تحلیل خوشه‌ای و آمار توصیفی ضایعات لیگنوسلولزی در بخش کشاورزی برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر (مطالعه مورد استان گلستان)

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه جنگلداری، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی، گرگان، ایران.

2 دانشیار ، گروه جنگلداری، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی، گرگان، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: استفاده از ضایعات لیگنوسلولزی و زیست‌توده برجای مانده بعد از برداشت محصول نهایی در بخش کشاورزی، می‌تواند به عنوان یک منبع با ارزش برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر محسوب شود، اگرچه به دلیل پراکنده بودن در واحد سطح و بالا بودن هزینه جمع-آوری آن را به یک کار پرچالش تبدیل نموده است. در حال حاضر، استفاده از قابلیت‌های مدلسازی مکانی برای ارزیابی پایدار پتانسیل ضایعات لیگنوسلولزی در بخش کشاورزی برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر محدود می‌باشد. ضمن اینکه چنین مطالعاتی در داخل کشور تاکنون گزارش نشده است. لذا تحقیق حاضر با هدف ارزیابی پتانسیل تولید انرژی‌های تجدیدپذیر و مکان‌یابی محل تاسیسات بایوانرژی برای پردازش بقایای لیگنوسلولزی با استفاده از تحلیل خوشه‌ای در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی می‌پردازد.
مواد و روش‌ها: به منظور دستیابی به اهداف، ابتدا اطلاعات توصیفی-کمی منتشر شده از سطح و میزان تولیدات بخش کشاورزی توسط سازمان جهاد کشاورزی مربوط به سال زراعی 400-1399 جمع‌آوری و تحلیل شد. سپس با گردآوری اطلاعات مکانی (تصاویرماهواره‌ای) مربوط به مزارع کشاورزی در استان گلستان و استفاده از قابلیت‌ تحلیل خوشه‌‌ای و تولید نقشه داغ در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی پردازش گردید. میزان زیست‌توده موجود در هریک از مزارع برای چهار کشت مرسوم گندم، کلزا، برنج و سویا در واحد سطح برآورد شد و نقشه سازی مربوط به هریک از این کشت‌ها برای مطالعه موردی استان گلستان به تفکیک انجام شد.
نتایج: مجموع مساحت اراضی قابل کشت در سال زراعی 400-1399 معادل 9/12 میلیون هکتار بوده که 8/91 میلیون تن انواع محصولات زراعی در کل کشور برداشت شده است. بیشترین سطح مربوط به غلات (71%) و کمترین سطح مربوط به محصولات جالیزی بوده است. استان گلستان در رتبه 7 و سطحی معادل 661 هزار هکتار و میزان تولید 9/3 میلیون هکتار معادل 27/4 درصد از مجموع محصولات زراعی کل کشور را به خود اختصاص داده است. این در حالی است که بیشترین تناژ گروه محصولات غلات مربوط به گندم 63% و کمترین آن مربوط به ذرت دانه‌ای بوده است. بیشترین سطح و میزان تولید گروه محصولات غلات مربوط به شهرستان شهرستان گنبدکاووس و بندرگز به ترتیب بوده است. تجزیه و تحلیل‌های مکانی میزان زیست‌توده خالص را 840 هزار مگاگرم از مجموع 84104 مزرعه شناسایی شده برآورد نمود که بیشترین سهم آن مربوط به کاه و کلش گندم بوده است. تحلیل خوشه‌ای مربوط به مزارع شناسایی شده نشان داد که از مجموع 35508 خوشه تشکیل شده، 15% آنها در محدوده خوشه سرد و 18% در محدوده خوشه داغ قرار دارند. تحلیل نقاط داغ، 4 سایت مناسب جهت احداث بایوانرژی را در منطقه مورد مطالعه مشخص نمود که زیست توده موجود می‌تواند با متوسط قیمت 83/20 دلار/کیلومتر/مگاگرم به این سایت‌های بالقوه تحویل داده شود.
نتیجه‌گیری: مطالعه حاضر نشان داد که میزان زیست‌توده موجود در بخش کشاورزی استان گلستان که هرسال بخش عظیمی از آن سوزانده و منجر به تولید گازهای گلخانه‌ای و آلودگی‌های محیطی در سطح وسیع می‌نماید قابل توجه است که می‌تواند برای تولید انرژی‌های تجدید پذیر با حمایت بخش دولتی و بخش خصوصی بکار گرفته شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Cluster analysis and descriptive statistics of lignocellulosic crop residue in agriculture sector for the production of renewable energy (case study of Golestān province)

نویسندگان [English]

  • Sattar Ezzati 1
  • Jahangir Mohammadi 2
1 Assistant Professor, Department of Forestry, Faculty of Forest Sciences, University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
2 Associate Professor, Department of Forestry, Faculty of Forest Sciences, University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
چکیده [English]

Background and purpose: The utilization of lignocellulosic crop residues, which remain after the final product in the agricultural sector, can be considered as a valuable resource for generating renewable energy. However, due to their dispersed distribution and the high cost associated with their collection, this task poses significant challenges. Currently, the application of spatial modeling to assess the sustainable potential of lignocellulosic residue biomass for renewable energy production in the agricultural sector is limited. Moreover, no such studies have been reported in the country to date. Therefore, the objective of this study is to assess the renewable energy production potential and identify suitable locations for bioenergy facilities that process lignocellulosic residues using cluster analysis within a geographic information system (GIS) environment.
Materials and methods: To accomplish the objectives, descriptive-quantitative data regarding the production level and production area in the agricultural sector for the crop year 2020-21, as published by the Ministry of Agriculture, were collected and analyzed. Furthermore, spatial information pertaining to agricultural farms in Golestān province was gathered through satellite imagery, which was subsequently processed using cluster analysis and hotspot analysis within a geographic information system (GIS) framework. The biomass quantity in each field was estimated for four conventional crops: wheat, rapeseed, rice, and soybean, on a per-unit area basis. Subsequently, separate projection was conducted for each of these crops within the case study of Golestān province.
Results: In the crop year of 2020-21, the total arable land area amounted to 12.9 million hectares, with a nationwide crop harvest of 91.8 million tons. Cereals accounted for the highest proportion (71%), while grain products had the lowest share. Golestān province, ranked 7th, possessed an agricultural area of 661 thousand hectares, contributing 4.27% of the country's total crop production, which amounted to 3.9 million hectares. Among the cereal production group, wheat had the highest production level at 63%, while grain corn had the lowest. Notably, Gonbad-e-Kavoos and Bandargaz counties exhibited the highest production levels and the largest areas for the cereal production group. Through the spatial analysis, the estimated amount of harvestable residue biomass was 840,000 Mg, derived from a total of 84,104 identified farms, with the largest proportion being wheat straw. The cluster analysis of the identified farms revealed that out of a total of 35,508 clusters, 15% belonged to the cold cluster category, while 18% fell into the hot cluster category. Furthermore, hotspot analysis identified four suitable sites for bioenergy sites within the study area. The available biomass can be transported to these potential sites at an average cost of $20.83 per kilometer per megagram.
Conclusion: The findings of this study highlight there is substantial biomass quantity within the agricultural sector of Golestān province, a significant portion of which is currently burned annually, resulting in the generation of large amounts of greenhouse gases and widespread environmental pollution. However, this biomass resource holds significant potential for the production of renewable energy if effectively harnessed with support from both the public and private sectors.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biomass؛ Bioenergy؛ Crop residues؛ Transportation؛
  • Remote sensing
1.Hosseini, S. E., Andwari, A. M., Wahid, M. A., & Bagheri, G. (2013). A review on green energy potentials in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 27, 533-545.
2.Kassam, A. (2010). Bioenergy development: issues and impacts for poverty and natural resource management.
By E. Cushion, A. Whiteman and G. Dieterle. Washington DC: World Bank, 46 (4), 563-563.
3.Zambelli, P., Lora, C., Spinelli, R., Tattoni, C., Vitti, A., Zatelli, P., & Ciolli, M. (2012). A GIS decision support system for regional forest management to assess biomass availability for renewable energy production. Environmental Modelling & Software. 38, 203-213.
4.Akhtari, S., Sowlati, T., & Day, K. (2014). Optimal flow of regional forest biomass to a district heating system. International J. of Energy Research. 38 (7), 954-964.
5.Taghizadeh-Alisaraei, A., Assar, H. A., Ghobadian, B., & Motevali, A. (2017). Potential of biofuel production from pistachio waste in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 72, 510-522.
6.Guilhermino, A., Lourinho, G., Brito, P., & Almeida, N. (2018). Assessment of the use of forest biomass residues
for bioenergy in Alto Alentejo, Portugal: logistics, economic and financial perspectives. Waste and biomass valorization, 9 (5), 739-753.
7.Sahoo, K., Mani, S., Das, L., & Bettinger, P. (2018). GIS-based assessment of sustainable crop residues for optimal siting of biogas plants. Biomass and Bioenergy. 110, 63-74.
8.Marufuzzaman, M., Li, X., Yu, F., & Zhou, F. (2016). Supply chain design and management for syngas production. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 4 (3), 890-900.
9.Najafi, G., Ghobadian, B., Tavakoli, T., & Yusaf, T. (2009). Potential of bioethanol production from agricultural wastes in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 13 (6), 1418-1427.
10.Rahmani, M. (2006). The role of industries to reduce waste and promote export of horticultural crops. J. Ravand. 49, 201-230. [In Persian]
11.Taghizadeh-Alisaraei, A., Motevali, A., & Ghobadian, B. (2019). Ethanol production from date wastes: Adapted technologies, challenges, and global potential. Renewable Energy. 143, 1094-1110.
12.Ahmadi, S. A., Mirlohi, S. M., Ahmadi, M. H., & Ameri, M. (2021). Portfolio optimization of power plants by using renewable energy in Iran. International J. of Low-Carbon Technologies. 16 (2), 463-475.
13.Ardebili, M. S., Ghobadian, B., Najafi, G., & Chegeni, A. (2011). Biodiesel production potential from edible oil seeds in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 15 (6), 3041-3044.
14.Nickpour, M., Khalili, M., Pazouki, M., Khalili, M., & Pazouki, M. R. (2014). Iran’s Potential to Convert Biomass into Biofuel. In CHEMTECH conference 2014.
15.Azadbakht, M., Safieddin Ardebili, S.M., & Rahmani, M. (2021). Potential for the production of biofuels from agricultural waste, livestock, and slaughterhouse waste in Golestan province, Iran. Biomass Conversion and Biorefinery. 13, 3123-3133.
16.Htoo, T., Yabar, H., & Mizunoya, T. (2022). GIS-based cluster and suitability analysis of crop residues: A case
study in Yangon region, Myanmar. Application Science. 12, 11822.
17.Ezzati, S., & Mohammadi, J. (2023). Potential of lignocellulosic resources for bioenergy production: strategic decision-making analysis model at the regional level. Iran National Science Foundation. 130p. [In Persian]
18.Moran, P. A. P. (1950). Notes on continuous stochastic phenomena, Biometrika. 37, 17-23.
19.Van Holsbeeck, S., & Srivastava, S. K. (2020). Feasibility of locating biomass-to-bioenergy conversion facilities using spatial information technologies: A case study on forest biomass in Queensland, Australia. Biomass and Bioenergy.
139, 105620.
20.Van Holsbeeck, S., & Srivastava, S. K. (2020). Feasibility of locating biomass-to-bioenergy conversion facilities using spatial information technologies: A case study on forest biomass in Queensland, Australia. Biomass and Bioenergy. 139, 105620.  
21.Zhang, H., Chen, H., & Zhou, G. (2012). The model of wheat yield forecast based MODIS-NDVI (A case study of Xinxiang). XXII ISPRS Congress. 25 September. Melbourne. Australia.
22.Ayamga, E. A., Kemausuor, F., & Addo, A. (2015). Technical analysis of crop residue biomass energy in an agricultural region of Ghana. Resources, Conservation and Recycling. 96, 51-60.
23.Sigourodi, M. J., Shabani Kia, A., & Boghlan Dashti, B. (2019). Potential of energy production from agricultural wastes in Iran. Iran's first bioenergy conference, Tehran, 21 September, Fajar Petrochemical Company, Tehran. [In Persian]
24.Bot, B. V., Tamba, J. G., & Sosso, O. T. (2022). Assessment of biomass briquette energy potential from agricultural residues in Cameroon. Biomass Conversion and Biorefinery. Pp: 1-13.