انتشار گازهای گلخانه‌ای از چاه تا چرخ‌های کامیون‌های حمل زباله با سوخت بیومتان فشرده

گذار به سوخت‌های زیستی، به‌ویژه بیومتان حاصل از زیست‌توده زباله، گامی مثبت در جهت کربن‌زدایی حمل‌ونقل تلقی می‌شود. مزایای زیست‌محیطی با جذب و استفاده یا جداسازی CO2 خروجی از ارتقاء بیوگاز و با توسعه سیستم‌های به‌هم‌پیوسته جمع‌آوری زباله، تولید بیومتان، فشارسنجی و سوخت‌گیری مجدد وسایل نقلیه افزایش می‌یابد. این تحلیل از چاه تا چرخ، بر کامیون‌های زباله تمرکز دارد تا سناریوهای مختلف تولید و مدیریت را با استراتژی‌های مختلف جذب کربن ارزیابی کند و بهترین ترکیب مواد اولیه و فناوری را شناسایی کند. استفاده از مواد اولیه متنوع برای هضم بی‌هوازی و پراکندگی جغرافیایی کارخانه‌های بیوگاز در ایتالیا، همراه با پتانسیل بالای تولید آن، مبنای محکمی برای تجزیه و تحلیل فراهم می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای برای بیومتان فشرده از 55٪ تا 75٪ در مقایسه با گاز طبیعی فشرده متغیر است، که به‌طور بالقوه با مواد اولیه خاص و فناوری‌های جذب کربن بیشتر است، که می‌تواند به‌طور کامل اثرات تغییرات اقلیمی ناشی از هضم بی‌هوازی و ارتقاء بیوگاز را خنثی کند.

مقدمه

هدف اتحادیه اروپا برای ایجاد یک اقتصاد چرخشی رقابتی و پایدار تا سال ۲۰۵۰، نیازمند تعدیل ساختاری در زیرساخت‌های انرژی است. دستیابی به کاهش ۵۵ درصدی گازهای گلخانه‌ای (GHG) تا سال ۲۰۳۰، اولین مرحله به سوی گذار به انتشار خالص صفر است (کمیسیون اروپا، ۲۰۱۹). با توجه به اینکه ۱۴ درصد از انتشار CO2 جهان از بخش حمل و نقل ناشی می‌شود (Pääkkönen و همکاران، ۲۰۱۹)، تغییرات عمده‌ای در این حوزه پیش‌بینی می‌شود. هدف سهم ۱۴ درصدی انرژی‌های تجدیدپذیر در حمل و نقل تا سال ۲۰۳۰ توسط دستورالعمل اصلاح‌شده (EU) 2023/1640 در مورد ترویج استفاده از انرژی از منابع تجدیدپذیر، که شامل حداقل سهم ۳.۵ درصدی از سوخت‌های زیستی پیشرفته است، تأیید شده است. برای دستیابی به این اهداف، افزایش استفاده از سوخت‌های زیستی ضروری است.

کربن‌زدایی از گاز طبیعی (متان) و انتشار صفر کربن برای حفظ بازار گاز در چارچوب ابتکارات کم کربن ضروری است. بیوگاز، بیومتان، گاز طبیعی مصنوعی و هیدروژن تولید شده از منبع انرژی تجدیدپذیر، نمونه‌هایی از گزینه‌های گاز کربن‌زدایی شده هستند (پاویچیچ و همکاران، 2022). در این تغییر، بیوگاز و بیومتان – یک شکل تصفیه‌شده از بیوگاز – نقش عمده‌ای ایفا می‌کنند و تصور می‌شود که جزء اساسی اقتصاد چرخشی هستند. در واقع، بیوگاز نسبت به سایر منابع انرژی تجدیدپذیر قابل پیش‌بینی‌تر است و بیومتان از نظر شیمیایی شبیه گاز طبیعی (NG) است و به راحتی می‌تواند جایگزین آن شود. علاوه بر این، از آنجایی که بیوگاز و بیومتان از زباله‌های موجود تولید می‌شوند و می‌توانند به مدیریت مواد آلی در کشاورزی و زباله‌های شهری کمک کنند، می‌توانند به دلیل منشأ آنها، منابع انرژی سبز در نظر گرفته شوند.

تجارت بیوگاز در ده سال گذشته 90 درصد رشد داشته است و اروپا بیش از 70 درصد از تولید بیوگاز جهانی را به خود اختصاص داده است. انتظار می‌رود تا سال 2030، این مقدار دو برابر شود و تا 40 درصد از کل گاز مصرفی در اروپا را تولید کند (Pavičić و همکاران، 2022). تولیدکنندگان برتر بیوگاز در اروپا، آلمان، انگلستان، فرانسه و ایتالیا هستند. کود، همراه با بقایای گیاهی و کشاورزی، از جمله مواد اولیه اصلی مورد استفاده توسط بخش بزرگی از کارخانه‌های هضم بی‌هوازی (AD) نصب شده در اتحادیه اروپا (28 درصد) هستند. محصولات کشاورزی انرژی‌زا 25 درصد از مواد اولیه را تشکیل می‌دهند، در حالی که 14 درصد، 12 درصد و 14 درصد به ترتیب از لجن فاضلاب، زباله و زباله‌های زیستی و شهری حاصل می‌شوند. با توجه به تلاش برای جایگزینی سوخت‌های زیستی مبتنی بر محصولات کشاورزی با سوخت‌های زیستی مبتنی بر زباله (Pavičić و همکاران، 2022)، زباله‌های شهری و زیستی منبعی بسیار در دسترس با پتانسیل قابل توجه برای استفاده هستند. با استفاده از روش AD، بخش آلی زباله‌های جامد شهری (OFMSW) به طور خاص می‌تواند منبع پایداری برای تولید انرژی تجدیدپذیر باشد. این روش تصفیه با کاهش تولید زباله و به حداکثر رساندن بازیابی و بازیافت انرژی و مواد، نیاز به دفن زباله را به حداقل می‌رساند. با بستن حلقه مواد و انرژی، کل فرآیند به ایجاد یک مدل اقتصاد چرخشی کمک می‌کند (Cucchiella و همکاران، 2019). علاوه بر این، با هدف اتحادیه اروپا برای بازیافت 65 درصد از کل زباله‌های شهری و کاهش میزان زباله‌هایی که در دفن زباله‌ها ریخته می‌شوند به 10 درصد مطابقت دارد (Cucchiella و همکاران، 2019). استفاده از بیومتان به جای سوخت‌های فسیلی می‌تواند تا 80 درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهد (Madhusudhanan و همکاران، 2020، Sulewski و همکاران، 2023، Tratzi و همکاران، 2022) و حتی در سناریوهای تولید با بالاترین سطح انتشار CH4، استفاده از بیومتان هنوز هم نسبت به استفاده از NG ارجحیت دارد.

در حال حاضر، بیش از 60 درصد از بیوگاز برای تولید برق استفاده می‌شود و اگرچه تصور می‌شود که منبع ارزشمندی برای اصلاح ترکیب انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای است، بیوگاز هنگامی که به بیومتان خالص‌سازی می‌شود، کاربرد گسترده‌ای در حمل و نقل نیز پیدا می‌کند. بیومتان فشرده (CBM) و بیومتان مایع (LBM) دو شکل از بیومتان هستند که به عنوان سوخت استفاده می‌شوند و به تدریج، اما هنوز هم به طور جزئی، جای گاز طبیعی فشرده (CNG) و مایع (LNG) را می‌گیرند (Rogala و همکاران، 2023). پیش‌بینی می‌شود تا سال 2050، برق جایگزین تعداد قابل توجهی از وسایل نقلیه سوخت فسیلی در کاربردهای مسافربری و متوسط شود. با این حال، سوخت‌های قابل حمل با چگالی انرژی بالا همچنان برای حمل و نقل سنگین، مانند حمل و نقل هوایی و کشتیرانی، ضروری خواهند بود. علاوه بر این، با توجه به شرایط فعلی اروپا، بیومتان می‌تواند یک گزینه سوختی بسیار مناسب باشد. گاز طبیعی (NG) در حال حاضر در سیستم‌های موجود استفاده می‌شود و وسایل نقلیه سنگین گازسوز مناسبی به صورت تجاری در دسترس هستند، برخلاف هیدروژن که استفاده از آن به دلیل هزینه، در دسترس بودن وسیله نقلیه و نقص در زیرساخت‌های حمل و نقل و ذخیره‌سازی محدود است. انتظار می‌رود تا سال 2030، تعداد کامیون‌های سوخت متان فشرده، با روند فعلی، از 9000 به 480000 افزایش یابد و 25٪ از بازار حمل و نقل را پوشش دهد، در حالی که 10٪ دیگر همچنان توسط وسایل نقلیه LNG به حساب می‌آید (Pääkkönen و همکاران، 2019). از آنجایی که NG و بیومتان در حالت مایع خود چگالی انرژی بسیار بیشتری نسبت به حالت فشرده خود دارند، وسایل نقلیه سنگین بیشتر از آنها به این شکل استفاده می‌کنند (Arteconi و همکاران، 2010). با این حال، مایع‌سازی انرژی بیشتری مصرف می‌کند، بنابراین بیومتان فشرده ممکن است هنگام توزیع در فواصل نسبتاً کوتاه (کمتر از 100 کیلومتر) تأثیر کلی کمتری بر تغییرات اقلیمی داشته باشد.

یک نمونه خاص از حمل و نقل سنگین، ناوگان کامیون‌های زباله است که معمولاً روزانه و در بیشتر ساعات در شهرها در حال کار هستند. محدوده شرایط کاری موتورهای سنگین توسط کامیون‌های جمع‌آوری زباله به حداکثر می‌رسد. سرعت متوسط پایین، توقف‌های مکرر و عملکرد اضافی فشرده‌سازی زباله در داخل خودرو، مصرف سوخت آنها را مشخص می‌کند. به دلیل این ویژگی‌ها، آنها به طور قابل توجهی در انتشار آلاینده‌ها در مناطق شهری نقش دارند (فرزانه و همکاران، ۲۰۰۹) و از نقطه نظر کاهش انتشار، شرایط چالش برانگیزی را ایجاد می‌کنند (فونتاراس و همکاران، ۲۰۱۲). کامیون‌های زباله که معمولاً با دیزل کار می‌کنند، گازهای گلخانه‌ای (GHG)، ذرات معلق (PM)، اکسیدهای نیتروژن (NOx) و سایر آلاینده‌های گازی و همچنین مواد بالقوه مضر را آزاد می‌کنند. در سال‌های اخیر، علاقه به سوخت‌های جایگزین و سبزتر برای کامیون‌های حمل زباله افزایش یافته است و گاز طبیعی به عنوان گزینه اصلی جایگزینی در نظر گرفته می‌شود. اکثر تحقیقات انجام شده در مقایسه انتشار گازهای گلخانه‌ای کامیون‌های گاز طبیعی و دیزل به این نتیجه رسیده‌اند که اولی به طور قابل توجهی CO2 (لی و همکاران، ۲۰۱۱)، PM و NOx کمتری نسبت به دومی (فونتاراس و همکاران، ۲۰۱۲) منتشر می‌کند. اگرچه هنوز در مورد سایر آلاینده‌ها عدم قطعیت وجود دارد، اما این روش پتانسیل بهبود قابل توجهی دارد (فونتاراس و همکاران، ۲۰۱۲، لی و همکاران، ۲۰۱۱). مزایای دیگر جایگزینی گاز طبیعی به جای دیزل، انگیزه‌های مالی، رعایت استانداردهای جدید کیفیت هوا و احساسات عمومی مطلوب است (فرزانه و همکاران، ۲۰۰۹). با این حال، با یک قدم فراتر رفتن و جایگزینی گاز طبیعی با بیومتان، مزایای آن از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی ممکن است تقویت شود. تا به امروز، هیچ مطالعه‌ای مزایای احتمالی استفاده از بیومتان به عنوان سوخت کامیون‌های حمل زباله را نشان نمی‌دهد و تحقیقات بیشتر ممکن است دری را به سوی انتخاب جایگزین‌های سوخت سبزتر باز کند.

استفاده از بیومتان برای حمل و نقل باید با سایر کاربردهای بالقوه رقابت کند، در واقع، بیومتان را می‌توان مستقیماً به شبکه گاز تزریق کرد، اما اکثر تولیدکنندگان اتصال مستقیمی به شبکه گاز ندارند و این فرآیند منجر به افزایش هزینه‌های تولید می‌شود (Pääkkönen و همکاران، 2019، Sulewski و همکاران، 2023). بنابراین، استفاده از بیومتان به عنوان سوخت به دلایل زیست‌محیطی و اقتصادی مزایایی دارد. (Madhusudhanan و همکاران، 2020) مدل‌های مصرف سوخت را برای کامیون‌های تغذیه شده با گاز فشرده و وسایل نقلیه تغذیه شده با دیزل با استفاده از داده‌های ضمن خدمت بررسی کردند. یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که اگرچه یک کامیون گازسوز حدود 18 درصد انرژی بیشتری نسبت به یک کامیون دیزلی مصرف می‌کند، اما هنگام کار با گاز طبیعی 12.3 درصد و هنگام کار با بیومتان 78.2 درصد کمتر انتشار کربن معادل تولید می‌کند. علاوه بر این، تخمین زده شد که هزینه سوخت کامیون گاز فشرده هنگام سوخت‌گیری با بیومتان 28.9 درصد کمتر از دیزل است. از سوی دیگر، استفاده از بیوگاز و بیومتان برای تولید برق و گرما در حال حاضر مقرون به صرفه‌تر است و برای ساخت یک سیستم زیرساختی مناسب برای سیستم حمل و نقل، مشوق‌های بیشتری مورد نیاز خواهد بود. در یک مطالعه موردی در ایتالیا، (Patrizio و همکاران، ۲۰۱۵) نشان داد که توزیع گیاهان هضم بی‌هوازی و ارتقا چقدر می‌تواند ناهمگن باشد، به طوری که غلظت بالایی از گیاهان در مناطقی با پتانسیل بالاتر برای تولید بیوگاز، به ویژه از بسترهای مبتنی بر کود، وجود دارد. این امر مستلزم اجرای بیشتر در سطح ملی است. در سطح اروپا، کشورهای عضو تنوع زیادی در استفاده از سوخت‌های زیستی نشان می‌دهند (Pavičić و همکاران، ۲۰۲۲). در مورد بیومتان، سوئد در خط مقدم قرار دارد و نیمی از تولید بیوگاز خود را برای حمل و نقل، عمدتاً برای اتوبوس‌ها و تاکسی‌ها، استفاده می‌کند، در حالی که استفاده از آن در حمل و نقل سنگین هنوز به طور گسترده پذیرفته نشده است.

تحلیل چاه تا چرخ (WTW) برای این بررسی انتخاب شد. هدف WTW محاسبه بهره‌وری انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای سوخت‌های مختلف خودرو و ترکیبات سیستم انتقال قدرت است. WTW با ارزیابی چرخه حیات (LCA) متفاوت است، زیرا انرژی و آلودگی مربوط به مسائل مربوط به پایان عمر یا مربوط به ساخت و نگهداری کارخانه‌ها، وسایل نقلیه یا زیرساخت‌ها را در نظر نمی‌گیرد و توسط یک استاندارد بین‌المللی تنظیم نشده است. فرض اساسی تحلیل WTW این است که فرآیندهای چاه تا مخزن (WTT) و مخزن تا چرخ (TTW) اکثر هزینه‌های انرژی خودرو و انتشار گازهای گلخانه‌ای را تشکیل می‌دهند. اگرچه نتایج WTW باید با توجه به تحلیل‌های دقیق‌تری که شامل قیمت تولید سوخت، حجم ناخالص تولید و امکان‌سنجی است، تفسیر شود، اما این نوع بررسی می‌تواند به شناسایی امیدوارکننده‌ترین مسیرهای کربن‌زدایی کمک کند.

با توجه به پتانسیل بیومتان برای کربن‌زدایی بخش حمل و نقل، مطالعات دانشگاهی متعددی منتشر شده است که مزایای احتمالی این سوخت زیستی را در صنعت لجستیک اروپا بررسی می‌کنند. با این حال، بیومتان به شکل مایع اغلب موضوع بسیاری از مطالعات موجود در حال حاضر است. تمرکز حاشیه‌ای بر مقایسه بیومتان مایع و فشرده (Alamia و همکاران، ۲۰۱۶) یا بیومتان فشرده و سایر سوخت‌ها در مسافت‌های کوتاه وجود دارد (Gustafsson و همکاران، ۲۰۲۱). علاوه بر این، در حال حاضر هیچ مطالعه‌ای بر استفاده از بیومتان به عنوان سوخت برای کامیون‌های زباله تمرکز ندارد. در نتیجه، ضروری است که در مورد کاربرد آینده‌نگر بیومتان فشرده در وسایل نقلیه سنگین، به ویژه در حوزه حمل و نقل مسافت‌های طولانی و مدیریت زباله در مناطق شهری، بحث‌های بیشتری انجام شود. این تحقیق، انتشار گازهای گلخانه‌ای از کامیون‌های سنگین دیزلی، CNG یا CBM را که عمدتاً از زباله‌های جامد شهری (MSW) به دست می‌آیند، مقایسه می‌کند، اما تغییرات در انتشار گازهای گلخانه‌ای از سایر مواد اولیه را نیز بررسی می‌کند. ایتالیا به عنوان مطالعه موردی استفاده می‌شود، زیرا با وجود اینکه این کشور جزو تولیدکنندگان اصلی بیوگاز در اروپا است (به ترتیب 12٪ و 27٪ بیوگاز اروپا از MSW و محل دفن زباله) و روند تولید رو به رشدی دارد (Prussi و همکاران، 2019)، منابع بسیار محدودی در مورد انتشار گازهای گلخانه‌ای بخش بیوگاز ایتالیا موجود است. این مطالعه بر سناریوهای مختلف تمرکز دارد و هدف آن شناسایی مزایای بالقوه زیست‌محیطی به عنوان چالش‌های مرتبط با ادغام بیومتان فشرده به عنوان یک جایگزین سوخت مناسب برای وسایل نقلیه سنگین، در ترکیب با چندین استراتژی جذب و استفاده یا ترسیب کربن است.(منبع).