مقدمه

   گسترش جمعیت و پیشرفت‌های فناوری منجر به افزایش تصاعدی مصرف انرژی در دنیا شده است [1،2،3]. گاز طبیعی، زغال سنگ، بنزین، دیزل و غیره از جمله مهم­ترین منابع تامین انرژی در دنیا محسوب می­‌شوند که 80 درصد انتشار گازهای گلخانه­‌ای از سوزاندن آن­ها ناشی می­شود. افزایش انتشار این گازها در اتمسفر، باعث ایجاد مسائل زیست محیطی متعددی از جمله گرمایش جهانی شده است[4]. از این رو، محققان در سراسر جهان به دنبال روش‌های مختلفی برای کاهش یا حذف مصرف سوخت‌های فسیلی هستند. مصرف بیش از اندازه سوخت‌های فسیلی، و در نتیجه سهم آن­ها در تغییرات اقلیمی، از طریق اجرای سه راهبرد کلی می­تواند کاهش یابد: (الف) افزایش بهره‌­وری سیستم‌های تبدیل توان معمولی از طریق بازیابی حرارت هدر رفته(Waste Heat Recovery) [5،6،7]، (ب) توسعه روش‌­های تبدیل انرژی دوست‌دار محیط زیست مانند سلول­‌های سوختی(Fuel Cells) [8،9،10] و (ج) استفاده از انرژی­‌های تجدیدپذیر که کم­ترین تاثیرات منفی را بر محیط زیست می­گذارند و می­توانند به طور قابل توجهی استفاده از سوخت های فسیلی را کاهش دهند [11،12،13].

 در سال­‌های گذشته، رشد سریعی در تولید و استفاده از انرژی­‌های تجدیدپذیر وجود صورت گرفته است که از برخی از آن­‌ها برای تولید نیرو در مقیاس بزرگ استفاده شده است، مانند انرژی خورشیدی [14،15]، انرژی باد [16،17،18]، انرژی زیست­‌توده [19،20] و انرژی آبی [21،22]. چالش اصلی در استفاده از منابع تجدید پذیر ماهیت متغیر و متناوب این منابع است که نیازمند انطباق فنی در رابطه با تعادل عرضه و تقاضای انرژی است. بهبود این هماهنگی می­تواند به طور قابل توجهی عدم قطعیت تولید انرژی‌­های تجدیدپذیر را کاهش دهد ]23[. در ادامه هریک از روش­‌های تجدیدپذیر تولید انرژی به اختصار ارائه شده اند و به ظرفیت ایران برای بهره برداری از آن­ها نیز پرداخته شده است.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی مقرون به صرفه‌­ترین و فراوان‌­ترین منبع طبیعی بلندمدت برای تامین انرژی به شمارمی­‌رود [24]. انرژی خورشیدی از طریق اثر فتوولتائیک(Photoelectric Effect) توسط صفحات سیلیکونی به انرژی الکتریکی تبدیل می­شود[25،26]. برخلاف باتری‌ها یا سلول‌های سوختی، سلول‌های خورشیدی از واکنش‌های شیمیایی استفاده نمی‌کنند یا برای تولید نیروی الکتریکی به سوخت نیاز ندارند و برخلاف ژنراتورهای الکتریکی، هیچ قطعه متحرکی ندارند. یکی از مهم ترین پارامترهایی که در سلول های خورشیدی تعریف می­شود راندمان صفحات می‌­باشد. راندمان پنل خورشیدی مقدار نور خورشید (تابش) است که بر روی سطح یک پنل خورشیدی می ­تابد و به برق تبدیل می­شود. با توجه به پیشرفت های فراوان در فناوری فتوولتائیک در سال های اخیر، متوسط ​​راندمان تبدیل صفحات از% 15 به بیش از% 23 افزایش یافته است. این جهش قابل توجه در راندمان منجر به افزایش توان یک پانل با اندازه استاندارد از 250 وات به بیش از 440 وات شده است. همچنین یکی از مهم‌ترین مزیت‌­های این نوع منبع، سهولت کاربری آن است که امکان بهره­‌گیری از آن را در هر مکانی فراهم می­کند. در ادامه برخی از کاربردهای سلول­‌های خورشیدی بیان شده است.

 

• کاربری مسکونی

سلول‌­های‌خورشیدی به طور فزاینده­ای در محیط­‌های مسکونی برای تولید برق خانه­‌ها استفاده می­شوند. پنل­‌های خورشیدی که به راحتی بر روی پشت­بام منازل قابل نصب هستند، می­‌توانند بخش قابل توجهی از انرژی مورد نیاز خانوار را تامین کنند، وابستگی به برق شبکه را کاهش داده و هزینه انرژی خانوار را کاهش  دهند؛ همچنین در صورتی که میزان مصرف خانوار از برق تولیدی صفحات کمتر باشد، مازاد آن را می­‌توان به شبکه فروخت و خود به منبع درامدی برای خانواده تبدیل می­شود. در کشور ایران با توجه به زوایه تابش خورشید، می­توان گفت در اکثر مناطق (غیر از نواحی شمالی) در طول روز حداکثر 4 الی 5 ساعت تابش مناسب وجود دارد که در صورت نصب سلول خورشیدی بر روی یک ساختمان با زیربنای 100 متر مربع میزان برق تولیدی آن تقریبا (kwh ) 2500 در ماه خواهد بود که با توجه به میانگین مصرف برق خانوار در ماه(kwh 200) این میزان برق تولید شده برای یک ساختمان 5 طبقه کافی خواهد بود و آن­ها قادر خواهند بود حدود (kwh ) 1500 در ماه برق مازاد را به شبکه سراسری بفروشند.

• مصارف تجاری و صنعتی

کسب و کارها و صنایع از انرژی خورشیدی برای تامین انرژی عملیات خود، کاهش هزینه های انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه­‌ای می­توانند استفاده کنند. تاسیسات خورشیدی در مقیاس بزرگ، مانند مزارع خورشیدی، می توانند مقادیر قابل توجهی برق برای تامین برق ساختمان­‌های تجاری، کارخانه‌­ها و مراکز داده تولید کنند. همچنین سقف سوله­‌های صنعتی را نیز می­توان با صفحات خورشیدی پوشش داد که در این‌­صورت سطح وسیعی برای تولید برق در دسترس خواهد بود.

• مناطق خارج از شبکه و بدون سکنه

سلول های خورشیدی به ویژه در مکان‌­های دورافتاده، کویری و خارج از شبکه که دسترسی به برق معمولی محدود است یا وجود ندارد، ارزشمند هستند. سیستم های انرژی خورشیدی می توانند برق را برای روشنایی، پمپاژ آب، تبرید و ارتباطات در مناطق روستایی و کم برخوردار فراهم کنند. از جمله نکات مثبت نصب سلول‌­های خورشیدی در چنین مناطقی (به خصوص مناطق کویری)، زاویه مناسب تابش و مدت زمان تابش بیشتر، باتوجه به نبود ساختمان‌­های بلند که در ساعاتی از روز مانع تابش آفتاب به صفحات در مناطق مسکونی می­شوند، اشاره کرد. کشور ایران نیز به دلیل وجود مناطق کویری بسیار زیاد (حدود 86 میلیون هکتار) پتانسیل بسیار بالایی برای تولید برق از این روش دارد.

• حمل و نقل

سلول­‌های خورشیدی در برنامه­‌های حمل­‌و­نقل، از جمله اتومبیل‌­های خورشیدی، پهپادها، قایق­‌ها و حتی هواپیماها می­توانند مورد استفاده گیرند. در حالی که این فناوری­‌ها هنوز در حال توسعه هستند، نوید کاهش اثرات زیست محیطی حمل و نقل را دارند. به عنوان یکی از نمونه­‌های کاربردی این حوزه می­توان به پهپاد زفیر (Zephyr) شرکت ایرباس اشاره کرد که با استفاده از سیستم هیبریدی سلول خورشیدی و باتری توانسته رکورد طولانی‌­ترین پرواز پهپاد را جابجا کند (64 روز پرواز مداوم). در این پهپاد از باتری­‌های لیتیوم-یونی با آند سیلیکونی استفاده شده که با انرژی الکتریکی تولید شده توسط صفحات خورشیدی که بر روی بال پهپاد نصب شده قابل شارژ هستند.

انرژی باد

   باد به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر، پاک، دوست‌دار محیط زیست و اقتصادی شناحته می­شود [27]، از این رو پیش‌­بینی می­شود که تا سال 2050 حداقل 18 درصد از انرژی جهانی توسط توربین­‌های بادی تامین شود. توربین های بادی با استفاده از ژنراتورهایی که در آن­ها تعبیه شده می­توانند انرژی مکانیکی ایجاد شده در اثر چرخش پره­‌ها توسط باد را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. در سال 2023 تقریبا 117 گیگاوات به ظرفیت انرژی بادی دنیا اضافه شد که تقریبا 50 درصد بیشتر از سال 2022 بوده است، با این ظرفیت جدید، توان کل تولیدی برق توربین‌­های بادی به 1023 گیگاوات رسیده است. کشور ایران نیز با توجه به وجود مناطق بادخیز متعدد و نیز دارا بودن دانش فنی تولید توربین­‌های بادی، بستر مناسبی برای گسترش بهره‌برداری از این نیروگاه‌­ها را دارد. لازم به ذکر است به نقل از معاون وزیر نیرو تا سال 1403 ظرفیت کل نیروگاه‌­های بادی کشور به حدود 366 مگاوات (03/0 درصد دنیا) است که تا پایان برنامه هفتم توسعه مقرر شده است که به 3000 مگاوات برسد.

بهره­‌برداری از این منبع تولید انرژی مزایا و معایبی را به همراه دارد که در ادامه به آن اشاره شده است.

مزایای استفاده از منبع انرژی بادی:

– پاک و تجدید پذیر

برخلاف زغال سنگ، گاز طبیعی یا نفت، تولید برق از باد منجر به انتشار گازهای گلخانه­‌ای نمی­شود. با وجود اینکه برخی ملاحظات زیست محیطی در ساخت مزارع بادی وجود دارد اما پس از بهره برداری، توربین های بادی، نیازی به سوزاندن سوخت‌­های فسیلی برای تولید انرژی ندارند؛ علاوه بر این، انرژی باد کاملاً تجدیدپذیر است و هرگز تمام نخواهد شد و می­توان انتظار داشت که این منبع تولید انرژی تقریبا بی انتهاست.

– هزینه‌­های عملیاتی پایین

با توجه به هزینه‌­های اولیه، نصب مزارع بادی ممکن است گران باشد. با این حال، پس از راه اندازی و اجرا، هزینه­‌های عملیاتی نسبتاً کم است. سوخت آن­ها (باد) است و توربین‌­ها در طول عمر خود به تعمیر و نگهداری زیادی نیاز ندارند.

– صرفه جوی در فضای اشغال شده

مزارع توربین­‌های بادی زمین­‌های زیادی نیاز ندارند و حتی در خود مزارع بادی نیز می­توان اهداف دیگری مانند کشاورزی را پیگیری کرد.

معایب استفاده از منبع انرژی بادی:

– متناوب بودن انرژی بادی

اثربخشی یک توربین بادی در تولید برق به آب و هوا بستگی دارد. بنابراین، پیش‌بینی دقیق میزان الکتریسیته یک توربین بادی در طول زمان می‌تواند دشوار باشد. اگر سرعت باد در هر روز معین خیلی کم باشد، روتور توربین نمی­چرخد و نمی­توان انتظار داشت که برق تولید شود.

– آلودگی صوتی و بصری

یکی از بزرگ­ترین معایب انرژی بادی، آلودگی صوتی و بصری آن است. توربین‌های بادی به دلیل عملکرد مکانیکی و گرداب بادی که هنگام چرخش پره‌ها ایجاد می‌شود، هنگام کار می‌توانند نویز داشته باشند. علاوه بر این، از آنجایی که توربین­‌های بادی باید به اندازه کافی ارتفاع داشته باشند تا مقدار خوبی باد را جذب کنند، توربین­‌ها اغلب مناظر دیدنی مانند رشته کوه­‌ها، دریاچه­‌ها، اقیانوس‌­ها و غیره را مختل می­‌کنند.

انرژی آبی

برق آبی یک منبع انرژی تجدیدپذیر است که در آن انرژی مکانیکی حرکت آب (ار بالا به پایین، امواج، جزر و مد) توسط توربین‌­های تعبیه شده به انرژی الکتریکی تبدیل می­شود. برق آبی یک فناوری بالغ است و به طور گسترده در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می­گیرد. بر اساس بررسی‌­های انجام شده، در سال 2020 نیروگاه‌­های برق‌­آبی تقریبا 16 درصد از کل انرژی تولید شده در دنیا را به خود اختصاص داده و پس از زغال سنگ و گاز طبیعی رتبه سوم تولید برق را کسب کرده است [28].تولید برق با استفاده از انرژی آب، یکی از کارآمدترین فناوری‌ها برای تولید انرژی الکتریکی تجدیدپذیر به شمار می­رود که در بعضی از موارد راندمان کلی آن تقریبا 90 درصد می­باشد. انرژی آبی پتانسیل بالایی برای کاهش انتشار دی‌­اکسید کربن دارد و می­توان به عنوان یکی از پاک­‌ترین روش­‌های تولید انرژی به آن اشاره کرد..

انواع روش‌­های تولید انرژی با استفاده از انرژی آب

نیروگاه های آبی در هر کشور خاص عموما با دو رویکرد محلی و ملی ساخته و طراحی می­شوند. در رویکرد محلی عموما باتوجه به قابلیت­‌های هر محل ممکن است انواع مختلف روش­‌های تولید برق آبی مورد استفاده قرار گیرد. از سوی دیگر، در رویکرد ملی دستور کار کاملاً متفاوت بوده و معمولاً مبتنی بر سیستم هیدرولوژیکی کشور است [29]. در ادامه روش‌­های مختلف تولید برق­‌آبی ارائه شده است.

نیروگاه‌­های تجمیعی (پشت سد)

نیروگاه­‌های برق­‌آبی توسط این روش یکی از متداول­‌ترین و شناخته­‌شده‌­ترین روش‌­های تولید برق توسط نیروی آب به شمار می‌­آید. یک نیروگاه برق آبی تجمیعی همواره دارای یک مخزن انباشت بزرگ آب (سد) است. چرخه تولید انرژی با توجه به حجم مخزن و سرعت جریان آب به داخل آن تعیین می­شود. نیروگاه‌های تجمیعی معمولاً فقط در دوره‌های اوج تقاضا، برق تولید می‌کنند و در زمان‌های دیگر فقط آب را در مخزن انباشته می‌کنند. در طول دوره های تجمع، مخازن متعادل کننده که معمولاً در پایین دست نیروگاه‌­ها ساخته می­شوند، میزان آب را کنترل می­کنند تا از سرریز آن جلوگیری کنند. روش کار آن نیز به این گونه­‌‌است که جهت تولید برق، دریچه­‌های تعبیه شده بر روی سد باز شده و آب با سرعت مشخص و ارتفاع مشخص به جریان افتاده و با برخورد با توربین­‌هایی که در پایین دست سد طراحی شده است، نیروهای جنبشی و گرانشی به الکتریکی تبدیل می­شوند. از جمله مزایای این روش می­توان به قابل پیش‌­بینی بودن میزان برق تولیدی، پایدار بودن آن (حداقل تازمانی که آب پشت سد وجود دارد)، کنترل سیلاب­‌های احتمالی و استفاده از آب سد در مصارف کشاورزی و خانگی اشاره کرد. این روش معایبی نیز دارد که می­توان مواردی هم­‌چون خطرات ناشی از تخریب سد و تخریب محیط زیست و اکوسیستم منطقه را نام برد. [30]

نیروگاه‌­های جریانی

این نوع نیروگاه‌ها برای رودخانه‌های دشتی در کشورهای هموار که امکان ساخت سد در آن­ها وجود ندارد مناسب‌ هستند. در این روش آب ارتفاع زیادی ندارد اما نرخ جریان قابل توجه است و تنها می­توان انتظار داشت که انرژی جنبشی آب در حال جریان به برق تبدیل شود. در این روش مخزنی وجود ندارد و همین عامل باعث کاهش هزینه و اثرات زیست‌­محیطی این روش شده است. توان خروجی در این روش به سرعت جریان واقعی رودخانه بستگی دارد. به طورکلی در این روش میزان تولید برق به مراتب کمتر از روش تجمیعی است. یکی از معایب این روش متناوب بودن آن است؛ چراکه در فصول خشک و کم­بارش میزان آب رودخانه کاهش یافته و در نتیجه میزان تولید برق نیز کاهش (حتی ممکن است قطع شود) خواهد یافت.[31]

در شکل ارائه شده مراحل تولید جریان الکتریکی توسط این روش ارائه شده است. همان­گونه که مشخص است در ابتدا، بخشی از آب رودخانه توسط لوله یا کانال منحرف شده و وارد توربین­ تعبیه شده در مسیر حرکت شده، توربین به حرکت در آمده و حرکت توربین توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل شده و وارد خطوط انتقال می­شود (مرحله 4) در انتها نیز آبی که باعث به حرکت درآمدن توربین شده بود، مجددا به مسیر رودخانه برمی­گردد (مرحله 5).

نیروگاه­‌های ذخیره‌­سازی پمپاژی

نیروگاه‌­های برق­‌آبی ذخیره‌سازی پمپاژی نوعی روش­ تولید برق­‌آبی است که از دو مخزن آب در ارتفاعات مختلف تشکیل شده و می­تواند با حرکت آب از یکی به دیگری (تخلیه) و عبور از یک توربین، نیرو جنبشی آب را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. در این روش، در زمان غیر اوج، آب موجود در ارتفاع پایین­‌تر به مخزن دارای ارتفاع بیشتر پمپاژ می­شود و در زمان اوج بار، آب انباشته شده در مخزن بالا برای به حرکت درآوردن توربین‌­ها و ژنراتورهای برق تعبیه شده در مسیر آزاد می­شود و انرژی انباشته شده را به شبکه باز می­گرداند. به طور کلی برای تولید 1 کیلووات برق از این روش تقریبا 1/3 کیلووات انرژی (در زمان‌­های غیراوج) مصرف می­شود. از جمله مزایای این روش می­توان به امکان پایداری شبکه در زمان‌­های اوج بار و تاثیر زیست­‌محیطی کمتر بر منطقه اشاره کرد. یکی از مهم‌­ترین معایب این روش نیز محدودبودن انرژی تولیدی این روش در زمان اوج بار می­باشد، چراکه در زمان اوج بار نمی­توان مجدد آب را پمپاژ کرد.

نیروگاه‌­های امواج آب

انرژی جمع آوری شده از آب اقیانوس­‌ها و دریاها منبعی از انرژی خالص و تجدیدپذیر است. از آنجایی که تقریبا 71 درصد از سطح زمین را آب تشکیل می­دهد، شورای جهانی انرژی (World Energy Council) تخمین می­زند که انرژی الکتریکی قابل استحصال از اقیانوس‌­ها دو برابر مقدار کل برق تولیدی فعلی در جهان است. افزایش تقاضای انرژی و همچنین تلاش برای کاهش انتشار گازهای مضر در جو، معرفی راه­‌های جدید برای به دست آوردن انرژی را ترویج داده است. مقدار انرژی بدست آمده از اقیانوس­‌ها با استفاده از انرژی امواج و همچنین انرژی جزر و مد به اندازه­ای است که بتوان بر روی آن سرمایه­‌گذاری کرد، فقط باید تلاش کرد که آن را به گونه‌­ای به دست آورد که از نظر اکولوژیکی قابل قبول و مقرون به صرفه باشد [32]. در این روش از امواج ایجاد شده در زیر دریاها و اقیانوس­‌ها استفاده می‌­شود. از جمله معایب این روش می­توان به هزینه بالا، تخریب حیات زیر آب و متناوب بودن آن اشاره کرد که میزان تولید برق در آن مستقیما به شرایط آب و هوایی و میزان شدت امواج بستگی دارد.

نیروگاه­‌های جزر و مدی

تبدیل انرژی مکانیکی ناشی از حرکت آب در جزر و مدهای پی­‌در­پی دریاها یکی از روش­‌های تولید برق‌­آبی است که سابقه آن به دوران باستان برمی­گردد. گردش ماه و زمین و نیروی گرانشی زمین باعث به وجود آمدن موج‌های جزر و مد در همه دریاها و اقیانوس­‌ها می­شود. این پدیده که در سواحل به صورت خفیف یا کامل رخ می‌دهد، پتانسیل قابل توجهی برای تولید برق دارد. برای مهار این انرژی عظیم، سازه‌های تولیدکننده برق در خطوط ساحلی با حداقل ارتفاع 5 متر نصب می‌شوند. سدهای جزر و مدی، فنس‌های جزرومدی و توربین‌های آبی، نمونه‌هایی از این فناوری‌های نوظهور هستند که جزر و مد را به برق تبدیل می‌کنند.

در اینجا نگاهی به مراحل تولید برق از جزر و مد می‌اندازیم:

– جزر و مد: جاذبه زمین سطح آب اقیانوس‌ها را بالا و پایین می‌برد و جزر و مد را به وجود می‌آورد.

– کانال‌سازی: جزر و مد به داخل مخزنی هدایت می‌شود که در هنگام بالا آمدن آب پر می‌شود.

– تولید برق: با پایین آمدن سطح آب، دریچه‌ای در مخزن باز می‌شود و آب با سرعت به سمت پایین جریان می‌یابد. این جریان توربینی را به حرکت در می‌آورد که ژنراتور را برای تولید برق می‌چرخاند.

– انتقال برق: برق تولید شده به شبکه برق منتقل و توزیع می‌شود.

انرژی زیست توده

زیست توده(Biomass) به تمام مواد آلی موجود در طبیعت اعم از منشأ گیاهی یا حیوانی و همچنین موادی که از طریق تبدیل طبیعی یا مصنوعی به دست می‌آیند، اطلاق می‌شود [33،34]. سوخت­‌های زیستی به دست آمده از زیست توده شامل هیزم، تراشه­‌های چوب، گلوله‌­های سوختی، هسته‌­ی بعضی از میوه­‌ها مانند زیتون و آووکادو و همچنین پوسته آجیل می­باشد. از این میان هیزم‌­ها کمترین نیاز به فرآوری را دارند و معمولاً مستقیماً در وسایل خانگی مانند اجاق گاز و تنور سوزانده می­شوند. تراشه‌­ها از خرد کردن زیست توده کشاورزی و جنگلی به دست می‌­آیند و اندازه آن­ها بسته به فرآیند تولیدی که از آن مشتق شده اند یا فرآیند تبدیلی که طی کرده اند متغیر است. گلوله‌های سوختی تولیدشده از مواد آلی فشرده و یا زیست‌توده هستند که می‌توانند از هر یک از پنج دسته کلی زیست توده (زباله‌های صنعتی و محصولات ترکیبی، ضایعات موادغذایی، باقیمانده‌های کشاورزی، محصولات زیست‌سوختی و الوار خالص) ساخته شوند و عموما به صورت استوانه‌های کوچکی به قطر 6 تا 12 میلی‌متر و طول 10 تا 30 میلی‌متر تشکیل شده‌اند. گلوله­‌های سوختی به ویژه در سوخت­‌هایی با نسبت انرژی/حجم پایین استفاده می­شوند [35،36]. هسته‌ها و دانه‌های میوه و همچنین پوست میوه‌­ها، اگرچه به میزان کمتری نسبت به سایر سوخت‌های استاندارد مانند هیزم، تراشه‌های چوب و گلوله‌ها استفاده می‌شوند، اما به عنوان یک سوخت زیستی جامد در سال­‌های گذشته به طور فزاینده‌ای مورد توجه قرار گرفته‌­اند. محققان دریافته‌­اند که هسته انبه، پوسته بادام‌­زمینی و پوسته تخمه آفتابگردان دارای پتانسیل انرژی حرارتی بالایی هستند [37،38،39].

 

دسترسی آسان و گسترده به زیست توده در سراسر جهان (محصول جانبی بسیاری از فرآیندهای صنعتی و کشاورزی)، آن را به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر با پتانسیل رشد بالا تبدیل کرده است [40]. هم‌چنین یکی از ویژگی­‌های اصلی زیست توده که آن را به عنوان یک منبع انرژی مناسب معرفی می­کند، این است که از طریق احتراق مستقیم می­توان آن را در کارخانه­‌های تبدیل زباله برای تولید برق یا در دیگ­‌ها برای تولید گرما در سطوح صنعتی و مسکونی مورد استفاده قرار داد [41،42]. در سال­‌های اخیر، استفاده از سوخت­‌های زیست توده در بخش حمل و نقل و تولید برق در بسیاری از کشورهای توسعه یافته با هدف کاهش انتشار دی‌­اکسیدکربن در حال افزایش است؛ به گونه­‌ای که در سال 2022، زیست توده تقریباً 5 درصد از کل مصرف انرژی اولیه در کشور آمریکا را تامین کرده است. کشور ایران نیز با دارا بودن جمعیت 85 میلیون نفری و تولید حجم انبوهی از زباله‌­های دامی و انسانی دارای پتانسیل مناسبی برای بهره­‌گیری از زیست توده است. در این راستا طبق گفته‌­های رضا صمدی، مدیرکل دفتر ارزیابی فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی سازمان انرژی‌های تجدیدپذیر و بهره‌وری برق ایران، این سازمان برنامه‌ای را به‌منظور شناسایی و رفع مشکلات نیروگاه‌های موجود و همچنین احداث نیروگاه‌های جدید به ظرفیت حداقل ۴۰۰ مگاوات ساعت در دستور کار قرار داده است.

در ادامه به مزایا و معایب استفاده از زیست توده پرداخته شده است.

مزایای زیست توده:

• منبع تجدید پذیر

تمام زیست توده­‌ها در ابتدا انرژی خود را از خورشید دریافت می­کنند و بااستفاده از فتوسنتز، منابع زیست‌­توده در یک بازه زمانی نسبتا کوتاه در مقایسه با منابع سوخت فسیلی، که صدها میلیون سال طول می کشد تا دوباره رشد کنند، رشد کرده و مجددا قابل استفاده هستند.

• کاهش ضایعات و پسماند

محل­‌های دفن زباله اثرات منفی متعددی بر محیط زیست دارند، از جمله آلودگی هوا، خاک و آب مجاور و انتشار گازهای گلخانه ای. بسیاری از محصولات موجود در محل­‌های دفن زباله خطرناک و سمی هستند. بسته به نحوه مدیریت این مواد، آن­ها می توانند زمین، هوا و آب را آلوده کنند و در نهایت منجر به پیامدهای نامطلوب زیست محیطی و سلامت انسان شوند. هنگامی که مواد آلی در محل­‌های دفن زباله تجزیه می­شوند، متان (یکی از قوی­‌ترین گازهای گلخانه­‌ای) و دی‌­اکسیدکربن منتشر می­شود. تغییر مسیر زباله­‌ها به سمت نیروگاه‌­های انرژی زیست توده به جای محل دفن زباله‌­ها نه تنها به کاهش انباشت زباله کمک می­‌کند و این خطرات را کاهش می­دهد، بلکه می­تواند بخشی از انرژی مورد نیاز صنایع را تامین کند.

• منبع مطمئن

نیروگاه‌­های انرژی زیست توده را می­توان به راحتی روشن یا خاموش کرد؛ این مسئله به اپراتورهای شبکه برق اجازه می­دهد تا از برق تولیدی این نیروگاه‌­ها در زمان اوج تقاضا استفاده کنند. برخلاف دیگر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید و باد، انرژی زیستی متناوب یا متغیر نیست و بدون توجه به آب و هوای بیرون همیشه می­توانند برای تامین برق مورد استفاده قرار بگیرند.

معایب زیست توده:

• هزینه بالا

فارغ از هزینه­‌های اولیه برای راه‌­اندازی نیروگاه­‌های زیست توده، هزینه‌­های اضافی مربوط به جمع‌­آوری، استخراج، حمل­‌و­نقل و ذخیره زیست توده قبل از تولید برق می­تواند در بعضی موارد بسیار بالا باشد؛ در حالی­که این هزینه‌­های اضافی در دیگر فناوری‌های تجدیدپذیر (بادی، خورشیدی و آبی) وجود ندارد. لازم به ذکر است که هزینه­‌های کلی تا حد زیادی به نوع زیست‌­توده و نحوه تبدیل آن به برق بستگی دارد. با این حال، اگرچه زیست توده اغلب گران‌تر از گزینه‌های جایگزین انرژی‌های تجدیدپذیر است، اما گران‌ترین انواع انرژی زیستی هنوز هم‌تراز یا ارزان‌تر از سوخت‌های فسیلی هستند چراکه انرژی زیستی نیازی به حفاری در زمین ندارد، که سرمایه بالایی (اقتصادی و زیست‌‌ ­محیطی) را به همراه دارد.

• فضای مورد نیاز

نیروگاه‌­های انرژی زیست توده به فضای زیادی نیاز دارند، از طرفی اغلب شرکت‌ها برای کاهش هزینه‌های حمل و نقل و ذخیره‌سازی، باید این نیروگاه‌ها را در نزدیکی منبع زیست توده خود قرار دهند. همچنین ممکن است برای تولید انرژی زیستی، فضای اضافی برای رشد مواد آلی لازم باشد.

• اثرات نامطلوب زیست محیطی

مانند بسیاری از اشکال دیگر انرژی، تولید الکتریسیته از زیست توده می­تواند دارای چندین جنبه منفی زیست محیطی باشد. به عنوان مثال، بسته به نوع زیست توده مورد استفاده برای تولید برق، شیوه‌های انرژی زیستی ناپایدار می‌تواند در طول زمان منجر به جنگل‌زدایی شود. شرکت‌­هایی که درختان جنگل­‌ها را قطع می­کنند تا مواد اولیه نیروگاه­‌های انرژی زیست توده را فراهم کنند به محیط طبیعی آسیب می­رسانند و در این فرآیند زیستگاه‌­های گیاهان و حیوانات را مختل می­کنند. پاکسازی گیاهان و مواد آلی از زمین نیز می­تواند بر سلامت خاک اطراف تأثیر بگذارد که به کمپوست و بیوماس کوددهی نیاز دارد. کشت محصولات زراعی تنها با هدف منابع زیست توده به مقدار زیادی آب نیز نیاز دارد و آبیاری مداوم این منابع می­تواند منطقه (تحت کشت) را در برابر خشکسالی آسیب­‌پذیرتر کند.علاوه بر این، در حالی که زیست­‌توده اغلب به عنوان یک جایگزین سازگار با محیط‌زیست در نظر گرفته می­شود، تولید برق از این منبع آلاینده­‌هایی مانند دی­‌اکسیدکربن، اکسیدهای نیتروژن، ترکیبات آلی فرار و غیره را در هوا آزاد می­کند. در برخی موارد، انتشار و آلاینده های زیست توده می تواند بدتر از انتشارات منابع سوخت فسیلی باشد. این آلاینده ها اثرات نامطلوبی بر محیط زیست و سلامت انسان دارند. پیامدهای زیست‌محیطی و بهداشتی انرژی زیستی را می‌توان با تلاش‌های متعدد، از جمله شیوه‌های استفاده پایدارتر از زمین، تلاش‌های کاشت مجدد، و نوآوری‌های فناورانه، به حداقل رساند.

نویسنده:محمددارابی

منابع

1. Makieła, K.; Mazur, B.; Głowacki, J. The Impact of Renewable Energy Supply on Economic Growth and Productivity. Energies2022, 15, 4808.
2. Khezri, M.; Karimi, M.S.; Mamkhezri, J.; Ghazal, R.; Blank, L. Assessing the Impact of Selected Determinants on Renewable Energy Sources in the Electricity Mix: The Case of ASEAN Countries. Energies2022, 15, 4604.
3. Zhu, Y.; Huo, C. The Impact of Agricultural Production Efficiency on Agricultural Carbon Emissions in China. Energies2022, 15, 4464.
4. Rana, Md Masud, et al. “Applications of energy storage systems in power grids with and without renewable energy integration—A comprehensive review.” Journal of energy storage68 (2023): 107811.
5. Roosjen, S.; Glushenkov, M.; Kronberg, A.; Kersten, S. Waste Heat Recovery Systems with Isobaric Expansion Technology Using Pure and Mixed Working Fluids. Energies 2022, 15, 5265.
6. Shiojiri, D.; Iida, T.; Hirayama, N.; Imai, Y.; Sugawara, H.; Kusaka, J. Recent Studies on the Environmentally Benign Alkaline-Earth Silicide Mg2Si for Middle-Temperature Thermoelectric Applications. Energies 2022, 15, 4859.
7. Sousa, C.C.; Martins, J.; Carvalho, Ó.; Coelho, M.; Moita, A.S.; Brito, F.P. Assessment of an Exhaust Thermoelectric Generator Incorporating Thermal Control Applied to a Heavy Duty Vehicle. Energies 2022, 15, 4787.
8. Wilberforce, T.; Ijaodola, O.; Baroutaji, A.; Ogungbemi, E.; Olabi, A.G. Effect of Bipolar Plate Material on Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance. Energies 2022, 15, 1886.
9. Alaswad, A.; Omran, A.; Sodre, J.R.; Wilberforce, T.; Pignatelli, G.; Dassisti, M.; Baroutaji, A.; Olabi, A.G. Technical and Commercial Challenges of Proton-Exchange Membrane (PEM) Fuel Cells. Energies 2020, 14, 144.
10. Olabi, A.G.; Wilberforce, T.; Sayed, E.T.; Elsaid, K.; Abdelkareem, M.A. Prospects of Fuel Cell Combined Heat and Power Systems. Energies 2020, 13, 4104.
11. Said, R.; Bhatti, M.I.; Hunjra, A.I. Toward Understanding Renewable Energy and Sustainable Development in Developing and Developed Economies: A Review. Energies 2022, 15, 5349.
12. Meirinhos, G.; Malebo, M.; Cardoso, A.; Silva, R.; Rêgo, R. Information and Public Knowledge of the Potential of Alternative Energies. Energies 2022, 15, 4928.
13. Ahmed, N.; Sheikh, A.A.; Hamid, Z.; Senkus, P.; Borda, R.C.; Wysokińska-Senkus, A.; Glabiszewski, W. Exploring the Causal Relationship among Green Taxes, Energy Intensity, and Energy Consumption in Nordic Countries: Dumitrescu and Hurlin Causality Approach. Energies 2022, 15, 5199.
14. Veerendra Kumar, D.J.; Deville, L.; Ritter, K.A., III; Raush, J.R.; Ferdowsi, F.; Gottumukkala, R.; Chambers, T.L. Performance Evaluation of 1.1 MW Grid-Connected Solar Photovoltaic Power Plant in Louisiana. Energies 2022, 15, 3420.
15. Duvenhage, D.F.; Brent, A.C.; Stafford, W.H.L.; den Heever, D. Optimising the Concentrating Solar Power Potential in South Africa through an Improved GIS Analysis. Energies 2020, 13, 3258.
16. Marchand, J.; Shetgaonkar, A.; Rueda Torres, J.L.; Lekic, A.; Palensky, P. EMT Real-Time Simulation Model of a 2 GW Offshore Renewable Energy Hub Integrating Electrolysers. Energies 2021, 14, 8547.
17. Himri, Y.; Rehman, S.; Mostafaeipour, A.; Himri, S.; Mellit, A.; Merzouk, M.; Merzouk, N.K. Overview of the Role of Energy Resources in Algeria’s Energy Transition. Energies 2022, 15, 4731.
18. Yu, Y.; Pham, T.D.; Shin, H.; Ha, K. Study on the Motion Characteristics of 10 MW Superconducting Floating Offshore Wind Turbine Considering 2nd Order Wave Effect. Energies 2021, 14, 6070.
19. Baba, Y.; Pandyaswargo, A.H.; Onoda, H. An Analysis of the Current Status of Woody Biomass Gasification Power Generation in Japan. Energies 2020, 13, 4903.
20. Battista, F.; Frison, N.; Bolzonella, D. Energy and Nutrients’ Recovery in Anaerobic Digestion of Agricultural Biomass: An Italian Perspective for Future Applications. Energies 2019, 12, 3287.
21. Garduño-Ruiz, E.P.; Silva, R.; Rodríguez-Cueto, Y.; García-Huante, A.; Olmedo-González, J.; Martínez, M.L.; Wojtarowski, A.; Martell-Dubois, R.; Cerdeira-Estrada, S. Criteria for Optimal Site Selection for Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) Plants in Mexico. Energies 2021, 14, 2121.
22. Ng, K.-W.; Lam, W.-H.; Ng, K.-C. 10 Years of Research Progress in Horizontal-Axis Marine Current Turbines. Energies 2013, 6, 1497–1526.
23. Chen, Haisheng, et al. “Progress in electrical energy storage system: A critical review.” Progress in natural science 19.3 (2009): 291-312.
24. Awasthi, A.; Shukla, A.K.; Murali Manohar, S.R.; Dondariya, C.; Shukla, K.N.; Porwal, D.; Richhariya, G. Review on sun tracking technology in solar PV system. Energy Rep. 2020, 6, 392–405.
25. Al-Ezzi, A. The market of solar panels in the United Kingdom. Appl. Sol. Energy 2017, 53, 78–84.
26. Nayak, P.K.; Mahesh, S.; Snaith, H.J.; Cahen, D. Photovoltaic solar cell technologies: Analysing the state of the art. Nat. Rev. Mater. 2019, 4, 269–285.
27. Burton, Tony, et al. Wind energy handbook. John Wiley & Sons, 2011.
28. Zhang, Yunyu, Hailing Ma, and Shuaifei Zhao. “Assessment of hydropower sustainability: Review and modeling.” Journal of Cleaner Production 321 (2021): 128898.
29. Tkáč, Štefan. “Hydro power plants, an overview of the current types and technology.” Selected Scientific Papers-Journal of Civil Engineering 13.s1 (2018): 115-126.
30. Bagher, Askari Mohammad, et al. “Hydroelectric energy advantages and disadvantages.” American Journal of Energy Science
31. Bozorg Haddad, Omid, Mahdi Moradi-Jalal, and Miguel A. Marino. “Design–operation optimisation of run-of-river power plants.” Proceedings of the institution of civil engineers-water management. Vol. 164. No. 9. Thomas Telford Ltd, 2011.
32. Šmelcerović, Miodrag. “HYDROPOWER PLANT.” KNOWLEDGE-International Journal 30.3 (2019): 581-585.
33. Mehedintu, A.; Sterpu, M.; Soava, G. Estimation and forecasts for the share of renewable energy consumption in final energy consumption by 2020 in the european union. Sustainability2018, 10, 1515.
34. Muresan, A.A.; Attia, S. Energy efficiency in the romanian residential building stock: A literature review.  Sustain. Energy Rev.2017, 74, 349–363.
35. Li, G.; Liu, C.; Yu, Z.; Rao, M.; Zhong, Q.; Zhang, Y.; Jiang, T. Energy saving of composite agglomeration process (CAP) by optimized distribution of pelletized feed. Energies2018, 11, 2382.
36. Williams, O.; Taylor, S.; Lester, E.; Kingman, S.; Giddings, D.; Eastwick, C. Applicability of mechanical tests for biomass pellet characterisation for bioenergy applications. Materials2018, 11, 1329.
37. Perea-Moreno, A.-J.; Perea-Moreno, M.-A.; Dorado, M.P.; Manzano-Agugliaro, F. Mango stone properties as biofuel and its potential for reducing CO2 emissions. J. Clean Prod. 2018, 190, 53–62.
38. Perea-Moreno, A.-J.; Perea-Moreno, M.-A.; Hernandez-Escobedo, Q.; Manzano-Agugliaro, F. Towards forest sustainability in Mediterranean Countries using biomass as fuel for heating. J. Clean Prod. 2017, 156, 624–634.
39. Perea-Moreno, M.A.; Manzano-Agugliaro, F.; Hernandez-Escobedo, Q.; Perea-Moreno, A.J. Peanut Shell for Energy: Properties and Its Potential to Respect the Environment. Sustainability 2018, 10, 3254.
40. Li, Y.; Rezgui, Y.; Zhu, H. District heating and cooling optimization and enhancement—towards integration of renewables, storage and smart grid.  Sustain. Energy Rev.2017, 72, 281–294.
41. Salmerón-Manzano, E.; Manzano-Agugliaro, F. The Higher Education Sustainability through Virtual Laboratories: The Spanish University as Case of Study. Sustainability2018, 10, 4040.
42. de la Cruz-Lovera, C.; Perea-Moreno, A.-J.; de la Cruz-Fernández, J.-L.; Alvarez-Bermejo, J.A.; Manzano-Agugliaro, F. Worldwide Research on Energy Efficiency and Sustainability in Public Buildings. Sustainability2017, 9, 1294.