การแปรรูปชีวมวลเป็นเชื้อเพลิงและพลังงาน
ชีวมวล (Biomass) เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียน (Renewable energy) ที่สำคัญของประเทศ เนื่องจากประเทศไทยมีชีวมวลชนิดของเหลือทิ้งทางการเกษตร (Agricultural waste) เป็นจำนวนมากที่ยังไม่ได้นำไปใช้ประโยชน์ จึงมีแนวโน้มความต้องการนำชีวมวลเหล่านี้ไปใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ (Biofuels) และพลังงานชีวภาพ (Bioenergy) ในระดับอุตสาหกรรมเพิ่มมากขึ้น เทคโนโลยีสำหรับการแปรรูปชีวมวลไปเป็นเชื้อเพลิงและพลังงานมีความหลากหลายทั้งในด้านคุณภาพวัตถุดิบที่เหมาะสม กลไกของกระบวนการ เครื่องมือและอุปกรณ์ สภาวะดำเนินการ ต้นทุนการผลิต และลักษณะของเชื้อเพลิงและพลังงานที่ผลิตได้ ซึ่งสามารถจำแนกเทคโนโลยีเหล่านี้อย่างคร่าวออกเป็น 4 กระบวนการ ได้แก่
- การเผาไหม้โดยตรง (Direct combustion) เพื่อผลิตความร้อน
การเผาไหม้โดยตรงเป็นกระบวนการที่พบได้บ่อยที่สุดในการแปรรูปชีวมวลให้เป็นพลังงานที่มีประโยชน์ ชีวมวลทุกชนิดสามารถนำมาเผาไหม้เพื่อให้ได้ความร้อนโดยตรงกับหน่วยต่าง ๆ ในโรงงานอุตสาหกรรม หรือนำความร้อนไปผลิตไอน้ำสำหรับการผลิตไฟฟ้าด้วยกังหันไอน้ำ (Steam turbine) อย่างไรก็ดีชีวมวลมีค่าความร้อน (Heating value) ต่ำกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล (Fossil fuels) จึงให้พลังงานต่ำกว่า
- การแปรรูปชีวมวลด้วยกระบวนการเคมีความร้อน (Thermochemical process) เพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพชนิดของแข็ง ของเหลว และแก๊ส
หลักการของกระบวนการเคมีความร้อนเพื่อแปรรูปชีวมวลไปเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ คือ การแตกสลายโครงสร้างของชีวมวลในระบบที่มีการให้ความร้อนภายใต้บรรยากาศที่มีการควบคุมปริมาณแก๊สออกซิเจน ซึ่งวัตถุดิบชีวมวลที่นำมาใช้ในกระบวนการนี้ส่วนใหญ่เป็นชีวมวลชนิดลิกโนเซลลูโลส (Lignocellulosic biomass) และเชื้อเพลิงที่ผลิตได้จัดเป็น “เชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นที่ 2” (Second-generation biofuels) กระบวนการเคมีความร้อนสามารถแยกย่อยได้หลายกระบวนการ เช่น ไพโรไลซิส (Pyrolysis) ลิควิแฟกชัน (Liquefaction) และแกซิฟิเคชัน (Gasification) เป็นต้น
ไพโรไลซิส เป็นกระบวนการแปรรูปชีวมวลที่มีโครงสร้างซับซ้อนให้กลายเป็นสารอินทรีย์ที่มีขนาดโมเลกุลเล็กลง โดยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง 400–500 องศาเซลเซียส ภายใต้บรรยากาศที่ไม่มีแก๊สออกซิเจนหรือมีปริมาณแก๊สออกซิเจนเล็กน้อย ผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงที่ได้มีทั้งของเหลว ของแข็ง และแก๊ส ซึ่งเชื้อเพลิงเหลวและเชื้อเพลิงแข็ง มักรู้จักในชื่อ “ไบโอออยล์” (Bio-oil) และ “ถ่านชาร์” (Bio-char) ส่วนแก๊สเชื้อพลิงประกอบด้วย แก๊สมีเทน (Methane) แก๊สไฮโดรเจน (Hydrogen) แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (Carbon monoxide) เป็นต้น
แกซิฟิเคชัน เป็นกระบวนการผลิตเชื้อเพลิงชนิดแก๊ส โดยให้ชีวมวลทำปฏิกิริยากับแก๊สผสมที่ประกอบด้วยแก๊สออกซิเจนและไอน้ำที่อุณหภูมิในช่วง 700–900 องศาเซลเซียส องค์ประกอบของแก๊สเชื้อเพลิงที่ผลิตได้คือ แก๊สไฮโดรเจน แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สมีเทน สามารถนำไปเผาไหม้ให้ความร้อนได้โดยตรงหรือใช้ในการผลิตไฟฟ้าด้วยกังหันแก๊ส (Gas turbine) นอกจากนี้ แก๊สผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งเรียกว่า “แก๊สสังเคราะห์” (Synthetic gas) หรือ “ซินแก๊ส” (Syngas) สามารถใช้เป็นสารป้อน (Feed) ในการผลิตเชื้อเพลิงเหลวและสารเคมีได้อีกหลายชนิด เช่น เมทานอล โดยใช้กระบวนการสังเคราะห์ฟิสเชอร์-ทรอปซ์ (Fischer-Tropsch synthesis)
ลิควิแฟกชัน หรือนิยมเรียกอย่างเจาะจงว่า “ไฮโดรเทอร์มัลลิควิแฟกชัน” (Hydrothermal liquefaction) เป็นกระบวนการแปรสภาพโครงสร้างชีวมวลที่เป็นของแข็งให้กลายเป็นเชื้อเพลิงเหลวโดยใช้น้ำร้อนภายใต้ความดันสูง โดยทั่วไปอุณหภูมิและความดันอยู่ในช่วง 250–400 องศาเซลเซียส และ 4–22 เมกกะพาสคัล ตามลำดับ บางเทคโนโลยีอาจใช้สภาวะที่รุนแรงมากกว่านี้ ซึ่งเป็นสภาวะเหนือวิกฤตของน้ำ (Supercritical water conditions) หรือการเติมตัวทำละลายอินทรีย์เป็นสารเพิ่มแก๊สไฮโดรเจนในระบบ เพื่อเพิ่มปริมาณเชื้อเพลิงของเหลวที่ผลิตได้ กระบวนการนี้มีข้อดีคือ สามารถใช้วัตถุดิบชีวมวลที่มีสภาพเปียกหรือชื้นได้โดยไม่จำเป็นต้องทำให้แห้ง จึงมีความหลากหลายของวัตถุดิบที่นำมาใช้ได้ เช่น เศษไม้ เศษอาหาร มูลสัตว์ สาหร่าย เป็นต้น
- การแปรรูปชีวมวลด้วยกระบวนการทางชีวภาพ (Bioconversion process)
เทคโนโลยีการแปรรูปที่จัดอยู่ในกลุ่มนี้ใช้จุลินทรีย์ (Microorganisms) เช่น แบคทีเรีย รา สาหร่าย ทำหน้าที่ย่อยสลายองค์ประกอบของชีวมวล เช่น น้ำมัน ไขมัน โปรตีน เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนิน ให้กลายเป็นพลังงานสะอาด เช่น ไบโอมีเทน ไบโอไฮโดรเจน ไบโอเอทานอล และไบโอดีเซล เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการเคมีความร้อน กระบวนการนี้มีจุดเด่นคือ สภาวะดำเนินการไม่รุนแรง โดยส่วนใหญ่เกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิห้อง แต่ปริมาณผลผลิตยังค่อนข้างต่ำและมีข้อจำกัดด้านชนิดของวัตถุดิบชีวมวล ตัวอย่างของกระบวนการทางชีวภาพที่สำคัญ ได้แก่ การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic digestion) การหมักเอทานอล (Ethanol fermentation) การหมักไบโอดีเซล (Biodiesel fermentation) และการผลิตไบโอไฮโดรเจน (Bio-hydrogen production) ปัจจุบันไบโอมีเทนและไบโอไฮโดรเจนมีบทบาทในชีวิตประจำวันมากขึ้นทั้งให้พลังงานความร้อนและเป็นเชื้อเพลิงในภาคการขนส่ง ขณะที่ไบโอเอทานอลและไบโอดีเซลส่วนใหญ่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในยานพาหนะ จุลินทรีย์บางชนิดสามารถผลิตไฟฟ้าได้โดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (Microbial fuel cells)
