ปัจจุบันมนุษย์มีความต้องการใช้พลังงานเพิ่มมากขึ้น โดยนำไปใช้ในกิจกรรมเพื่อพัฒนาและสร้างความเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจของประเทศต่างๆในโลก พลังงานส่วนใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันเป็นพลังงานที่ได้มาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน ก๊าซธรรรมชาติและถ่านหิน เป็นที่ทราบกันว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลไม่สามารถผลิตขึ้นมาทดแทนได้ทันกับความต้องการในการใช้พลังงานที่มีมากขึ้น ทำให้การใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลมีไม่เพียงพอ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องมองหาพลังงานทางเลือก (Alternative energy) ชนิดใหม่มาทดแทนพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลที่มีอยู่เดิม พลังงานทางเลือกที่สามารถนำมาใช้ทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลได้มีอยู่หลายชนิดด้วยกัน เช่น พลังงานจากชีวมวล (Biomass) ซึ่งเป็นพลังงานที่ได้จากอินทรีย์สารของพืชและสัตว์ต่างๆ ได้แก่  พืชเกษตรกรรม วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรและอุตสาหกรรม เศษไม้ ขยะมูลฝอย ฯลฯ โดยใช้กระบวนการ แปรรูปชีวมวลไปเป็นพลังงานรูปแบบต่างๆ ได้แก่ การเผาไหม้โดยตรง การผลิตก๊าซ การหมัก และการผลิตเชื้อเพลิงเหลวจากพืช นอกจากพลังงานจากชีวมวลแล้ว ยังมีพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานน้ำ พลังงานลม และพลังงานนิวเคลียร์ โดยคุณสมบัติที่สำคัญของพลังงานทางเลือกคือ เป็นพลังงานสะอาด มีการปลดปล่อยก๊าซพิษน้อยกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล และสามารถสร้างทดแทนได้ตลอดเวลา พลังงานจากชีวมวลจึงมีความน่าสนใจและได้รับความนิยมเป็นอย่างมาก เนื่องจากเป็นพลังงานที่มีราคาถูกเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้น้ำมัน อีกทั้งประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรมทำให้มีผลผลิตทางการเกษตรเป็นจำนวนมาก จึงส่งผลให้ต้นทุนในการผลิตเชื้อเพลิงจากชีวมวล มีราคาไม่สูงมากนัก นอกจากนี้การใช้เชื้อเพลิงจากชีวมวลยังสามารถช่วยรักษาสภาพแวดล้อมได้  เนื่องจากการใช้พลังงานจากชีวมวลจะไม่ก่อให้เกิดก๊าซที่เป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมเหมือนกับการใช้เชื้อเพลิง  ฟอสซิล  ก๊าซเหล่านี้ ได้แก่ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO₂) ซึ่งมีความเป็นพิษโดยตรงต่อสิ่งมีชีวิตและทำให้เกิดปัญหาภาวะโลกร้อน (Global warming)  นอกจากนี้ การใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล ยังปลดปล่อยสารที่เป็นพิษอื่นๆ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ฝุ่นละอองขนาดเล็กและไอระเหยของสารประกอบอินทรีย์ชนิดต่างๆ ออกมา ทำให้แต่ละประเทศมีการศึกษาเกี่ยวกับพลังงานจากชีวมวลกันมากขึ้นเพื่อนำชีวมวลประเภทต่างๆ มาใช้ผลิตเป็นพลังงานทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล นอกจากนี้ ภายหลังจากการแปรรูปชีวมวลเป็นพลังงานแล้วส่วนที่เหลือยังสามารถนำไปทำปุ๋ยให้กับพืชได้ เนื่องจากยังคงมีแร่ธาตุต่างๆ อย่างสมบูรณ์ เช่น แคลเซียม (Ca) แมกนีเซียม (Mg) โพแทสเซียม (K) และฟอสฟอรัส (P) ดังนั้นพลังงานจากชีวมวลจัดเป็นพลังงานสีเขียวที่มีส่วนสำคัญในการลดการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ เช่น CO₂ และ NO₂ และช่วยให้เศรษฐกิจของโลกมีความสมดุลมากยิ่งขึ้น เนื่องจากส่งผลให้ราคาพืชผลทางการเกษตรสูงขึ้นและสามารถแข่งขันกับราคาน้ำมันที่สูงขึ้นได้ทำให้ประเทศเกษตรกรรมลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลจากประเทศผู้ผลิตน้ำมันได้  การนำชีวมวลมาใช้ประโยชน์โดยไปผสมหรือใช้ร่วมกับเชื้อเพลิงฟอสซิลสามารถลดการใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล อีกทั้งยังสามารถนำไปใช้ในบ้านเรือน หรือภาคเกษตรกรรมได้ เช่น ใช้กับเครื่องยนต์ในฟาร์ม ใช้ในการปั้มน้ำ การให้แสงสว่างและให้ความร้อน นอกจากนี้ ยังนำไปใช้ในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่เพื่อให้ความร้อนได้อีกด้วย การนำไปใช้ในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่เป็นการพัฒนาที่ยั่งยืนให้กับหลายๆ ด้าน เช่น สิ่งแวดล้อม สังคม และเศรษฐกิจ รวมทั้งการสร้างคุณภาพชีวิตที่ดีให้กับมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ บทความนี้ได้กล่าวถึงวิธีการแปรรูปชีวมวลไปเป็นพลังงาน รวมถึงความแตกต่างของพลังงานที่ได้จากการแปรรูปและการนำพลังงานจากชีวมวลไปใช้ประโยชน์

 

แหล่งสำคัญของพลังงานจากชีวมวล

              ชีวมวล หมายถึง วัสดุที่ได้จากธรรมชาติซึ่งอาจเป็นสิ่งมีชีวิตหรือส่วนประกอบของธรรมชาติรวมทั้งสิ่งเหลือทิ้งจากสิ่งมีชีวิตที่สามารถสร้างทดแทนได้ ชีวมวลที่นำไปแปรรูปเป็นพลังงานส่วนใหญ่เป็นพืชหรือส่วนประกอบของพืช โดยพืชจะนำ CO₂ ไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงเพื่อผลิตก๊าซออกซิเจน (O₂) ดังนั้นเมื่อนำชีวมวลที่ได้จากพืชมาใช้ในการแปรรูปเป็นเชื้อเพลิงโดยการนำไปเผา จึงทำให้ไม่มีการปลดปล่อยก๊าซ CO₂ เพิ่มสู่ชั้นบรรยากาศ ชีวมวลที่ได้จากธรรมชาติมีอยู่หลายชนิดด้วยกัน สามารถจำแนกแหล่งที่มาของชีวมวลได้ดังนี้ (Laohalidanond, K., 2007)  

              ประเทศไทยมีการปลูกพืชเกษตรกรรมหลายชนิด แต่จากการสำรวจพบว่ามีพืชเกษตรกรรมอยู่ 4 ชนิดหลักที่มีปริมาณมากเพียงพอต่อการนำมาผลิตพลังงานจากชีวมวลได้คือ อ้อย ข้าว มันสำปะหลัง และปาล์มน้ำมัน ดังแสดงในตารางที่ 1 

 

ตารางที่ 1 ปริมาณชีวมวล 4 ชนิด(หน่วยเป็นกิโลตัน) ที่มีปริมาณมากในประเทศไทยตั้งแต่ปี 2001-2006

 

	00/01	01/02	02/03	03/04	04/05	05/06
อ้อย	49,563	60,013	74,263	70,101	67,900	63,621
ข้าว	25,844	26,523	26,057	26,841	24,977	26,493
มันสำปะหลัง	19,064	18,396	16,868	19,718	16,977	18,246
ปาล์มน้ำมัน	3,256	4,089	4,001	4,903	5,192	5,513

 

 

 

 

 

 

 

 

ที่มา : Laohalidanond, K. (2007)

 

เทคโนโลยีที่สำคัญในการแปรรูปชีวมวลเป็นพลังงาน

              การแปรรูปชีวมวลเป็นพลังงานนั้นมีอยู่ด้วยกันหลายวิธี จำแนกได้เป็น 3 วิธีหลักคือ

รูปแบบของปฏิกิริยาไพโรลิซิส	เวลา	ความร้อนที่ให้	สภาพในการทำปฏิกิริยา	ความดัน (บาร์)	อุณหภูมิ (เคลวิน)	ผลิตภัณฑ์
การทำถ่าน	ชม./วัน	ต่ำมาก	สิ่งที่ได้จาก การเผาไหม้	1	400	ของแข็ง
แบบเดิม	5-30 นาที	ต่ำ	สิ่งที่ได้จากผลิตภัณฑ์ปฐมภูมิและทุติยภูมิ	1	600	ก๊าซ ของเหลว ของแข็ง
แบบเร็ว	< 1 วินาที	สูง	สิ่งที่ได้จาก ผลิตภัณฑ์ปฐมภูมิ	1	< 600	ของเหลว
แบบเร็ว	< 1 วินาที	สูง	สิ่งที่ได้จากผลิตภัณฑ์ปฐมภูมิ	1	> 700	ก๊าซ
สูญญากาศ	2-30 วินาที	กลาง	สูญญากาศ	< 0.1	400	ของเหลว
ไฮโดรไพโรลิซิส	< 10 วินาที	สูง	ไฮโดรเจนและสิ่งที่ได้จากผลิตภัณฑ์ปฐมภูมิ	20	< 500	ของเหลว
เมทาโนไลซิส	0.5-1.5 วินาที	สูง	มีเทนและสิ่งที่ได้จากผลิตภัณฑ์ปฐมภูมิ	3	1050	เบนซิน โทลูอีน ไซลีน อีทีน

ที่มา : Bridgwater, AV. (1999)

 

              เดิมปฏิกิริยาไพโรลิซิสเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ และใช้อุณหภูมิต่ำเพื่อให้ได้ผลผลิตถ่านออกมามากที่สุด ต่อมามีการปรับปรุงการให้อัตราความร้อนเพิ่มขึ้นและใช้อุณหภูมิปานกลางอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งเกิดก๊าซ ซึ่งก๊าซนั้นจะถูกควบแน่นต่อไป และมีการสลายตัวของสารโมเลกุลใหญ่เพื่อให้ได้ปริมาณก๊าซที่มากขึ้น เชื้อเพลิงเหลวซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาไพโรลิซิสจะถูกนำไปวิเคราะห์ค่าต่างๆ เช่น ความหนาแน่น ความหนืด แรงตึงผิว ค่าความร้อน ผลพลอยได้จากปฏิกิริยาไพโรลิซิสที่อยู่ในรูปของก๊าซและของแข็งซึ่งเป็นสารไฮโดรคาร์บอนจำนวนมาก รวมทั้งสารโมเลกุลต่ำที่ไม่ได้ควบแน่นเป็นของเหลว การแยกเชื้อเพลิงเหลวในปฏิกิริยาไพโรลิซิสมีหลายวิธี  ได้แก่ การสกัดด้วยตัวละลาย การกลั่นลำดับส่วน การชะด้วย  ตัวทำละลาย ซึ่งวิธีดังกล่าวจะทำให้เชื้อเพลิงเหลวที่ได้จากปฏิกิริยาไพโรลิซิสมีสิ่งเจือปนประเภทต่างๆ ดังนี้

              Gasification เป็นการย่อยสลายชีวมวลโดยการให้ความร้อนกับองค์ประกอบทางเคมีของชีวมวลโดยใช้กระบวนการออกซิเดชันบางส่วน (Partial oxidation) โดยใช้ตัวออกซิไดซ์ ได้แก่ อากาศ ออกซิเจนหรือไอน้ำ จนกระทั่งเกิดผลิตภัณฑ์เป็น CO₂ CO CH₄ ก๊าซไฮโดรเจน (H₂) ก๊าซไนโตรเจน (N₂) (ในกรณีที่ใช้อากาศเป็นตัวออกซิไดซ์) และก๊าซที่มีองค์ประกอบของไฮโดรคาร์บอนเกิดขึ้นเล็กน้อย เช่น ก๊าซอีเทน ก๊าซอีทีน ตลอดจน น้ำ เขม่า เถ้า และน้ำมันดิน  การให้ความร้อนกับชีวมวลโดยไม่เกิดการออกซิไดซ์จะเรียกว่า Pyrolysis แต่เมื่อนำผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาไพโรลิซิสไปทำปฏิกิริยากับตัวออกซิไดซ์ (ปกติเป็นอากาศ) จะเกิดก๊าซ CO, CO₂, H₂ และอื่นๆ การเกิด Char gasification เป็นการรวมตัวกันของปฏิกิริยาระหว่างก๊าซและของแข็ง และปฏิกิริยาระหว่างก๊าซและก๊าซหลายๆ ปฏิกิริยารวมกันเพื่อที่จะเปลี่ยนถ่านไปเป็น CO, CO₂, และ H₂ โดยผ่านปฏิกิริยา Water-gas shift ซึ่งเป็นการออกซิไดซ์เพื่อเปลี่ยนจากก๊าซไปเป็นของแข็งโดยปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่เกิดช้าที่สุดและเป็นตัวกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยา gasification ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาจะเป็นก๊าซผสม โดยสัดส่วนของก๊าซแต่ละชนิด ซึ่งขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของวัตถุดิบ ปริมาณน้ำ อุณหภูมิในการเกิดปฏิกิริยา และระยะเวลาในการออกซิไดซ์  ดังแสดงในตารางที่ 3 

 

ตารางที่ 3 องค์ประกอบของก๊าซชนิดต่างๆ ที่ได้จากการทำให้เกิดก๊าซ (gasification) ของชีวมวลแต่ละชนิด 

 

ชนิดเชื้อเพลิง	อุณหภูมิ(๐C)	ปริมาณอากาศ กก./กก.ชีวมวล	องค์ประกอบของก๊าซจากgasification (เศษส่วนโมล)
			H2O	N2	H2	CO	CO2	CH4	H2S
ถ่านหิน	832	2,836	0.005	0.500	0.158	0.324	0.009	0.001	0.003
น้ำมันพืช	875	3,837	0.003	0.467	0.251	0.275	0.003	0.001	0.000
ฟางข้าว	659	1,401	0.063	0.384	0.225	0.205	0.113	0.010	0.000
ไม้ยืนต้นมีการปรับปรุง	655	1,628	0.062	0.409	0.213	0.194	0.112	0.010	0.000
ไม้ยืนต้นไม่มีการปรับปรุง	642	1,452	0.076	0.380	0.227	0.177	0.126	0.013	0.000
ไม้ล้มลุก	621	1,240	0.097	0.363	0.232	0.146	0.145	0.018	0.000
น้ำทิ้ง	600	1,237	0.186	0.412	0.192	0.056	0.147	0.004	0.003
มูลสัตว์	600	1,247	0.246	0.395	0.171	0.018	0.147	0.002	0.001

ที่มา : Ptasinski, KJ., Prins, MJ., and Pierik, A. (2006)

 

              การเกิดปฏิกิริยา Gasification มีด้วยกันหลายระบบโดยแยกตามการเข้า-ออกของชีวมวลและก๊าซที่เข้าไปในปฏิกิริยาดังนี้ 

              ปัจจุบันมีการนำ H₂ และ CO ที่อุณหภูมิสูง (700-1500°C) ซึ่งเป็นก๊าซที่ได้จากกระบวนการ Gasification นำมาทำให้บริสุทธิ์และปรับสภาพให้เหมาะสม จากนั้นนำไปผลิตเป็นน้ำมันดีเซลโดยวิธี Fischer-Tropsch process ซึ่งวิธีการนี้เป็นการนำเอาก๊าซที่ได้ไปสร้างเป็นไฮโดรคาร์บอนสายยาว เช่น  LPG เบนซิน ดีเซล น้ำมันเตา โดยใช้เหล็กและโคบอลต์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง จากนั้นนำไฮโดรคาร์บอนที่ได้ไปกลั่นเพื่อทำให้บริสุทธิ์สำหรับใช้เป็นน้ำมันเชื้อเพลิง โดยเชื้อเพลิงที่ได้มีคุณภาพดีและเป็นเชื้อเพลิงสะอาดเนื่องจากมีกำมะถันและสารประกอบอะโรเมติกส์น้อย (Laohalidanond, K., 2007)  

              D. กระบวนการหมัก (fermentation) (Hertzmark, D., 1982; Choorit, W. and Wisarnwan, P., 2007)

              การหมัก เป็นวิธีการที่รู้จักกันมาเป็นเวลานานแล้ว ดังมีหลักฐานปรากฏในสมัยก่อนที่มนุษย์ได้นำการหมักมาใช้ประโยชน์มากมาย เช่น การหมักข้าว ผลไม้ เพื่อผลิตเบียร์และไวน์ การทำขนมปังและนม มีการพัฒนาวิธีในการหมักอย่างต่อเนื่อง โดยนำการกลั่นเข้ามาช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการหมัก  สำหรับการหมักเพื่อผลิตพลังงานนี้ เริ่มจากนำชีวมวล เช่น มันสำปะหลัง กากของปาล์มน้ำมันและสาหร่าย มาทำการหมักโดยไม่ใช้ออกซิเจนเพื่อให้ได้สารโมเลกุลเล็ก เช่น เอทานอล และ CH₄ การหมักเป็นการย่อยสลายชีวมวลโดยไม่ใช้ออกซิเจน จัดเป็นกระบวนการทางชีวเคมีที่เปลี่ยนสารประกอบอินทรีย์ไปเป็น CH₄ และ CO₂ ปัจจัยสำคัญของการหมักคือ ความคงตัว ลักษณะของถังหมัก เวลา อัตราการป้อนวัตถุดิบ ความเป็นกรด-ด่าง (pH) อุณหภูมิ ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ ความเข้มข้นของกรดไขมัน และส่วนประกอบของวัตถุดิบ เมื่อเสร็จสิ้นการหมักแล้วยังสามารถนำชีวมวลจากการหมักไปใช้ทำปุ๋ยได้  การหมักสามารถจำแนกได้ 2 วิธีตามผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 

 

                    จากสมการที่ (3) พบว่า มีคาร์บอนจำนวน 2 ใน 3 ถูกเปลี่ยนไปเป็นเอทานอลโดย 2 สมการหลังนี้จะเกิดขึ้นจากการใช้เอนไซม์ Hydrogenase ดังนั้นปริมาณเอทานอลที่ได้จะขึ้นอยู่กับสัดส่วนขององค์ประกอบของก๊าซที่นำมาหมัก อีกทั้งปริมาณ H₂ มีค่าน้อยกว่าที่คาดไว้เนื่องจากมีบางส่วนทำปฏิกิริยากับชีวมวลที่เป็นคาร์บอนเพื่อเปลี่ยนเป็นเอทานอล (Datar, RP., et al., 2004)  

 

              2. การหมักเพื่อให้ได้ก๊าซมีเทน การหมักเพื่อให้ได้ CH₄ นั้นสามารถนำชีวมวลต่างๆ มาหมักได้ เช่น มูลสัตว์และขยะสด ในที่นี้จะขอยกตัวอย่างการผลิต CH₄ จากการหมักเศษเหลือทิ้งจากปาล์มน้ำมัน ซึ่งน้ำมันที่มีอยู่ในปาล์มนั้นจะถูกเปลี่ยนไปเป็นกรดไขมันโดยจุลินทรีย์ จากนั้นกรดไขมันจะถูกเปลี่ยนไปเป็น CH₄  เศษเหลือทิ้งที่มีองค์ประกอบเป็นกรดไขมันสายยาว เช่น Palmitic oleate จะเป็นตัวยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อแบคทีเรีย และการเกิดก๊าซมีเทน การลดค่า COD จะทำให้เกิดไบโอก๊าซและ CH₄ ซึ่งจะทำให้ต้นทุนการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจนลดลง (Choorit, W. and Wisarnwan, P., 2007)  

              E. การผลิตไบโอดีเซล  (Hossain, ABMS., et al., 2008)  

              สาหร่ายสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตไบโอดีเซลได้เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการให้ผลผลิตที่สูงกว่าชีวมวลชนิดอื่น โดยให้ผลผลิตสูงกว่าน้ำมันถั่วเหลืองถึง 250 เท่าและผลผลิตสูงกว่าปาล์ม 7-31 เท่า อีกทั้งการแยกน้ำมันให้บริสุทธิ์สามารถทำได้ง่าย โดยการนำสาหร่ายมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงมีขั้นตอนดังนี้

              8. นำไปโอดีเซลที่ได้ไปล้างด้วยน้ำ 5%  จนกว่าจะสะอาด แล้วนำไปทำให้แห้ง 12 ชั่วโมง

 

การนำพลังงานจากชีวมวลไปใช้ประโยชน์ (Hinrich, RA. and Kleinbach, M., 2002; Loehr, J., et al., 1984)

              ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากชีวมวลด้วยเทคโนโลยีต่างๆนั้นมีอยู่หลายชนิดด้วยกัน ดังนี้

              1. เอทานอล  (C₂H₅OH)  เป็นของเหลวไม่มีสีมีจุดเดือดอยู่ที่ 78 °C ในที่นี้หมายถึง เกรนแอลกอฮออล์(Grain alcohol) หรือเอทิลแอลกอฮอล์ (Ethyl alcohol) ซึ่งผลิตได้จากอ้อย ข้าวโพดและไม้ เอทานอลช่วยปรับปรุงสมรรถนะของเครื่องยนต์ (Vehicle performance) ปล่อยก๊าซพิษน้อยกว่าน้ำมันเบนซิน แต่ต้นทุนการผลิตเอทานอลสูงกว่าปิโตรเลียม  เอทานอลสามารถนำมาใช้เป็นพลังงานเชื้อเพลิงได้เลยหรือสามารถนำไปใช้ร่วมกับน้ำมันเบนซินได้ ยกตัวอย่าง เช่น น้ำมัน E10 หมายถึง น้ำมันที่มีส่วนผสมของเอทานอลอยู่ 10% และน้ำมันเบนซิน 90% ซึ่งจะช่วยลดการปลดปล่อย CO ได้ถึง 25-30% อีกทั้งช่วยลดการปลดปล่อย CO₂ และ NO₂ ได้ 10 และ 20%  ตามลำดับ นอกจากนี้เอทานอลยังถูกนำมาใช้แทน MTBE (Methyl tertiary butyl ether) ซึ่งใช้เป็นสารตัวเติมในน้ำมันเบนซินได้อีกด้วย ในประเทศบราซิลจะใช้แอลกอฮอล์บริสุทธิ์ในการเติมรถยนต์     โดยไม่มีการปรับเปลี่ยนเครื่องยนต์ และในประเทศอเมริกามีการใช้พลังงานจากข้าวโพดถึง 1 ใน 8 ของปริมาณข้าวโพดทั้งหมด ในประเทศอาร์เจนตินามีการผลิตเอทานอลในระดับใหญ่ รวมทั้งอีกหลายประเทศมีการผลิต  เอทานอลระดับเล็ก เช่น ประเทศเยอรมัน อิตาลี สวีเดน ฝรั่งเศส เคนยาและประเทศซิมบับเว ส่วนในประเทศจีนมีการกระตุ้นให้มีการนำพลังงานทดแทนมาใช้ทางการค้าและใช้ในทางอุตสาหกรรม (Datar, RP., et al., 2004)

              ข้อดีของการใช้เอทานอลมาผลิตเป็นพลังงาน (Hall, DO. and Rosillo – Calle, F., 1999) คือ

              2. เมทานอล (CH₃OH) เป็นของเหลวไม่มีสีมีจุดเดือดอยู่ที่ 65 °C เรียกอีกอย่างว่า วู๊ดแอลกอฮอล์ (Wood alcohol) หรือเมทิลแอลกอฮอล์ (Methyl alcohol) สามารถผลิตได้จากชีวมวลที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ  ถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ ประเทศเยอรมันใช้เมทานอลตั้งแต่ในสงครามโลกครั้งที่ 2 สำหรับเครื่องบินและเรือดำน้ำและใช้เพื่อการเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์ หรือ เป็นเชื้อเพลิงในรถแข่ง เมทานอลจากก๊าซธรรมชาติ ถือได้ว่าราคาถูกที่สุด เชื้อเพลิงเมทานอลสามารถผลิตได้จากชีวมวลเกือบทุกชนิดและสามารถนำไปผสมกับน้ำมันเบนซินร้อยละ 15 เพื่อใช้ในเครื่องยนต์โดยไม่ต้องมีการปรับแต่ง แต่เมทานอลไม่สามารถใช้ทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลได้เนื่องจากวัตถุดิบมีราคาสูงและความไม่คุ้มทุน แต่มีการศึกษาการนำเมทานอลไปใช้ในรถยนต์ ซึ่งในทวีปยุโรปจะมีการนำใช้ในรถยนต์ปี ค.ศ. 2010  (Hinrich, RA. and Kleinbach, M., 2002; Hall, DO. and Rosillo – Calle, F., 1999)

              3. เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (Hydrogen fuel) เป็นเชื้อเพลิงสะอาดผลิตได้จากก๊าซธรรมชาติ (จากการที่นำ CH₄ ทำปฏิกิริยากับไอน้ำแล้วได้ CO₂ และ H₂) ถ่านหินหรือการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (Electrolysis of water) ซึ่งเชื้อเพลิงที่ได้จากก๊าซธรรมชาติมีราคาถูกที่สุด เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถใช้กับเครื่องยนต์เบนซินปกติได้แต่จะให้ประสิทธิภาพที่ดีมากขึ้นเมื่อใช้กับเครื่องยนต์ที่ผ่านการดัดแปลงแล้ว เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะถูกเก็บในรูปของก๊าซภายใต้ความดันสูง ไฮโดรเจนเหลวหรือโลหะไฮไดรด์ (Metal hydride) การใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะต้องศึกษาต้นทุนและผลผลิตที่ได้ ซึ่งจะต้องทำให้มีต้นทุนที่ต่ำและให้ผลผลิตสูงจึงสามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงในการขนส่งได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังต้องมีการพัฒนาวิธีการผลิต การเปลี่ยนรูปพลังงาน การจัดเก็บ การขนส่งและการนำไปใช้ประโยชน์ (Hall, DO. and Rosillo – Calle, F., 1999)

              4. เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) เป็นการสร้างกระแสไฟฟ้าโดยใช้การรวมตัวกันของ H₂ และ O₂ พบว่ามีการใช้กันอย่างกว้างขวางในรถยนต์  (Hinrich, RA. and Kleinbach, M., 2002)

              5. ไดเมทิลอีเทอร์ (Dimethyl ether) เป็นเชื้อเพลิงที่น่าสนใจเนื่องจากมีความเหมาะสมกับความต้องการที่หลากหลาย เช่น การนำไปหุงต้มอาหาร การให้ความร้อน การนำไปผลิตเชื้อเพลิงสำหรับการขนส่งและการนำไปผลิตกระแสไฟฟ้า ในประเทศจีนมีการนำ Dimethyl ether  จากถ่านหินมาใช้ประโยชน์ในการหุงต้มอาหารซึ่งมีคุณสมบัติเหมือนกับ LPG โดยในสภาวะปกติ Dimethyl ether จะมีสถานะเป็นก๊าซ ซึ่งสามารถนำไปเก็บภายใต้ความดันที่ไม่รุนแรง นอกจากนี้ Dimethyl ether  ยังใช้เป็นเชื้อเพลิงในรถยนต์ได้เนื่องจาก Dimethyl ether  มีค่าซีเทนสูง (การจุดติดด้วยแรงอัด) การเผาไหม้ที่ปราศจากเขม่าและมีการปลดปล่อย NO₂ น้อยซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่ทำให้เกิดภาวะโลกร้อน (Jingjing, L., et al., 2001)

              6. ไบโอดีเซล (Biodiesel)  มีสมบัติคล้ายดีเซลปกติโดยสามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์ปกติได้ ซึ่งไบโอดีเซลสามารถผลิตได้จากพืชในตระกูลละหุ่ง ถั่วเหลือง ปาล์ม ดอกทานตะวัน น้ำมันจากสาหร่าย นอกจากนี้ ไบโอดีเซลยังสามารถผลิตได้จากน้ำมันประเภทต่างๆ ข้างต้นที่ผ่านการใช้งานมาแล้วได้อีกด้วย แต่มีการจำกัดอยู่เฉพาะในบางพื้นที่เท่านั้นเนื่องจากตลาดมีขนาดเล็กและใช้ในบางท้องถิ่นเนื่องจากมีต้นทุนสูงและความสามารถในการผลิตไม่เพียงพอ โดยนำไปใช้ในการให้แสงสว่าง ปั้มน้ำ ไบโอดีเซลเป็นเชื้อเพลิงที่ป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเนื่องจากไม่มีกำมะถันและอนุภาคขนาดเล็ก รวมทั้งยังสามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติด้วย ไบโอดีเซลเป็นสารในกลุ่ม Monoalkylester ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยา Transesterification ระหว่าง Triglyceride และ Monohydric alcohol (Hossain, ABMS., et al., 2008; Hall, DO. and Rosillo – Calle, F., 1999)

              7. ไบโอก๊าซ (Biogas) สามารถผลิตได้จากการหมักโดยไม่ใช้ออกซิเจนของอินทรีย์วัตถุ มีระบบการผลิตที่ง่ายไม่สลับซับซ้อน สามารถผลิตได้ทั้งในระดับเล็กและใหญ่ ไบโอก๊าซนำไปใช้ประโยชน์ได้ในการให้ความร้อนและใช้ในเครื่องยนต์ สามารถผลิตจากวัตถุดิบหลายชนิดเช่น มูลสัตว์และกากอุตสาหกรรรมในประเทศจีนประสบความสำเร็จในการผลิตไบโอก๊าซจากชีวมวลในระดับกลางและระดับใหญ่จากโรงงานอุตสาหกรรมและกากเหลือทิ้งอินทรีย์  ซึ่งทำในฟาร์มเลี้ยงสัตว์โดยการหมักที่อุณหภูมิห้องและมีการกำจัดกำมะถันออกก่อนนำไปใช้ จากนั้นนำสิ่งที่เหลือจากการผลิตไบโอก๊าซไปทำเป็นปุ๋ยได้อีกด้วยแต่ยังต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมในเรื่องประสิทธิภาพของพลังงานเทคโนโลยีและความคุ้มทุน (Hall, DO. and Rosillo – Calle, F., 1999)

 

คุณสมบัติที่สำคัญของเชื้อเพลิงชีวมวลที่จะนำมาใช้ผลิตพลังงาน

              1. พลังงานและค่าความร้อนของเชื้อเพลิงชีวมวล (Energy content , heating value or calorific value) ค่าความร้อนสามารถวัดได้ง่ายที่สุดสำหรับการเผาไหม้โดยตรงโดยทำการวัดอุณหภูมิบริเวณเตาเผา แต่ค่าความร้อนที่นิยมนำมาเปรียบเทียบประสิทธิภาพความร้อนสำหรับการเผาไหม้โดยตรง คือ Heating value หรือ Calorific value ซึ่งหมายถึงการนำชีวมวลไปเผาแล้ววิเคราะห์ว่าชีวมวลนั้นให้พลังงานปริมาณเท่าไร มีหน่วยเป็นกิโลจูล หรือ แคลอรี่ต่อชีวมวล 1  กิโลกรัม สหภาพยุโรปได้มีการแบ่งมาตรฐานประสิทธิภาพในการให้พลังงานออกเป็น 4 ระดับ ดังแสดงในตารางที่ 4 (Malatak, J., et al., 2007)

 

ตารางที่ 4 ระดับการปลดปล่อยพลังงานของชีวมวล 

 

ระดับ	ประสิทธิภาพการปลดปล่อยพลังงาน (%)
ระดับ 1	≥70
ระดับ 2	≥60 <70
ระดับ 3	≥50 <60
ระดับ 4	≥30 < 50

ที่มา : Malatak, J., et al (2007)

 

              สำหรับการทำให้เกิดก๊าซนั้นค่าที่นิยมนำมาเปรียบเทียบเพื่อแสดงถึงประสิทธิภาพของชีวมวลนั้น ได้แก่ ค่าความร้อน (Heating value) ระหว่างชีวมวลที่ให้เข้าไปกับก๊าซที่ปล่อยออกมารวมทั้งพลังงานทางเคมี (Chemical energy) ซึ่งคำนวณจากค่าความร้อนและอัตราส่วนขององค์ประกอบทางเคมี (Mass fraction) ถ้าจะพิจารณาลงไปให้ละเอียดยิ่งขึ้นจำเป็นต้องคำนึงถึงค่าต่างๆ ทาง Stoichiometry  ด้วย  เช่น ปริมาณออกซิเจนที่ได้จากการคำนวณ (Theoretical amount of oxygen)  ปริมาณของอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้แบบสมบูรณ์ (Air for ideal combustion) ปริมาณก๊าซแห้งที่ไม่ได้ใช้ในการคำนวณ (Theoretical volume amount of dry waste gas) และค่าอื่นๆ ควรตรวจสอบองค์ประกอบชีวมวลที่มีผลต่อค่าทาง Stoichiometry ได้แก่ คาร์บอน (C) ไฮโดรเจน (H) ออกซิเจน (O) ซัลเฟอร์ (S) ไนโตรเจน (N) และน้ำ  แล้วดูค่าการเผาไหม้ เช่น การวัดอุณหภูมิที่อยู่ล้อมรอบ (Temperature of surrounding) และอุณหภูมิของก๊าซที่ไม่ได้ใช้ (Waste gas temperature) แล้วนำไปวัดสมบัติการเผาไหม้ เช่น เชื้อเพลิงที่สูญเสียไป (Flue loss ) ประสิทธิภาพทางความร้อนในการเผาไหม้ (Thermal technical effective of combustion) และปริมาณอากาศที่ต้องเติมเพิ่ม (Air surplus amount) ซึ่งเป็นค่าที่สำคัญสำหรับวัดการปลดปล่อยและประสิทธิภาพในการให้ความร้อน รวมทั้งยังทำให้ทราบถึงปริมาณออกไซด์ และอุณหภูมิของเตาอีกด้วย

              2. ความหนาแน่นของเชื้อเพลิงชีวมวล (Density) เชื้อเพลิงชีวมวลส่วนมากจะมีความหนาแน่นต่ำและมีความชื้นสูงไม่เหมาะสำหรับการนำไปเผาไหม้ทันที ต้องผ่านการทำให้มีความหนาแน่นสูงก่อน โดยการบีบอัดเป็นก้อนซึ่งจะทำให้จัดการได้ง่ายขึ้น อีกทั้งลดจำนวนการขนส่ง และการจัดเก็บลงได้ด้วย (Jamradloedluk, J. and Wiriyaumpaiwong, S., 2007)

              3. ลักษณะทางเคมีของเชื้อเพลิงชีวมวล (Chemical characteristic of biomass) (Laohalidanond, K., 2007)  สำหรับการแปรรูปชีวมวลไปเป็นพลังงานโดยความร้อนวิธีใดก็ตาม  เช่น การเผาไหม้โดยตรง การทำให้เกิดก๊าซ และการเผาไหม้โดยไม่ใช้ออกซิเจน จะต้องมีการนำชีวมวลไปวิเคราะห์หาองค์ประกอบพื้นฐานทางเคมีก่อนทุกครั้ง ส่วนกระบวนการหมักและการใช้ปฏิกิริยาเคมีนั้นไม่ได้มีการวิเคราะห์ โดยองค์ประกอบพื้นฐานทางเคมีนี้สามารถแบ่งเป็น 2 ประเภทคือ

 

ตารางที่ 5  ตัวอย่างการวิเคราะห์หาองค์ประกอบทางเคมีของชีวมวลชนิดต่างๆ  (Laohalidanond, K., 2007)

 

 

              4. ลักษณะทางกายภาพของเชื้อเพลิงชีวมวล (Physical characteristic of biomass)  สำหรับการนำชีวมวลมาอัดเป็นก้อนเพื่อใช้เป็นพลังงานต้องมีการวิเคราะห์ค่าความคงทนและความแข็งแรงของมวลชีวภาพก้อนซึ่งค่าดังกล่าวเรียกว่า  ค่าความทนต่อแรงอัด  (Compressive strength ,Ulimate stress) เป็นค่าความแข็งแรงทนทานของก้อนชีวมวลที่สร้างขึ้น ซึ่งค่านี้หาได้จากใช้น้ำหนัก 2 กิโลนิวตัน กดลงไปด้วยอัตรา 0.5 มิลลิเมตร/นาที จนกระทั่งชีวมวลมีการแตกหรือหัก ค่าความทนต่อแรงอัดขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้โดยพบว่า ชีวมวลที่มีค่าความทนต่อแรงอัดเรียงลำดับจากมากไปน้อยได้ดังนี้ คือ แกลบ ชานอ้อย ฟางข้าว และผักตบชวา จะเห็นได้ว่าแกลบมีค่าความทนต่อแรงอัดสูง เนื่องจากซิลิกาในแกลบเปลี่ยนเป็นซิลิเกตซึ่งเป็นโครงสร้างที่แข็งแรง นอกจากค่าความทนต่อแรงอัดแล้ว ยังมีค่าทางกายภาพที่สำคัญของก้อนชีวมวลคือ ค่าความเหนียว (Toughness) ซึ่งหมายถึง ความสามารถของชีวมวลในการดูดพลังงานก่อนเกิดการแตก โดยความเหนียวนี้หมายรวมถึงความแข็งแรงและความยืด (% ความยาวก่อนการแตก) (Jamradloedluk, J. and Wiriyaumpaiwong, S., 2007)

              5. ปริมาณก๊าซที่ปลดปล่อยออกมา (amount of gas emission) เนื่องจากการใช้พลังงานจากชีวมวลมีเป้าหมายที่สำคัญคือ การลดปริมาณก๊าซพิษที่ปล่อยออกสู่บรรยากาศ  ดังนั้นจึงต้องมีการวิเคราะห์หาปริมาณก๊าซต่างๆ  ที่ปล่อยออกมา เช่น CO₂, CO, NOx , O₂ และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂)  ซึ่งก๊าซเหล่านี้ก่อให้เกิดผลเสียต่อสภาพแวดล้อมแตกต่างกัน  ปัจจุบันในทวีปยุโรปมีการกำหนดมาตรฐานไว้เป็นระดับต่างๆ  สำหรับการปลดปล่อย CO จากการเผาไหม้ชีวมวล ดังแสดงในตารางที่ 6 เนื่องจาก CO เป็นตัวชี้วัดที่สำคัญสำหรับ การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์  ส่วนการปลดปล่อย NO_x  นั้นไม่ได้มีกำหนดไว้เป็นมาตรฐานแต่อย่างใด แต่การปลดปล่อย  NO_x และก๊าซชนิดอื่นๆ ควรจะให้มีปริมาณน้อยที่สุด โดยพบว่า การใช้ชีวมวลที่เป็นผลิตภัณฑ์จากพืชจะมีค่าการปลดปล่อย NO_x ที่ใกล้เคียงกัน (Malatak, J., et al., 2007) 

 

ตารางที่ 6 ระดับการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ 

 

ระดับการปลดปล่อย CO	ปริมาณการปลดปล่อย CO (%)ที่ O2 13 %
ระดับ 1	≤0.3*
ระดับ 2	>0.3 ≤0.8*
ระดับ 3	>0.8 ≤1.0*

หมายเหตุ * 1 mg/m3 = 0.0001 %

ที่มา : Malatak, J., et al (2007)

บทสรุป

Malatak, J., et al. Heat-emission characteristic of some energy plants. J. of. Fac. of Agric., OMU, 2007, vol. 22, no. 2, p. 202-206.