بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی انرژی و اقتصادی تولید بیودیزل از روغن تفاله زیتون با رویکرد چرخه زندگی
چکیده
هدف از تحقیق حاضر ارزیابی چرخه زندگی انرژی و اقتصادی تولید بیودیزل از روغن تفاله زیتون با استفاده از امواج فراصوت است. بدین منظور تولید بیودیزل در قالب چرخه زندگی متشکل از مراحل تولید کشاورزی زیتون، حملونقل، روغنکشی زیتون، روغنکشی تفاله زیتون، و تولید بیودیزل بررسی شد. نتایج نشان داد که میزان انرژی ورودی در طی چرخه زندگی تولید بیودیزل براساس مدل تخصیص جرم و تخصیص اقتصادی به ترتیب 2601/91 و 3805/04 مگاژول بر هکتار بوده است. میزان انرژی خروجی ( بیودیزل) نیز 3489/36 مگاژول بر هکتار محاسبه شد. شاخصهای انرژی نیز برای تولید بیودیزل محاسبه شد که عبارت بودند از: بازده انرژی، بهرهوری انرژی، خالص انرژی، و نسبت انرژی فسیلی که با توجه به نوع مدل تخصیص (جرمیـاقتصادی) به ترتیب برابر با 0/92 ; 1/34 (بدون واحد)، 0/03 ;0/04 لیتر بر مگاژول، (-)315/68 ;1413/50 مگاژول برهکتار، و 0/93 ;1/67 (بدون واحد) محاسبه شد. شاخصهای اقتصادی محاسبهشده برای تولید بیودیزل عبارتاند از: ارزش تولید ناخالص، بازده ناخالص، بازده خالص، نسبت سود به هزینه، و بهرهوری که به ترتیب برابر با 3/24 میلیون ریال بر هکتار، 1/02 میلیون ریال بر هکتار، 1/01 میلیون ریال بر هکتار، 1 /45 (بدون واحد)، و 48/43 لیتر بر میلیون ریال محاسبه شد.
کلیدواژگان: امواج فراصوت، بیودیزل، ترانس استریفیکاسیون، چرخه زندگی، روغن تفاله زیتون.
مقدمه
اختراع موتورهای درونسوز و پیشرفتهای بعدی در فناوری سـاخت موتور، به استفاده بسیار وسیع از منابع نفتی و تخلیه بسیار سریع این منابع منجر شده است. اکنون بهخوبی مشخص شده است که بهدلیل استخراج بیش از 80 میلیون بشکه نفت در روز، در آیندهای نهچندان دور جهان با بحران کاهش یا حتی اتمام منابع سوختهای فسیلی بهویژه نفت مواجه خواهد شد. از سوی دیگر احتراق این سوختها موجب افزایش گازهای گلخانهای، تخریب لایه اوزون، آلودگی محیط زیست، و اختلالات تنفسی در شهرهای بزرگ شده است. علاوه بر این مشکلات، وابستگی کشورهای مصرفکننده به کشورهای تولیدکننده و صادرکننده محصولات نفتی و فرآوردههای آن مانند بنزین و گازوییل بیشتر شده و درنتیجه قیمت فراوردههای نفتی بسیار افزایش یافته است؛ بهگونهای که امنیت انرژی این کشورها نامطمئن شده و به خطر افتاده است. با ظهور این مشکلات لزوم بهرهمندی از انرژیهای جایگزین، تجدیدپذیر، و پاک آشکار شده و توجه سیاستگذاران بخش انرژی به تولید اینگونه سوختها معطوف گردیده است.
زیست توده از منابع مهم انرژیهای تجدیدپذیر است که مقام نخست عرضه انرژی جهان در میان منابع تجدیدپذیر را در اختیار دارد. سوختهای زیستی که از منابع زیست توده تولید میشوند، توانایی بالایی در رفع مشکلات یادشده دارند. این سوختها که پایه گیاهی و یا حیوانی دارند در حین سوختن آلودگی بسیار کمتری در مقایسه با سوختهای فسیلی تولید میکنند
از بین سوختهای تجدیدپذیر، بیودیزل و بیواتانول پیشرفت زیادی کردهاند. بیودیزل از انواع سوختهای زیستی است که ویژگیهایی بسیار شبیه به سوخت گازوییل دارد با این تفاوت که دارای مواد ناخوشایندی ازقبیل گوگرد، نیتروژن، و آروماتیکهای پلیسایکلیک (Polycyclic) نیست. بیودیزل بهعنوان استرهای مونوالکیل (Mono Alkyl Esters) اسیدهای چرب با زنجیـرههای بلند تعریف میشود که از روغنهای گیاهی میتوان بهعنوان رایجترین منبع آن یاد کرد. این سوخت را میتوان بدون ایجاد تغییر در بویلرها (Boiler)، ماشینهای گرمایی، و موتورهای درونسوز (بهصورت مخلوط با گازوییل) بهکار برد .(Ghobadian et al., 2004) بیودیزل ابتدا از روغنهای گیاهی تولید میشد، اما منابع دیگری مثل چربیهای حیوانی، جلبک، قارچ، و باکتری در زمان حاضر نیز برای تولید بیودیزل مورد استفاده یا مطالعه قرار میگیرند.
بزرگترین انتقادی که امروزه به تولید بیودیزل وارد میشود این است که بیودیزل میتواند مسیر تولید محصولات کشاورزی را به سمت خود منحرف کند. بحث اصلی بر سر این است که برنامههای تولید محصولات کشاورزی برای انرژی با برنامههای تولید محصولات برای غذا در رقابت هستند و درنتیجه، این رقابت کمبود مواد غذایی و افزایش قیمت آنها را بهدنبال خواهد داشت. بهمنظور رفع این انتقاد اساسی و همچنین کاهش هزینه ماده خام اولیه، استفاده از پسماند مواد غذایی و بقایای کشاورزی بهعنوان منابع تولید بیودیزل میتواند گزینه مناسبی باشد .(Enweremadu et al., 2009) تفاله زیتون نیز از منابع پسماند گیاهی است که میتوان برای تولید بیودیزل از آن استفاده کرد. زیتون گیاهی است که درصد روغن خوراکی استحصالی از آن حدود 18 تا 30درصد است (De Graaff and Eppink, 1999) و مابقی آن تفاله است که میتوان از روغن آن بیودیزل تهیه کرد .(Redel -Macías et al., 2012) اگرچه استفاده از این منبع انرژی جایگزین بهتنهایی نمیتواند جایگزین وابستگی به سوخت گازوییل شود اما از منابعی است که میتواند سوختی پاک و انرژی جایگزین فراهم و به تقاضای پایدار انرژی کمک کند.
روغنهای گیاهی بهعنوان سوخت برای موتورهای دیزلی، اولین بار توسط رادولف دیزل استفاده شد. اصلیترین مسئلهای که مانع استفاده مستقیم از این روغنهای گیاهی در موتورهای دیزلی امروزی میشود، داشتن گرانروی سینماتیکی بالا است. گرانروی سینماتیکی بالای این روغنها باعث اشکال در پاشش و پودرشدن مناسب سوخت در محفظه احتراق میشود و اختلال در روانکاری و احتراق ناقص و رسوب کربن در سیلندر را بههمراه خواهد داشت .(Ma and Hanna, 1998) برای کاهش گرانروی، استفاده از چهار روش ترانساستریفیکاسیون (Transesterification)، پیرولیز (Pyrolysis)، رقیقسازی، و میکروامولوسیون (Microemulsion) بررسی شده است که از بین آنها ترانساستریفیکاسیون یا تبادل استری رایجترین روشی است که امروزه در صنعت برای کاهش گرانروی از آن استفاده میشود .(Knothe et al., 2005)
واکنش میان روغن یا چربی و الکل، ترانساستریفیکاسیون نامیده میشود. محصول این واکنش بیودیزل و گلیسیرین است. چون روغن و الکل با هم مخلوط نمیشوند و واکنش آنها با هم مدت زمان زیادی طول میکشد، استفاده از کاتالیزور، همزدن مکانیکی با شدت زیاد، و افزایش دما، زمان تولید بیودیزل را تا حدی کاهش میدهد (Ghobadian and Khatamifar, 2005) لیکن این کاهش تا حدی نیست که انتظارات را برآورده کند. با توجه به این موضوع، برای بررسی تولید بیودیزل از یک منبع، همواره بایستی از روشهایی استفاده کرد که مدت زمان واکنش و انرژی مصرفی آن را به حداقل برساند. یافتن راه حلی برای این مسئله موضوع تحقیق بسیاری از پژوهشگران بوده است. یکی از این روشهای مؤثر استفادهشده برای تولید بیودیزل تابش امواج فراصوت است (Hingu et al., 2010; Stavarache et al., 2007;.Teixeira et al., 2009 ; Ji et al., 2006)
به امواجی که دارای فرکانس بالاتر از محدوده قابل شنیدن برای انسان (بهطور معمول بیش از20 کیلوهرتز) هستند، امواج فراصوت گفته میشود. این امواج همانند صوت وقتی به جامد یا مایع تابیده می شوند، تولید ارتعاشات مکانیکی میکنند. این ارتعاشات مکانیکی در مایع باعث حفرهزایی و افزایش دما میشود و نیز انتقال جرم را بهبود میبخشد. این تأثیرات در فرایند تولید بیودیزل میتواند جایگزین همزن مکانیکی و افزایش دمایی استفادهشده در روش مرسوم تولید بیودیزل قرار گیرد .(Ji et al., 2006) از آنجا که تحقیقات پیرامون استفاده از روش فراصوت همچنان ادامه دارد، بنابراین تولید بیودیزل با استفاده از این روش در ایران نیز تازگی داشته و مسئلهای است که نیازمند تحقیق است؛ از اینرو در تحقیق حاضر تولید بیودیزل با استفاده از این روش انجام گرفته است.
مهمترین عوامل برای ارزیابی تولید بیودیزل از یک منبع، تراز انرژی فرایند تولید، مقدار محصول بیودیزل تولیدی، و هزینههای تولید بیودیزل از آن منبع است (De Souza et al., .2010) بهمنظور بررسی عوامل یادشده، فرایند تولید بیودیزل از یک منبع گیاهی یا حیوانی را بایستی بهصورت چرخهکاملاً به هم پیوسته از آغاز فرایند تولید مواد اولیه برای تهیه خوراک بیودیزل تا انتهای فرایند تولید بیودیزل در نظر گرفت که به آن چرخه زندگی تولید بیودیزل میگویند. بدین منظور، در تحقیق حاضر بررسی جریان انرژی و اقتصادی تولید بیودیزل از روغن تفاله زیتون در قالب چرخه زندگی انجام گرفته است.
مواد و روشها
هدف و چارچوب مطالعه
هدف از تحقیق حاضر تحلیل انرژی تولید بیودیزل از روغن تفاله زیتون در طی چرخه زندگی آن و تولید بیودیزل از این منبع با استفاده از سامانه فراصوت است. در کنار این هدف نیز محاسبه عملکرد اقتصادی این فرایند در طی چرخه زندگی آن مد نظر است. بدین منظور، چارچوب مطالعه ارزیابی چرخه زندگی حاضر متشکل از پنج مرحله تولید کشاورزی محصول زیتون در باغها، حملونقل زیتون به کارخانه های روغنکشی، روغنکشی زیتون، روغنکشی تفاله زیتون، و تولید بیودیزل در آزمایشگاه است. مراحل اول، دوم، و سوم این مطالعه در سال 90 در شهرستان رودبار استان گیلان (به عنوان یکی از قطبهای تولید زیتون در ایران) و مرحله چهارم و پنجم نیز در سال 91 در آزمایشگاه بیودیزل مرکز تحقیقات بیوانرژی و آزمایشگاههای انرژیهای تجدیدپذیر دانشگاه تربیت مدرس انجام گرفت.
واحد کاری (Functional Unit)
در مطالعات ارزیابی چرخه زندگی، واحد کاری توصیفکننده عملیات اصلی انجامشده توسط یک سیستم تولیدی (یا خدماتی) است که میزان درنظرگرفتهشدن این تابع در مطالعه ارزیابی چرخه زندگی توسط آن نشان داده میشود (Guinée, .2001) در این مطالعه واحد کاری بر مبنای بیودیزل تولیدی بهازای یک هکتار در نظر گرفته شده است.
سیاهه نویسی چرخه زندگی
داده های پیشزمینه (Foreground Data)
دادههای پیشزمینه دادههایی هستند که برای مدلکردن یک سامانه خاص لازم هستند. این دادهها بهطور معمول دادههایی هستند که سامانه تولید یک محصول خاص را توصیف میکنند. نحوه جمعآوری دادههای پیشزمینه در مراحل پنجگانه در بخش هدف و چارچوب مطالعه ذکر شده است.
داده های پس زمینه (Background Data)
دادههای پسزمینه دادههای مواد کلی، انرژی، حملونقل، و مانند اینها... هستند که معمولاً در پایگاه های داده و منابع یافت می شوند. در مطالعه حاضر، با توجه به نهادههای مصرفشده در هر کدام از مراحل چرخه زندگی و همچنین ستاندهها، داده های پسزمینه از منابع استخراج و طبق جدولهای 1 و 2 تنظیم شده است.
تخصیص
در این مطالعه برای اختصاصدادن جریان انرژی مصرفی به محصولات تولیدی از روشهای تخصیص جرم و تخصیص اقتصادی استفاده شده است.
مدل تخصیص استفاده شده در تحقیق حاضر براساس مطالعات دیگر در این زمینه و با توجه به مراحل چرخه زندگی تولید بیودیزل از روغن تفاله زیتون، بهصورت رابطه 1 در نظر گرفته شد (Sheehan et al., 1998;
.Pradhan et al., 2009)
که در آن: TECa کل انرژی مصرفی تخصیصیافته در طول چرخه زندگی تولید بیودیزل (مگاژول بهازای بیودیزل تولیدی در هکتار)، E1 کل انرژی مصرفی در مرحله تولید کشاورزی زیتون (مگاژول بهازای بیودیزل تولیدی در هکتار)، E2 کل انرژی مصرفی در مرحله حملونقل محصول به کارخانههای روغنکشی (مگاژول بهازای بیودیزل تولیدی در هکتار)، E3 کل انرژی مصرفی در مرحله روغنکشی زیتون (مگاژول بر هکتار محصول بیودیزل تولیدی)، f1 ضریب تخصیص جرمی/اقتصادی براساس جرم/ارزش تفاله تولیدی، E4 کل انرژی مصرفی در مرحله روغنکشی تفاله زیتون (مگاژول بهازای بیودیزل تولیدی در هکتار)، f2 ضریب تخصیص جرمی/اقتصادی براساس جرم/ارزش روغن تفاله تولیدی، E5 کل انرژی مصرفی مرحله تولید بیودیزل (مگاژول بهازای بیودیزل تولیدی در هکتار)، و f3 ضریب تخصیص جرمی/اقتصادی براساس جرم/ارزش بیودیزل تولیدی هستند.
روش تولید بیودیزل
در این تحقیق از روش ترانس استریفیکاسیون با کاتالیزور بازی بهدلیل مزایا و برتریهای آن به نسبت روشهای دیگر استفاده شد. همچنین برای انجام واکنش ترانس استریفیکاسیون بهجای فرایندهای مرسوم، از فرایند امواج فراصوت استفاده شده است. در این مطالعه از یک دستگاه منبع فراصوت مدلUP400S، ساخت شرکت هیلشیر (Hielscher) آلمان بهعنوان منبع تولیدکننده امواج فراصوت استفاده شد. این دستگاه دارای توان بیشینه 400 وات در فرکانس ثابت 24 کیلوهرتز است. همچنین این دستگاه دارای قابلیت تنظیم پالس ارتعاش میله (Cycle) (بین 20 تا 100درصد)، شدت دامنه ارتعاشی (Amplitude) ( بین 20 تا 100درصد)، و زمان انجام واکنش 3) تا 9 دقیقه برای این آزمایش) است. در شکل 1 سامانه تولید بیودیزل با استفاده از امواج فراصوت نشان داده شده است.
بهمنظور حداکثرسازی میزان تولید متیل استر اسیدهای چرب و حداقلسازی انرژی فراصوت مصرفی واکنش ترانس استریفیکاسیون، ماتریس آزمایشی طراحی شد که شامل محدوده های عملکرد متغیرهای پالس ارتعاش میله (بین 20 تا 100درصد)، شدت دامنه ارتعاشی ( بین 20 تا 100درصد) ، و زمان انجام واکنش 3) تا 9 دقیقه برای این آزمایش) است (با ثابت درنظرگرفتن مقادیر ثابت برای متغیرهای روغن به الکل، دمای انجام واکنش، و عمق قرارگیری پروب در مخلوط واکنش براساس مطالعه مشابه صورتگرفته بر روغن پسماند خوراکی است .(Fayyazi et al., 2014) پس از انجام آزمایش، بهترین تیمار برای تولید بیودیزل با روش فراصوت معرفی شد.
بحث و نتایج
جریان انرژی در مرحله تولید کشاورزی محصول زیتون در باغها
مقدار متوسط مصرف نهادهها در یک هکتار باغ زیتون در طول یک فصل زراعی و همچنین میزان محصول تولیدی در جدول 3 ارائه شده است. با توجه به جدول 3 مقدار کل انرژی مصرفی و ستانده در تولید زیتون در منطقه مطالعهشده به ترتیب 19081/76 مگاژول بر هکتار و 55471/8 مگاژول بر هکتار محاسبه شده است. گزمان و آلونسو (2008) میزان مصرف انرژی در باغهای زیتون متداول در کشور اسپانیا را به ترتیب 56350 مگاژول بر هکتار و 41370 مگاژول بر هکتار بیان کردند .(Guzmán and Alonso, 2008) همچنین انرژی ستانده در این مطالعه به ترتیب 137350 مگاژول بر هکتار و 123137 مگاژول بر هکتار بهدست آمده است. کالتساس و همکاران (2007) نیز مقدار کل انرژی مصرفی و ستانده در تولید زیتون در کشور یونان را به ترتیب برابر 69431 مگاژول بر هکتار و 174941 مگاژول بر هکتار بهدست آوردند (Kaltsas et al., .2007) علت اصلی بالاتربودن کل انرژی مصرفی برای محصول زیتون در مطالعات یادشده تراکم بیشتر درخت بهازای هر هکتار (حدود 1000 تا 1500درخت در هر هکتار در مطالعات یادشده) و استفاده بیشتر از انواع ماشینهای کشاورزی (بین 10 تا 12 هزار مگاژول و در حدود 18 تا 30درصد از کل انرژی مصرفی) بهدلیل شیب بسیار کم زمینهای مطالعهشده بوده است
در میان نهادههای مصرفشده، سهم کودهای شیمیایی (با 76/11درصد) از سایر نهادههای مصرفی بیشتر است. بهطور جزییتر بیشترین سهم از کل انرژی نهادهها را کود نیتروژن با سهم 67/05درصد بهخود اختصاص داده است و پس از آن کود پتاس با سهم 6/51 درصد و نیروی کارگری با 5/47درصد بیشترین سهم از کل انرژی مصرفی نهاده ها را بهخود اختصاص دادهاند.
جریان انرژی در مرحله حملونقل زیتون
مرحله حملونقل محصول زیتون به کارخانههای روغنکشی بهعنوان دومین مرحله در چرخه زندگی تولید بیودیزل از روغن تفاله زیتون در نظر گرفته شد. مقدار مصرف نهاده ها در این مرحله و انرژی مصرفی آنها در جدول 4 ذکر شده است. همانطور که جدول 4 نشان می دهد مقدار کل انرژی مصرفی در مرحله حملونقل زیتون 74/28 مگاژول بر هکتار است.
