الوسم: وقود متجدد

يتزايد القلق من نضوب مصادر الوقود التقليدية والمألوفة، وارتفاع الأصوات المحذرة مما يعرف بالاحتباس الحراري والمخاطر البيئية المحتملة. مما فرض على الحكومات والباحثين وصانعي السياسات إيجاد حلول بديلة. ومن هنا برز الوقود الحيوي كأحد الحلول المقترحة كبديل جيد يمكنه تقليل الاعتماد الكلي على الوقود الأحفوري بشكل عام، والديزل بشكل خاص.

دور ماليزيا في النقلة الحيوية للطاقة

تصاعد الاهتمام بالكتلة الحيوية خلال ال20 سنة السابقة، وأحد الدول التي أولت إعتبارًا فائقًا للكتلة الحيوية كانت ماليزيا. موقع ماليزيا الجغرافي الاستوائي جعل صانعي القرار والباحثين ينظرون إلى الثروات الطبيعية التي تختص بها هذه الجزر عما سواها كإمكانيات وثروات كامنة. تواجدت القدرة على صناعة ثورة حديثة في عالم الطاقة، فرغبت ماليزيا في أن تكون أحد روادها.

أنواع الوقود الحيوي

نستطيع تقسيم الوقود الحيوي إلى نوعين رئيسيين: وقود سائل كالإيثانول، والديزل الحيوي؛ ووقود غازي كالهيدروجين، والغاز الحيويين.

مصادر إنتاج الوقود الحيوي

تُنتج أنواع الوقود المذكورة سابقًا من مصادر مختلفة عضوية قد تصلح أو لا تصلح كمصدر يرفد الاقتصاد الغذائي، سواء أكانت من أغذية محددة أو مصادرها الخام، أم من مخلفات عضوية.

تصنيف الوقود الحيوي بحسب الخام

كما ذكرنا سابقًا أحد التصنيفات لهذا النوع من الوقود، والذي يعتمد بشكل رئيسي على حالة المادة للغاز. فمن الممكن إعطاء تقسيم مختلف الوقود طبقًا للمعيار المعتمد في التصنيفات. فمثلًا من الممكن تصنيف الوقود الحيوي إلى أربع تصنيفات إذا اعتمدنا على الخام المستخدم في الإنتاج.

1. الوقود الحيوي من خام غذائي

النوع الأول والمعتمد على هذا التصنيف، تستخدم فيه الأغذية كمصدر أولي لإنتاج الوقود الحيوي. مما يخفض تكلفة إنتاج هذا الوقود. وأيضًا يعتمد على طرق إنتاج فعالة، تساهم بشكل رئيسي في تخفيض الانبعاثات المسببة للاحتباس الحراري خلال العملية. إلا أن هذا يعرض صناعة الغذاء إلى خطر منافسة اقتصادية على الموارد الطبيعية. مما قد يساهم في إثارة مشكلة إقتصادية غذائية ليست في الحسبان، وجب أخذها في عين الاعتبار.

2. الوقود الحيوي من الكتلة الحيوية

يعتمد النوع الثاني على الكتلة الحيوية كمادة خام أولية. ولنعرف أكثر من أين يؤتى بهذا الخام، وجب تعريف الكتلة الحيوية أولًا. وتعرف الكتلة الحيوية بأنها مادة عضوية متجددة تنتج عن عمليات حيوية تحدث في النباتات والحيوانات. والمصدر الأساسي للكتلة الحيوية التي تستخدم في هذا النوع من الوقود تعتمد بشكل أساسي على مخلفات النباتات. ويمكن استخلاص تلك المخلفات من المخلفات الزراعية: كمستخلصات الذرة الحلوة، ومخلفات قصب السكر، والقش. أو من مخلفات الغابات: كالأخشاب، ومحاصيل الطاقة.

3. الوقود الحيوي من المتعضيات الحية

يعتمد النوع الثالث على خام مصدره الأولي الطحالب. ويعتبر ذو إنتاجية عالية طبقًا لوحدة المساحة مقارنة بالوقود الحيوي المعتمد على المحاصيل. أما النوع الرابع من الوقود الحيوي، فهو جزء من هذا النوع، إذ يستخدم طحالب معدلة جينيًا. هذا النوع لا يتعارض مع متطلبات السوق من الغذاء، ويعتقد أنه ذو مستقبل مرتقب في مختبرات الوقود الحيوي.

الديزل الحيوي وأهميته

اُستخدمت طريقة أسترة الدهون البينية لإنتاج الديزل الحيوي لأكثر من 50 عامًا. وتتكون إسترات الأحماض الدهنية عندما يتفاعل جزيء الجليسريد الثلاثي مع الكحول. وفي العادة يتم استخدام إما الإيثانول، أو الميثانول في العملية. إلا أن مثل هذه التفاعلات تحتاج إلى وجود محفزات لتعمل على زيادة سرعة وزخم التفاعل. والسبب يعود إلى أن عملية تصنيع الديزل الحيوي في أساسها بطيئة.

إنتاج الديزل الحيوي

يُصنع الديزل العضوي إما كيميائيًا، أو عبر تقنية عضوية؛ طبقًا لنوع المحفز المستخدم في العملية. مثلًا يُصنع الديزل العضوي من الكتلة العضوية للطحالب بإستخدام عدة طرق، عبر الأسترة، أو الأسترة التبادلية للطحالب الدقيقة.

ويتكون الديزل العضوي من إستر ميثيل الأحماض الدهنية، ويُنتج عادة بعملية الأستر التبادلية لزيت الطحالب مع الميثانول. ويتضمن الخليط حمض الكبريتيك المركز بنسبة ٩٨% كمحفز، مع الهيكسان كمذيب. ويعد استخلاص الزيت من الطحالب الدقيقة بدون كسر خلاياها طريقة حديثة، يُستفاد فيها من استخدام المحفزات النانوية في عملية تخليق الديزل الحيوي.

ومن جهة أخرى، تخضع طريقة الأسترة التبادلية والتي تحدث في خليط التفاعل للمقارنة بالعمليات الأخرى، وتعدنا بقفزات مستقبلية هائلة. كما ستسهل من عملية استخراج الوقود الحيوي، وتضاعف كفاءة الحصول عليه. وتتم بالعادة دون الحاجة لاستخلاص الزيت من الطحالب، وبالتالي ما يحدث هو حقن مباشر لليبيدات داخل خلايا الطحالب الدقيقة، والحصول عبرها على ديزل حيوي في خطوة واحدة.

الميثان الحيوي

يُعتبر الميثان الحيوي، والمسمى أيضًا بالغاز الحيوي، أحد أكثر الخيارات الحديثة جاذبية للتطوير مستقبلًا مقارنة بأنواع الوقود الحيوي الأخرى. إذ يُستخرج هذا الغاز بعدة طرق، أحدها من الطحالب الدقيقة والتي أظهرت كفاءتها، وعمليتها، واقتصاديتها.

إنتاج الميثان الحيوي

تعتبر الطحالب الدقيقة بشكل عام وسط مناسب للغاية لاستخلاص المغذيات، و لمعالجة مياه المخلفات، وعزل ثاني أكسيد الكربون. وذلك نظرًا لقدرتها على استيعاب كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون وإمكانية خلط منتوج زراعة الطحالب الدقيقة مع انبعاثات غاز المداخن لتحسين الغاز الحيوي، والذي يتضمن إزالة ثاني أكسيد الكربون لزيادة نسبة الميثان.

توفر منتوج عملية زراعة الطحالب الدقيقة في وحدة معالجة مياه الصرف الصحي مصدرًا مجانيًا للمياه. فبالإضافة لمساهمتها في عملية تنقية المياه، تعمل على إعادة تدوير العناصر الغذائية الحيوية. ويمكن بعد ذلك معالجة الكتلة الحيوية للطحالب الدقيقة الناتجة من عملية التنقية لاستخراج العناصر الغذائية لإنتاج الأسمدة أو الزيوت لتوليد وقود الديزل الحيوي. كما يمكن أيضًا إنتاج الغاز الحيوي من خلال الهضم اللا هوائي للكتلة الحيوية للطحالب الدقيقة المستخرج منها الأسمدة.

يُنتج الميثان الحيوي من التحويل الكيميائي للكتلة الحيوية، ومن ثم تحسين جودة الغاز. أو عبر التحويل الكيميائي الحراري للكتلة الحيوية الصلبة لغاز عبر عملية “التغزية”. تليها تنقية الغاز الناتج، ومن ثم تحويله إلى ميثان، عبر معادلات بسيطة لتحسين جودة المنتج.

الهيدروجين الحيوي

يعنى مصطلح الهيدروجين الحيوي بالهيدروجين المنتج عضويًا، وغالبًا من الطحالب، أو البكتيريا، أو العتائق “البكتيريا القديمة”. يحدث ذلك إما من خلال زراعتهم، أو عبر استخلاصهم من المخلفات العضوية.

إنتاج الهيدروجين الحيوي

يعتبر الهيدروجين أحد مصادر الطاقة المستدامة، والتي تنتج عبر كائنات التمثيل الضوئي. وتحتوي تلك الكائنات على محتوى حراري عالي يصل إلى ١٢٢ كيلو جول/جم. وهو ما يساوي تقريبا 2.75 قيمة أعلى من المحتوى الحراري للطاقة الموجودة في الوقود الهيدروكربوني. لهذا أصبح الهيدروجين بديل جيد من وجهة نظر الباحثين للوقود الأحفوري، وحامل جيد للطاقة.

من الممكن إنتاج جزيء الهيدروجين عبر عملية التمثيل الغذائي الضوئي من مجموعة واسعة من الطحالب الدقيقة. نذكر منها: الأنابينا، والطحلب الأخضر المعروف بالكلوريلا فولجاريس، والعوالق النباتية الحية المسماة بالنانوكروبسيس، والرباعيات المتلحفة المعروفة باسم موناس راينهاردتي، والسبيرولينا ماكسيما، وسندسموس أوبليموس.

إيجابيات وسلبيات استخدام الديزل الحيوي كوقود حيوي مستدام في محركات الديزل الحالية

يعتبر الديزل الحيوي حتى يومنا هذا الوقود الحيوي السائل الأكبر في الانتاج. ويعود هذا لسهولة العملية الكيميائية وخصائصها الانسيابية التي تستخدم لإنتاجه.

إيجابيات الديزل الحيوي كوقود

بالإضافة لكونه قابل للتحلل العضوي، وعدم سميته كمصدر وقود مستدام؛ يحتوي الديزل الحيوي على عدد سيتان عالي. بمعنى قدرته على الاشتعال في درجة حرارة عالية نسبيًا في حالة اختلاطه مع الهواء. كما يحتوي على نسبة أوكسجين عالية أيضًا، تسمح باكتمال عملية الاحتراق في المحركات. وبالتالي يخفض الجزيئات المضرة لنواتج الاحتراق من أكاسيد الكربون والكبريت. خصوصًا أن نسبة الكبريت فيه تعتبر منخفضة بالمقارنة مع غيره من الأنواع. مع هذا، تبقى نسب أكاسيد النيتروجين الناتجة من عملية احتراقه أعلى مقارنة بالديزل العالي.

ويُعتبر الديزل الحيوي بشكل عام آمن في عمليات نقله وتخزينه، والفضل يعود لعدد السيتان العالي الذي يتميز به. فهو يحتاج إلى درجة حرارة تصل إلى ١٥٠ درجة مئوية ليشتعل.

يناسب الديزل الحيوي محركات الديزل الحالية، دون حاجة المحرك لأي تعديلات تصميمية. ومن الممكن استخدامه في حالته النقية أو عبر مزجه بنوع وقود نفطي آخر. إلا أنه في هذه الحالة قد يحتاج إلى تعديلات طفيفة في المحرك. ولدى الديزل الحيوي خصائص لزوجة جيدة مقارنة بالديزل المستخرج من الوقود الأحفوري، مما يسمح بإطالة العمر الإفتراضي للمحرك وتقليل أوكسيد الكربون بنسبة ٧٨%.

سلبيات وتعقيدات إنتاج الديزل الحيوي

بغض النظر عن الجهود المبذولة للوصول إلى عمليات أفضل في إنتاج الوقود، واستخدام محفزات أفضل، ومصادر أفضل للمواد الخام، فلا يزال الجليسرول المنتج من عملية إنتاج الديزل الحيوي صناعيًا عقبة من الصعب تجاوزها. فطرق معاملة المخلفات الناتجة من عملية إنتاج الديزل الحيوي، والتي يشكل الجليسرول المكون الأساسي لها، لا تزال مشكلة كبرى تعيق عمليات الإنتاج الواسع للوقود الحيوي. فلا وجود لعملية صناعية قادرة على التعامل مع الكميات العالية من الجليسرول حتى اليوم.

الجليسرول المنتج ذو جودة سيئة، نظرًا لكونه ممتلئ بالشوائب، وبالتالي لا يمكن استخدامه كمصدر وقود حيوي هو الآخر. ولكون الوقود الحيوي المستطاع الاستفادة منه كوقود يجب أن يكون نقي. وإن قلنا بأن عملية تنقيته ممكنة، نكون بهذا مستنفذين لمصادر أخرى. فعملية تنقيته تحتاج كميات كبيرة من الماء، والطاقة، والوقت. إلا أن ما سبق يشير لإمكانات هائلة للوقود الحيوي مستقبلًا، أليس كذلك؟

المصادر:

Biofuel Production from Different Sources
Biofuel Production Pathways by Microalgae
Biodiesel as Renewable Biofuel in Current Diesel Engines

تمثل الطاقة أهم متطلبات عصرنا الحالي، ويتم استهلاكها بشكل متسارع، ولذا أضحت متطلبات الطاقة تتزايد بشكل كبير. الإنفجار السكاني الذي نشهده منذ عقود، ووفرة الموارد الأولية للطاقة المتجددة، إضافة إلى التنوع الصناعي يدفعنا لمضاعفة الجهود التي تراكم خبراتنا في مجال إنتاج واستهلاك الطاقة. مما لا شك فيه أن تطوير أي تقنية جديدة بحد ذاته يعد عملية مكلفة، لكن قدرتنا على إيجاد حلول في كل مرحلة من مراحل تطوير التقنية هو أيضًا عملية نستطيع مواكبتها تدريجيًا. فالحاجة إلى تقليل التكلفة ورفع الكفاءة ستؤدي إلى إيجاد أنظمة فعّالة ومتاحة تجاريًا، ووقود نظيف نتاج لتقنيات تنافس التقنيات الحالية في عمليات الإنتاج والنقل. أحد هذه التقنيات التي من الممكن أن تنقلنا إلى مرحلة جديدة تمامًا هي تقنيات الوقود الهيدروجيني، ولا يمكننا الحديث عن الهيدروجين كوقود دون التطرق إلى خلايا الوقود الهيدروجينية.

ما هي خلايا الوقود الهيدروجينية ؟

تتمتع خلايا وقود الهيدروجين بإمكانيات حقيقة لأن تكون التقنية المستقبلية من حيث قابلية التطبيق. تحمل هذه التقنيّة المقومات الأساسية التي تؤهلها لتكون أحد الحلول العصرية لمشكلة زيادة الطلب على وقود صديق للبيئة.
تشبه خلية الوقود الهيدروجينية إلى حدٍ كبير الخلية الكهروكيميائية، والتي تتكون بشكل رئيسي من المكونات الثلاثة: كاثود، آنود، والإلكتروليت. تتصل المكونات مع بعضها بدائرة كهربائية. ليس هناك أي أجزاء دوّارة في هذا التصميم، وبالتالي فهو تصميم بسيط وفعّال. وتصنف الخلايا بحسب نوع الإلكتروليت المستخدم.

كيف تنتج خلايا الوقود الهيدروجينية الكهرباء؟

خلية الوقود هي خلية تحويل طاقة، يتم عبرها استغلال طاقة الهيدروجين. هي عبارة عن خلية كهروكيميائية تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. ويحدث ذلك عن طريق التفاعل الكهروكيميائي للأوكسجين والهيدروجين. حيث يتأين غاز الهيدروجين في الآنود، مما يؤدي إلى تحرير الإلكترونات من الذرة، لتتكون أيونات الهيدروجين. ومن هنا يتفاعل الأوكسجين مع الإلكترونات المنطلقة من الآنود وأيونات الهيدروجين من الإلكتروليت، وينتج عن هذا التفاعل إنتاج الكهرباء، وتكوّن الماء.

إن مبدأ العمل السابق ذكره لا يتغير مهما كان نوع خلية الوقود المستخدمة. وتنتج الخلية ما يصل إلى 0.7 فولت عند التحميل الكامل. ويمكن الحصول على الجهد المطلوب عن طريق توصيل خلايا الوقود على التوالي، وبالمثل نحصل على التيار المطلوب عن طريق توصيل الخلايا على التوازي.

يختلف أداء الخلية بحسب نوع الإلكتروليت المستخدم وتتفاوت الخلايا من حيث الحرارة التشغيلية، وتفاعلات الآنود والكاثود، والكفاءة. ويتم اختيار نوع الخلية بحسب التطبيق المطلوب. وما تم ملاحظته من مقارنة الأنواع المختلفة أن الكفاءة في كل الأنواع لازالت لم تتجاوز 60%.

تطبيقات ومستقبل خلايا الوقود الهيدروجيني

إن بساطة تشغيل هذه الخلايا وكذلك انخفاض الانبعاثات جعلا منها خيارًا مستقبليًا واعدًا. وهذه العوامل في حد ذاتها تجعل من خلايا الوقود قابلة للاستخدام على نطاق واسع من التطبيقات. ومن هذه التطبيقات: توليد الطاقة، والنقل، والأجهزة المحمولة، وتطبيقات الفضاء.

حاليًّا، هناك توجّه لإيجاد طريقة يمكن للبشرية من خلالها توليد الكهرباء بطريقة مستدامة. وتتمتع خلايا الوقود بإمكانية عالية للتأهل كتقنية يمكن من خلالها توليد الكهرباء بمنتجات ثانوية غير ضارة. ومع تزايد الطلب على الطاقة الكهربائية، أصبح من المُلح إيجاد طرق جديدة وآمنة لتلبية الطلب. إن العوامل المحدّدة للطاقة المتجددة هي تخزين الطاقة ونقلها. وباستخدام خلايا وقود الهيدروجين، أصبح من الممكن الحصول على الطاقة الكهربائية من مصادر نظيفة بتقنيات نقل وتخزين آمنة سنتطرق لها في مقال قادم.

المصادر:

Fuel Cell and Its Applications: A Review