تولید بیودیزل از ریزجلبک‌ها: درک شاخص پایداری
در دوره‌ای که زندگی به فرم‌های مختلف حول انرژی می‌گردد، بحران پایداری، واقعیتی گریزناپذیر است. با ادامه مصرف انرژی توسط جمعیتی که رو به افزایش است، حفظ پایداری اقتصادی، زیست‌محیطی، و اجتماعی کار دشواری است. در نتیجه استفاده از شیوه‌ها و سیاست‌های محکم برای تشویق به تحقیق روی منابع انرژی تجدیدپذیر در حال گسترش است. در چنین شرایطی است که انرژی به شکل سوخت‌های زیستی (بیودیزل) از منابع تجدیدپذیر با منشاء گیاهی تولید می‌شود. اگرچه جایگزین‌های مختلف دیگری نیز مانند انرژی‌های زمین‌گرمایی، بادی، و خورشیدی نیز در حال بررسی هستند، ولی به انرژی زیستی به عنوان یک منبع قوی در سال‌های پیش رو نگاه می‌شود.
در چنین سناریویی، که موارد قابل اعتراضی مانند مساله امنیت غذایی و موازنه انرژی در سوخت‌های زیستی نسل اول و دوم و تمایلی که به منابع جدید و پایدار انرژی وجود دارد، مورد توجه قرار گرفته است، ریزجلبک به عنوان یک موجود مزاحم استخر باغ، به عنوان یک سوخت تجدیدپذیر مطمئن مطرح است. گزارشاتی در رابطه با بازده نفتی بالا، صرفه‌جویی قابل توجه در گازهای گلخانه ای، نرخ رشد سریع‌تر، دفعات کشت بیشتر، و نرخ تثبیت کربن بالاتر که همگی فاقد هرگونه اثر منفی روی کشاورزی هستند، ارائه شده که موجب محبوبیت ناگهانی این جلبک‌ها شدهاند (بالات و بالات، 2010).
پژوهش‌های گسترده‌ای در دهه 1970 در ایالات متحده آمریکا روی ریزجلبک به عنوان منبعی از انرژی انجام شد اما کمبود بودجه و تغییر تمرکز به سایر مواد خوراک و فناوری‌ها به تدریج باعث پایان یافتن این برنامه‌های تحقیقاتی شد (دمیرباس، 2011). با این وجود، امروزه به دلیل افزایش نگرانی‌ها نسبت به تغییرات آب و هوایی، جنگ غذا در مقابل سوخت، تغییر کاربری زمین‌ها، و غیره به دلیل استفاده از سوخت‌های زیستی نسل اول و دوم، باز هم نیاز به تحقیق روی منابع انرژی جایگزین حس می‌شود و تمایل به استفاده از ریزجلبک‌ها را افزایش داده است. اگرچه ریزجلبک‌ها نسبت به مواد اولیه سوخت‌های زیستی نسل اول و دوم دارای مزایایی هستند و در سراسر جهان از جهات مختلف مورد آزمایش قرار گرفته‌اند، تولید سوخت‌زیستی پایدار از ریزجلبک به لحاظ اقتصادی، زیست‌محیطی، و اجتماعی، هدف سختی به نظر می‌رسد. این مقاله به شناسایی و بررسی شاخص‌های پایداری بدست آمده از طریق تولید سوخت‌زیستی از ریزجلبک‌ها می‌پردازد.
سوخت‌های زیستی پایدار
تعریف
عبارت “پایداری” به درستی توسط کمیسیون جهانی محیط‌زیست و توسعه به صورت “توسعه‌ای که نیازهای نسل کنونی را برطرف کند بدون اینکه توانایی نسل‌های آینده برای برطرف کردن نیاز خود را به خطر بیندازد” تعریف شده است. توسعه پایدار دیدگاههای مربوط به حفاظت و تغییر اقتصادی، اجتماعی و اکولوژیکی را در بر میگیرد (شکل 1) (UNCED, 1992).
شکل 1: جنبه‌های اقتصادی، زیست‌محیطی، و اجتماعی سوخت‌های زیستی پایدار
صنعت تولید سوخت زیستی از جلبک شروع به رشد کرده است. پروژه‌های جلبک شاهد روند در حال ظهوری در تولید سوخت‌های بر پایه جلبک و محصولات با ارزش دیگری است. در تلاش برای درک شاخص پایداری، تلاشهای پژوهشی فراوانی توسط محققان، افراد آکادمیک، و صنعتگران در سراسر جهان در حال انجام است تا مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی تولید سوخت زیستی از جلبک را از طریق بهبود فرآیندهای بالادستی و پایین‌دستی بهبود ببخشند. اگرچه در این جهان با مشکلات روزافزون آن، شاخص پایداری مفهومی به مبهمی “برای هر کسی مال خودش” است، برای اطمینان از اینکه تلاشهای پیوسته در جهت درست و با سرعت مناسب انجام می‌شود، بررسی پایداری سیستم تولید بیودیزل از میکروجلبک اجتناب‌ناپذیر است.
پایداری اقتصادی تولید بیودیزل یک فرآیند انرژی‌بر است. تمامی فرآیندهای انجام گرفته در طی تولید بیودیزل، از تامین مواد اولیه گرفته تا فرآوری، تولید، بازاریابی و فروش، در مقرون به صرفه بودن محصول موثر هستند. تصمیم‌گیری در مورد استفاده از یک بیودیزل خاص به رقابت قیمتی آن بستگی دارد. بنابراین تمرکز تحقیقات بر روی پایین آوردن قیمت بیودیزل تولیدی از میکروجلبک است تا قیمت آن را با گازوئیل قابل رقابت نماید. بنابراین برای اطمینان از صرفه اقتصادی بیودیزل تولیدی از میکروجلبک، از چند استراتوژی محدود پیروی کردیم، (الف) افزایش میزان انرژی دریافتی از اتمسفر، (ب) افزایش میزان انرژی استحصالی از بیومس میکروجلبک، (ج) افزایش بازده بیومس از منابع آن، (د) افزایش تعداد محصولاتی که به طور همزمان تولید می‌شوند، (ه) کاهش انرژی ورودی در طی فرآیندهای پایین‌دستی، و (و) افزایش زمان ذخیره‌سازی محصولات برای مدت زمان‌های طولانی.
پایداری زیست‌محیطی
تاثیری که فرایند تولید بیودیزل میکروجلبک در چرخه عمر خود روی محیط‌زیست دارد، تعیین‌کننده پایداری زیست‌محیطی آن است. انتخاب محل کشت جهت استفاده از مواد مغذی برای رشد و افزایش جمعیت لیپیدها، برای استفاده از روش‌های کشت مختلف انرژی‌بر و سپس استخراج لیپید برای بیودیزل، همگی در پایداری زیست‌محیطی محصول موثر هستند. این شاخص پایداری می‌تواند با استفاده از اندیکاتورهای خاصی مانند میزان انتشار GHG، امنیت انرژی، مدیریت آب، تهی‌شدن منابع و خاک، آلودگی محلی و غیره تغییر کند. ابزارهایی مانند ارزیابی اثر چرخه زندگی (LCIA) برای اندازه‌گیری این اندیکاتورها مورد استفاده قرار می‌گیرند. LCAها می‌توانند مواردی را برجسته کنند که برای تخقیقات آینده روی جنبه‌های زنجیره‌های تامین بیشترین بار زیست‌محیطی را به دوش می‌کشند (سازمان حفاظت محیط‌زیست آمریکا، 2010).
پایداری اجتماعی
توان محصول برای ماندگاری جهت استفاده جامعه و در جهت منافع جامعه، تعیین‌کننده پایداری اجتماعی آن است. این ابعاد اجتماعی پایداری بیودیزل تولیدی از ریزجلبک تعیین‌کننده توانایی آن برای ایجاد اثر مثبت روی رشد جوامع روستایی، کاهش فقر، و رشد فراگیر است (البحری، 2013). برای قضاوت در مورد اثر سیستم تولید بیودیزل روی شاخص‌های فوق‌الذکر، عواملی مانند حقوق مالکیت زمین، نظارت محلی منابع مالکیت مشترک و حقوق کار بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرند (موهر و لیندا، 2013). زمین یک منبع محدود است، تصمیم/علاقه افرادی که در رابطه با زمین حقوقی دارند، تا از طریق ایجاد ثروت یا سبز کردن محیط‌زیست پولی از آن بدست آورند، به شدت بر روی پایداری اجتماعی بیودیزل میکروجلبکی تاثیرگذار است. به طور مشابه، نظارت بر منابع دارایی مشترک محلی مانند جنگل‌های محل، زمین‌های مشترک ، خرمن‌کوبی‌‌ها، رودخانه‌ها و بستر رودها توسط مالکان یا صاحبان ملک یکی دیگر از عوامل موثر است؛ زیرا توافق آنها بر سر استفاده از دارایی‌های مشترک برای تولید انرژی زیستی به قیمت وابستگی آنها به این دارایی‌ها در زمان نیاز، از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. توان بیودیزل میکروجلبکی برای ایجاد اشتغال روستایی و رفاه با افزایش ورود سرمایه، کودها، زیرساخت‌ها و فناوری‌ها برای بخش کشاورزی/ زراعت و بنابراین ایجاد فرصت‌های شغلی جدید، دستمزدهای بیشتر، و افزایش خودکفایی از لحاظ دسترسی به برق و آب پمپاژ شده قابل حمل بدون ایجاد اثر منفی دیگر، عامل اجتناب ناپذیری است که در زمان تصمیم‌گیری در مورد پایداری اجتماعی بیودیزل ریزجلبکی باید مد نظر قرار گیرد (لویدو، 2013).
چالش‌ها و مسیرها برای پژوهش‌های آینده
تولید بیودیزل جلبکی از یک واحد در مقیاس پایلوت در مکان‌های مختلف آغاز شد ولی توانایی آنها برای جایگزینی عمیق گازوئیل نفتی در اغلب موارد نادیده گرفته شده است. در شرایط کنونی بازار، بیودیزل جلبکی بسیار گران قیمت‌تر از گازوئیل نفتی است زیرا جنبه اقتصادی تولید برای تولید پایدار به لحاظ زیست‌محیطی کافی نیست. نگاهی به مطالعات پژوهشی مختلف روی سیستم تولید بیودیزل جلبکی چندین چالش را در زمینه تولید بیودیزل از میکروجلبک‌ها برجسته می‌کند و در نهایت تجاری‌شدن آن را به تاخیر می‌اندازد. تعدادی از موارد اساسی به صراحت بیان شدهاند.
1.مراحل مختلف تولید بیودیزل میکروجلبکی هنوز هم شدیدا انرژی‌بر بوده و مانع دستیابی به پایداری اجتماعی و اقتصادی می‌شود.
2.دستیابی کم هزینه به ترتیب برای آب، مواد مغذی و دی اکسیدکربن با حداقل میزان تاثیر منفی بر محیط‌زیست و کیفیت کشت ریزجلبک هنوز هم مشکل به نظر می‌رسد.
3.مناسب نبودن جلبک غیربومی برای اکوسیستم جدید باعث ایجاد خطر سرریز و گسترش ریزجلبک‌ها می‌شود.
4.افزایش مقیاس سیستم کشت جلبکی یک مشکل بزرگ است و عدم قطعیت زیادی در رابطه با تکرار ویژگی‌های عملکردی در یک سیستم کشت که افزایش مقیاس پیدا کرده است وجود دارد.
5.تغییرات زیادی در انتشار گازهای گلخانه ای رخ می‌دهد و داده‌های بازگشت انرژی سرمایه گذاری شده (EROI) از مطالعات تحقیقاتی مختلف، بازده استراتژی‌های اتخاذ شده را زیر سوال می‌برند.
با داشتن تمرکز و قاطعیت در مقابله با دیدگاه بدبینانه گروهی از دانشمندان محقق که ادعا می‌کنند بیودیزل میکروجلبکی هیچ‌وقت نمی‌تواند با گازوئیل نفتی رقابت کند، سازمانها و موسسات تحقیقاتی و اشخاص با سرعت بیشتری در حال کار روی چالش‌های ذکر شده در بالا هستند. گرچه خوشبختانه همان‌طور که در بخش قبل بیان شد، موفقیت‌هایی نیز در دستیابی به برخی اهداف کوتاه مدت کسب شده است ولی هنوز نیاز است که کارهای زیادی در آینده انجام شود که جزئیات آنها در زیر بیان شدهاند.
1.در حالی که کشت ریزجلبک‌ها نیاز به استفاده از مقدار زیادی نیتروژن و فسفر دارد، بازیابی مواد مغذی با تاکید خاص روی کیفیت و کمیت مواد بازیابی شده می‌تواند مد نظر قرار گیرد.
2.بر طبق گزارشات، بازیابی 100% مواد مغذی باعث افزایش قیمت بیودیزل میکروجلبکی به میزان 2 دلار در هر گالن، در مقایسه با حالتی که هیچ ماده ای بازیابی نمی‌شود، می‌گردد (دیویس و همکاران، 2017). پساب ها را نیز میتوان به عنوان منابع جایگزین تامین مواد مغذی مورد توجه قرار داده و پروفایل کامل مواد مغذی و تعداد باکتری‌ها را میتوان پیش از استفاده جهت کشت، بررسی نمود تا هزینه‌های پیش تصفیه در اقتصاد نهایی بیودیزل تولیدی در نظر گرفته شود.
3.محصولاتی که به همراه بیودیزل تولید می‌شوند باعث کاهش بار اقتصادی و زیست‌محیطی بیودیزل میکروجلبکی می‌شوند اما میتوان مطالعاتی را جهت ارزیابی اثر چرخه زندگی به منظور درک نوع محصولات همراه و اینکه با تولید این محصولات حداکثر سود را میتوان در دستیابی به پایداری بدست آورد، انجام داد.
4.عملیات ترکیبی حرارتی و برقی روی مواد گازی آزاد شده از سیستم هم دمای مورد استفاده برای تولید الکتریسیته به منظور تامین برق کل سیستم کشت، مورد استفاده قرار میگیرد اما به منظور بدست آوردن مقادیر دقیقی که در آینده به عنوان مرجع برای مطالعات مورد استفاده قرار میگیرد میتوان از کمی‌سازی و بهینه‌سازی فرایند استفاده نمود.
5.برخی چالش‌های زیست‌محیطی ومنابع جهت اجرای سیستم کشت در مقیاس بزرگ وجود دارند. به منظور غلبه بر این چالش‌ها میتوان جزئیات کاملی را در رابطه با سویه میکروجلبک‌ها و سیستم کشت تهیه نمود، زیرا دانستن در مورد زیست‌شناسی و بیوشیمی ریزجلبک‌ها می‌تواند در درک پاسخ‌های ممکن ریزجلبک به سیستم کشت طراحی شده با مکانیسم کنترل دمایی موجود در آن کمک کند زیرا ریزجلبک‌ها به شدت نسبت به تغییرات دمایی در سیستم‌های کشت روباز حساس هستند.
چهارچوب مطالعات آینده در زمینه تولید بیودیزل میکروجلبکی محدود به چند نکته‌ای که در اینجا ذکر شد نمی‌باشد، اما به تشریح عمیق نکات ذکر شده در اینجا می‌پردازد. با وجود چندین پروژه تحقیقاتی که هم‌اکنون در حال اجرا است و تعداد کمی که برای آینده برنامه‌ریزی شدهاند، آنالیز کل سناریو پیشنهاد می‌کند که امروز و در همین لحظه مشکلات، مربوط به موارد بنیادین هستند. نبود دانش بنیادین در زمینه فاکتورهای تعیین‌کننده ی در تغییرات در کل فرآیند کشت بیودیزل جلبکی منجر به ارائه گزارشات مبهم و غیرقطعی می‌شود.
سوال در رابطه با اینکه آیا ریزجلبک‌ها تا پیش از سال 2030 یکی از پایه‌های مشارکتی مهم در تولید بیودیزل خواهند بود یا خیر به طور کلی بستگی به سرعت نوآوری‌ها دارد. اگر شرکت‌ها نوآوری نداشته باشند باقی نخواهند ماند. اما اگر آنها در توسعه روش‌های گردش نقدینگی ناکام بمانند قادر به جذب سرمایه نخواهند بود و به آن شکل نیز از بین می‌روند. در حال حاضر، پروژه‌های تحقیقاتی مشترک با شرکت‌هایی که برای توسعه تکنولوژی با موسسات همکاری می‌کنند یک راه حل قدیمی است. اما برنامه‌ریزی برای یک نقشه ی راه نوآوری با استفاده از کمک‌های مالی جامعه برای تحقیق و توسعه، که منجر به تشکیل شرکتی می‌شود، یک ایده جدید است که میتوان آن را پیشنهاد داد و محقق نمود.
در حال حاضر در وضعیت متلاطمی به سر میبریم و نوآوری‌های بسیار زیادی در بخش‌های مختلف در حال پیگیری هستند تا بتوان پیش‌بینی مناسبی از زمان تبدیل‌شدن بیودیزل تولیدی از ریزجبلک‌ها به یک واقعیت مقرون‌به صرفه داشت. لازمه این کار این است که محققان تصمیمات پر ریسک بسیاری را برای افزایش سرعت این نوآوری‌ها اتخاذ کنند. با این وجود، واضح است که محققان کاملا با کنار گذاشتن بیودیزل تولیدی از میکروجلبک تا پیش از سال 2030 مخالف هستند. آنچه که یادآوری آن مهم است این است که بیودیزل تولیدی از ریزجبلک‌ها بر پایه سیستمی از سیستم‌ها است و نه یک تکنولوژی منفرد. بنابراین، با صبر و مداومت، آن چیزی که امروزه دلهره‌آور به نظر می‌رسد، بعد از حدود دو سال با موفقیت به هدف خواهیم رسید.