یکی از مهم‌ترین این روش‌ها، تبدیل زباله به انرژی است. در این فرآیند، پسماندهای جامد شهری و برخی ضایعات صنعتی، از طریق شیوه‌هایی همچون سوزاندن کنترل‌شده، گازسازی، هضم بی‌هوازی یا سایر تکنیک‌ها، به برق، گرما و سوخت تبدیل شده و سپس به شبکه‌های منطقه‌ای توزیع انرژی متصل می‌شوند.
رویکرد دیگر شامل بازیابی گرمای اتلافی از فرآیندهای صنعتی، نیروگاه‌ها، مراکز داده و سیستم‌های فاضلاب است. این گرمای بازیافتی می‌تواند برای گرمایش ساختمان‌ها، تأمین آب گرم مصرفی و رفع نیازهای حرارتی صنایع گوناگون مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، هضم بی‌هوازی پسماندهای آلی شهری مانند ضایعات غذایی، لجن فاضلاب و بقایای کشاورزی در مناطق حومه شهر، منجر به تولید بیوگاز می‌شود که قابلیت استفاده در تولید برق، گرمایش یا سوخت وسایل نقلیه را دارد.
بخش حیاتی دیگری از بازیافت انرژی، به جمع‌آوری گاز متان از محل‌های دفن زباله مربوط می‌شود. با جمع‌آوری و سوزاندن کنترل‌شده این گاز در موتورها یا توربین‌ها، هم از انتشار مستقیم متان در جو جلوگیری می‌شود و هم انرژی مفید تولید می‌گردد. پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری‌هایی نظیر گازسازی و پیرولیز برای افزایش بازده تبدیل، بهبود سیستم‌های تصفیه هوا و کنترل آلودگی، و نیز استفاده از سامانه‌های دیجیتال برای بهینه‌سازی شبکه‌های انرژی، به توسعه این راهکارها در مقیاس شهری کمک شایانی کرده است.
### فواید و موانع بازیافت انرژی در شهرها
اجرای موفقیت‌آمیز سیستم‌های بازیافت انرژی می‌تواند مزایای بی‌شماری برای شهرها به ارمغان آورد. از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به کاهش حجم دفن زباله و مشکلات ناشی از آن مانند انتشار متان، آلودگی آب‌های زیرزمینی و اشغال اراضی ارزشمند اشاره کرد. این سیستم‌ها توانایی تأمین بخشی از انرژی حرارتی و الکتریکی شهر را به‌صورت محلی و تا حدی قابل کنترل فراهم می‌کنند که به نوبه خود، امنیت انرژی و تاب‌آوری شهری در برابر بحران‌های خارجی را افزایش می‌دهد، به‌ویژه در شهرهای سردسیر که نیاز به گرمایش در فصل زمستان بالا است.
علاوه بر این، هنگامی که انرژی حاصل از زباله یا گرمای بازیافتی جایگزین سوخت‌های فسیلی می‌شود، میزان انتشار دی‌اکسید کربن در سیستم انرژی کاهش می‌یابد. اگر این فرآیندها با فناوری‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن همراه شوند، امکان کاهش بیشتر انتشار آلاینده‌ها نیز فراهم خواهد شد. با این حال، اجرای این سیستم‌ها با چالش‌های مهمی نیز روبروست. نگرانی‌های عمومی در مورد آلودگی هوا و پیامدهای بهداشتی ناشی از تأسیسات تبدیل زباله به انرژی، نیازمند اعمال استانداردهای زیست‌محیطی سخت‌گیرانه، نظارت شفاف و طراحی و استقرار دقیق در بافت شهری است.
از سوی دیگر، اتکای بیش از حد به سوزاندن زباله می‌تواند منجر به یک دور باطل در اقتصاد پرزباله شود؛ به‌گونه‌ای که انگیزه برای کاهش تولید زباله و افزایش بازیافت مواد تضعیف گردد. به همین دلیل، رویکردهای نوین مدیریت پسماند بر اولویت‌بندی پیشگیری از تولید زباله و بازیافت مواد تأکید دارند و بازیافت انرژی را برای جریان‌هایی که قابلیت بازیافت ندارند، پیشنهاد می‌کنند. هزینه‌های اولیه بالای این زیرساخت‌ها و نیاز به هماهنگی بلندمدت میان نهادهای مسئول انرژی، مدیریت پسماند و برنامه‌ریزی شهری نیز از دیگر موانعی است که باید در سیاست‌گذاری‌ها و پروژه‌ها لحاظ شود.
### استکهلم؛ تبدیل گرمای مراکز داده به شریان حیاتی شهر
شهر استکهلم با راه‌اندازی پروژه نوآورانه «گرمایش منطقه‌ای باز»، گرمای تولیدی مراکز داده را که معمولاً هدر می‌رود، مستقیم به شبکه گرمایش شهری خود تزریق می‌کند. این رویکرد نه تنها مصرف سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهد، بلکه با پایین آوردن دمای آب برگشتی به شبکه، راندمان کلی سیستم را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد.
پروژه گرمایش منطقه‌ای باز استکهلم که توسط شرکت Stockholm Exergi به اجرا درآمده، یکی از موفق‌ترین الگوهای بازچرخانی گرمای زائد مراکز داده در مقیاس شهری در جهان به شمار می‌رود. شرکت Stockholm Exergi، یکی از بزرگترین مجموعه‌های انرژی در سوئد است که مالکیت آن به طور مشترک در اختیار شهرداری استکهلم و شرکت Fortum قرار دارد. این شرکت مسئولیت اصلی شبکه گرمایش منطقه‌ای استکهلم را بر عهده دارد و خدمات خود را از طریق شبکه‌ای به طول بیش از سه هزار کیلومتر، به بیش از ۸۰۰ هزار واحد مسکونی و تجاری ارائه می‌دهد.
این طرح در سال ۲۰۱۶ به صورت آزمایشی آغاز شد و در سال ۲۰۱۸ گسترش رسمی یافت. ایده اصلی آن این است که مراکز داده و سایر منابع حرارتی با دمای پایین، بتوانند گرمای مازاد خود را مستقیماً به شبکه گرمایش منطقه‌ای بفروشند. گرمای خروجی از سرورها، که معمولاً بین ۲۵ تا ۴۰ درجه سانتی‌گراد است، از طریق مبدل‌های حرارتی و پمپ‌های حرارتی صنعتی با ضریب عملکردی حدود ۳.۸ تا ۴.۲، به دمای ۷۵ تا ۸۵ درجه سانتی‌گراد ارتقا یافته و سپس به شبکه اصلی تزریق می‌شود. این سیستم از زیرساخت‌های موجود شبکه استکهلم بهره می‌برد. تا سال ۲۰۲۶، بیش از ۱۵ مرکز داده بزرگ به این شبکه متصل شده‌اند و سالانه حدود ۵۰۰ تا ۶۰۰ گیگاوات‌ساعت گرما از این طریق بازیابی و به شبکه تزریق می‌شود.
این پروژه از نظر فنی بر اساس مدل «باز» (Open) عمل می‌کند که امکان اتصال آسان و استاندارد شده برای تولیدکنندگان جدید حرارت را فراهم می‌آورد. تولیدکنندگان گرما با عقد قراردادهای بلندمدت، حرارت خود را با قیمتی رقابتی به Stockholm Exergi می‌فروشند و این شرکت نیز آن را در شبکه توزیع می‌کند. این رویکرد نه تنها هزینه‌های سرمایه‌گذاری برای گسترش شبکه را کاهش داده، بلکه با کاهش دمای آب برگشتی، راندمان کلی سیستم را بهبود بخشیده است.
در برنامه‌های آتی، استکهلم قصد دارد دمای شبکه را به کمتر از ۷۰ درجه سانتی‌گراد برساند تا امکان اتصال منابع حرارتی با دمای پایین‌تر، مانند مراکز داده نسل جدید و حتی گرمای فاضلاب، گسترش یابد. همچنین، پروژه‌هایی برای ادغام سیستم سرمایش منطقه‌ای با استفاده از گرمای هدررفته مراکز داده در دست مطالعه است. هدف بلندمدت این شهر تا سال ۲۰۳۵، تأمین حداقل ۲۵ درصد از انرژی حرارتی شبکه به طور مستقیم از گرمای هدررفته مراکز داده و صنایع است.
### مادرید: طلای سبز از پسماندها در حومه شهر
شهر مادرید در اسپانیا، با راه‌اندازی مجتمع بیومتان‌سازی در پارک فناوری والدمینگوم در جنوب شرقی خود، یکی از موفق‌ترین نمونه‌های اروپایی در زمینه هضم بی‌هوازی پسماندهای آلی شهری را به نمایش گذاشته است. این تاسیسات که در چارچوب پروژه اروپایی اسکالیبر (SCALIBUR) و با هدف توسعه فناوری‌های نوین مدیریت پسماندهای زیستی طراحی و اجرا شد، اکنون به عنوان الگویی برای سایر شهرها در مدیریت یکپارچه ضایعات غذایی، لجن فاضلاب و سایر پسماندهای آلی شناخته می‌شود.
مجتمع والدمینگوم شامل دو نیروگاه بیومتان‌سازی به نام‌های لاس دهساس و لا پالوما است که هر دو بر پایه فرآیند هضم بی‌هوازی کار می‌کنند. در این فرآیند، پسماندهای آلی در غیاب اکسیژن توسط میکروارگانیسم‌ها تجزیه شده و به دو محصول اصلی بیوگاز و دی‌ژست (کود آلی) تبدیل می‌شوند. نیروگاه لاس دهساس سالانه حدود ۲۱۸ هزار تن مواد آلی را فرآوری می‌کند که ۱۶۱ هزار تن آن مستقیماً به تولید بیومتان اختصاص می‌یابد. نیروگاه لا پالوما نیز با ظرفیت متوسط ۱۵۱ هزار تن در سال، بیش از ۱۰۸ هزار تن بیومتان تولید می‌کند.
بیوگاز خام تولیدی در این دو نیروگاه که عمدتاً از متان و دی‌اکسید کربن تشکیل شده، به واحد تصفیه و غنی‌سازی منتقل می‌شود. در این واحد، با استفاده از فرآیندهای شستشوی گاز و حذف ناخالصی‌هایی مانند دی‌اکسید کربن، اکسیژن، رطوبت و ترکیبات گوگردی، بیوگاز به بیومتانی با کیفیتی بالاتر از میانگین گاز طبیعی شبکه اسپانیا تبدیل می‌شود. غلظت متان در بیومتان نهایی بیش از ۹۶ درصد، دی‌اکسید کربن کمتر از یک درصد و اکسیژن کمتر از ۰.۴ درصد است. این بیومتان با ظرفیت تزریق ۶۵۰۰ مترمکعب در ساعت، مستقیماً به شبکه سراسری گاز طبیعی تزریق می‌شود، زیرا یکی از خطوط لوله اصلی گاز از مجاورت این سایت عبور می‌کند.
مواد اولیه ورودی به این تاسیسات از دو مسیر اصلی تأمین می‌شود: نخست، پسماندهای غذایی که به طور جداگانه در سطل‌های قهوه‌ای‌رنگ در سطح شهر جمع‌آوری می‌شوند و دوم، بخش آلی بازیافت‌شده از پسماندهای عمومی که در مراکز پردازش پسماند والدمینگوم جداسازی می‌گردند. این پسماندها پس از دریافت در سالن‌های بسته، تحت پیش‌تصفیه مکانیکی شامل سرند کردن، جداسازی مواد سنگین و سبک و حذف فلزات با آهن‌ربا قرار می‌گیرند و سپس به هاضم‌های بزرگ بی‌هوازی وارد می‌شوند. هر نیروگاه دارای چندین هاضم بزرگ با حجم هزاران مترمکعب است که فرآیند تخمیر بی‌هوازی در دمای کنترل‌شده و زمان ماند مشخص در آن‌ها انجام می‌شود.
پس از هضم بی‌هوازی، مواد جامد باقی‌مانده یا دی‌ژست، که سرشار از مواد آلی و مغذی است، به واحد کمپوست‌سازی منتقل شده و تحت فرآیند هوادهی کنترل‌شده به کمپوستی با کیفیت تبدیل می‌شود که می‌تواند به عنوان اصلاح‌کننده خاک در کشاورزی و فضای سبز استفاده شود. پساب‌های تولیدی، از جمله شیرابه‌ها و آب‌های بارانی آلوده نیز در یک تصفیه‌خانه ویژه شامل فرآیندهای بیولوژیکی، اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس تصفیه می‌شوند تا کیفیت لازم برای استفاده مجدد در فرآیندهای صنعتی یا تخلیه ایمن به محیط زیست را کسب کنند.
انرژی تولیدی در این مجتمع چندمنظوره بوده و کاربردهای متنوعی دارد. بخش عمده بیومتان تولیدی به شبکه گاز شهری تزریق می‌شود و می‌تواند برای گرمایش ساختمان‌ها، مصارف خانگی، دیگ‌های بخار صنعتی و همچنین به عنوان سوخت وسایل نقلیه گازسوز مانند اتوبوس‌ها، کامیون‌ها و خودروهای سبک مورد استفاده قرار گیرد. پیش از توسعه ظرفیت، سالانه حدود ۱۰۰ گیگاوات‌ساعت انرژی حرارتی تولید می‌شد که با تکمیل خطوط جدید تصفیه بیوگاز در سال ۲۰۲۲، این مقدار به حدود ۱۸۰ گیگاوات‌ساعت در سال افزایش یافت. این افزایش ۸۰ درصدی ظرفیت، معادل مصرف سالانه گاز طبیعی تقریباً ۳۵ هزار و ۳۱۵ خانوار اسپانیایی یا سوخت‌رسانی به حدود ۵۵۰ اتوبوس شهری مادرید است.
علاوه بر تزریق به شبکه گاز، بخشی از بیوگاز تولیدی نیز در موتورهای تولید هم‌زمان برق و حرارت در خود سایت استفاده می‌شود تا برق مورد نیاز تاسیسات و حتی شبکه‌های محلی مانند دوچرخه‌های برقی را تأمین کند. این رویکرد چندمنظوره، بازده انرژی کل سیستم را به حداکثر رسانده و پایداری عملیات را تضمین می‌کند. از منظر زیست‌محیطی، این تاسیسات سالانه منجر به کاهش بیش از ۴۳ هزار و ۵۰۰ تن معادل دی‌اکسید کربن می‌شود، زیرا هم از دفن پسماندهای آلی و تولید متان در محل دفن جلوگیری می‌کند و هم سوخت فسیلی را با یک سوخت تجدیدپذیر جایگزین می‌نماید.
این پروژه نه تنها از نظر فنی و ظرفیت پردازش یکی از بزرگترین تاسیسات اروپایی در این زمینه است، بلکه به دلیل کیفیت بالای بیومتان تولیدی، یکپارچگی فرآیندها و تنوع کاربردهای انرژی، به عنوان یک مرجع برای سایر دولت‌ها و شهرهایی شناخته می‌شود که به دنبال توسعه پروژه‌های مشابه هستند. سایت والدمینگوم همچنین شامل بخش‌های تحقیق و توسعه، آزمایشگاه‌های تحلیل و فضاهای آموزشی است که در آن پروژه‌های نوآورانه در زمینه مدیریت پسماند و انرژی‌های تجدیدپذیر مورد آزمایش و ارزیابی قرار می‌گیرند.
