Article by: Panida Thepkhun (Ph.D.), Researcher Thailand Institute of Scientific and Technological Research
ชีวมวลได้รับการส่งเสริมเพื่อเป็นแหล่งพลังงานทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิตความร้อนและไฟฟ้า เพื่อผลประโยชน์ด้านความมั่นคงทางพลังงาน การลดผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อม และตอบโจทย์เป้าหมายการพัฒนาอย่างยั่งยืน ชีวมวลในกลุ่มไม้ เช่น ไม้สับ ขี้เลื่อย เศษใบไม้ ฯลฯ เป็นเชื้อเพลิงที่สามารถหาได้ทั่วไปในท้องถิ่น มีราคาถูก แต่มีคุณภาพต่ำเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล นั่นคือ ความชื้นสูง ความหนาแน่นต่ำ ค่าความร้อนต่ำ และควันมากระหว่างการเผา ซึ่งข้อจำกัดต่าง ๆ เหล่านี้ส่งผลต่อการนำชีวมวลมาใช้เป็นพลังงานทดแทน
โดยที่ลิกโนเซลล์ลูโลส (Lignocelluloses) เป็นส่วนเส้นใยในไม้ โดยทั่วไปประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก ๆ ได้แก่ เฮมิเซลลูโลสต์ (Hemicelluloses), เซลลูโลสต์ (Celluloses), และ ลิกนิน (Lignin) ในอัตราส่วนร้อยละ 20 – 40, 40 – 60 และ10 – 25 ตามลำดับ ซึ่งมีค่าการย่อยสลายทางความร้อน (Decomposition temperature, TDT) ที่อุณหภูมิต่างกัน เฮมิเซลลูโลสต์และเซลลูโลสต์ มีค่า TDT อยู่ที่ 130 – 260 และ 240 – 350 องศาเซลเซียส ตามลำดับ ส่วนลิกนิน มีค่า TDT อยู่ที่ 280 – 500 องศาเซลเซียส
เทคโนโลยีการเปลี่ยนชีวมวลเป็นแหล่งพลังงานด้วยกระบวนการทางความร้อน (Thermalchemical Process) ประกอบด้วย 3 เทคโนโลยี ได้แก่ เทคโนโลยีแก๊สซิฟิเคชัน (Gasification) เพื่อผลิตก๊าซเชื้อเพลิง ได้แก่ H2, CO, CO2 และ CH4, เทคโนโลยีไพโรไลซิส (Pyrolysis) เพื่อผลิตไบโอออยล์ (Bio-oil) และเทคโนโลยีผลิตเชื้อเพลิงแข็งที่มีคุณสมบัติเหมือนถ่านหิน เช่น คาร์บอนไนเซชัน (Carbonization) และทอร์ริแฟคชัน (Torrefaction)
กระบวนการทอร์ริแฟคชัน (Torrefaction process) เป็นหนึ่งในกระบวนการปรับปรุงคุณภาพชีวมวลให้มีคุณสมบัติเหมาะสมต่อการนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิง ด้วยการให้ความร้อนแก่ชีวมวลอย่างช้าๆ ที่ช่วงอุณหภูมิระหว่าง 200 – 300 องศาเซลเซียส ในสภาวะอับอากาศ ระยะเวลาประมาณ 10 – 30 นาที ด้วยอุณหภูมิดังกล่าว จะส่งผลให้เกิดการสลายตัวของโครงสร้างเส้นใยชีวมวลบางส่วน โดยทั่วไปกระบวนการทอร์ริแฟคชันประกอบด้วย 3 ส่วนหลักๆ ได้แก่ กระบวนการอบแห้ง (Drying), กระบวนการทอร์ริแฟคชัน (Torrefaction) และกระบวนการทำให้เย็นลง (Cooling) ชีวมวลที่ผ่านการทอร์ริไฟด์แล้วหรือทอร์ริไฟด์ไบโอแมส (Torrefied biomass) จะมีคุณสมบัติต่างๆ ที่ดีขึ้นดังต่อไปนี้
1. อัตราส่วนของคาร์บอนต่อออกซิเจน และคาร์บอนต่อไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นมีค่าใกล้เคียงกับถ่านหิน อันเป็นผลมาจากการกำจัดออกซิเจนและไฮโดรเจนออกจากชีวมวล จึงทำให้ทอร์ริไฟด์ไบโอแมสบดเป็นผงได้ง่าย โดยผงที่ได้จะมีขนาดเล็กและสม่ำเสมอกว่าเมื่อเทียบกับชีวมวล ส่งผลให้ค่าประสิทธิภาพการเผาไหม้สูงขึ้น
2. ค่าความหนาแน่นและค่าความร้อนต่อน้ำหนักของทอร์ริไฟด์ไบโอแมสมีค่าสูงขึ้น เนื่องจากสภาวะอุณหภูมิของกระบวนการทอร์ริแฟคชันทำให้เกิดการแตกตัวของเฮมิเซลลูโลสต์และเซลลูโลสต์บางส่วน ส่งผลให้เกิดรูพรุนและการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่น ทั้งนี้การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นขึ้นอยู่กับชนิดของชีวมวลและสภาวะในกระบวนการทอร์ริแฟคชัน
3. ทอร์ริไฟด์ไบโอแมสมีการดูดความชื้นลดลง เนื่องจากการทำลายพันธะ O-H ในโครงสร้างของชีวมวลทำให้ความสามารถในการเก็บความชื้นลดลง และการที่คุณสมบัติของทอร์ริไฟด์ไบโอแมสที่ไม่กักเก็บความชื้น จึงทำให้การเก็บรักษาทำได้ง่ายขึ้น ไม่เกิดเชื้อรา หรือการผุกร่อนจากความชื้น
ตารางด้านล่างแสดงการเปรียบเทียบคุณสมบัติของชีวมวล ทอร์ริไฟด์ไบโอแมส และถ่านหิน จะเห็นได้ว่าทอร์ริไฟด์ไบโอแมสมีความเหมาะสมต่อการเป็นเชื้อเพลิงมากกว่าชีวมวล แต่ยังมีความท้าทายในด้านการพัฒนาเทคโนโลยีในระดับอุตสาหกรรม เนื่องจากสภาวะในการทอร์ริไฟด์ชีวมวลแต่ละชนิดจะต้องปรับเปลี่ยนไปตามคุณสมบัติของชีวมวลแต่ละประเภทที่มีความแตกต่างกัน จึงส่งผลต่อต้นทุนที่เพิ่มขึ้นของระบบทอร์ริแฟคชันเพื่อรองรับความหลากหลายของวัตถุดิบชีวมวล อย่างไรก็ดี แม้ว่าต้นทุนการผลิตทอร์ริไฟด์ไบโอแมสยังคงมีราคาสูงกว่าชีวมวลแบบดั้งเดิมมากในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ยังคงพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตให้ราคาถูกลงและมีความเป็นไปได้ในเชิงเศรษฐศาสตร์ เพราะฉะนั้นในแง่มุมของภาคอุตสาหกรรมและการลงทุน การพัฒนาองค์ความรู้เพื่อรองรับเทคโนโลยีการผลิตดังกล่าวจะสามารถช่วยให้มีความพร้อมต่อการเข้ามาของเทคโนโลยีใหม่ๆ ได้อย่างรวดเร็ว
