زیست توده

 

زیست توده چیست؟ زیست توده ترجمعه لغت انگیلسی بیوماس (biomass) می باشد.بعنوان یک تعریف ساده می توان گفت:
*زیست توده شامل کلیه موادی در طبیعت می باشد که در گذشته نزدیک جاندار بوده ،از موجودات زنده به عمل آمده ویا زائدات ،ضایعات و یا فضولات آنها می باشند.منشأ منابع فسیلی نیز منابع زیست توده می باشد.تفاوت آنها در این است که منابع فسیلی از منابع زیست توده که در گذشته بسیار دور زنده بوده اند (دهها میلیون سال پیش) و تحت شرایط فشار و دمای خاص حاصل شده اند.
*زیست توده اصطلاحی است در زمینه انرژی که برای توصیف یک رشته از محصولات که از فتوسنتز حاصل می شوند،بکار می رود.هر سال از طریق فتوسنتز معادل چندین برابر مصرف سالانه انرژی جهان انرژی خورشیدی در برگهای درختان ذخیره می شود.
*اروپا تعریف زیست توده را به شکل زیر مطرح نمود: زیست توده کلیه اجزاء قابل تجزیه زیستی از محصولات فاضلابها و زایدات کشاورزی( شامل مواد گیاهی و حیوانی )،صنایع جنگلی و سایر صنایع مرتبط،فاضلابها و زباله های شهری و صنعتی می باشد.
*چرخه زیست توده در طبیعت:بخشی از تشعشع خورشید که به اتمسفر زمین می رسد،به واسطه فرآیند فتوسنتز در گیاهان جذب و ذخیره می شود.ماکزیمم راندمان تبدیل انرژی خورشیدی در این فرآیند بین 5 تا 6 درصد است.گیاهان به عنوان منابع ذخیره کربن هستند.وقتی گیاهی توسط جانوری خورده می شود،بخشی از کربن موجود در گیاه خورده شده به انرژی تبدیل میشود . بخشی دیگر در بافت های زنده ذخیره می گردد،در صورتیکه چوب یا گیاهان سوزانده شوند،علاوه بر انرژی،بخش اعظمی از کربن ذخیره شده به صورت co2 آزاد می شود و بخشی نیز در خاکستر باقی می ماند.
*میزان انرژی که سالانه توسط فتوسنتز ذخیره میشود،چندین برابر بیشتر از کل مصرف معمولی انرژی جهان و حدوداً 200 برابر مصرف انرژی غذایی معمولی کل جهان است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

بیوگاز: بیوگاز یکی از عمده ترین حامل های انرژی ناشی از فرآوری منابع زیست توده بوده و اخیراً مورد توجه کشورهای پیشرفته جهان قرار گرفته است.محصول هضم بیهوازی گازی با ارزش حرارتی متوسط بنام بیوگاز می باشد.
بیوگاز چیست؟ منابع زیست توده حاوی ترکیبات آلی با مولکول های درشت زنجیر می باشد که در فرآیندهای هضم (مدفون در زمین،داخل مخازن مخصوص و یا رها شده در طبیعت)،مولکولهای مذکور شکسته شده و به مولکولهای ساده تر تبدیل می گردند.حاصل نهایی این فرآیند گازی است قابل اشتعال،که بیوگاز نام دارد.به بیوگاز ،گاز مرداب نیز گفته میشود.این گاز شامل دو جزء عمده متان (و اندکی سایر هیدروکربورها) و دی اکسید کربن به همراه مقادیر جزئی ناخالصی نظیر S2H ،بخار آب، 2N  و…می باشد.این گاز بوی قابل تشخیص مانند تخم مرغ گندیده دارد و از هوا سبک تر می باشد.
مکانیسم تولید بیوگاز: مکانیسم تولید بیوگاز در فرآیند هضم بیهوازی نسبتاً پیچیده و تحت تأثیر عوامل شیمیایی و بیوشیمیایی متنوعی می باشد،این مکانیسم به طور کلی به 3 مرحله (در برخی مراجع 4 مرحله)تقسیم می گردد.
مرحله اول:هیدرولیز مواد آلی پیچیده و نامحلول و تبدیل این مواد به ترکیبات محلول.
مرحله دوم: ترکیبات آلی حاصل از مرحله اول به وسیله باکتری های اسیدساز شکسته شده و اسیدهای آلی تولید میشود.
شكل (1) شماتيكي از سيستم توليد بيوگاز روستائي
كه با فضولات دامي و انساني كار مي كند.
مرحله سوم:تمام ترکیبات آلی و اسیدهای تولید شده در مرحله اسید سازی توسط باکتریهای متان ساز به بیوگاز تبدیل می گردند.عمل هضم بیهوازی در محدوده دمایی نسبتاً وسیع 60-10 سلسیوس صورت می گیرد. مناسب ترین درجه حرارت برای تولید بیوگاز از نظر فنی و اقتصادی حدود 37 درجه سلسیوس می باشد. بيوگاز طيف وسيعي از كاربردها از سنتي تا مدرن را در بر مي گيرد. بعنوان نمونه در شكل زير نمونه اي از هاضم بيهوازي كه با فضولات انساني و دامي در مناطق روستائي و دورافتاده كاربرد دارد، نشان داده شده است. در حال حاضر سایت تحقیقاتی و توسعه کاربرد انرژی زیست توده ساوه متعلق به سازمان انرژیهای نو ایران بصورت تخصصی برروی روشها و فرآیندهای تولید بیوگاز و بهینه سازی آن فعالیت می نماید.

 

 

 

 

 

منابع زیست توده:  منابع زیست توده به شکل زیر دسته بندی شده اند:
-زایدات و ضایعات کشاورزی و جنگلی                          -فضولات دامی                                  -زباله های شهری
-فاضلابهای شهری                                                 -فاضلابها و پسماند های صنعتی(عمدتاً صنایع غذایی)
دسته بندی دیگر توسط وزارت انرژی آمریکا در کتاب داده های انرژی زیست توده (Biomass Data Book،2006)ارائه شده است.در کتاب مذکور منابع زیست توده به سه دسته مواد اولیه،ثانویه و ثالثیه به شرح زیر دسته بندی شده است:
-مواد اولیه: کلیه گیاهان زمینی که از فتوسنتز بعمل می آیند و در خشکی ها و آب ها وجود دارند.
-مواد ثانویه: کلیه زایدات،ضایعات و محصولات جنبی صنایع غذایی،چوبی،جنگلی و فضولات دامی را شامل می شود.
-مواد ثالثیه: کلیه ضایعات ،زباله ها و زایدات پس از مصرف نظیر چربی ها،روغن ها،زباله های جامد شهری،نخاله های چوبی محیط های شهری،زباله های بسته بندی،فاضلابها و گاز دفنگاه را شامل می شود.
همچنین آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر آمریکا در سال 2005 جهت تعیین پتانسیل منابع زیست توده دسته بندی زیر را انجام داده است:
-زایدات کشاورزی شامل زایدات زراعی و متان حاصل از فضولات دامی
-زایدات چوبی شامل زایدات جنگلی،صنایع چوبی و ضایعات چوبی شهری(باغچه ها،سرشاخه ها و نخاله های چوبی)
-پسماندهای شهری شامل گاز دفنگاه ،گاز فاضلاب
-گیاهان انرژی زا
حال توضیح مختصری در خصوص منابع زیست توده ارایه می گردد:
*پسماند های جامد شهری:شامل مواد زائد جامدی هستند که از مراکز تجاری،اداری،خانگی و برخی صنایع حاصل میشود.این مواد یک منبع مناسب برای تولید انرژی می باشند.فرآیندهای تبدیل و تولید مواد و انرژی از زباله در دنیا توسعه یافته و پروژه های زیادی در زمینه تولید انرژی(برق-حرارت)از زباله در دنیا مورد بهره برداری قرار گرفته اند.توجه به این امر می تواند علاوه بر حفظ محیط زیست و جلوگیری از انتشار گازهای سمی و آلاینده نقش مهمی در تأمین انرژی داشته باشد.
*زائدات کشاورزی و جنگلی: چوب یا همان سوخت های چوبی اصطلاحی است،شامل انواع سوخت های حاصل از جنگل کاری،ضایعات حاصل از بهره برداری منابع جنگلی،ضایعات حاصل از صنایع تبدیلی چوب،صنایع چوب و کاغذ و تأسیسات پردازشی مجاور مناطق جنگلی که میتواند بعنوان یک ماده اولیه جهت احداث نیروگاه برای تأمین انرژی همان صنایع یا صنایع دیگر مورد استفاده قرار گیرد.میزان زیادی از زائدات کشاورزی نظیر کاه وکلش غلات،شاخه و برگ انواع گیاهان و محصولات باغی در مراحل مختلف کشاورزی تولید می گردد که می تواند در فرآیند تولید انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

*فضولات حیوانی: فضولات حاصل از دام و طیور سرشار از مواد آلی بوده و در فرآیند تولید انرژی می تواند بعنوان یک ماده اولیه مناسب در نیروگاه های زیست توده مورد استفاده قرار گیرد.
*پسماند های صنایع غذایی و کشاورزی:در فرآیندهای تولید و تبدیل در صنایع غذایی و کشاورزی سالانه مقدار زیادی پسماندهای آلی جامد و مایع تولید می گردد که می تواند ماده اولیه مناسبی برای نیروگاههای زیست توده باشد.انرژی حاصل از این پسماندها میتواند در همان صنایع یا صنایع دیگر مورد استفاده قرار گیرد.
*فاضلاب های شهری:سالانه میلیونها تن لجن در فرآیند تصفیه فاضلاب در تصفیه خانه های شهرها و صنایع مختلف تولید می گردد که دارای پتانسیل مناسبی برای تولید انرژی می باشد.در حالیکه که دفع و دفن این لجن ها از معضلات اساسی تصفیه خانه ها بوده و هزینه های گزافی در این زمینه صرف می گردد.
*محصولات انرژی زا: با توجه به اقتصادی بودن تولید انرژی و نیز برق از درختان و آمریکای شمالی ،کشاورزان بخش هایی از زمین کشاورزی خود را به کشت درختان سریع الرشد و انرژی زا اختصاص می دهند.از انواع مختلف محصولات انرژی زا می توان به کشت درختان سریع الرشد نظیر اکالیپتوس،کشت محصولات کشاورزی(گیاهان)انرژی (مثل سورگوم و نیشکر)،کشت گیاهان روغنی با محتوای انرژی بالا مثل سویا و شلغم روغنی و درخت نخل اشاره کرد.

تاریخچه زیست توده:بهره برداری از انرژی زیست توده شامل چوب،خار و خاشاک به دوران آتش باز می گردد.منابع زیست توده به ویژه چوب تا زمان کشف و بهره برداری از منابع فسیلی همواره نقش غالب و بلامنازعی در تأمین انرژی جامعه بشری داشته.در سال 1667 دانشمندی به نام شرلی گاز مرداب(متان بیوگاز)را کشف نمود.وی پس از مطالعات دریافت که مقدار گاز متان تولید شده بستگی به میزان خاک و برگ پوسیده گیاهان دارد که در طبقات زیرین زمین دفن شده اند.در سال 1884 فردی به نام گاین طرحی را به اجراء در آورد که به وسیله بیوگاز حاصل از انرژی زیست توده روشنائی خیابانهای پاریس را تأمین نمود.در ایران استفاده از زیست توده سابقه قدیمی دارد.محمدبن حسین عاملی،معروف به شیخ بهائی جزء نخستین کسانی بود که از بیوگاز حاصل از زیست توده (فاضلاب حمام)استفاده کرده و آن را به عنوان سوخت یک حمام در اصفهان به کار برده است.در ایران تا به امروز تأسیسات بیوگاز از دفنگاه زباله در سه شهر شیراز،مشهد،اصفهان به اجرا در آمده و در دو نیروگاه از نوع لندفیل در دو شهر مشهد و شیراز به بهره برداری رسیده.

معرفی تکنولوژی های زیست توده:امروزه برای منابع مختلف زیست توده و کاربردهای گوناگون آن ،تکنولوژی های زیاد توسعه یافته و یا در حال توسعه می باشند. روند توسعه تكنولوژي ها و محصولات نيز در طي ساليان طولاني جالب توجه بوده است. در شكل زير روند توسعه محصولات زيست توده در سه مقطع زماني ارائه شده است.

 

 

 

 

 

 

شكل (3) روند تكامل محصولات زیست توده
در يك دسته بندي كلي، تكنولوژي هاي مطرح در اين زمينه برحسب محصول در شکل زیر ارایه شده است:

 

 

 

 

همچنین تکنولوژی های مختلف زیست توده در مراحل مختلف توسعه و معرفی به بازار قرار دارند و طیف وسیعی از توسعه آزمایشگاهی و نمونه سازی تا کاملا تجاری شده را در بر می گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.

 

 

 

جدول(1)وضعيت تكنولوژي هاي مختلف

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل(5) وضعيت قيمت تمام شده تجديدپذيرها و رقابت آنها با منابع فسيلي
حال در این بخش به تشریح تعدادی از تکنولوژی های مطرح پرداخته می شود:
فرآیندهای ترمو شیمیایی: این فرآیند شامل پیرولیز(آرام تا بسیار سریع)،گازی کردن در دمای معمولی(Gasification)،گازی کردن در دمای بسیار بالا(پلاسما)،کربنیزه کردن و مایع ساز کاتالیستی می باشد.

 

*احتراق مستقیم:در این فناوری ،منابع جامد زیست توده نظیر زائدات جنگلی کشاورزی،زائدات صنایع غذایی و زباله های شهری مستقیماً دربویلرهای خاصی سوزانده شده و از حرارت حاصل برای تولید برق ،حرارت و یا برق و حرارت استفاده می شود. مهمترین تکنولوژی تولید برق در این گروه زباله سوزها و چوب سوز ها می باشند.

 

 

 

 

 

شکل(6) شماتیکی از بویلر چوب سوز

 

 

 

 

 

 

شکل(7) نيروگاه چوب سوز 49 مگاواتي در اندرسون كاليفرنيا، تاريخ بهره برداري1996

*احتراق زیست توده با ذغال سنگ یا سایر منابع فسیلی در بویلرهای مدرن(cofiring):در این تکنولوژی منابع مختلف زیست توده با منابع فسیلی بصورت مستقیم،بستر سیال،سیکلون و …محترق می شوند.این تکنولوژی بشدت مورد توجه آمریکا و اروپا واقع شده است.
*پیرولیز(pyrolysis):پیرولیز،واکنش منابع زیست توده در دمای بالا و بدون حضور هوا که منجر به تجزیه آنها میشود را می نامند.محصولات نهایی پیرولیز بفرم جامد (زغال)،مایع(روغن های اکسیژنه)،و گاز(متان،مونواکسید و دی اکسید کربن)می باشد.

 

 

 

 

 

شكل (8) شماتيكي از راكتور پيروليز زیست توده
*گازی کردن در دمای پایین(Gasification):این تکنولوژی اساساً تجزیه به کمک گرما می باشد.در این تکنولوژی،ضمن حرارت دادن به منابع زیست توده و در حضور هوای بسیار کم،گازهای متان،دی و مونواکسیدکربن و هیدروژن تولید می باشد.

 

 

 

 

 

 

 

شكل(9) سيستم توليد برق و راكتور گازساز بستر ثابت زیست توده
*گازی کردن در دمای بسیار بالا(Plasma):این تکنولوژی اساساً تجزیه به کمک گاز یونیزه دما بالا(حالت چهارم ماده سلسیوس پلاسما) می باشد. در اين تكنولوژي، ضمن حرارت دادن به منابع زیست توده با ايجاد دماي بسيار بالا،در حضور هوای بسیار کم،گازهای متان،دی و مونواکسیدکربن و هیدروژن تولید می شود.

 

 

 

 

شكل (10) شماتيك سيستم توليد برق با تکنولوژی پلاسما
*کربنیزه کردن:این تکنولوژی جزو قدیمی ترین تکنولوژی ها می باشد و محصول نهائی آن ذغال چوب،برق و حرارت می باشد.

 

 

 

 

شکل(11) شماتیکی از سیستم کربنیزاسیون بیوماس و زباله های شهری

 

*مایع سازی کاتالیستی:در این تکنولوژی منابع زیست توده در دمای پایین و فشار بالا قرار می گیرند و محصول نهائی مایعی با ارزش حرارتی نسبتاً بالاست.
فرآیندهای بیوشیمیائی:هضم(تخمیر بیهوازی)،هضم هوازی و تخمیر الکلی در این رده بندی می گنجد.همانگونه که قبلا گفته شد،محصول تخمیر بیهوازی بعنوان بیوگاز معروف است.
*هضم بیهوازی:فرآیند منابع زیست توده توسط باکتریها در عدم حضور هوا بوده و در آن متان و محصولات جنبی با ارزش حرارتی متوسط(بیوگاز)تولید می شود.بارزترین نمونه این فرآیند در لندفیل هاست.اخیراً نیز هاضم های مخزنی بشدت مورد توجه قرار گرفته اند.

 

 

 

 

شكل (12) شماتيك نيروگاه بيوگاز 5000 تني
*هضم هوازی:تخمیر هوازی در منابع زیست توده مایع کاربرد دارد.در این روش نیز باکتری های خاصی عمل تخمیر را انجام می دهند.محصول خروجی حرارت،دی اکسید کربن و نیز مقدار کمی بیوگاز می باشد.
*تخمیر الکلی:این تکنولوژی جهت تولید سوخت های تجدیدپذیر کاربرد دارد.محصول نهائی بیواتانول،بیودیزل و انواع روغن ها می باشد.
مزایا و معایب زیست توده:استفاده از زیست توده بعنوان یک منبع انرژی نه تنها بدلیل اقتصادی بلکه به دلیل توسعه اقتصادی و زیست محیطی نیز جذاب است.سیستم هایی که زیست توده را به انرژی قابل مصرف تبدیل می کنند،می توانند در ظرفیت های کوچک به صورت ماژول و ظرفیت های متوسط و بالا بکار روند.صنایع کشاورزی و جنگلداری از ذخایر اصلی زیست توده هستند.میزان نشر مواد آلاینده زیست توده،معمولاً کمتر از سوخت های فسیلی است.استفاده و بهره برداری تجاری از زیست توده می تواند مشکلات مربوط به انهدام ضایعات و زباله در سایر صنایع از جمله جنگلداری و تولیدات چوب،فرآوری مواد غذایی و بخصوص ضایعات جامد شهری در مراکز شهری حذف و یا کاهش دهد.این منبع تنها منبع انرژی تجدیدپذیر است که در کنار هیدروژن می تواند بعنوان سوخت در خودروها استفاده شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل(13) سيكل كربن خنثي براي انرژي زيست توده

 

 

 

 

شكل(14)تمركز متان در اتمسفر ناسا

*اشتعال زائی زیست توده:بر اساس مطالعات صورت گرفته توسط سازمانهای مختلف،منابع انرژی های نو در مقایسه با منابع فسیلی اشتغال بیشتری را ایجاد می کند. . در جدول (2)ميزان اشتغال زائي منابع انرژي هاي نو در دوره احداث و بهره برداري ارائه شده است. با فرض كاركرد سالانه 7500 ساعت، براي هر Mw نيروگاه زيست توده، به ترتيب 75/33 و 25/101 نفر سال در طي دوره احداث و بهره برداري 20 ساله اشتغال ايجاد مي شود. همچنين جامعه اروپا در خصوص ميزان اشتغال حاصل از منابع تجديدپذير انرژي و ميزان صرفه جوئي در مصرف سوخت هاي فسيلي و هزينه هاي اجتماعي آن گزارشي را منتشر ساخته است كه در شكل (15)نتايج حاصله ارائه شده است.

 

 

 

 

 

 

جدول (2) ميزان اشتغال زائي زيست توده در مقايسه با ساير منابع انرژي هاي نو

 

 

 

 

شكل(15) ميزان اشتغال ايجاد شده توسط منابع مختلف تجديدپذير(سمت چپ) و
هزينه هاي سوخت و اجتماعي صرفه جوئي شده بواسطه انرژي هاي  تجديدپذير (سمت چپ )
براي جامعه اروپا
از شکل بالا معلوم می شود که بالاترین میزان اشتغال پیش بینی شده برای جامعه اروپا به انرژی زیست توده اختصاص خواهد داشت.
وضعیت بهره برداری از انرژی زیست توده در جهان و ایران:زیست توده به شکل سنتی آنٍ(چوب)قدیمی ترین شکل انرژی برای بشر بوده و تقریباً از بدو کشف آتش کاربرد آن نیز شروع شده است.در سال های گذشته از چوب در مصارف خانگی و صنعتی استفاده می شده و در حال حاضر نیز در بخش هایی از جهان،حامل انرژی اساسی همان چوب می باشد.زیست توده بعنوان یک منبع انرژی پراکنده،کاربر و زمین بر توصیف می شود. با اينكه بسياري از كشورهاي پيشرفته از مقادير قابل توجهي بيوانرژي در دهه 90 استفاده مي نموده اند، مثلا فنالند 15 %سوئد 9 ،%امريكا 4 %و روسيه 4 3 ، %ولي سهم زیست توده در تأمين انرژي اوليه براي كشورهاي صنعتي بيش از 3 %نمي باشد. در سال 1987  بين 13 تا 14 %از تأمين انرژي اوليه جهان از طريق زیست توده بوده است. درصد سهم مذكور در چند كشور منفرد از اين رقم بالاتر بوده است. كشور نپال بيش از 90% كنيا 75 %هند 50 %چين 22 %برزيل 25 %و مصر و مراكش 20 %از كل انرژي خود را در آن سال از زیست توده تأمين مي كرده اند. در شکل زیر نقشه بهره برداری از انرژی زیست توده بصورت سنتی ارایه شده است. در آخر سال 2005 وضعيت بهره برداري از زيست توده در سطح جهان بشرح زير بوده است:

 

 

 

 

 

 

شكل (16) نقشه استفاده از زیست توده سنتي در دنیا

 

 

 

 

شکل ( 17 ) سهم انواع منابع انرژي در تامين انرژي اوليه جهان، سال 2004

 

 

 

 

شكل (18) سهم انواع منابع انرژي در توليد برق جهان، سال 2004

 

 

 

جدول(3) سهم تجديدپذيرها از انرژي اوليه جهان و سهم منابع مختلف تجديدپذير سال 2004

بهره برداری نیروگاهی:
*در سطح جهان انواع نیروگاههای زیست توده جمعاً به ظرفیت 000 ,44 مگاوات نصب شده است.در سال 2004 این رقم 000, 39
مگاوات بوده است.
*این میزان نیروگاه معادل 3/23% کل نیروگاههای تجدیدپذیر باستثناء برق آبی بزرگ می باشد.
*نیروگاههای زیست توده 1% ظرفیت نصب شده برق دنیا می باشد.
*متوسط نرخ رشد سالانه نیروگاههای زیست توده در طی سال های 2000و2004  به میزان 3% بوده است.این نرخ در سال 2005  بیش از 9/12% بوده است.
*تولید برق نیروگاههای زیست توده به میزان 170تراوات ساعت(6/14 میلیون تن معادل نفت خام)بوده است.این میزان برق معادل 469تراوات ساعت(4/40 میلیون تن معادل نفت خام)انرژی اولیه مورد نیاز برای نیروگاههای فسیلی می باشد.
*هزینه سرمایه گذاری نیروگاههای زیست توده 500تا 4000دلار بر کیلووات و قیمت تمام شده برق آنها از 2 تا 15 سنت بر کیلووات ساعت متغیر می باشد.
مصارف غیر نیروگاهی زیست توده:بخش اعظمی از سهم انرژی زیست توده در تأمین انرژی اولیه مصرفی جهان به کاربردهای حرارتی و احتراق مستقیم بویژه در کشورهای در حال توسعه اختصاص دارد.عمده ترین کاربرد منابع زیست توده در تأمین حرارت پخت و پز می باشد.
*در سال 2005،بیش از 800 میلیون خانوار در سطح جهان برای گرمایش و پخت و پز از منابع زیست توده استفاده می نموده اند.

*بر اساس آمارهای موجود در سال 2004 به میزان 000, 220 مگاوات حرارتی ظرفیت نصب شده زیست توده مدرن تولید حرارت بوده است.(1/62 میلیون تن معادل نفت).
*1010 میلیون تن معادل نفت خام نیز استفاده های سنتی زیست توده می باشد.
*در حال حاضر بیش 21 میلیون هاضم روستایی عمدتاً در چین و هند برای تولید گاز نیز در حال بهره برداری می باشد.
*هزینه تولید از حرارت زیست توده 1 تا 5 سنت بر کیلووات ساعت حرارتی می باشد.
*متوسط نرخ رشد سالانه کاربردهای حرارتی 1/2 % در سال طی سال های 2000-2005 بوده است.
شكل(19) بخاري چوب سوز راندمان بالا

*در سال 2005 جمعاً 33 میلیارد لیتر بیواتانول با نرخ رشد سالانه 8% در جهان تولید شده است.این میزان بیواتانول برابر با 8/17 میلیون تن معادل نفت خام می باشد.
*در سال 2005 جمعاً 9/3 میلیارد لیتر بیودیزل با نرخ رشد 85% در جهان تولید شده است.این میزان بیودیزل برابر با 5/3 میلیون تن معادل نفت خام می باشد.
تجربیات چند کشور پیشرو در خصوص زیست توده:
-در برزیل برنامه تولید الکل تحت عنوان ” پرو الکل ” یکی از موفق ترین طرحها می باشد.در این کشور 62%سوخت خودروها از الکل تأمین می شود.مخلوط 22درصدی اتانول با بنزین در 8 میلیون ماشین این کشور استفاده می شود.همچنین 4میلیون خودرو با مصرف اتانول هیدراته کار می کنند.
-آمریکا بیش از 10 هزار مگاوات نیروگاه زیست توده با تکنولوژی های بیوگاز،گازساز،زباله سوز و لندفیل نصب نموده و 25% کل نیروگاههای زیست توده که در جهان نصب شده در آمریکا می باشد.
-چین بیش از 50سال بر روی بیوگاز کار کرده و در حال حاضر بیش از 15 میلیون هاضم خانگی و بیش از 000, 15 هاضم بزرگ و متوسط در کارخانه ها و پرورشگاههای بزرگ حیوانات اهلی کار می کنند.
-نیروگاهی با توان Mwe24 که توان تولید و تحویل آب گرم مصرفی برای جمعیت 000, 00 8 نفری دارد در سپتامر 1995در ژاپن راه اندازی شده که بازاء هر تن زباله های شهری 720کیلو وات ساعت انرژی تولید می کند و راندمان بویلرهای آن6/20%میباشد.
وضعیت بهره برداری از زیست توده در ایران:استفاده سنتی از زیست توده از سال های دور در ایران مرسوم بوده و در حال حاضر هم به شکل سنتی از آن استفاده می شود.سال 1375 بیش از 10% خانوارهای روستایی برای گرمایش (خانه و آب) و بیش از 5%خانوارهای روستایی برای پخت وپز از چوب و ذغال چوب استفاده می کنند و همچنین تعدادی نیز برای مصارف حرارتی خود از فضولات خشک شده دامی استفاده می نمایند.
*تعیین پتانسیل کلی ایران:کشور ایران دارای منابع غنی زیست توده و پتانسیل قابل توجهی در این زمینه می باشد.پتانسیل کشور شامل 5 منبع عمده مورد مطالعه قرار گرفت که در این پروژه در مرحله اول منابع مختلف زیست توده بشرح زیر تقسیم بندی گردید و پتانسیل های آنها تشخیص داده شد:
1-زائدات کشاورزی و جنگلی معادل نفت خام                                                  جمعاً 74 میلیون بشکه
2-ضایعات جامد و زباله ها معادل نفت خام                                                     جمعاً 15 میلیون بشکه
3-فضولات دامی معادل نفت خام                                                                جمعاً 36 میلیون بشکه
4-فاضلاب های شهری معادل نفت خام                                                        جمعاً 2 میلیون بشکه
5-فاضلاب های صنعتی معادل نفت خام                                                      جمعاً 5, 5 میلیون بشکه

 

 

 

 

شکل (20) مصرف انرژی اولیه و پتانسیل استانی زیست توده
در ادامه بصورت نمونه نتیجه مطالعه انرژی از زباله های شهری برای شهرهای با جمعیت بالاتر از 000.100 نفر و مطابق آمار زباله تولیدی سال 1375 ارایه شده است. مطابق آمارهای آن سال، 11 میلیون تن زباله در شهرهای مذکور تولید شده که پتانیسل انرژی بمیزان 15 میلیون بشکه معادل نفت خام را دارا بوده و سایر مشخصات آن بصورت خلاصه در جدول زیر نمایش داده شده اشت.

 

 

 

 

 

جدول(4) برآورد تولید برق از زباله های شهری در شهرهای بالای 100 هزار نفر جمعیت

چشم انداز و رویکرد جهانی در خصوص زیست توده:زیست توده در میان تجدیدپذیرها بالاترین سهم را در تأمین انرژی اولیه داردو برنامه های کشورهای جهان،شرکت های معتبر و سازمان ها نیز بیانگر اقبال عمومی در جهت توسعه بیشتر بهره برداری از زیست توده بویژه نوع مدرن آن می باشد.زیست توده همچنان نقش غالب را در میان تجدیدپذیرها در تأمین انرژی اولیه خواهد داشت و در تأمین برق نیز شانه به شانه برق آبی و باد خواهد بود. در شکل (21)پیش بینی سهم زیست توده از سرمایه گذاری جهانی در توسعه انرژی های نو در جهان در طی سالهای 2010-2001 ارايه شده است. همانگونه که از شکل نیز برمی آید جمعا 272 ميليارد دلار براي توسعه تجديدپذيرها در طي سال هاي مذكور پيش بيني سرمايه گذاري شده است كه در اين ميان، 43 %از کل سرمایه گذاری بر روی توسعه انرژی های نو به زیست توده اختصاص خواهد داشت.

 

 

 

 

 

 

شکل (21) سهم زیست توده از کل سرمایه گذاری برروی تجدیدپذیرها، 2010 ، 2001
پیش بینی وضعیت انرژی زیست توده تا سال 2040:بر اساس سناریو های سیاست های پیشرفته بین المللی و سیاست های جاری که توسط انجمن انرژی های نو جامعه اروپا(EREC) انتشار یافته،در خوشبینانه ترین حالت نصف انرژی جهان در سال 2040از انرژی های نو قابل تأمین است و این نسبت در بدبینانه ترین حالت کمتر از 27% نخواهد بود.در این بخش نتایج پیش بینی ها برای زیست توده ارائه می شود:

 

جدول (5) رشد سالانه زیست توده تا سال 2040
سناریو سیاست های پیشرفته بین المللی(API):
*زیست توده منبع انرژی تجدیدپذیر با بالاترین میزان استفاده در حال و آینده-نرخ رشد در طول پیش بینی نسبتاً کم است.اما به دلیل استفاده های مختلف گرمایی،برقی و سوختی روی هم رفته مهمترین منبع تأمین انرژی آینده خواهد بود. در جدول زیر نیز بر اساس سناريو سياست پیشرفته بين المللي نتيجه ميشود رشد فنآوري هاي تجديدپذير با هم تا سال 2040 باعث خواهد شد تا نزديك به50 %مصرف انرژي از تجديدپذيرها قابل تامين شود و در اين ميان سهم زیست توده بالاتر از ساير منابع تجديدپذير خواهد بود.

 

 

جدول(6)و شکل (22) سهم انرژی های نو از تامین انرژی جهان مطابق سناریوی AIP

 

 

 

 

 

2157 سناريو سياستهاي پوياي جاري (DCP)
سناریو سیاست های پویای جاری(DCP):اگر اقدامات مهم بین المللی در ارتقاء تجدیدپذیرها و کاهش فقر و تغییرات آب و هوایی از طریق تجدیدپذیرها افزایش نیابد،تا سال 2040 سهم منابع انرژی های تجدیدپذیر از تأمین نیاز انرژی جهانی 27%تخمین زده شده است.این نرخ،حداقل سهم تجدیدپذیرهاست.نرخ رشد زیست توده در هر سناریو بسیار بهم نزدیک خواهد بود.

 

 

 

جدول(7) سهم انواع منابع انرژی در تامین انرژی جهان مطابق سناریوی DCP
پیش بینی جامعه اروپا:جامعه اروپا در گزارشی که در سال 2007منتشر ساخته است،پیش بینی میزان و سهم انواع تجدیدپذیرها در تأمین برق آن جامعه را تا سال 2020 ارایه نموده است.در سال 2030 حدود 6/2 میلیارد نفر از مردم جهان از زیست توده سنتی برای پخت و پز و گرمایش استفاده خواهند نمود و در کشورهای در حال توسعه همچنان 60%خانوارها  از این منبع انرژی استفاده خواهند کرد.این نسبت نزد خانوارهای کشورهای در حال توسعه در سال 2000 به میزان 72% بوده است.

 

 

 

شكل(23)وضعيت فعلي توليد برق از تجديدپذيرها در جامعه اروپا { 50 %زيست توده 60 تراواتساعت{

 

 

 

 

 

 

 

شكل(24 )پیش بینی وضعيت توليد برق از تجديدپذيرها در جامعه اروپا تا سال 2020{30 %زيست توده 350 تراواتساعت{

 

 

 

شكل(25)پیش بینی وضعيت توليد حرارت از تجديدپذيرها در جامعه اروپا تا سال 2020{75 %زيست توده 90 ميليون تن معادل نفت خام{
پیش بینی DLR برای ایران:موسسه DLR،یک موسسه دولتی در آلمان می باشد که نقش قابل توجهی در توسعه انرژی های تجدیدپذیر در آلمان دارد.موسسه مذکور برای کشورهای جنوب آسیا،خاورمیانه و جنوب شرق اروپا مورد مطالعه قرار داده و پتانسیل منبع،فنی و اقتصادی انواع منابع انرژیهای تجدیدپذیر را تعیین کرده است.بر اساس مطالعه مذکور برای ایران،کل پتانسیل اقتصادی زیست توده (زائدات کشاورزی و جنگلی و زباله های شهری)در سال 2050 بمیزانTwh  23/7 خواهد بود.

 

جدول (8) پيش بيني پتانسيل اقتصادي توليد برق از منابع زيست توده در ايران، Twh/ yr ،  2050 ، 2000
وضعیت فعلی و آتی تولید برق و حرارت از زباله های شهری در جهان:تولید انرژی از زباله های شهری جذاب ترین مقوله ها از نظر فنی،اقتصادی،زیست محیطی و اجتماعی در میان منابع زیست توده می باشد.ظرفیت تولید برق اروپا در طی سه سال گذشته به بیش از دو برابر افزایش یافته است و اغلب طرح های CDM نیز حامی پروژه های تولید انرژی از زباله های شهری است.پیش بینی میشود که سهم زیست توده سنتی در تأمین انرژی جهانی کاهش یابد که به دلیل افزایش شدید تقاضای جهانی و ثروتمندتر شدن کشورهای جهان سوم و گرایش به سمت مصرف سوخت های مدرن نظیر سوخت های فسیلی در بخش های خانگی می باشد.در حال حاضر هزاران مگاوات نیروگاه زباله در سطح جهان نصب شده و آمریکا تا سال 2011،ظرفیت این نوع نیروگاهها را به بیش از 9000مگاوات خواهد رساند.ژاپن نیز برنامه نصب نیروگاههای زباله خود را تا سال 2010 به میزان 4710مگاوات اعلام نموده است.در حال حاضر بیش از 1900زباله سوز ،77%زباله های ژاپن را می سوزانند و فقط 30%آنها به واحد تولید برق مجهزند.

تکنولوژی های مورد استفاده برای تولید انرژی (برق/حرارت)از زباله های شهری:تکنولوژی ها و روش های مختلفی برای مدیریت زباله و تولید انرژی مطرح می باشد.که به طور کلی در حال حاضر تکنولوژی های زیر در سطح جهان به صورت منفرد و ترکیبی با سایر تکنولوژی ها استفاده می شود:
*زباله سوز شامل توده سوز،مدولار و PDF                         *دفنگاه زباله                           *روش های مکانیکی MBT
*گازساز زباله (Gasification)                                     *هضم بیهوازی                          *پلاسما
در ادامه توضیح مختصری از برخی از تکنولوژی های مطرح در زمینه تولید انرژی از زباله های شهری داده می شود:
تولید برق از دفنگاه زباله:در این روش،چاههای استحصال گاز با فواصل مختلف نسبت بهم حفر گردیده و لوله های پلی اتیلنی سوراخ دار در درون چاه قرار گرفته و دور آن نیز با شن پر میشود.سپس سر چاه با محیط بیرون کاملاً seal شده و سیستم جمع آوری گاز روی آن نصب می گردد.لوله های جمع آوری و انتقال گاز به شیرهای مذکور متصل شده و گاز تولیدی پس از عبور از سیستم رطوبت گیر و حذف گازهای خورنده وارد سیستم تولید برق میشود.
 

 

شکل(26) دیاگرام تولید گاز در دفنگاه زباله
شكل (27) تصويري از چاه واقعي استحصال گاز لندفيل

 

 

 

 

 

شکل(28) دیاگرام جمع آوری، تصفیه و پالایش گاز و تولید برق از دفنگاه زباله

 

*وضعیت استفاده از گاز لندفیل (LFG) در آمریکا:به دلیل حمایت های دولت آمریکا از طرحهای LFG ،این نوع طرحها با رشد قابل توجهی توام بوده است.این کشور در زمره کشورهایی است که بیشترین میزان تولید انرژی از LFG را به خود اختصاص داده.نکته حائز اهمیت دیگر در این رابطه مقایسه پیش بینی رشد استحصال انرژی ازLFG در آمریکا و مقایسه آن با دیگر انواع انرژی های تجدیدپذیر نظیر انرژی باد،ژئوترمال و خورشیدی است.

 

 

 

 

شكل(29)تعداد تجمعي طرحهاي در حال بهره برداري در آمريكا
اين مقايسه در شكل(30) نشان داده شده است. با مشاهده نمودار ياد شده چنين برميآيد كه طي دوره 25 ساله از 2000 تا 2025 رشد استفاده از LFG تقريبا با انرژي باد و زمين گرمايي مساوي بوده و اين در حالي است كه هر سه اين انرژي ها اختلاف فاحشي با انرژي خورشيدي خواهند داشت.

 

 

 

 

 

شكل (30 )مقايسه پيش بيني توليد برق از گاز لندفيل و چند منبع ديگر تا سال 2025 در آمريكا
*وضعیت LFG در بین کشورهای اتحادیه اروپا:طی سه سال گذشته ظرفیت نصب شده سیستم های جمع آوری و استفاده از گاز لندفیل در اروپا دو برابر شده است.پس از جمع آوری گاز،اولین گزینه در رابطه با استفاده از گاز جمع آوری شده ،سوزاندن آن است که در نتیجه با استفاده از انرژی حاصل از این فرآیند می توان برق تولید نمود.استفاده از  LFGدر بین کشورهای عضو اتحادیه اروپایی که در آنها مدیریت دفع زباله قانونمند بوده و جمع آوری و کنترل آن تابع قوانین و مقررات میباشد به تجربه ای موفق و در حال گسترش تبدیل شده است،به نحوی که تعداد این نوع سیستم های جمع آوری LFG از 298 در سال 1995 به 423 سیستم در سال 1997 افزایش یافت. در جدول (9)ظرفيت نصب شده تجهيزات جمع آوري و استفاده از(LFG) برق توليدي در كشورهاي عضو اتحاديه اروپايي در سال 1996 و پيش بيني آن تا سال 2010 نشان داده شده است.

 

 

 

 

جدول( 9)وضعيت لندفيل در اروپا و پيش بيني آن تا سال 2010                                         شكل (31) وضعيت لندفيل در اروپا و پيش بيني آن تا سال 2010
زباله سوز:زباله سوزها به عنوان واحد هایی تعریف می گردند،که توسط حرارت،مواد زائد را اکسید و مواد کربنی را کاهش می دهند.محصولات خروجی از زباله سوزها،دی اکسیدکربن،آب،خاکستر و حرارت حاصل از احتراق می باشد.علاوه بر این آلاینده های هوا نظیر ترکیبات سولفور و نیتروژن و هالوژن ها و فلزات سنگین گوناگون(مانند ادمیم،جیوه…)نیز از محصولات دیگر احتراق میباشند.
*زباله سوز با سوخت RDF :سوخت های RDF از باقیماندۀ زباله های جامد شهری پس از جداسازی از آن مانند شیشه ها و سایر ترکیباتی که نمی سوزند،تشکیل میشود.این سوخت میتواند به صورت یک سوخت جامد در بویلرهای RDF سوز استفاده شده و یا به همراه ذغال سنگ و یا نفت در بویلرهای چند سوخته سوزانده شود.در حال حاضرRDF در کوره سیمان بعنوان جانشین سوخت های فسیلی تزریق میشود.
*وضعیت حال حاضر تکنولوژی های زباله سوزی:عمده ترین تکنولوژی زباله سوزی که در حال حاضر به دلیل سادگی و هزینۀ پایین اجرای آن بیشترین استفاده را دارد،توده سوز است.وضعیت زباله سوزی توده سوز شبکه ای نصب شده در سطح جهان با این روش بیش از 65 میلیون تن می باشد.بعلاوه،روش توده سوزی وان رول نیز اجرا میشود و اکنون در دنیا 32 میلیون تن زباله در سال به این روش سوزانده میشوند.

 

 

 

 

 

شکل(32) شماتیکی از یک نیروگاه زباله سوز در آلمان

*وضعیت زباله سوزی در بین کشورهای اروپایی و آمریکا:زباله سوزی یکی از روشهای شناخته شده و مطرح در امحاء زباله است و در اروپا  و آمریکا  سالانه میلیونها  تن  زباله با این روش امحاء میشود. در اروپا بیش از 40 میلیون تن زباله در سال بیش از 322, 11 میلیون کیلووات ساعت برق تولید می کنند و در آمریکا نیز سالانه بیش از 25 میلیون تن زباله سوزانده شده و بیش از 7000میلیون کیلووات ساعت برق تولید می کنند.همچنین در اروپا معادل 6000 مگاوات حرارتی نیز گرما تولید می شود. همچنين در اروپا معادل 6000 مگاوات حرارتي نيز گرما توليد مي شود. در جدول (10)ميزان زباله سوزي در اروپا به تفكيك كشورهاي مختلف و در جدول (11)ظرفيت زباله سوزي در آمريكا ارائه شده است.

 

 

 

 

 

 

جدول (10)ظرفيت هاي زباله سوزي گزارش شده در اروپا

 

 

 

 

 

جدول(11) عمده ترين استفاده كنندگان از WTE در آمريكا
امحاء زباله و تولید انرژی به روش پلاسما:سیستم گازساز شیشه ای ساز پلاسما(PGV)راهی مؤثر برای تفکیک کامل همۀ اجزای (آلی و غیرآلی)و وصول به ترکیب اولیه آنها برای بازیافت می باشد.مهمترین جزء سیستم PGV،گازساز آن است که می تواند یک یا چند مشعل قوسی پلاسما را در خود جای دهد.با عبور یک جریان مستقیم بین کاتد و آند مشعل قوس پلاسما و عبور همزمان هوا در فضای حلقوی شکل،یک محیط با گرمای بسیار زیاد که بین C0 000 ,10 و 000, 5 است به وجود میاید.گاز سنتز تولید شده از گاز سازی موادآلی عمدتاً شامل منواکسیدکربن و هیدروژن میباشد.هالوژنها و مواد گوگردی که در مواد اولیه(زباله) موجود هستند به ترتیب به اسید کلریدریک(HCL)،اسید هیدروفلریک(HF)،سولفید هیدروژن(S2H)تبدیل میشوند.

 

 

 

 

شکل(33) شماتیک راکتور گازساز پلاسما
بیوگازهای زباله در هاضم های بزرگ:در این روش زباله پس از تفکیک،خرد شده و با شیرابه،لجن فاضلاب و…مخلوط شده و در مخازنی  در دمای بالاتر از محیط به صورت بیهوازی توسط  باکتری های خاصی هضم شده  و  گاز تولیدی پس از پالایش به سیستم   Gas Engine منتقل شده و سپس برق تولید می شود.

 

 

 

 

شكل (34)شماتيكي از هاضم بيهوازي زباله هاي شهري
*هزینه سیستم های تولید برق از زباله در اروپا:در کشورهای اروپایی انواع مختلفی از سیستم های تولید برق از زباله کاربرد دارند. كه متوسط هزينه آنها بشرح جدول ذيل مي باشد:

 

جدول (12)هزينه هاي سيستم هاي مختلف توليد برق از زباله هاي شهري در اروپا