ارزش اقتصادی بیوماس توسط درآمد حاصل از محصولات مختلف در بازار و هزینه های تولید (برای مثال هزینه های سرمایه و عملیات اجرایی) محصولات گوناگون تعیین می شود. در اکثر موارد محصولاتی که ارزش بازاری بسیار بالایی دارند، هزینه های تولید بالایی نیز دارند و بالعکس. علاوه بر این، اندازه بازار نیز در امکان پذیری اقتصادی طرح راه اندازی یک بیوپالایشگاه بسیار مهم است. در بیشتر موارد محصولات و فرآورده هایی که ارزش بازاری بالایی دارند بازار نسبتا کوچکی دارند (به عنوان مثال، مواد شیمیایی تخصصی) و بالعکس (برای مثال، سوخت های مایع مخصوص حمل و نقل).
بیوپالایشگاه صنعتی و بیوتکنولوژی سفید
جدول 1- گزینه های جایگزینی محصولات فسیلی (هزینه به ازای هر گیگاژول (GJ) محصول نهایی)
همانطور که در جدول 1 مشاهده می شود، هزینه جایگزینی خوراک فسیلی و خوراک بیوماس تفاوت قابل توجهی دارد. کمترین هزینه ها مربوط به سوخت های حرارتی است در حالیکه بیشترین تفاوت ارزش مربوط به جایگزینی سوخت لازم برای تولید مواد شیمیایی است.
زیرا حرارت اساسا از سوخت های فسیلی بسیار ارزان (زغال سنگ) تولید می شود، هزینه های مواد اولیه لازم برای تولید 1 گیگاژول حرارت تقریبا به 3 یورو (با فرض اینکه کارایی تبدیل 100 درصد باشد) می رسد. از سوی دیگر، هزینه های تبدیل خوراک بیوماس به حرارت از طریق ایجاد اشتعال در مقایسه با فرآیندهای بیوپالایشگاهی بسیار اندک است. هزینه های خوراک برای تولید برق تقریبا 6 یورو به ازای هر گیگاژول است؛ هزینه خوراک سوخت های فسیلی مخصوص حمل و نقل نیز تقریبا در حدود 8 یورو به ازای هر گیگاژول است. تولید 1 گیگاژول مواد شیمیایی نیازمند این است که به صورت متوسط هزینه 3 تا 4 گیگاژول تبدیل انرژی نیز در نظر گرفته شود (که معمولا از نفت یا گاز طبیعی استفاده می شود) که ممکن است باعث افزایش قابل توجه هزینه شود به خصوص وقتی که قیمت گاز طبیعی به قیمت نفت فسیلی ارتباط داده می شود. در نتیجه هزینه های خوراک تولید مواد شیمیایی 30 یورو به ازای هر گیگاژول است.[1]
مقایسه هزینه های سوخت های فسیلی و بیوماس حاکی از این است که بالاترین هزینه های سرمایه ای مربوط به تولید برق و فرآیندهای ترکیب مواد شیمیایی است. در تئوری، هزینه تولید برق از بیوماس را می توان با تبدیل مستقیم بیوماس به برق کاهش داد.
هزینه های سرمایه ای تولید مواد شیمیایی ترکیبی را نیز می توان از طریق تولید مستقیم (اکثر) ساختارهای مولکولی موردنیاز از بیوماس به طور قابل توجهی کاهش داد. در چنین مواردی ارزش اقتصادی خوراک های بیوماس به صورت ناخالص از ارزش کالری آن ( که فقط 3 یورو به ازای هر گیگاژول است) بیشتر خواهد شد. هزینه تولید آنها بسته به اجزای ترکیب شده را بتوان از شکل خالص تولید کرد تا 75 یورو به ازای هر گیگاژول می رسد.
با فرض اینکه بازدهی بیوماس 10 تا 20 تن از وزن مواد خشک به ازای هر هکتار در هر سال باشد و با این فرض که بیوماس فقط به منظور تولید ارزش کالری مورد استفاده قرار خواهد گرفت، حداکثر ارزش سالانه آن بالغ بر 900-450 یورو در سال خواهد بود، ارزشی که برای داشتن یک استاندارد زندگی قابل قبول برای کشاورزان اروپای شرقی بسیار اندک است. اما اگر بتوانیم بیوماس را به بخش هایی تفکیک کنیم که می توانند برای تولید مواد غذایی، خوراک، و محصولات بیوپایه (مانند مواد شیمیایی و مواد اولیه) یا بیوانرژی (مانند سوخت، برق و یا حرارت) به کار روند، همه چیز بسیار متفاوت خواهد بود. همانطور که در قسمت بالا می بینیم تقسیم کاربردهای بیوماس به بخش های مختلف می تواند منافع مالی قابل توجهی ایجاد کند که بسیار بیشتر از ارزش صرف کالری آنهاست.
اگر فرض کنیم که 20 درصد بیوماس برای تولید ترکیب های شیمیایی کافی است، و 40 درصد برای تولید بیوسوخت مورد نیاز است، و از بقیه می توان برای تولید برق و حرارت استفاده کرد، بازدهی 10 تا 20 تن بیوماس خشک به ازای هر هکتار حداکثر درآمدی که می تواند به صورت بالقوه تولید کند 4000-2000 یورو است که برای داشتن یک استاندارد قابل قبول زندگی برای کشاورزان کافی است.
طبقه بندی بیوپالایشگاه ها
در گذشته بیوپالایشگاه ها بر اساس تنوع مواد اولیه و تکنولوژی طبقه بندی می شدند. برخی از این بیوپالایشگاه ها عبارتند از:
· وضعیت بکارگیری فناوری: بیوپالایشگاه های سنتی و پیشرفته؛ بیوپالایشگاه های نسل اول، دوم و سوم.
· نوع مواد اولیه مورد استفاده: بیوپالایشگاه های محصول کامل (WCBRs)، بیوپالایشگاه های مواد شیمیایی حاصل از روغن ها و چربی های بیولوژیک، بیوپالایشگاه هایی که در آنها از خوراک لینگوسلولوزیک استفاده می شود، بیوپالایشگاه های سبز و بیوپالایشگاه های دریایی.
· نوع مواد واسطه اصلی تولید شده: بیوپالایشگاه هایی که از گاز مصنوعی استفاده می کنند، بیوپالایشگاه هایی که از شکر استفاده می کنند.
· نوع اصلی پروسه های تبدیل به کار گرفته شده: بیوپالایشگاه های ترموشیمیایی، بیوپالایشگاه های بیوشیمیایی، بیوپالایشگاه های دو سکو
مثال های مربوط به این بیوپالایشگاه ها را می توان در مقاله های سیستم های بیوپالایشگاهی و مفاهیم اساسی بیوپالایشگاه ها پیدا کرد.[2]
با این وجود فقدان یک سیستم شفاف طبقه بندی کاملا محسوس بود، تا اینکه در سال 2008 بند 42 قانون بیو انرژی IEA[3] یک سیستم طبقه بندی بسیار مناسب بیوپالایشگاه ها را طراحی کرد.[4] این سیستم بر اساس نمایش الگوی کامل زنجیره تبدیل بیوماس به محصول نهایی است. زمینه این سیستم طبقه بندی بیوپالایشگاه ها عوامل اصلی فعلی در توسعه بیوپالایشگاه ها هستند، یعنی تولید بهینه و کم هزینه بیوسوخت های مخصوص حمل و نقل، تا بدین ترتیب سهم بیوسوخت در بخش حمل و نقل افزایش یابد، در حالی که در تولید همزمان محصولات بیوپایه منافع اقتصادی و محیط زیستی دیگری نیز حاصل خواهد شد.
رویکرد این طبقه بندی بر اساس چهار ویژگی اصلی صورت می گیرد که بر اساس آنها سیستم های مختلف بیوپالایشگاه‌ها قابل تشخیص، طبقه بندی و تشریح هستند، به عنوان مثال، پلت فورم، محصولات (انرژی و مواد اولیه بیوپایه و مواد شیمیایی)، خوراک ها و فرآیندهای تبدیل (نمودار 1).
پلت فورم ها (به عنوان مثال شکرهای C5/C6، گازهای مصنوعی و بیوگاز) مواد واسطه ای هستند که می توانند سیستم های متفاوت بیوپالایشگاهی و فرآیندهای آنها را به هم مرتبط کنند. پلت فورم ها همچنین می توانند به عنوان محصول نهایی نیز مورد استفاده قرار گیرند. تعداد پلت فورم های درگیر در پروسه تولید یکی از معیارهای تعیین پیچیدگی سیستم است.
دو گروه محصولی بیوپالایشگاه انرژی (برای مثال بیواتانول، بیودیزل، بیوسوخت های مصنوعی) و فرآورده ها (برای مثال مواد شیمیایی، مواد اولیه، مواد غذایی و خوراک) هستند. دو گروه اصلی خوراک ها عبارتند از «محصولات انرژی زا» که از کشاورزی به دست می آیند (برای مثال محصولات نشاسته ای، جنگل های با چرخش های کوتاه) و «پسماندهای بیوماس» حاصل از فعالیت های کشاورزی، جنگلداری، تجارت و صنعت (برای مثال حصیر، پوست درخت، هیزم های باقیمانده در جنگل، روغت های پخت و پز استفاده شده، مسیل های ضایعات حاصل از فرآیند بیوماس).
همانطور که در نمودار 1 مشاهده می شود، در سیستم طبقه بندی بین چهار فرآیند تبدیل اصلی تمایز قائل شده است، که عبارتند از: محصولات بیوشیمیایی (برای مثال تخمیر، تبدیل آنزیمی) (مستطیل های قرمز)، مواد ترموشیمیایی (برای مثال تبدیل کردن به گاز، هیدرولیز) (مستطیل های زرد)، مواد شیمیایی (برای مثال اسید هیدرولیز، ترکیب، استریزه کردن) (مستطیل های آبی)، و فرآیندهای مکانیکی (برای مثال تجزیه کردن، پرس کردن، کاهش اندازه) (مستطیل های سفید). سیستم های بیوپالایشگاهی بر اساس تعداد پلت فورم های درگیر، محصولات، خوراک ها و –در صورت لزوم- فرآیندها- طبقه بندی می شوند. برخی از مثال های مربوط به این طبقه بندی در ادامه می آید.
· بیوپالایشگاه نفتی با استفاده از محصولاتی که دارای دانه های روغنی هستند، گلیسیرین و خوراک (نمودار 2)
· بیوپالایشگاه با پلت فورم شکر C6 برای تولید بیواتانول و خوراک غذای حیوانات از محصولات نشاسته ای
نمودار 1- شبکه ای که سیستم طبقه بندی بیوپالایشگاه بر اساس آن طراحی شده است
[1] Sanders J, Scott E, Weusthuis R, Mooibroek H. Bio-refinery as the bio-inspired process to bulk chemicals.
Macromol Biosci 2007;7:105–17. and de Jong E, van Ree R, Sanders JPM, Langeveld H. Biorefineries: giving value to sustainable biomass use.In: Langeveld H, Meeusen M, Sanders J, editors. The biobased economy: biofuels, materials and chemicals inthe post-oil era. London: Earthscan Publishers; 2010. (Chapter 7) p. 111–30.
[2] Kamm B, Kamm M. Biorefinery – systems. Chem Biochem Eng Q 2004;18(1):1–6 and Kamm B, Kamm M. Principles of biorefineries. Appl Microbiol Biotechnol 2004;64:137–45.
[4] Cherubini F, Jungmeier G, Wellisch M, Willke T, Skiadas I, van Ree R, et al. Toward a common classification approach for biorefinery systems. Biofuels Bioprod Bioref 2009;3(5):534–46, Cherubini F. Life cycle assessment of biorefinery systems based on lignocellulosic raw materials – concept development,
classification and environmental evaluation (PhD thesis). Austria: University of Technology at Graz;
2009 and Jungmeier G, Cherubini F, Dohy M, de Jong E, Jørgensen H, Mandl M, et al. Definition and classification of biorefinery systems? The approach in IEA Bioenergy Task 42 biorefineries. In: Presentation held at the biorefinery course adding value to the sustainable utilisation of biomass. Ghent, Belgium. June 12, 2009.