بایگانی دسته: زیست توده

کاربردهای انرژی زیست توده

کاربردهای انرژی زیست توده :
 امروزه برای منابع مختلف زیست­ توده و کاربردهای گوناگون آن، تکنولوژی­های زیادی توسعه یافته و یا در حال توسعه می­باشند. منابع زیست توده با فن آوری های مختلف تولید انرژی، به صورتهای مختلف انرژی نظیر برق، حرارت و سوخت تبدیل می گردند. نمودار های ذیل با انواع کاربردهای انرژی زیست توده اشاره دارد .
2587_orig 2588_orig

مصارف غیر نیروگاهی زیست توده :

بخش اعظمی از سهم انرژی زیست توده در تامین 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 تامین حرارت و پخت و پز می باشد.

بایو ماس 13

2589_orig

فناوری های استحصال انرژی از زیست توده

فناوری ها و سیستمهای استحصال انرژی از زیست توده :

امروزه برای منابع مختلف زیست­توده و کاربردهای گوناگون آن، تکنولوژی­های زیادی توسعه یافته و یا در حال توسعه می­باشند. 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 کاملاٌ تجاری شده را در بر می گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.

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 کاملاٌ تجاری شده را در بر می گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.

 

 

فن آوریهای گرما شیمیایی:

این فن آوریها با گرما دادن به زائدات زیستی در حضور یا عدم حضور عوامل کمکی، انرژی تولید می کنند. انرژی تولید شده می تواند به صورت انرژی گرمایی یا انرژی ثانویه باشد که از فرآورده های انرژی زا بدست می آید مانند سوختهای جامد، مایع و گاز که می توانند به انرژی جنبشی یا الکتریسیته تبدیل شوند. عوامل کمکی در این فن آوریها می تواند بخار، هوا، اکسیژن، هیدروژن و مواد جامد باشند. مهمترین فن آوری های گرما- شیمیایی عبارتند از :

  • احتراق مستقیم  Direct Combustion  شامل : کاربری خانگی و صنعتی
  • آتشکافت   Pyrolysis  – آتشکافت با روش معمولی و آتشکافت با بخار
  • گازی کردن    Gasification- گازی سازی ساده در دمای معمولی و گازی سازی پلاسما در دمای بالا

 احتراق مستقیم : در این فناوری، منابع جامد زیست توده نظیر زائدات جنگلی- کشاورزی، زائدات صنایع غذائی و زباله های شهری مستقیماٌ در بویلرهای 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 سوزها می باشند.

از دیدگاه فنی و کاربردی، فن‌آوری احتراق مستقیم را می‌توان به دوکاربری زیر تقسیم بندی نمود:

  1. کاربری خانگی
  2. کاربری صنعتی

 

شماتیکی از بویلر چوب سوز

کاربری خانگی:

این کاربری در مقیاس محدود مطرح بوده و کاربرد آن در تأمین نیازهای واحدهای مسکونی و واحدهای تجاری کوچک که اغلب در جوامع روستایی واقع هستند، رواج دارد نیازهای عمده این مصرف کننده‌ها پخت و پز، گرمای لازم برای گرمایش فضای مسکونی و آب گرم مصرفی و برخی کاربردهای دیگر به‌صورت محدود می‌باشد مانند کوره‌های متداول در صنایع کوچک (سفالگری، آهنگری، رنگرزی).

کاربری صنعتی:

در این زمینه، احتراق زیست توده در مقیاس بزرگتری مطرح می‌گردد. منابع زیست توده‌ مناسب در این کاربری شامل چوب و پسماندهای چوبی، بقایای کشاورزی و باغی (کاه، سبوس، برگ خشک سرشاخه‌ها، ترکه‌ها، نی، پوست ساقه درختان) و زباله‌های شهری هستند.

احتراق این سوختها به تولید انرژی گرمایی منجر می‌شود و انرژی آزاد شده می‌تواند در مصارف زیر مورد استفاده قرارگیرد:

  • صنایع غذایی (تولید بخار و تولید گرمای مورد نیاز فرآیندهای پخت)
  • صنایع آجر و سفال و سرامیک – صنایع چوب و کاغذ (تولید بخار و تولید گرمای موردنیاز فرآیندها)
  • صنایع ذوب فلزات (مانند کشور برزیل که از ذغال چوب بهره‌گیری می‌کنند)
  • بویلر نیروگاهها

بحث احتراق مستقیم در کاربری صنعتی را می‌توان از دو دیدگاه زیر مورد توجه قرار داد:

  1. احتراق در کوره‌های مخصوص چوب و ذغال‌سنگ و سوختهای با رطوبت پائین
  2. احتراق در کوره‌های زباله‌سوز و سوختهای پردازش نشده

 زباله سوزها : زباله سوزی فرآیندی است که توسط آن زباله ها در مجاورت حرارت مشتعل شده و موادی مثل خاکستر و گازهای دودکشی را به عنوان محصولات احتراق تولید می کند . طی این فرایند بیشتر فلزات و ترکیبات فلزی موجود در زباله بدون تغییر باقی مانده و از خاکستر حاصل قابل استخراج می باشند. مهم ترین مزایای روش زباله سوزی کاهش زیاد در حجم و وزن زباله ها بدون نیاز به مدت زمان  طولانی و یا مساحت زیاد عملیات، از بین رفتن اکثر زائدات خطرناک و به تبع کاهش اثرات مخرب زیست محیطی، امکان بازیافت انرژی به صورت برق و یا حرارت از گرمای آزاد شده در حین فرآیند احتراق زباله ها و همچنین امکان بازیافت فلزات – اعم از فلزات آهنی و غیر آهنی- از محصولات احتراق می باشد. تکنولوژی های مختلف زباله سوزی نیاز به پیش فرآوری های کمابیش یکسانی دارند. در مرحله اول می باید مواد خطرناک، اجسام بزرگ و مواد غیر قابل سوختن حجیم از جریان ورودی جدا شوند. احجام حجیم قابل سوختن باید ابتدا خرد شده و به جریان پسماند وارد شوند.  مواد قابل بازیافت می تواند طی فرآیند جداسازی از پسماند جدا شود.  سپس جریانهای متفاوت پسماند جهت حصول ورودی یکنواخت به لحاظ فیزیکی، شیمیایی و ارزش حرارتی با یکدیگر مخلوط می شوند. این یکنواختی به عملکرد زباله سوز و تاسیسات ثانویه تولید انرژی و کنترل آلودگی کمک می کند. خرد سازی پسماند ممکن است مورد نیاز باشد. کوره های دوار و سیستم های سوخت انداز  نیازی به خرد سازی کل پسماند ندارد اما در زباله سوزی به روش بستر شناور لازم است که پسماند ورودی خرد و مخلوط شود. همین طور ارزش حرارتی و ترکیب پسماند ممکن است انجام برخی فرآوری را قبل از ورود به سیستم های سوخت انداز یا کوره دوار اجباری کند. حداقل ارزش حراراتی مناسب برای تولید انرژی از پسماند به روش زباله سوزی ۶۰۰۰ کیلوژول بر کیلوگرم تخمین زده شده است.

انواع زباله سوز ها شامل توده سوز، مدولار و RDF می باشند .

نمایی از یک واحد زباله سوزی

امروزه ظرفیت جهانی زباله سوزی به منظور انهدام زباله و در کنار آن تولید انرژی و بازیافت فلزات (از زباله های جامد شهری) حدود ۱۳۰ میلیون تن در سال است که در حدود ۶۰۰ نیروگاه بزرگ زباله سوز انجام می شود. سوزاندن مواد زاید جامد شهری یک فرآیند مهار شده است که در آن مواد زاید جامد سوخته و به خاکستر مبدل شده و باقیمانده به گازهای بی خطر و یا کم خطر تبدیل میگردند. در این روش حجم زباله ها تا ۹۰ درصد کاهش پیدا میکند. زباله سوزی یکی از روشهای دفع مواد زاید جامد شهری است. این روش در شهرهایی که با مشکل کمبود زمین مواجه هستند کاربرد دارد. علاوه بر کاهش حجم، از این دستگاهها نیز می توان برای کاهش و یا رفع ویژگی سمی مواد استفاده نمود.

به طورکلی میتوان مواد زیر را در انواع مختلف زباله سوزها سوزاند:

  • زباله های شهری
  • مواد شیمیایی آلی
  • مواد پرتوشناسی
  • مواد بیولوژیکی
  • مواد آتش گرفتنی
  • مواد منفجرشدنی
  • لجن حاصل از تصفیه خانه های فاضلاب

زباله‌سوزی مزایای متعددی دارند که برخی از آنها عبارتند از:

  • کاهش حجم نیروگاه
  • کاهش حجم زباله
  • کاهش سریع حجم زباله
  • دفع زباله‌های خطرناک
  • کاهش هزینه‌ها
  • از بین رفتن خطر آلودگی آبهای سطحی
  • از میان رفتن بو
  • کاهش میزان گازهای گلخانه‌ای
  • کاهش میزان آلاینده‌های هوا
  • از بین رفتن زیستگاه جانوران موذی

زباله­سوز با سوخت RDF:  سوخت­های RDF از باقیماندة زباله‌های جامد شهری پس از جداسازی موادی از آن مانند شیشه‌ها و سایر ترکیباتی که نمی­سوزند،‌ تشکیل می‌شود. این سوخت می‌تواند به صورت یک سوخت جامد در بویلرهای RDF سوز استفاده شده و یا به همراه زغال سنگ و یا نفت در بویلرهای چندسوخته سوزانده شود. همچنین در حال حاضر RDF در کوره سیمان بعنوان جانشین سوخت­های فسیلی تزریق می­شود.

 

 

نمایی از یک نیروگاه زباله سوز

 انواع تکنولوژی های زباله سوزی که در تولید انرژی استفاده می شوند:

  • احتراق با کمبود اکسیژن ( احتراق چند مرحله ای)
  • احتراق توده ای (تک مرحله ای)
  • احتراق به روش بستر شناور
  • احتراق به روش کوره دوار   انواع زباله‌سوزها
  • سیستم باز (  Open Burning)
  • زباله‌سوزهای تک محفظه‌ای ( Single Chamber Incinerators)
  • زباله‌سوزهای روباز ( Open-pit Incinerator )
  • زباله‌سوزهای چند محفظه‌ای (Multiple-Chamber Incinerator )
  • زباله‌سوز با کوره‌های هوای کنترل‌شده ( Air Controlled Incinerator)
  • واحدهای زباله‌سوزی لجن ( Sludge Incinerator )
  • زباله‌سوز با تکنولوژی کوره دوار

 کربنیزه کردن: این تکنولوژی جزو قدیمی ترین تکنولوژی ها میباشد و محصول نهائی آن ذغال چوب، برق و حرارت می باشد. اخیراٌ نمونه های موفقی از آن در کانادا جهت تولید برق یا ذغال (قابل استفاده در صنایعی نظیر سیمان) راه اندازی شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است.

 

فن‌آوری آتشکافت (پیرولیز) :

آتشکافت فرآیندی است که در آن مواد آلی بوسیله گرما در غیاب اکسیژن تخریب می‌شوند و بخار آب، گازهای جدید، مواد فرار، قطران و ذغال بوجود می‌آید، از اینرو به این فرآیند، تقطیر تخریبی نیز می‌گویند.

واکنش آتشکافت برای زیست توده در دمای ۳۰۰ تا ۳۷۵ درجه سلسیوس آغاز می‌شوند. ذغال، مایعات آلی، گاز و آب با نسبت های متفاوتی از این فرآیند بدست می‌آیند و نسبت و مقدار آنها بستگی به دمای عملیاتی، نرخ گرمادهی، زمان ماند، نوع مواد خام و درصد رطوبت آنها دارد. در دماهای بالا و زمان ماند طولانی، گاز بیشتری پدید می‌آید در حالی که ذغال و مایعات بیشتر، در دمای پایینتر و زمان ماند کوتاه تولید می‌گردند.

مواد جامد پدید آمده در این فرآیند ذغال (از نوع کربن فعال) و خاکستر می باشد. مایعات بدست آمده، مواد آلی با وزن مولی سبکتر از ماده خام اولیه را شامل می شود . از جمله این ترکیبات می‌توان اسیدها، الکلها، آلدئیدها، ستن‌ها، استرها، ترکیبات فنلی را نام برد. در گاز بوجود آمده نیز ترکیبات زیر بیشتر به چشم می‌خورند: منوکسید کربن، هیدروژن، دی‌اکسید کربن، متان، اتان، اتیلن، بخار آب و دیگر هیدروکربنها به مقدار ناچیز. رآکتورهای گوناگونی برای فرآیند آتشکافت ساخته شده‌اند که انواع زیر را می‌توان نام برد:

  • راکتورهای بستر ثابت( fixed bed reactors)
  • راکتورهای بستر متحرک( moving bed reactors)
  • راکتورهای بستر معلق(suspended bed reactors)
  • راکتورهای بستر سیال( fluidized bed reactors)
  • راکتور ایستا با بستر ساکن ( stationary vertical shift)
  • کوره دوار شیبدار( Inclined Rotating Klin)
  • کوره افقی( Horizontal Klin)

 انواع تکنولوژی آتشکافت : آتشکافت به روش معمول آتشکافت- گازسازی    آتشکافت با بخار   آتشکافت معمولی : پسماند شهری به عنوان یک ماده بسیار ناهمگن باید برای ورود به این سیستم پیش فرآوری شود. این روش مشتمل بر حرارت دادن یک ظرف، مخزن ، … در غیاب اکسیژن است.

 

آتشکافت با بخار :

از آنجائیکه مواد حاصل از آتشکافت شامل قطران، روغن های آلی و گازها هستند می توان واکنش های دیگری را برای تجزیه هرچه بیشتر این مواد در سیستم در نظر گرفت. یکی از روش های معمول در این زمینه اضافه کردن بخار به راکتور آتشکافت برای افزایش تولید گاز مصنوعی است.

در این مرحله قطران موجود در راکتور با بخار آب واکنش داده و تولید گاز مصنوعی متشکل از هیدروژن و متان می کند.

  

گازی کردن (Gasification) :

اساس این فرآیند مشابه فرآیند آتشکافت است اما اولویت به تولید گاز داده شده و عمل گرمادهی تا تخریب و تجزیه حداکثر مواد خام ادامه می یابد. در این فرآیند یک ماده اضافی به نام عامل گازساز نیز وارد راکتور میشود. عامل گازی ساز باعث سوختن بیشتر یا شناورسازی مواد اولیه ورودی می باشد این عامل میتواند اکسیژن، هوا، بخار، هیدورژن، متان یا هلیم باشد.

تکنولوژی های گازی سازی:

  • گازسازی ساده
  • گازسازی پلاسما

 

یک واحد گاز ساز

 

 

فرایند کلی گازی سازی

 

گازسازی ساده :

این روش بر پایه اکسیداسیون جزئی مواد ورودی با پایه کربنی و تبدیل آنها به گاز مصنوعی عمل می کند.

در روش گازسازی ابتدا ۱۰% تا ۳۰% ارزش حرارتی مواد موجود در پسماند برای تولید انرژی اولیه اکسید می شود. این انرژی اولیه باعث تولید گاز مصنوعی متشکل از متان، هیدروژن و دی اکسید کربن می گردد. به راکتور گازسازی با توجه به نوع استفاده از گاز خروجی  هوا، اکسیژن یا بخار آب تزریق می گردد.

راکتورهای گازسازی معمولاً به دو صورت افقی و عمودی وجود دارند  و سه نوع طراحی دارند:

– بستر ثابت

– بستر سیال

– بستر کشیده

 

پلاسما :

پلاسما حالت چهارم ماده محیط یونیزه شده ای است که در دمای بالا ایجاد می شود. با عبور یک جریان مستقیم بین کاتد و آند مشعل قوسی پلاسما و عبور همزمان هوا در فضای حلقوی شکل، محیطی با گرمای بسیار زیاد بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه سلسیوس ایجاد می شود

در واکنش گاههای پلاسمایی معمولاً در اثر تخلیه الکترونی یک جریان مستقیم بین آند و کاتد، دمای بالای مورد نیاز برای تشکیل پلاسما ایجاد میشود در محدوده دمای بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ درجهت سیلسیوس در راکتور پلاسما کلیه ترکیبات  معدنی موجود در پسماند ذوب شده پس از خروج از راکتور در قالب های مناسب شکل دهی می شود.

 

مزایای سیستم پلاسما:

  1. توانایی عملکرد بر روی طیف وسیعی از مواد جامد و مایع با حداقل فرآیند پیش فرآوری و در بسیاری موارد بدون نیاز به فرآیندهای پیش فرآوری
  2. توانایی عملکرد بر روی طیف وسیعی از ضایعات که قابلیت استفاده از آنها در زباله سوزها موجود نمی باشد.
  3. ایجاد محصولات جانبی قابل فروش.
  4. جلوگیری از توسعه لندفیل ها، عدم پخش خاکستر و ذرات معلق در هوا
  5. عدم گزارش اثرات سوء زیست محیطی تا بحال نسبت به سایرسیستم های گرما شیمی

معایب پلاسما نیز شامل قیمت بالا،انحصاری بودن فناوری، عدم تجاری شدن وسیع آن و مشکلات کار با دمای بالا می باشد.

 

 

فن آوریهای بیو شیمیایی :

در این فن آوریها، تولید کننده انرژی، فرآورده هایی هستند که بوسیله عمل سوخت و ساز موجودات زنده پدید آمده و به خاطر داشتن ارزش گرمایی بالا به عنوان سوخت به کار میروند. گاز متان و الکل اتیلیک (اتانول) از مهمترین فرآورده های اینچنینی میباشند.گاز متان بوسیله فرآیند هضم بیهوازی و اتانول بوسیله فرآیند تخمیز الکلی تولید میشود.

 

هضم بیهوازی:

فرآیند تجزیه منابع زیست توده توسط باکتریها در عدم حضور هوا بوده و در آن متان و محصولات جنبی با ارزش حرارتی متوسط(بیوگاز) تولید میشود. بارزترین نمونه این فرآیند در لندفیل هاست. اخیراٌ نیز هاضم های مخزنی بشدت مورد توجه قرار گرفته اند. عمل هضم بیهوازی در محدوده دمایی نسبتاً وسیع ۶۰-۱۰  سلسیوس صورت می گیرد. مناسبترین درجه حرارت برای تولید بیوگاز از نظر فنی و اقتصادی حدود ۳۷ درجه سلسیوس می باشد.

 

همه موادی که برای تولید بیوگاز در فرآیند هضم بیهوازی مورد استفاده قرار میگیرند باید از دسته مواد آلی باشند که اساسا این مواد شامل پروتئینها چربیها و کربوهیدراتها هستند. این مواد آلی توسط گروهی از باکتریها در عدم حضور اکسیژن تجزیه میشوند که بازدهی فرایند هضم نیز متاثر از درجه حرارت هاضم ، PH ، نسبت کربن به نیتروژن، زمان ماند و وجود مواد سمی برای باکتریها می باشد.

 

منابع اولیه برای تولید بیوگاز بدین شرح هستند:

۱- فضولات دامی

۲- بقایای گیاهی

۳- پسماند‌های غذایی و مواد آلی فسادپذیر

۴- مواد آلی فاضلابها

۵- پسماندها و پسابهای فرآورده‌های کشاورزی

شماتیکی از هاضم بیهوازی زباله های شهری

 

بیوگاز چیست:

منابع زیست  توده حاوی ترکیبات آلی با مولکول های درشت زنجیر می باشد که در طی 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 می شود. این گاز شامل دو جزء عمده متان( و اندکی سایر هیدروکربورها) و دی اکسیدکربن به همراه مقادیر جزئی ناخالصی نظیر H۲S , ،بخارآب , N۲ و … می باشد. این مخلوط گازی با ارزش حرارتی  ۲۵-۱۵ مگاژول به ازاء هر مترمکعب بوده(۴۰ تا ۷۰ درصد ارزش حرارتی گاز طبیعی) و در صورت تبدیل به برق با استفاده از موتورهای بیوگازسوز موجود میتوان ۲/۲–۵/۱ کیلووات ساعت برق از هر متر مکعب آن به دست آورد(از هر متر مکعب گاز طبیعی ۳ کیلووات ساعت برق حاصل می شود). 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 ۳ مرحله (در برخی مراجع ۴ مرحله) تقسیم می گردد:

مرحله اوّل: هیدرولیز مواد آلی پیچیده و نامحلول و تبدیل این مواد به ترکیبات محلول

مرحله دوّم: ترکیبات آلی حاصل از مرحله اول به وسیله باکتریهای اسیدساز شکسته شده و اسیدهای آلی تولید می شود. معمولاً هیدروکربن های پنج و شش کربنی در آب حل شده و توسط باکتریهای اسیدساز مصرف گردیده و به ترکیباتی از قبیل هیدروژن، فورمات، استات، پروپیونات و گاز کربنیک تبدیل می گردند.

مرحله سوّم: تمام ترکیبات آلی و اسیدهای تولید شده در مرحله اسیدسازی توسط باکتریهای متان ساز به بیوگاز تبدیل می گردند .

اجزای  تشکیل دهنده محل دفن زباله برای مهار  شیرابه و گاز

برای اینکه بتوان در محل دفن زباله شیرابه و گاز را کنترل نمود لازم است در ابتدا میزان زباله شهری ورودی به محل دفن تعیین گردد. بر اساس برای محل‌های دفن زباله تا حجم ۴۰ هزار متر مکعب زباله شهری نیاز به ایجاد سیستم های کنترل شیرابه و گاز نبوده و مکانیسم‌های طبیعی قادر به خودپالایی این آلاینده ها هستند. اما برای ظرفیتهای بیش از این مقدار لازم است از محلهای دفن مخزنی استفاده شود. این محلها باید دارای اجزایی برای کنترل شیرابه و گاز باشند که اجزای نامبرده به شرح زیر است:

  • پی
  • لایه نفوذ ناپذیر
  • سیستم جمع آوری شیرابه
  • سیستم جمع‌آوری گاز
  • پوشش نهایی
  • تصفیه شیرابه

 

 

 

فلودیاگرام نیروگاه بیوگازی

روند تولید گاز در دفنگاه

تولید بیوگاز در دفنگاه بین ۲ تا ۶ ماه پس از دفن زباله آغاز می‌شود و این تأخیر بستگی به درصد مواد آلی تجزیه‌پذیر در زباله، رطوبت زباله، نحوه توزیع مواد درون زباله، میزان نفوذ آب به دفنگاه و دمای محیط دارد. درصد متان در گاز دفنگاه اغلب پس از ۶ ماه تا یکسال به حالت پایدار و یکنواخت میرسد. تولید گاز پس از مدتی در حدود ۱ تا ۲ سال پس از آغاز به حداکثر خود می‌رسد و سپس روند کاهشی بخود می‌گیرد و در طی سالیان متمادی به نزدیک صفر میرسد. این مدت زمان بستگی به سرعت تجزیه مواد آلی و تولید گاز دارد.

satba.gov.ir

قیمت برق تولیدی از منابع زیست توده

قیمت جهانی برق تولیدی از منابع زیست توده :

برآورد هزینه های ساخت یک نیروگاه زیست توده فرایندی پیچیده است.زیرا هزینه های مربوطه با توجه به سوخت زیستی مورد استفاده در نیروگاه، هزینه خرید آن، و همچنین تکنولوژی به کار رفته در نیروگاه و طراحی آن جهت تبدیل مواد اولیه به سوخت و بعلاوه مکان ساخت نیروگاه متغیر است.در مجموع قیمت جهانی برق تولیدی از این منبع از ۲۶۰۰  تا ۱۰۰۰۰ دلار برای هر کیلووات می باشد. برای تجزیه و تحلیل قیمت برق حاصل از منابع زیست توده باید به موارد ذیل توجه نمود .

تنوع مواد اولیه : که در شکلهای و با خواص مختلف می باشد و طیف بزرگی از مواد را شامل می گردد . این موضوع وقتی اهمیت می یابد که بدانیم برخی از فناوری ها مانند احتراق مستقیم می تواند از تمامی منابع به صورت غیر همگن استفاده کند در حالی که در برخی از فناوری ها تنها از چند ماده و به صورت همگن می توان به عنوان مواد اولیه استفاده نمود که فرایند جداسازی دراین حالت موجب افزایش هزینه تمام شده انرژی خواهد شد در اینجا  اگر هزینه های مربوط به حمل و نقل مواد اولیه خاص تامحل نیروگاه را نیز در نظر بگیریم هزینه  تمام شده مجددا افزایش خواهد یافت . همچنین میزان رطوبت مواد اولیه بر روی هزینه  تمام شده برق تولیدی از آنها نیز تاثیر گذار می باشد . به طور کلی هزینه های مربوط به تهیه مواد اولیه و خام در حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد هزینه تمام شده برق می باشد .

به عنوان مثال هزینه های مربوط به مواد خام در آمریکا به شرح جدول ذیل است :

بایو ماس 25

همچنین هزینه های مربوط به این مواد در هند و برزیل نیز به شرح جدول ذیل می باشد :

بایو ماس 26

فرایند تبدیل انرژی : که این فرایندها نیز بسیار متنوع بوده و برای تولید برق ، حرارت و یا برق و حرارت همزمان استفاده می گردند .

فناوری های تولید برق یا انرژی : این فناوری ها نیز بسیار گسترده و متنوع می باشند . این هزینه هانیز در هر منطقه وکشور می تواند متفاوت باشد . هزینه های مربوط به ساخت جاده و سایر زیرساختهای مورد نیاز نیز معمولا در این گروه قرار می گیرد .

به عنوان مثال نمودار ذیل هزینه مورد نیاز برای سرمایه گذاری در کشور های OECD در فناوری های مختلف را نشان می دهد :

بایو ماس1

انواع هزینه سرمایه گذاری و هزینه های تراز شده نیروگاههای زیست توده در تکنولوژی های مختلف

بایو ماس 2

منبع:satba.gov.ir

آمار جهانی انرژی بیومس

آمار و وضعیت آخرین ظرفیت های نصب شده :

از منابع زیست توده برای تولید برق، گرمایش و حمل و نقل(به کمک سوختهای زیستی مایع ) استفاده می شود. رشد تقاضای زیست توده در جهان در خلال سالهای 2002 تا 2009 به طور متوسط در حدود 1.4 درصد و در شکلهای جامد ، مایع و گاز و برای انواع فناوری ها از جمله  تامین گرمایش ، تولید برق و حمل ونقل بوده است . در حال حاضر تقاضای جهانی این انرژی در کل چیزی برابر EJ 53 می باشد که  86 درصد از این مقدار جهت رفع نیازهای گرمایشی صنعتی و پخت و پز می باشد و اغلب نیز در سیستم های کهنه و سنتی و با راندمان پایین بوده و 14 درصد باقی مانده جهت تولید برق و یا تولید همزمان برق- حرارت  CHPو حمل ونقل به کار میرود . بر اساس آخرین آمار اعلام شده ظرفیت نیروگاههای نصب شده بایومس و نیز ظرفیت گرمایش این منبع به شرح ذیل می باشد :

بایو ماس 2

بایو ماس 14

بازار جهانی بایومس :

امروزه به دلیل نیاز به کاهش تولید گازهای گلخانه ای توجه بازار جهانی به مصرف سوختهای پاک و به ویژه بایومس معطوف گردیده است که این امر موجب افزایش تقاضای بین المللی این منبع انرژی برای مصارفی چون حمل و نقل ، برق و حرارت گردیده است .

به طور کلی تجارت جهانی سوخت های جامد بایومس در سال 2011 به جزء زغال چوب در حدود 18 میلیون تن و معادل 300 PJ می باشد که در حدود 90 درصد آن را pellet و fuel wood  و wood waste تشکیل می دهد و همچنین تجارت جهانی سوختهای مایع شامل بایو دیزل و بایواتانول تقریبا معادل 20 میلیون بشکه نفت خام بوده است .

کشور های پیشرو در زمینه زیست توده بسته به نوع سوخت تولیدی کشورهای مختلفی می باشند . به عنوان مثال مصرف 85 درصد pellet در کشور های اروپایی می باشد به طوری که 20 در صد آن به تنهایی جذب بازار سوئد می شود  اگرچه بیشتر بازار  pellet به کشور های اروپایی، شمال امریکا و روسیه محدود می شود ولی امروزه تعدادی از کشورهای آمریکای جنوبی و آسیا، از جمله آرژانتین، برزیل و شیلی در جنوب امریکا ، چین، هند ، ژاپن و کره در آسیا، و همچنین نیوزلند به مصرف این سوخت روی آورده اند .

بیشترین مصرف بیوگاز نیز در اروپا  می باشد به عنوان نمونه آلمان 65 درصد بازار این سوخت در اروپا را به خود اختصاص داده است .  در بخش سوختهای زیستی آمریکای شمالی بیشترین مصرف کننده بایواتانول در صنعت حمل و نقل بوده و اروپا و آمریکای لاتین بیشترین مصرف کننده بایو دیزل در این صنعت به شمار می روند.

بازار کاربردهای حرارتی و مستقیم زیست توده در سال 2011 :

میزان افزایش در بخش حرارت در سال 2011 در جهان در حدود GWth 10 می باشد که ظرفیت نصب شده کل را به 290 GWth رسانده که شامل سوختهای جامد ، مایع و گازی شکل و برای مصارف صنعتی ، کشاورزی ، گرمایش فضا ، پخت و پز در مقیاسهای کوچک ( مسکونی ) و بزرگ و نیز کاربردهای تولید همزمان برقو حرارت (CHP) می باشد .  به عنوان مثال در بخش تامین گرمایش در سال 2008 در حدود EJ  3.4 انرژی تولید گردیده که درتقریبا 7.5 برابر کاربردهای حرارتی در بخش ژئوترمال و خورشیدی می باشد .

کاربرد های حرارتی صنعتی این منبع بیشتر در صنایعی چون صنایع غذایی ، چوب ، سیمان ، آهن و فولاد می باشد ولی درصد پایینی در تامین انرژی در این بخش دارد . در سال 2010 مواد زائد شهری (MSW) درحدود  EJ 2.8 در اروپا انرژی تولید کرده است که نیمی از این مقدار در فرانسه ، آلمان، سوئد و فلاند مصرف گردیده است که 11 درصد آن مربوط به کاربردهای حرارتی منطقه ای در سوئد ، فرانسه ، دانمارک و اتریش بوده است .

به طور کلی استفاده از سیستمهای گرمایش محلی و منطقه ای در سال 2010 افزایشی 23.7 درصدی داشته و  به مقدار  PJ 300 رسیده است که دو سوم آن مربوط به واحدهای کوچک CHP می باشد .در کل انرژی حرارتی تولید شده توسط MSW ، 3 درصد از کل انرژی حرارتی تولید شده از منبع بایومس در سال 2010 را به خود اختصاص داده است .

امروزه کاربردهای حرارتی بایو گاز در حال رشد می باشد و کشورهای توسعه یافته به استفاده از نیروگاههای CHP روی آورده اند . انرژی کل حرارتی بدست آمده از بایوگاز در سال 2010 در اروپا در حدود PJ  63   می باشد و نیز در آمریکا در سال 2011 در حدود 576 عملیات دفن زباله و جذب متان جهت تامین حرارت مورد نیاز برا ی750000 خانوار معادل 62 PJ انجام گرفته است .

از نیروگاههای بایوگاز در تولید همزمان برق و حرارت نیز که در مجموع دارای 168 ژنراتور در حالت CHP هستند برای تولید PJ  0.2 حرارت در سال استفاده می شود که در 11 مورد از نیروگاههای مذکور صرفاً از بایو گاز استفاده میشود و در مابقی آنها از سوخت گاز طبیعی نیز به صورت هیبرید استفاده می شود .

کشور پیشرو در این صنعت آلمان می باشد . در کشورهای در حال توسعه از بایو گاز خانگی ( که در هاضم های کوچک و محلی تولید می شود ) بیشتر برای پخت و پز و گاهی نیز برای تهیه آب گرم و روشنایی استفاده می شود . چین و هند در بین سایر کشور ها دارای بیشترین تعداد از این نوع هاضم ها می باشند و به ترتیب تا پایان سال 2011 دارای 4.4 میلیون هاضم خانگی می باشند . کشورهای نپال و ویتنام  نیز در این زمینه فعال هستند و  جدیدا نیز برخی از کشورهای آسیایی و آفریقایی در این زمینه فعال شده اند .

از سوختها ی زیستی مایع نیز اغلب در صنعت حمل ونقل استفاده می شود لیکن در سال 2011 کشور های اروپایی از جمله آلمان  ، پرتغال و سوئد از این سوخت جهت مصارف گرمایش نیز استفاده نموده اند . بویلرها نیز در ابعاد کوچک برای گرمایش فضای اتاق و در ابعاد کمی بزرگتر برای گرمایش خانه و در ابعاد چند مگاوات و صنعتی در اروپا شاهد رشد چشم گیری در سال 2011 بوده اند . به طور کلی استفاده از انواع بویلر های خانگی مقدمه ای برای استفاده از  انواع اجاقهای بایوگاز سوز (gasifier) خانگی در سالهای اخیر جهت مصارفی مانند  پخت و پز بوده است که صنعت این نوع از اجاقهای نیز به طور فزاینده ای رو به رشد می باشد .

امروزه می توان گفت که در کشورهای در حال توسعه مانند چین ، هند ، سریلانکا و فیلیپین بویلر ها و اجاقهای خانگی که با سوختهای بایومس ( pelletو wood chips ) کار می کنند از محبوبیت بیشتری برخوردار میباشند .به عنوان مثال در آلمان احتراق pellet از 3000 واحد در سال 2000 به 155000 واحد در سال 2011 رسیده است و یا سوخت pellet در ایتالیا 14 درصد افزایش در سال جاری داشته و به مقدار 1.56 میلیون رسیده است . اجاقهایی با سوخت چوب نیز در سال 2011 در یونان ساخته شده است . در ایالات متحده آمریکا استفاده از سوخت زیست توده جهت مصارف گرمایش در خلال سالهای 2000 تا 2011 افزایشی در حدود 34 درصد داشته است که به نسبت سایر منابع انرژی گرمایشی در این کشور بیشترین رشد را داشته است و آمریکا در این زمینه در رتبه چهارم جهانی قرار دارد . تا سال 2011 در حدود 12 میلیون اجاق چوب و pellet در این کشور نصب گردیده و چیزی در حدود 2.1تا2.6 میلیون خانه از سیستمهای گرمایشی بایومس سوز استفاده می کنند که این سیستم ها توانایی خنک کردن فضا  با کمک سیستمهای تبرید را نیز دارا می باشند . استفاده از بایومس در چیلر ها هنوز رایج نشده است  و تنها یک مورد تحقیقاتی در ابعاد کوچک در اسپانیا  نصب گردیده و هنوز تجاری نشده است .

بایو ماس 24

نمودار تولید سوخت چوب و pellet در جهان از سال 2000 تا سال 2011

بازار کاربردهای نیروگاهی زیست توده در سال 2011 :

ظرفیت تولید برق در این بخش تا پایان سال 2011 برابر 76 گیگاوات بوده که این رقم در سال 2010 برابر 66 گیگاوات بوده است . این ظرفیت با کمک تکنولوژی های direct firing و co-firing و با کمک منابع سوختهای زیستی جامد (MSW) ، بایوگاز و سوخت های زیستی مایع و در نیروگاههای برق و CHP بوده که در بین منابع ذکر شده سوختهای زیستی جامد دارای بیشترین سهم( 83 % ) در تامین انرژی اولیه می باشند .

– کشورهای برتر در دنیا در این زمینه کشورهای آمریکا ، آلمان ، سوئد ، انگلستان ،  برزیل ، چین ، هند و ژاپن می باشند که به عنوان مثال ظرفیت نصب شده در آمریکا 13.7 گیگاوات تا پایان سال 2011 بوده که 3 درصد نسبت به سال 2010 پیشرفت داشته است و یا تولید خالص برق از منابع زیست توده جامد از 56.1 تراوات ساعت در سال 2010 به 56.7 تراوات ساعت در سال 2011 رسیده است .

– در اتحادیه اروپا کل ظرفیت نصب شده تا پایان سال2011 در حدود  26.6 گیگاوات بوده و تولید برق حاصل از سوخت جامد بایومس( MSW) در سال 2010  با افزایش 12.2 درصدی به 69.9 تراوات ساعت رسیده است که این درصد رشد در سال 2009 برابر 13.5 درصد بوده است . 25.3 تراوات ساعت برق حاصل از MSW  در سال 2010 ( 36%) و مابقی مربوط به نیروگاههای CHP می باشد.  سهم نیروگاههای MSW در سال 2009 برابر 46.3 بوده که نشان دهنده حرکت صنعت به سمت نیروگاههای  CHP می باشد . پنج کشور برتر اروپایی در بحث نیروگاهی کشور های آلمان ، سوئد ، فلاند ، انگلستان و هلند می باشند که تقریباً دو سوم برق تولیدی از MSW در اروپا مربوط به آلمان باسهمی برابر 17.6 درصد از کل می باشد و تولید کنندگان دیگر پس از پنج کشور فوق لهستان ، ایتالیا، دانمارک و اتریش می باشند .

– ظرفیت تولید انرژی از منبع زیست توده در سال 2011 در کشور برزیل از پیشرفت خوبی برخوردار بوده است . ظرفیت تولید از انرِژی زیست توده در سال 2010 برابر 7.8 گیگاوات  و اکثر آن تولید همزمان برق و حرارت با بایوگاز بوده است .     ( 7.3 گیگاوات )

– چین اولین نیروگاه بایومس خود را در سال 2006 احداث نمود ولی این صنعت در کشور چین به سرعت رشد کرد به نحوی که در سال 2011 دارای 4.4 گیگاوات توان نصب شده بوده که میزان رشد آن در سال 2011 نسبت به 2010 در حدود 10 درصد بوده است  .

– هند با افزایش 0.6 گیگاوات ظرفیت زیست توده در سال 2011 دارای ظرفیت کل  3.8 گیگاوات می باشد .که بیشتر آن مربوط به منابع MSW می باشد.

– توان نصب شده در تایلند نیز در حدود 1.6 گیگاوات می باشد .

در آفریقا نیز کشور های کنیا ، موریس ، تانزانیا ، اوگاندا و زیمباوه با کمک منبع بایوگاز و نیروگاههای CHP در این زمینه در حال فعالیت می باشند البته این قاره از لحاظ منابع زیست توده و به خصوص زباله ها بسیار غنی می باشد .ضمنا قرار است که یک نیروگاه به ظرفیت 1.5 مگاوات در سال 2012 در کنیا احداث گردد . همچنین در کشور های کامرون ، ساحل عاج ، غنا ، لیبریا ، نیجریه ، رواندا ، سنگال و سیرالئون برنامه ریزی لازم جهت احداث نیروگاههای زیست توده در سالهای آتی شده است .از تعدادی از منابع زیست توده می توان  به عنوان سوخت در نیروگاه استفاده نمود لیکن رویکرد کنونی این صنعت به استفاده بیشتر از pellet می باشد  .  به نحوی که بزرگترین نیروگاه با کمک این سوخت در انگلستان با ظرفیت تولید 750 مگاوات در حال کار می باشد که توان این نیروگاه در سال 2011 با کمک هیبرید شدن با زغال سنگ به 1 گیگاوات رسیده است .همچنین عملیات ساخت دو نیروگاه دیگر هر یک به توان 100 مگاوات با سوخت pellet در سال 2011 آغاز گردیده است .

می دانیم که با توجه به تکنولوژی موجود بسیاری از نیروگاههای زغال سنگ سوز و گاز سوز قابلیت آن را دارند که به نیروگاههای با سوخت زیست توده و CHP تبدیل گردند تا بدین وسیله از تولید گازهای گلخانه ای جلوگیری گردد . از سال 2009 عملیات جهت تغییر نیروگاههای گاز سوز و زغال سنگ سوز آغاز شد به نحوی که در مجموع 264 واحد نیروگاهی از سوخت فسیلی به بایومس تبدیل گردیداز جمله 81 نیروگاه در فلاند ، ایالات متحده 40 نیروگاه، آلمان 27 نیروگاه ،انگلستان 18 نیروگاه و سوئد10 نیروگاه .

استفاده از بیوگاز به عنوان سوخت ، امروزه رو به رشد می باشد به نحوی که قبلا در اروپا تولید ناخالص از بیوگاز برابر 30.3 تراوات ساعت در سال 2010 بوده که شاهد یک رشد 20 درصدی نسبت به سال 2009 می باشد . در حدود یک پنجم از کل ژنراتورهای نصب شده در نیروگاههای زیست توده CHP هستند .

در سال 2011 در آمریکا در حدود 14.3 تراوات ساعت جذب متان از دفنگاه وجود داشته است و از آن برای تولید انرژی مورد نیاز یک میلیون خانوار استفاده شده است .همچنین  از بیوگاز حاصل از لندفیل های مذکور برای تولید .5 تراوات ساعت انرژی در بخش کشاورزی نیز استفاده شده است . در کشورهای در حال توسعه از بیوگاز تولید شده در هاضم های بزرگ به طور کلی برای تولید برق استفاده می شود .

به عنوان مثال در چین تا پایان سال 2009 در حدود 2000 هاضم بزرگ و متوسط نصب گردیده و قرار است تعداد 22570 هاضم دیگر با منبع فضولات دامی و 630 هاضم نیز با منبع زباله های شهری و فاضلاب شهری ساخته و نصب گردد ظرفیت تولید بیوگاز در چین از هاضم های نصب شده تا پایان سال 2010 در حدود 800 مگاوات بوده است هند نیز تا پایان سال 2010 دارای 70 نیروگاه با منبع زباله شهری با ظرفیت کل 91 مگاوات بوده است .

از سوختهای زیستی مایع نیز می توان به عنوان منبع اولیه در نیروگاههای CHP استفاده نمود . به عنوان مثال برنامه ریزی لازم جهت آغاز عملیات ساخت 760نیروگاه CHP با منبع سوخت زیستی مایع در سال 2010 صورت گرفته است . بزرگترین نیروگاهی که با این نوع از سوخت ها ( palm oil ) کار می کند در حال حاضر در ایتالیا و با ظرفیت تولید 100 مگاوات می باشد . برزیل و آرژانتین نیز دارای نیروگاههای بایومس با سوخت اتانول و بایو دیزل می باشند .

منبع:satba.gov.ir

ظرفیت انرژی زیست توده در ایران

پتانسیل انرژی زیست توده: 

منابع زیست توده به ۵ منبع مختلف و عمده شامل زباله ها، فاضلاب های صنعتی، زائدات جنگلی – کشاورزی و دامی تفکیک می شود. که فقط بر اساس مطالعات انجام شده برای یکی از این منابع یعنی پسماندهای جامد شهری (زباله ها) آن هم فقط برای شهرهای بالای ۲۵۰،۰۰۰ نفر نتایج حاصل شده است.

بر اساس نتایج مذکور پتانسیل حداکثر تولید برق از انواع نیروگاههای زیست توده در سال ۸۶ برای شهرهای بالاتر از ۲۵۰ هزار نفر (۳۰ شهر) بالغ بر ۸۰۰ مگاوات به تفکیک ۳۱۱ مگاوات نیروگاه زباله سوز، ۲۱۷ مگاوات نیروگاه پیرولیز-گازی سازی، ۱۵۹ مگاوات نیروگاه هضم بیهوازی و ۱۱۲ مگاوات نیروگاه لندفیل بوده است. شایان ذکر است به کار گیری پتانسیل های برآورد شده نه تنها به استحصال انرژی بلکه به رفع بخش عظیمی از مشکلات مربوط به آلودگی و مسائل زیست محیطی ناشی از مدیریت پسماندها نیز کمک شایانی خواهد نمود.

مزایای استفاده از انرژی زیست توده

ضرورت و مزایای استفاده از انرژی زیست توده در کشور

  • رفع مشکلات زیست محیطی حاصل از رهاسازی منابع زیست توده در طبیعت(آلودگی آب، خاک، هوا و بو و …)
  • کاهش انتشار گازهای گلخانه ای بویژه متان در جو- بیش از 50% متان منتشره از این منابع میباشد.
  • امکان تولید انرژی در محل مصرف(کاهش تلفات شبکه)
  • امکان تحویل انرژی پاک به شکل جامد، مایع و گاز
  • امکان تحویل انرژی به فرم برق، حرارت و سوخت خودروها و یا خوراک واحدهای پتروشیمی
  • ایجاد ارزش افزوده و اشتغال مولد قابل توجه
  • تولید سالانه 25 میلیون تن زباله شهری و صنعتی، بیش از 5 میلیارد مترمکعب فاضلاب های شهری و صنعتی، بیش از 400میلیون تن زائدات و ضایعات کشاورزی- جنگلی و دامی
  • کمک به ارتقای بهداشت عمومی
  • تولید انرژی با قابلیت دسترسی بالا

استفاده از زیست توده بعنوان یک منبع انرژی نه تنها بدلایل اقتصادی بلکه به دلیل توسعه اقتصادی و زیست محیطی نیز جذاب است و از طرفی آنرا عامل تسریع در رسیدن به توسعه پایدار می دانند. سیستم‌هایی که زیست توده را به انرژی قابل مصرف تبدیل می‌کنند، می‌توانند در ظرفیت‌های کوچک به صورت ماژول و ظرفیت های متوسط و بالا بکار روند. صنایع کشاورزی و جنگلداری از ذخایر اصلی زیست توده هستند که فرصت‌های اساسی را برای توسعه اقتصادی مناطق روستایی و دورافتاده فراهم می‌کند. میزان نشر مواد آلاینده ناشی از احتراق زیست توده، معمولاً کمتر از سوخت‌های فسیلی است. بعلاوه استفاده و بهره برداری تجاری از زیست توده می‌تواند 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 را حذف و یا کاهش دهد.

بایو ماس 4

سیکل کربن خنثی برای انرژی زیست توده

منبع:سازمان انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری انرژی برق