسئلة المتعلقة بإنتاجية المحاصيل ومقدار المساحة المطلوبة ومحتوى الطاقة مكان الصدارة هنا. وبالمقارنة بالوقود الأحفوري، يتأثر سلوك احتراق المواد الخام المتجددة بشكل أكبر بكثير بمعايير مثل الظروف المناخية ومعالجة أجزاء النبات والتجفيف والتخزين - إلى جانب محتوى الرطوبة المرتبط بها - وبالتالي يخضع لتباين طبيعي أكبر. ويوضح الشكل 1 تجميعًا للمواد الخام وتلك التي يمكن تصنيفها كمصانع للكتلة الحيوية والطاقة.
محطات الطاقة
إذا ما أريد استخدام محطات الطاقة كبديل للوقود الأحفوري، يجب مقارنة تكاليف الشراء مع غلة المحاصيل. على سبيل المثال، 232 كجم من الشعير تعادل 100 لتر من زيت التدفئة من حيث قيمة التدفئة [1] وهي أرخص بـ 41 يورو من حيث التكلفة استنادًا إلى أسعار السوق في سبتمبر 2013. وبافتراض استهلاك سنوي قدره 3,000 لتر لتدفئة منزل منفصل في ألمانيا، فإن التوفير سيكون 1,200 يورو سنويًا. نظرًا لأن النباتات الزراعية، مثل أنواع مختلفة من الحبوب، لا تحتاج إلى استخدامها لإنتاج الطاقة إلا إذا كانت غير صالحة للأكل أو ذات جودة بسيطة وبالتالي غير صالحة للاستهلاك الآدمي، يتم دراسة محطات الطاقة البديلة بشكل مكثف.
ونظراً لارتفاع أسعار النفط الخام وكريات الخشب وغيرها، تقدم محطات الطاقة بالفعل بديلاً فعالاً من حيث التكلفة. تتم مقارنة متوسط الأسعار وقيم التدفئة لقش المحاصيل وكريات الخشب وزيت التدفئة في الجدول 1 [2].
الجدول 1: قيم التدفئة وتكاليف ناقلات الطاقة المختلفة
السعر | قيمة التسخين | التكلفة / 1000 ميجا جول | |
|---|---|---|---|
| زيت التدفئة | 850 €/t | 35 ميجا جول/لتر | 23.40 € |
| كريات الخشب | 220 €/t | 19 ميجا جول/كجم | 11.57 € |
| قش المحاصيل | 110 €/t | 16 ميجا جول/كجم | 6.87 € |
وكما يتضح من الجدول، فإن انخفاض قيمة التدفئة لقش المحاصيل يقابله انخفاض تكاليف اقتنائه إلى حد كبير مما يجعله أكثر اقتصادًا من زيت التدفئة. وبالتالي، تستحق المخلفات الزراعية مثل القش الناتج عن إنتاج الحبوب نظرة فاحصة كمصدر بديل للطاقة إلى جانب نباتات الطاقة الأخرى التي تنمو بسهولة على جميع أنواع التربة تقريبًا. كما يُظهر العشب الفضي الصيني (miscanthus sinensis) و miscanthus giganteus أيضًا قيمًا حرارية عالية نسبيًا ومحتوى منخفض من الرماد، وبالتالي فهي ذات أهمية لمزيد من البحث. وعلى الرغم من أن الميسكانثوس يجب أن يُزرع خصيصًا لاستخدامه في الطاقة، إلا أن قش بذور اللفت متاح كمنتج ثانوي لإنتاج الحبوب. ولذلك يجب مراعاة قيود المساحة عند الموازنة بين فوائد مصدري الطاقة.
قياس الجاذبية الحرارية
تعتبر طريقة قياس الثقل الحراري (TG) مناسبة بشكل خاص لدراسة عمليات الاحتراق. فهي تتيح إجراء تقييم سريع للاستقرار الحراري للوقود الصلب بشكل أساسي. يتم قياس كمية المواد القابلة للاحتراق (فقدان الكتلة) ومحتوى الرماد المتبقي (البقايا) بسهولة. تسفر درجة حرارة الاحتراق ومعدل التفاعل الذي يتم تحليله عن طريق برنامج NETZSCH Thermokinetics عن معلومات حركية مهمة حول سلوك احتراق المادة.
كما يمكن أيضًا قياس كل من فقدان الكتلة أثناء تفاعل الاحتراق ومحتوى الرماد المعدني غير القابل للاشتعال. وعلى النقيض من التفاعلات الأخرى، مثل التحلل أو إطلاق الرطوبة أو المذيبات، فإن الاحتراق هو تفاعل غاز صلب - غاز. وبالتالي فإن المعلمات مثل سطح العينة وتركيز الأكسجين في غاز التطهير وهندسة البوتقة مهمة للغاية.
وقد تم تحسين هذه المعلمات المهمة في التجارب باستخدام NETZSCH STA 409 C لاحتراق محطات الطاقة.
سلوك الاحتراق
تصف هذه المذكرة التطبيقية نتائج التحقيق في سلوك احتراق القش النباتي (الميسكانثوس والريبيسيد) والكريات المصنوعة منه. المواد التي تم فحصها موضحة في الشكلين 2 و3.
تم فحص سلوك احتراق المواد باستخدام جهاز NETZSCH STA 409 C. تم استخدام حامل عينة DTA-TGA مع بوتقات الألومينا المفتوحة؛ وكان غاز التطهير عبارة عن هواء اصطناعي بمعدل تدفق 80 مل/دقيقة. عند استخدام معدل تسخين قدره 20 كلفن/دقيقة، اكتملت تفاعلات الاحتراق عند 600 درجة مئوية (الشكلان 4 و5).
وتنتج طريقة DTA معلومات عن كمية الحرارة المتولدة ومعدل توليد الحرارة لتفاعل الاحتراق الخارجي الحراري. وتجدر الإشارة إلى أن العينات غير المتكورة أظهرت حرارة تفاعل أعلى (إشارة DTA أكبر) على الرغم من أن ملف فقدان الكتلة كان متشابهًا. تعزز المساحة السطحية الأعلى للمادة السائبة عملية احتراق أكثر كفاءة. وعلاوةً على ذلك، أظهرت عينات قش بذور اللفت سلوك احتراق مماثل لسلوك احتراق عينات الميسكانثوس. وتتطابق الكتلة المتبقية (محتوى الرماد) مع المكونات المعدنية الخاملة لمصانع الطاقة.
تحديد المسامية والكثافة
عن طريق قياس المسامية الزئبقية (Porotec Pascal 140/440)، تم تحديد مسامية وكثافة العينات. تم تلخيص النتائج في الجدول 1. يوضح الشكلان 6 و7 الاختلافات الكبيرة بين المادتين ومنتجاتهما المعالجة (الكريات) فيما يتعلق بالمسامية والكثافة النسبية أو النوعية. تتميز عينة قش بذور اللفت بكثافة أقل وحجم مسام أكبر بكثير من عينة الميسكانثوس (الجدول 1). ومن الواضح أن هذا يفضل سلوك الاحتراق حيث أن عينة قش بذور اللفت غير المكورة أظهرت معدل احتراق أعلى بكثير عند درجة حرارة أقل بكثير من عينة كريات قش بذور اللفت (الشكل 5).
الجدول 2: مقارنة بين البيانات التحليلية لعينات الكتلة الحيوية الأربعة
| الخواص | الميسكانثوس | كريات الميسكانثوس | قش بذور اللفت | كريات بذور اللفت |
|---|---|---|---|---|
| المسامية الإجمالية [نسبة مئوية] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| حجم المسام الملتحمة [م²/غم] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| سطح العينة المحدد [مم²/غم] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| متوسط نصف قطر المسام [ميكرومتر] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| الكثافة1 [كجم/ديسيمتر مكعب] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| الكثافة الواضحة2 [كجم/ديسيمتر مكعب] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1الكثافة: كثافة الشبكة الصلبة (بما في ذلك المسام والفراغات المجوفة بين الجزئيات)
2الكثافة الظاهرة: كثافة المادة بما في ذلك المسام المغلقة وغير القابلة للوصول إليها
الكشف عن الغازات والتحليل الحركي
كشف توصيف FT-IR للغازات المتطايرة المتكونة على مدار التحليل الحراري الثيرموغرافي، أن الغازات المتولدة عند ذروة معدل التحلل (عند 515 درجة مئوية) تتكون بشكل أساسي من ثاني أكسيد الكربون. يمكن تجنب تأثيرات الظروف الحدية على معدل التفاعل إلى حد كبير إذا تم استخدام بوتقة ذات قاعدة مستوية ومعدل تدفق غاز مرتفع بما فيه الكفاية (هنا 160 مل/دقيقة أكسجين). وهذا يفي بشرط حاسم لإخضاع البيانات التي تم الحصول عليها لتحليل حركي متعمق. تم إجراء تحليل حركي حراري لبيانات قياس الثقل الحراري من عينة كريات الميسكانثوس التي تم الحصول عليها بمعدلات تسخين تتراوح بين 1 و5 كلفن/دقيقة بمساعدة برنامج NETZSCH Thermokokinetics، وقد وُجد أن تفاعلين متتاليين من الرتبة التاسعة يقدمان أفضل ملاءمة للبيانات التجريبية، كما هو موضح في الشكل 9.
الخاتمة
أظهرت هذه الفحوصات الحرارية الحرارية أن تحضير العينات وظروف القياس لها تأثير كبير على النتائج. لا يمكن إجراء مقارنات موثوقة بين عينات محطات الطاقة المختلفة فيما يتعلق بسلوك احتراقها إلا عند إجراء القياسات على عينات المحطة بكثافة تعبئة وهندسة متشابهة وتحت نفس ظروف غاز التطهير (أي تركيز الأكسجين ومعدل التدفق).
وللتحقيق المقارن لسلوك الاحتراق في محطات الطاقة المختلفة، يمكن تحديد أن معلمات القياس مثل هندسة العينة وكمية العينة وتركيز الأكسجين لغاز التطهير وكمية غاز التطهير وكذلك حجم أجزاء المحطة أو كثافة التعبئة للعينات ذات أهمية حاسمة. من أجل تقليل هذه التأثيرات الخارجية إلى الحد الأدنى، تم تعديل جميع معلمات القياس الخاصة بجهاز STA 409 C بحيث لا يمكن أن تؤثر أي تأثيرات قابلة للقياس لهذه الشروط الحدودية على النتائج. وبهذه الطريقة فقط يمكن تحقيق تحليل قياس الثقل الحراري المقارن وكذلك التقييم الحركي لبيانات القياس.
على الرغم من جاذبية نبات الميسكانثوس كمصدر للطاقة بسبب كثافة الطاقة العالية التي يتميز بها، إلا أن الحاجة إلى زراعة خاصة لهذا المحصول تقلل من قيمته المحتملة. ومن ناحية أخرى، تُعد بذور اللفت منتجًا ثانويًا يمكن الحصول عليه بسهولة من إنتاج الحبوب ومصدرًا جيدًا للطاقة أيضًا.