الوسم: وقود نظيف

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

إن تأمين طاقة تكفي لتلبية احتياجات البشر هو أحد أكبر التحديات التي تواجه المجتمع، فمصادر الطاقة التي نستخدمها كالبترول والغاز الطبيعي والفحم مصادر غير متجددة وغير نظيفة تسبب تلوث الهواء والاحتباس الحراري الذي يزداد عامًا بعد عام. وفي نفس الوقت، وبحلول عام 2050 سيصل عدد الأشخاص الذين يعملون بالقطاع الصناعي إلى 10 مليارات. القطاع الصناعي سيستمر في النمو، وستنمو معه حاجتنا إلى الطاقة، لذا فإن التوصل إلى مصادر بديلة ونظيفة للطاقة أمر في غاية الأهمية. 

يستكشف الباحثون في ASU’s Biodesign Center تقنيات جديدة يمكن أن تمهد الطريق للحصول على طاقة متجددة ونظيفة، للمساعدة في تلبية الطلب العالمي للطاقة.

وفي بحثهم الجديد الذي نُشر في مجلة الجمعية الأمريكية (JACS)، يقوم المؤلف الرئيسي برايان وادزورث، إلى جانب الزملاء آنا بيلر، وديانا خوسنوتدينوفا، وإدجار رييس كروز، والمؤلف غاري مور بوصف تقنية جديدة، والتي تعتمد في عملها على أشباه الموصلات المجمعة للضوء والمواد الحفزية، حيث يحدث داخل الجهاز تفاعلات كيميائية ينتج عنها هيدروجين وأنواع مختزلة من الكربون، والتي يمكن استخدامها لإنتاج وقود نظيف كبديل لمصادر الوقود الحفري.

يقول غاري مور: “في هذا العمل بالذات، قمنا بتطوير أنظمة تدمج تقنيات التقاط وتحويل الضوء مع استراتيجيات تخزين الطاقة المعتمدة على المواد الكيميائية”، فبدلًا من توليد الكهرباء مباشرة من أشعة الشمس، يستخدم هذا الجيل الجديد من التكنولوجيا الطاقة الشمسية لتوليد تفاعلات كيميائية قادرة على إنتاج وقود يختزن طاقة الشمس في روابطه الكيميائية.

شئ جديد تحت أشعة الشمس

أحد المصادر الأكثر جاذبية لإنتاج طاقة مستمرة ونظيفة هو ضوء الشمس. في الواقع، اكتسبت تقنيات الطاقة الشمسية زخمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة.

تقوم الخلايا الشمسية بجمع أشعة الشمس وتحويل الطاقة مباشرة إلى كهرباء.  وقد جعلت التكنولوجيا المتطورة والتكاليف المنخفضة من الخلايا الكهروضوئية خيارًا جذابًا كمصدر للطاقة، خاصة في المناطق التي تغمرها الشمس مثل ولاية أريزونا، مع صفائح شمسية كبيرة تغطي مساحات واسعة قادرة على تزويد آلاف المنازل بالطاقة.

 يعتقد مور أن مجرد الحصول على الطاقة الشمسية باستخدام الخلايا الكهروضوئية لا يكفي، حيث لا تتوفر دائمًا العديد من مصادر الطاقة المتجددة مثل أشعة الشمس وطاقة الرياح، لذلك يعد تخزين الطاقة من هذه المصادر جزءًا رئيسيًا من أي تكنولوجيا مستقبلية لتلبية متطلبات الطاقة البشرية العالمية على نطاق واسع.

التوهج الشمسي

إحدى الحيل المثيرة للإعجاب في الطبيعة استخدام أشعة الشمس لإنتاج مواد كيميائية غنية بالطاقة، وهي عملية أُتقنت منذ مليارات السنين من قبل النباتات والكائنات العضوية الأخرى التي تقوم بالتمثيل الضوئي. يعقب مور قائلًا: “في هذه العملية، يتم امتصاص الضوء، وتستخدم الطاقة لبدء سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية المعقدة التي تنتج في نهاية المطاف الغذاء الذي نتناوله، وعلى مدى الأزمنة الجيولوجية الطويلة الوقود الذي يدير مجتمعنا الحديث”.

في الدراسة الحالية، قامت المجموعة بتحليل المتغيرات الرئيسية التي تحكم كفاءة التفاعلات الكيميائية المستخدمة لإنتاج الوقود من خلال أجهزة اصطناعية مختلفة. وقال وادزورث: “في هذه الورقة ، قمنا بتطوير نموذج حركي لوصف التفاعل بين امتصاص الضوء على سطح أشباه الموصلات، وانتقال الشحنة داخل أشباه الموصلات، ونقل الشحنة إلى طبقة العامل الحفاز، ثم خطوة الحفز الكيميائي”.

يعتمد النموذج الذي طورته المجموعة على إطار مماثل يحكم سلوك الإنزيم، والمعروف باسم Michaelis-Menten kinetics، والذي يصف العلاقة بين معدلات التفاعل الحفزية والوسط الذي يحدث فيه التفاعل. هنا،  طُبقَ هذا النموذج على جهازهم الذي يجمع بين أشباه الموصلات لتجميع الضوء والمواد الحفزية لتشكيل الوقود.

في نمذجة ديناميات النظام، حققت المجموعة اكتشافًا مفاجئًا. يقول مور: “في هذا النظام بالذات، لا نقتصر على السرعة التي يمكن بها للعامل الحفاز أن يدفع التفاعل الكيميائي، نحن مقيدون بالقدرة على إيصال الإلكترونات له وتنشيطه. وهذا مرتبط بكثافة الضوء الذي يصل إلى السطح. وقد أظهرت تجاربنا أن زيادة شدة الضوء تزيد من معدل تكوين الوقود”

لهذا الاكتشاف آثار على التصميم المستقبلي لهذه الأجهزة مع التركيز على زيادة كفاءتها. يوضح مور: “ببساطة إضافة المزيد من العامل الحفاز لا يؤدي إلى زيادة معدلات إنتاج الوقود. نحن بحاجة إلى النظر في خصائص امتصاص الضوء لأشباه الموصلات الأساسية، الأمر الذي يفرض علينا بدوره المزيد من التفكير في اختيار العامل الحفاز وكيفية تفاعله مع مكون امتصاص الضوء في الجهاز”

بريق من الأمل

لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يجب القيام به قبل أن تكون هذه التقنية جاهزة للاستعمال. فاستعمالها على نطاق واسع  سيتطلب رفع كفاءتها واستقرارها. 

هذا البحث الجديد هو مجرد خطوة صغيرة على طريق طويل من أجل مستقبل نعتمد فيه على مصادر الطاقة المتجددة. نتائج هذه الدراسة بالغة الأهمية، لأنها ذات صلة على الأرجح بمجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية التي تشمل مواد ماصة للضوء وعوامل حفازة. يقول مور: “المبادئ الأساسية ، وخاصة العلاقة بين شدة الإضاءة وامتصاص الضوء والحفز ينبغي أن تنطبق على مواد أخرى أيضًا”.

المصدر: Phys.org