زیست توده، ماده ای است که اغلب جزء زباله ها به شمار می رود. برخی از انواع زیست توده، چیزهایی هستند که در طبیعت روی زمین بر جای می مانند مواردی مانند:درختان مرده، شاخه های درختان، شاخ و برگ های هرس شده در باغچه حیاط، اضافه غلات در زمین های کشاورزی، خرده چوب ها، خاک اره و پوسته های درختان در چوب بری ها. زیست توده، حتی موادی نظیر لاستیک و کودهای گیاهی را نیز شامل می شود.

زباله های شما، فرآورده های کاغذی که قابلیت بازیافت به محصولات مفید دیگر را ندارند و سایر زباله های خانگی به طور معمول به مراکز زباله دانی شهرداری فرستاده می شوند. زباله های شما دارای انواعی از زیست توده هایی است که می توانند مجدداً مورد استفاده قرار گیرند. با بازیافت زیست توده ها به عنوان سوخت های فسیلی و سایر مصارف، دیگر به "مراکز زباله دانی" برای  نگهداری از آن ها نیازی نخواهد بود.

هیچ کس حتی تصور هم نمی کند که می توان از این مواد برای تولید برق، حرارت، کودهای آلی و یا سوخت های فسیلی استفاده کرد. کودهای آلی، گیاهان یا مواد غذایی فاسد شده ای هستند که به صورت یک تل کود با هم ترکیب شده و برای کمک به رشد گیاهان مورد استفاده قرار می گیرند.

برخی از کشورها سالانه بیش از 60 میلیون تن زیست توده خشک تولید می کنند. این زیست توده از پسماند چوب بری ها، چوب زباله های شهری و جنگل ها، پسماندهای کشاورزی و سایر انبارهای غذایی حاصل می شود.

اگر کل این مقدار مورد استفاده قرار گیرد، با 60 میلیون تن زیست توده می توان نزدیک به 2000 مگاوات برق یک شهر را که دارای جمعیت و اقتصاد رو به رشدی است، تأمین نمود. این انرژی برای تأمین مصرف برق حدود دو هزار خانه کافی خواهد بود!

نحوه استفاده از زیست توده بسیار ساده است. ضایعات چوب، شاخه های درختان، ته مانده غذاها و سایر پسماندها با هم در کامیون های بزرگ جمع آوری می شوند. این کامیون ها، پسماندها را از کارخانه ها و زمین های کشاورزی به نیروگاه های زیست توده منتقل می کنند. در آن جا زیست توده به مخازن بسیار بزرگی فرستاده می شود. پس از آن زیست توده وارد یک کوره شده و در آن سوزانده می شود. گرمای تولید شده برای جوشاندن آب کوره مورد استفاده قرار گرفته و انرژی بخار حاصل، توربین ها و ژنراتورها را به چرخش در می آورد

با سوزاندن فرآورده های مصرف شده در مراکز جمع آوری زباله، می توان از زیست توده بهره برداری کرد. وقتی زباله ها تجزیه می شوند، از آن ها گاز متان آزاد می شودبه یاد دارید که گاز طبیعی از متان ساخته شده است. گاز متان تولید شده در مراکز جمع آوری زباله از طریق خطوط لوله کشی جمع آوری می شود. سپس از آن برای تولید برق در نیروگاه ها استفاده می شود. این نوع زیست توده، گاز زباله دانی نامیده می شود.

در مورد خوراک دام ها هم قضیه به همین شکل است. در جاهایی که تعداد زیادی حیوان مانند گاو ، گوسفند و حتی جوجه ها نگه داری می شوند، می توان کود تولید کرد. هنگامی که این کود تجزیه می شود، همانند زباله، گاز متان تولید می کند. از سوختن این گاز در مزرعه، می توان انرژی مورد نیاز زمین های کشاورزی را تأمین نمود.

بنابراین استفاده از زیست توده ها می تواند برای حفظ سلامت محیط زیست مفید باشد، زیرا زیست توده کاهش یافته، بازیافت شده و سپس مجدداً مورد استفاده قرار می گیرد. ضمن این که زیست توده یک منبع تجدید پذیر نیز است زیرا رشد گیاهانی که می توانند زیست توده تولید کنند پایان ناپذیر است.

امروزه هم چنان راه های جدیدی برای استفاده از زیست توده ها یافته می شود. یکی از این راه ها، استفاده از زیست توده برای تولید اتانول ( یک سوخت مایع الکلی ) است. اتانول را می توان در انواع خاصی از اتومبیل ها به جای بنزین به عنوان سوخت مورد استفاده قرار داد. الکل را با بنزین هم می توان ترکیب کرد. با این روش وابستگی ما به نفت که یک سوخت فسیلی تجدید ناپذیر است کاهش می یابد.

زیست توده یا بیومس (Biomass) یک منبع تجدید پذیر انرژی است که از مواد زیستی به دست می آید. مواد زیستی شامل موجودات زنده یا بقایای آن‌ها است. نمونه این مواد، چوب، زباله و الکل هستند. زیست توده معمولاً شامل بقایای گیاهی است که برای تولید الکتریسیته یا گرما به کار می رود. برای مثال بقایای درختان جنگلی، مواد هرس شده از گیاهان و خرده‌های چوب می توانند به عنوان زیست توده به کار گرفته شوند. زیست توده به مواد گیاهی یا حیوانی که برای تولید الیاف و مواد شیمیایی به کار می روند نیز اطلاق می‌گردد. زیست توده شامل زباله‌های زیستی قابل سوزاندن هم می‌شود، اما شامل مواد زیستی مانند سوخت فسیلی که طی فرایندهای زمین شناسی تغییر شکل یافته‌اند، مانند ذغال سنگ یا نفت نمی‌شود. اگرچه سوخت‌های فسیلی ریشه در زیست توده‌های موجود در زمان بسیار قدیم دارند، به دلیل اینکه کربن موجود در آن‌ها از چرخه زیستی طبیعت خارج شده است و سوزاندن آن‌ها تعادل دی اکسید کربن موجود در جو را به هم می‌زند، عنوان زیست توده به آن‌ها اطلاق نمی‌گردد.

چرخه زیست توده

تاریخچه بهره برداری از زیست توده :

از نقطه نظر تاریخی استفاده از انرژی زیست توده به ابتدایی‌ترین دوره‌های تاریخ باز می‌گردد. از زمانی که آتش شناخته شد، انسان نخستین همواره چوب و برگ خشک درختان را به عنوان سوخت استفاده می‌کرده و این چرخه تا قرن حاضر نیز ادامه پیدا کرده است.

در خصوص بیوگاز، قدیمی ترین مورد خروج گاز و اشتعال ناقص آن به وسیلة دفن زباله در طبقات زیرین زمین توسط "پیلی نی" روس گزارش شده است. وی خروج گاه به گاه گاز طبیعی و اشتعال ناقص آن را از طبقات زیرین زمین مشاهده کرد ولی "وان هلمونت"درسال 1630 شناسائی و اشتعال این گاز را رسماً اعلام کرد. در ایران نیز استفاده از بیوگاز سابقه ای قابل توجه دارد." محمدبن حسین عاملی "معروف به "شیخ بهائی" (1031-935 ه ق ) نخستین کسی است که بر اساس منابع تاریخی این منبع انرژی را به عنوان سوخت یک حمام در اصفهان به کار برده است.

اولین هاضم تولید گاز متان در ایران در روستای نیاز آباد لرستان در سال 1354 ساخته شده است. این دستگاه به گنجایش 5 متر مکعب فضولات گاوی روستا را مورد استفاده قرار داده و بیوگاز مصرفی حمام مجاور را تأمین می‌نمود.

دید کلی

تقریبا نیمی از مردم جهان برای تأمین انرژی مورد نیاز خود ، از چوب استفاده می‌کنند. چوب ، ضایعات گیاهی (مانند ضایعات نیشکر، ذرت ، چغندر قند) و دیگر منابع زیست توده ، از منابع تجدید پذیر کربن به شمار می‌آیند. استفاده از انرژی زیست توده به شکل سنتی یعنی سوزاندن چوب درختان و فضولات حیوانی باعث نابودی جنگل ها و آلودگی و تخریب محیط زیست می‌شود. اما با تلفیق روش‌های شیمیایی و زیست شناختی می‌توان قند ، سلولز و دیگر مواد موجود در ضایعات کشاورزی را به سوخت‌های مایع تبدیل کرد.

یکی از راه‌های تامین منابع انرژی زیست توده ، کاشت درختان یا درختچه‌های مناسب (با دوره رشد کوتاه و سریع) در زمین‌های نامرغوب و نیمه بایر است. گر چه سوزاندن این منابع ، گاز دی اکسید کربن را در جو منتشر می‌کند، اما چون دوره کاشت و رشد و نمو آنها دائمی است، به همان اندازه دی اکسیدکربن از جو زمین جذب می‌کنند و با استفاده از انرژی خورشیدی ، از طریق فتوسنتز، اکسیژن تولید می‌کنند. بدین ترتیب ، یک "چرخه کربن خنثی" در طبیعت پدید می‌آید.

منابع زیست توده

منابع زیست توده ، بطور کلی عبارتند از:

1. جنگل ها و ضایعات جنگلی

2. محصولات و ضایعات کشاورزی

3. ضایعات و فاضلاب‌های صنعتی

4. ضایعات جامد ، فاضلاب‌های شهری و فضولات دامی.

بررسی مکانیزم عملکرد زیست توده :

بايومس در ديگ بخار يا بويلر سوخته و بخار آب با فشار زياد توليد مي‌شود. اين بخار آب وارد توربين بخار مي‌شود و در آن جا از مجموعه‌اي از تيغه‌هاي توربين كه به شكل آئورديناميك است حركت مي‌كند و توربين را به چرخش درمي‌آورد. اين توربين به يك ژنراتور الكتريكي متصل است و اين ژنراتور به حركت درمي‌آيد و برق توليد مي‌شود. در حاليكه فناوري توليد بخار بسيار مطمئن و قابل اعتماد است راندمان آن محدود است. قدرت ديگ‌هاي بخار مخصوص بایومس نوعاً بين 20 تا 50 مگاوات است كه آن را با نيروگاه‌هاي ذغال سنگي با قدرت بين 100 تا 1500 مگاوات مي‌توان مقايسه كرد. اين نيروگاه‌هاي كم‌ظرفيت از راندمان پائين‌تري برخوردارند و به دليل مبادلات اقتصادي نيروگاه‌هاي كوچك نمي‌توانند از عهده هزينه تجهيزات افزايش‌دهنده راندمان برآيند. اگرچه فنوني براي افزايش راندمان توليد بخار آب از طريق بایومس تا بيش از 40 درصد وجود دارد ولي راندمان واقعي اين گونه نيروگاه ها در حدود20 درصد است. در فناوري تركيبي سوخت بایومس و ذغال سنگ بایومس جاي بخشي از ذغال سنگ را در نيروگاه‌هاي ذغال سنگي موجود مي‌گيرد. انتخاب مصرف زيست توده براي توليد برق اقتصادي‌ترين روش به شمار مي‌رود. چون اغلب تجهيزات نيروگاه‌هاي موجود بدون تغيير عمده مي‌توانند مورد استفاده قرار گيرند. سيستم سوخت تركيبي ذغال سنگ و بایومس كم‌هزينه‌تر از ساخت نيروگاه بایومس است. بایومس دي‌اكسيد گوگرد SO2)، اكسيدهاي نيتروژن NOX و ساير آلاينده‌هاي هوا را كاهش مي‌دهد. پس از تنظيم ديگ بخار براي حداكثر توليد برق با اضافه كردن بایومس تلفات بسيار ناچيز در راندمان ايجاد مي‌شود يا اصلاً هيچگونه تلفاتي بوجود نمي‌آيد. در اين شرايط انرژي موجود در بایومس با راندمان بالا (حدود 33 تا 37 درصد) در نيروگاه ذغال سنگ به برق تبديل مي‌شود.

مکانیزم عملکرد زیست گاز :

دستگاه مبدل گاز بایومس با گرم كردن بایومس در محيط زيست عمل مي‌كند و در آنجا بایومس جامد تجزيه مي‌شود و گاز قابل اشتعال از آن متصاعد مي گردد. اين طريق توليد انرژي نسبت به مستقيماً سوزاندن بایومس برتري دارد. بيوگاز حاصل از تجزيه زيست توده را مي‌توان تميز كرد و از صافي گذراند و به اين وسيله تركيبات شيميائي موجود در آن را از آن جدا كرد. اين گاز را مي توان در سيستم‌هاي توليد برق با راندمان بيشتر مصرف كرد كه به آن سيكل تركيبي گفته مي‌شود. در اين سيستم براي توليد برق، توربين‌هاي گازي و توربين‌هاي بخار با هم تركيب مي‌شوند. راندمان اين سيستم را مي‌توان به 60 درصد افزايش داد. سيستم‌هاي تبديل به گاز را مي‌توان با سيستم‌هاي پيل سوختي براي كاربردهاي آينده با يكديگر تركيب كرد. پيل سوختي با استفاده از فرايند الكتروشیمیایی (و حرارت) گاز هيدروژن را به برق تبديل مي‌كند. در اينصورت بخش عمده ماده‌اي كه در هوا متصاعد مي‌شود بخار آب خواهد بود. با كاهش هزينه پيل‌هاي سوختي و دستگاه‌هاي مبدل گاز در بایومس اين سيستم‌ها به سرعت روبه افزايش گذاشته خواهد شد. در سيستم‌هاي مدون بعضي از فناوري‌هاي فوق‌الذكر در مقياس كوچك‌تري كه غالباً در دهكده‌ها، مزارع و صنايع كوچك قابل اجرا است بكار برده می شود.

بررسي و تعيين قابليت توليد برق از منابع زيست توده ايران (به روش هضم بي هوازي)

وسعت فراوان كشور و تنوع كمي و كيفي منابع زيست توده در ايران حكايت از وجود قابليت مناسب براي توليد برق از منابع زيست توده در كشور دارد. فراواني منابع زيست توده از يك طرف و مشكلات فراوان ناشي از رهاسازي اين منابع با ارزش در طبيعت باعث توجه روزافزون سازمان‌ها و نهادهاي دولتي و خصوصي به استفاده از فناوري هضم بي‌هوازي به عنوان راه حلي مناسب براي توليد انرژي (برق و حرارت) و حل مشكلات زيست محيطي پسماندهاي آلي فسادپذير شد.

نتايج تحقيقات عملي انجام شده توسط مولفين در راكتورهاي آزمايشگاهي و نيمه صنعتي نشان مي‌دهد كه استفاده از فناوري هضم بي هوازي و احداث نيروگاه‌هاي بيوگازي مي‌تواند راه حلي مطمئن براي ايجاد سهم مناسب زيست توده در توليد و تامين برق كشور در كنار حل مشكلات زيست محيطي پسماندهاي آلي مختلف ايران شامل زباله‌هاي شهري، پسماندهاي صنايع غذايي، فضولات دامي، فاضلاب‌هاي شهري و صنعتي در راكتورهاي بي هوازي آزمايشگاهي (5ليتري) و نيمه صنعتي (000/10ليتري) در شرايط مزوفيليك ارائه مي‌شود. نتايج و داده‌هاي حاصل از اين كار عملي مي‌تواند در طراحي نيروگاه‌هاي بيوگازي بزرگ و كوچك در كشور به كار رود.

فرایند بی هوازی

در فرآيند هضم بي هوازي مولكول‌هاي آلي درشت زنجير تحت تاثير ميكرو ارگانيسم ‌هاي بي هوازي در غياب اكسيژن شكسته شده و به مولكول‌هاي ساده‌تر تبديل مي‌شوند. حاصل نهايي اين فرآيند يك مخلوط گازي قابل اشتعال است كه بيوگاز نام دارد. اين گاز شامل 70-60 درصد متان و 40-30 درصد دي‌اكسيدكربن به همراه ناخالصي‌هاي جزئي ديگر است. اين گاز بي‌رنگ و بي‌بو ارزش حرارتي kcal/m3 5290 بوده و مي‌تواند به طور مستقيم براي توليد برق، برق – حرارت و روشنايي به كار رود.

همچنين در سال 2005انرژي تجديدپذير دومين منبع تامين‌كننده برق جهان با 9/17درصد سهم بوده است كه 1/16درصد از برق جهان با برق آبي، 1درصد با زيست توده و 8/0درصد توسط ساير منابع تجديدپذير تامين شده است. در سال 2005 مجموع ظرفيت نصب شده انواع نيروگاه‌هاي زيست توده در جهان به بيش از 44000 مگاوات و ميزان برق توليدي نيز بيش از 250 تراوات ساعت رسيده است.

وضعیت فعلی بهره برداری از زیست توده در جهان :

امروزه منابع مفید و کاربردی زیست توده تنها به چوب و برگ خشک محدود نمی شود و طیف وسیعی از مواد از جمله پسماندهای جامد و مایع شهری و پسماندهای صنعتی و غیره را نیز در بر می‌گیرد.

منابع انرژی تجدید پذیر پس از ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، چهارمین منبع بزرگ انرژی در دنیا می‌باشند. این منبع حدود 14 درصد از انرژی اولیه جهان را تامین می‌نماید و در حال حاضر بیش از% 5/11 از انرژی اولیه جهان توسط منابع زیست توده تامین می گردد. و این در حالی است که در ایالات متحده آمریکا 3-4 درصد از انرژی اولیه مورد نیاز فقط از منابع زیست توده تامین می‌شود. قابلیت های زیست توده تنها در تولید حرارت نیست، بلکه در تولید سرما، سوخت‌های مورد نیاز برای حمل و نقل و تولید انرژی الکتریکی نیز استفاده دارد. در سال 2005حدود 44000 مگاوات نیروگاه تولید برق ( با انواع فناوری ها ) و 225000 مگاوات حرارتی نیروگاه مدرن تولید حرارت با منبع زیست توده احداث شده است که حدود 10000 مگاوات آن فقط در ایالات متحده بوده است (حدود 58 درصد از بازار تولید انرژی از منابع تجدید پذیر در امریکا). همچنین بیش از 50 میلیارد لیتر سوخت تجدیدپذیر از منابع زیست توده تولید و مصرف می‌گردد.

برمبنای مطالعات انجام شده، منابع زیست توده حدود 64 درصد از منابع اولیه انرژی‌های نو در اتحادیه اروپا را به خود اختصاص داده است و حدود 9 درصد از انرژی الکتریکی تولیدی و 98 درصد از انرژی حرارتی تولیدی از طریق منابع انرژی‌های نو به منابع انرژی زیست توده تعلق دارد. ( با در نظر گرفتن منابع برق آبی).

انرژی زیست توده تنها منبع انرژی تجدیدپذیر می‌باشد که انرژی را به فرم های برق، حرارت، سرما و سوخت خودرو و به اشکال جامد، مایع و گاز تحویل می نماید. به علاوه مواد زیستی جایگزین خوراک پتروشیمی و ... نیز از محصولات دیگر آن می‌باشد.

بررسی جایگاه بیومس در آمریکا

سيستم‌هاي مذكور در توليد برق از انرژي زيست توده يكي از روش‌هاي توليد برق تجاري در آمريكا به شمار مي‌رود. با حدود 9733مگاوات ظرفيت نصب شده، زيست توده بزرگ‌ترين منبع برق تجديدپذير غير آبي است. اين ظرفيت 9733 مگاواتي شامل حدود 5886 مگاوات از گياهان جنگل و بقاياي كشاورزي، 3308 مگاوات ظرفيت توليد برق از زباله‌هاي شهري و 539 مگاوات از ساير مواد نظير گاز حاصل از دفن زباله است. حداكثر توليد برق از زيست توده به صورت برق بار پايه در سيستم توزيع برق موجود استفاده مي‌شود..

پروژه های اجرا شده در داخل ایران:

مدیریت: دفتر انرژی زیست‌توده
تاریخ شروع : 1382
تاریخ پایان :1384
محل اجرا پروژه: شهرهای مشهد و شیراز

نتایج حاصل از اجرا پروژه:
• برآورد توان ذاتی تولید بیوگاز از زباله های شهری در شهرهای شیراز و مشهد
• مدلسازی تولید گاز در دفنگاه‌های شیراز و مشهد
• انجام مطالعات اقتصادی احداث نیروگاه برای هر دو نیروگاه
• تعیین مشخصات فنی تجهیزات برای هر دو نیروگاه

شرح پروژه:
این پروژه در چند مرحله به اجرا درآمد که عبارتند از:

مطالعات مقدماتی و مطالعات امکان سنجی ارزیابی های اقتصادی طراحی مفهومی و در نهایت تهیه اسناد مناقصه اجرائی طرح

در مرحله مطالعات مقدماتی مبانی طراحی دستگاه‌های مهندسی زباله و سامانه ‌های جمع آوری و انتقال بیوگاز وشناخت فناوری‌های تولید انرژی و برق از بیوگاز دفنگاه زباله و روش های مطالعاتی میدانی و اندازه‌گیری وپایش گاز دفنگاه ارائی گردید.

درمرحله مطالعات امکان سنجی برآورد توان ذاتی تولید بیوگاز از زباله شهری مشهد، مدلسازی تولید گاز در دفنگاه زباله مشهد، پیش بینی روند تولید گاز در آینده، برآورد توان الکتریکی قابل نصب در دفنگاه مشهد، ارزیابی فنی تجهیزات تولید برق از گاز دفنگاه و معرفی مناسب‌ترین مدل‌های موتور ژنراتور تجاری موجود برای نصب در دفنگاه زباله شهری انجام گردید.

در مرحله بررسی‌های اقتصادی بر اساس نتایج مطالعات امکان سنجی به بررسی‌های اقتصادی و استفاده و از کل گاز شبکه‌های جمع آوری بیوگاز و فروش برق تولیدی به شبکه برق سراسری انجام گردید.

در مرحله طراحی خط انتقال گاز ده دستگاه به محل نیروگاه، ایستگاه تقویت فشار، مشعل مرکزی سوزان گازهای اضافی، فرآیند کلی پالایش گاز، شالوده و شاختمان استقرار موتور ژنراتور و صدمات تاًسیسات نیروگاه به همراه سامانه حفاظت الکتریکی و اتصال نیروگاه به شبکه طراحی گردید.

برای پروژه شیراز نیز بجز بخش طراحی فوق الذکر بقیه مراحل شامل مطالعات مقدماتی مطالعات امکان سنجی و ارزیابی اولیه اقتصادی اجرا گردید.

برای آشنایی بیشتر می توانید مقاله نيروگاه های مواد زیستی را نیز دانلود کنید.