کشاورزی و نیروگاه

نیروگاه می‌تواند در توسعه یا ایجاد جوامع مدرن روستایی و کشاورزی اثر خارق العاده‌ای داشته باشد. البته این موضوع در حال حاضر در مرحله تحقیقات کاربردی قرار دارد و هنوز تا تجاری شدن فاصله دارد. بنیاد این مقاله بر اساس مصاحبه ای است که با ChatGpt در 10 دی ماه 1403 انجام شده است.

مبانی بحث کشاورزی و نیروگاه

می‌دانیم که خروجی اگزوز نیروگاه عمدتاً متشکل از بخار آب و دی اکسید کربن است.

کشاورزی و نیروگاه - اگزوز نیروگاه
بالانس الکتریسیته ، بخار آب و دی اکسید کربن در نیروگاه

در یک نیروگاه 500 مگاوات در هر ساعت 153 تن بخار از اگزوز خارج می شود که حاصل ترکیب گاز طبیعی و اکسیژن در فرآیند احتراق است.

16

64 44 36
CH4 + 2xO2 —> CO2 + 2xH2O

وزن اتمی عناصر به شرح جدول زیر می‌باشد.

Matter / element Molar weight
C 12
H 1
O 16

جذب دی اکسید کربن توسط درخت

یک درخت 10 ساله بسته به گونه، آب و هوا و شرایط رشد می تواند حدود 20 تا 50 کیلوگرم CO2 در سال جذب کند. در اینجا برخی از برآوردهای کلی آورده شده است:

  • درختان جوان (1 تا 10 ساله): CO2 کمتری جذب می کنند، حدود 5 تا 20 کیلوگرم در سال.
  • درختان بالغ (10 تا 50 ساله): حدود 20 تا 50 کیلوگرم در سال جذب می شوند.
  • درختان بزرگ و قدیمی (50+ سال): می توانند 100 کیلوگرم یا بیشتر را در سال جذب کنند.

گونه های سریع رشد مانند صنوبر، کاج و اکالیپتوس بیشتر از گونه های با رشد آهسته مانند بلوط یا راش CO2 جذب می کنند. توانایی درخت در جذب CO2 به عواملی مانند کیفیت خاک، در دسترس بودن آب و نور خورشید نیز بستگی دارد.

تولید اکسیژن توسط درخت

یک درخت 10 ساله به طور معمول 50-120 کیلوگرم (110-265 پوند) اکسیژن در سال تولید می کند که بستگی به گونه، اندازه و شرایط محیطی آن دارد. برآوردهای کلی:

  • درختان جوان (1-10 ساله): 10-50 کیلوگرم O2 در سال
  • درختان بالغ (10-50 ساله): 50-120 کیلوگرم O2 در سال
  • درختان بزرگ و قدیمی (50+ سال): 120-250 کیلوگرم یا بیشتر در سال

یک درخت کاملاً رشد کرده می تواند اکسیژن کافی برای دو تا چهار نفر در سال تولید کند. با این حال، این میزان به طور قابل توجهی بر اساس نوع درخت، سطح برگ و کارایی فتوسنتز متفاوت است.

درختان در کل تولید کننده اکسیژن و سینک (جاذب CO2) هستند. اما با برخی جزئیات مهم:

روز (فتوسنتز غالب است)

درختان CO2 را جذب کرده و O2 را از طریق فتوسنتز آزاد می کنند. آنها از نور خورشید برای تبدیل CO2 و آب به گلوکز و اکسیژن استفاده می کنند. در همان زمان، درختان نیز تنفس می کنند، یعنی مقداری اکسیژن مصرف می کنند و کمی CO2 آزاد می کنند، اما تولید اکسیژن بسیار بیشتر از مصرف اکسیژن در طول روز است.

شب (تنفس غالب است)

بدون نور خورشید، فتوسنتز متوقف می شود و درختان به تنفس متکی هستند. درختان مانند حیوانات و انسان ها O2 مصرف می کنند و CO2 آزاد می کنند.

با این حال، مقدار CO2 آنها در شب بسیار کمتر از چیزی است که در طول روز جذب می کنند، به این معنی که درختان در یک چرخه کامل 24 ساعته جاذب کربن خالص باقی می مانند. اثر خالص در طول یک روز کامل، درختان بیشتر از آنچه که منتشر می کنند CO2 جذب می کنند و بیش از آنچه که مصرف می کنند O2 آزاد می کنند. به همین دلیل است که جنگل ها به عنوان جاذب کربن عمل می کنند و به تولید اکسیژن در زمین کمک می‌کنند.

جنگل و اقیانوس

اقیانوس‌ها و دیگر آب‌ها عموماً جذب کننده‌های CO2 بهتری نسبت به جنگل‌ها هستند، اما هر کدام نقش منحصر به فردی در جذب کربن دارند.

مقایسه جذب CO2: اقیانوس ها در مقابل جنگل ها

ویژگی اقیانوسها جنگلها
جذب CO2 سالانه ~25 تا 30% انتشار CO2 توسط انسان   (~2.5 میلیارد تن در سال) ~10 تا 15% انتشار CO2 توسط انسان   (~1.2 میلیارد تن در سال)
مکانیزم جذب
حل مستقیم CO2 ، موجودات ریز دریاها (فیتوپلانگتون) طی فرآیند فتو سنتز CO2 را جذب می‌کند. درختان CO2 را در فرآیند فتوسنتز جذب می‌کنند.
طول دوره ذخیره می‌تواند CO2 را برای هزاران تا میلیونها سال ذخیره کند (ته نشینی و لایه گذاری در کف عمیق اقیانوس) می‌تواند CO2 را برای دهه‌ها تا قرنها ذخیره کند، تا زمانی که درخت تخریب شود یا بسوزد
محدودیت‌ها اسیدی شدن بهره‌وری را در طول زمان کاهش می‌دهد. جنگل زدایی و حریق در جنگلها CO2 ذخیره شده را آزاد می‌کند.

چرا اقیانوس‌ها جذب کننده‌های CO2 بهتری هستند؟

  1. جذب سطحی – CO2 مستقیماً در آب دریا حل می شود.
  2. پمپ بیولوژیکی – فیتوپلانکتون ها CO2 را جذب می کنند و پس از مرگ، کربن را به اعماق اقیانوس ها منتقل می کنند.
  3. ذخیره طولانی مدت – کربن برای هزاران سال در لایه های عمیق اقیانوس ذخیره می شود، برخلاف جنگل ها، جایی که CO2 می تواند به سرعت از طریق پوسیدگی یا سوختن آزاد شود.

چرا جنگل ها هنوز مهم هستند؟

  1. جنگل ها نه تنها CO2 را جذب می کنند، بلکه اکسیژن تولید می کنند.
  2. آنها کربن را در زیست توده (چوب، برگ، ریشه) ذخیره می کنند.
  3. آنها آب و هوای محلی را تنظیم می کنند و از تنوع زیستی حمایت می کنند.

نتیجه نهایی، اقیانوس‌ها جاذب‌های دی‌اکسید کربن بزرگ‌تر و پایدارتری نسبت به جنگل‌ها هستند، اما جنگل‌ها نقش مهمی در چرخه کربن دارند، به‌ویژه در جذب کوتاه‌مدت تا میان‌مدت CO2. هر دو سیستم با هم کار می کنند تا آب و هوای زمین را تنظیم کنند.

استفاده از بخار آب اگزاست نیروگاه

استخراج H2O از اگزوز نیروگاه و استفاده از آن برای جنگل کاری یک ایده عالی است! بسیاری از نیروگاه ها، به ویژه نیروگاه های گاز طبیعی و زغال سنگ، مقادیر زیادی بخار آب را در گازهای خروجی خود آزاد می کنند. استخراج این آب می تواند به حمایت از پروژه های جنگل کاری و احیای جنگل در مناطق خشک یا نیمه خشک کمک کند.

چرا منطقی است؟

  1. پتانسیل بازیابی آب
    • یک نیروگاه گاز طبیعی 500 مگاواتی می تواند 2000 تا 3000 متر مکعب (530000-800000 گالن) آب در روز در اگزوز خود آزاد کند.
    • نیروگاههای زغال سنگ و سوخت مایع نیز مقادیر قابل توجهی بخار آب آزاد می کنند.
  2. مزایای زیست محیطی
    • هدر رفت آب در برج های خنک کننده را کاهش می دهد.
    • از پروژه‌های جنگل‌کاری که می‌توانند CO2 را جذب کنند و یک چرخه کربن منفی ایجاد کنند، پشتیبانی می‌کند.
    • به مبارزه با بیابان زایی در مناطق خشک کمک می کند.
  3. امکان سنجی فنی :
    • فن آوری هایی مانند بازیابی آب مبتنی بر تراکم (مانند مبدل های حرارتی، تراکم با تماس مستقیم) می توانند آب را از گازهای خروجی استخراج کنند.
    • برخی از پروژه های آزمایشی با موفقیت 30 تا 50 درصد آب را از اگزوز نیروگاه ها بازیابی کرده اند.

چالش ها و ملاحظات

  • مصرف انرژی: برخی از روش های بازیابی آب نیاز به انرژی اضافی دارند. با این حال، بهینه سازی خنک کننده اگزوز می تواند این امر را به حداقل برساند.
  • خلوص آب: آب خروجی می‌تواند حاوی آلاینده‌هایی باشد (به عنوان مثال، ترکیبات گوگرد، نیتروژن) و ممکن است قبل از استفاده نیاز به فیلتراسیون داشته باشد.
  • زیرساخت: سیستم های حمل و نقل و آبیاری کارآمد برای هدایت آب بازیافتی به سایت های جنگل کاری مورد نیاز است.

نتیجه گیری:

استفاده از آب خروجی نیروگاه برای جنگل کاری یک راه حل پایدار امیدوارکننده است. این کار ضایعات آب را کاهش می دهد، انتشار CO2 را کاهش می دهد و از تلاش های احیای جنگل، به ویژه در مناطق خشک حمایت می کند. چندین نیروگاه در سرتاسر جهان در حال بررسی این رویکرد هستند و با پیشرفت‌های بیشتر تکنولوژیکی، می‌تواند به یک روش استاندارد تبدیل شود.

مجتمع‌های کشاورزی نیروگاهی

نیروگاه استخراج آب از اگزوز نیروگاه ها یک روش نوظهور با هدف بهبود بهره وری آب و حمایت از طرح های زیست محیطی مانند جنگل کاری است. در حالی که نیروگاه های خاصی که این فناوری را اجرا می کنند به طور گسترده مستند نشده اند، چندین پتنت و مطالعات روش های استخراج آب از گازهای خروجی را تشریح می کنند:

  • سیستم بازیابی آب خروجی توربین: این سیستم گازهای خروجی توربین را در زیر نقطه شبنم خنک می کند تا آب را متراکم و جمع آوری کند، که سپس می تواند در داخل نیروگاه استفاده شود و نیاز به منابع آب خارجی را کاهش دهد. {1}
  • روش و دستگاه برای استخراج آب در یک نیروگاه: این رویکرد شامل خنک کردن اگزوز توربین گاز برای متراکم کردن بخار آب، فراهم کردن یک منبع آب داخلی برای عملیات نیروگاه، به ویژه در مناطق کم‌آب مفید است. {2}
  • استخراج بخار آب از اگزوز نیروگاه: یک سیستم پیشنهادی مکانیسم استخراج آب را در پایین دست محفظه احتراق قرار می دهد تا بخار آب حاصل از محصولات احتراق را جذب کند. {3}

این نوآوری‌ها پتانسیل نیروگاه‌ها را برای بازیابی آب از اگزوز خود نشان می‌دهد، که می‌تواند برای استفاده‌های مختلف، از جمله حمایت از پروژه‌های جنگل‌کاری، استفاده شود. با افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی و مسائل مربوط به کمبود آب، چنین فناوری‌هایی ممکن است در تأسیسات تولید برق رایج‌تر شوند.

به عنوان مثال، پیش بینی می شود که یکپارچه سازی بازیافت آب با فرآیندهای جذب کربن به یک روش استاندارد در نیروگاه های آینده تبدیل شود. با خنک کردن گازهای دودکش در زیر نقطه شبنم آنها با استفاده از مبدل های حرارتی، آب را می توان متراکم و جمع آوری کرد و کارایی و پایداری کلی را افزایش داد. {4}

در حالی که نمونه‌های خاص نیروگاه‌هایی که در حال حاضر از این فناوری‌ها استفاده می‌کنند محدود است، تحقیقات و توسعه در حال انجام تمایل به پذیرش گسترده‌تر در آینده را نشان می‌دهد.

مطالعات بیشتر

منابع:

  1. سیستم بازیافت آب اگزاست نیروگاه – پتنت US7194869B2
  2. روش و دستگاه استخراج آب در یک نیروگاه – پتنت US7237383B2
  3. استخراج بخار آب از اگزاست یک نیروگاه – پتنت US20240082750A1
  4. چگونه می‌توان آب را از گاز دودکش جدا کرد – سایت مهندسی برایت هاب
  5. ChatGPT. (2025, January 29). Response to a query about water extraction from power plant exhaust. OpenAI. Retrieved from https://chat.openai.com