الكتلة الحيوية.. هل تصبح مصدراً بديلاً "متجدداً" للطاقة في المستقبل؟

الطاقة الحيوية هي واحدة من العديد من الموارد المتنوعة المتاحة للمساعدة في تلبية طلبنا على الطاقة.

كما أنها تُعد شكلاً من أشكال الطاقة المتجددة المشتقة من المواد العضوية الحية الحديثة المعروفة باسم الكتلة الحيوية، والتي يمكن استخدامها لإنتاج وقود النقل والحرارة والكهرباء.

ما هي الطاقة الحيوية؟

الطاقة الحيوية (وهي كلمة غالبا ما تستخدم بالتبادل مع الوقود الحيوي) هي الطاقة المستمدة من الكتلة الحيوية، وهي مواد نباتية وحيوانية مأخوذة من مصادر متجددة. على سبيل المثال، كان الروث والأعشاب والمنتجات الخشبية عبارة عن وقود حيوي مبكر استخدمه الأفراد لإنتاج الطاقة. وفي بعض المجتمعات، لا تزال تُستخدم على نطاق واسع.

• تحالف الوقود الحيوي.. العالم على الطريق الصحيح
• رؤساء شركات عالمية: "أديبك" عزز جهود إزالة الكربون وتسريع التحول في الطاقة
  

الوقود الحيوي

الوقود الحيوي هو وقود سائل يتم إنتاجه من مصادر بيولوجية متجددة، بما في ذلك النباتات والطحالب. يقدم الوقود الحيوي حلاً لأحد تحديات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ومصادر الطاقة البديلة الأخرى. تتمتع مصادر الطاقة هذه بإمكانيات مذهلة لتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري وتحقيق فوائد بيئية واقتصادية. لكن العديد من هذه المصادر لها قيود: فهي لا تستطيع استبدال الوقود السائل مثل وقود الطائرات والبنزين ووقود الديزل التي تعتبر ضرورية لاحتياجات النقل لدينا. وهنا يمكن للوقود الحيوي أن يساعد.

أصبحت طاقة الكتلة الحيوية بديلاً شائعًا ومتجددًا للوقود الأحفوري بشكل متزايد، ومع تطور التكنولوجيا المتسارع؛ يستكشف الباحثون تكنولوجيا إنتاج الوقود الحيوي التي تستخدم النفايات لإنتاج وقود حيوي متقدم. على سبيل المثال، تتم معالجة القمامة والدهون الحيوانية وزيت الطهي المستخدم لتصنيع الوقود الحيوي السائل.

متى تم استخدام طاقة الكتلة الحيوية لأول مرة؟

الطاقة الحيوية، أو طاقة الكتلة الحيوية، تم استخدامها منذ آلاف السنين، منذ أن بدأ البشر لأول مرة في حرق المواد النباتية أو الحيوانية لتغذية نيران الطهي. هناك الكثير من الأدلة التي تشير إلى أن البشر بدأوا في استخدام طاقة الكتلة الحيوية منذ ما بين 230 ألفا إلى 1.5 مليون سنة.

خلال معظم فترة وجود البشرية على هذا الكوكب كان استخدام الكتلة الحيوية يقتصر على المواد السليلوزية أو الخشبية والليفية للطهي والتدفئة. ومع ذلك لم يمض وقت طويل على بدء الناس في تقطير الكحول في القرن الثاني عشر حتى استخدموا الإيثانول في الطهي والإضاءة.

كان الإيثانول مشتقا من الحبوب، وهو مادة خام وفيرة، وكان متاحا بسهولة. ومع تحول التعدين والحفر إلى جدوى تجارية اكتسب الفحم والنفط الخام شعبية أكثر من الوقود الحيوي، ثم مع الكهرباء استفادت المصانع التي تعمل بالفحم والغاز من النفط الخام والفحم الرخيص، واحتل إنتاج الطاقة الحيوية مرتبة متأخرة.

ومع ظهور تقنية التغويز -التكنولوجيا التي تعمل على تحويل المواد القائمة على الكربون إلى غاز الوقود- تراجع الإيثانول باستثناء السنوات الأولى لصناعة السيارات، وإلى أن تم تعلم كيفية تكرير النفط الخام، حيث كانت ندرة الوقود تعني الاعتماد على الوقود الحيوي، كما أدى نقص الوقود المرتبط بالحروب العالمية إلى زيادة الطلب على الإيثانول وأنواع الوقود الحيوي الأخرى.

علاوة على ذلك فقد أدى نقص الغاز في السبعينيات إلى تجدد الاهتمام بالطاقة الحيوية، بالإضافة إلى ذلك بدأ العلماء في دق ناقوس الخطر بشأن تغير المناخ، والاحتباس الحراري، وتأثير انبعاثات الغازات الدفيئة.

ومع تزايد القلق العام بشأن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والميثان واستدامة مصادر طاقة الوقود الأحفوري، فإن تقنيات الطاقة الحيوية تتطور مرة أخرى إلى اقتصاد حيوي.

من أين تأتي الطاقة الحيوية؟

تأتي الطاقة الحيوية من استهلاك الكتلة الحيوية، وهي بطارية تخزين المواد الكيميائية النهائية، علاوة على ذلك فإن الطاقة الحيوية متجددة تأتي معظم الكتلة الحيوية من المواد النباتية التي خضعت لعملية التمثيل الضوئي؛ وهي العملية التي تخضع لها النباتات لتحويل ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء إلى أكسجين وجلوكوز.

تشمل المواد الخام للكتلة الحيوية ما يلي:

- رقائق الخشب ونشارة الخشب والحطب والمشروبات الكحولية السوداء

- النباتات العشبية والعشب وفول الصويا وقصب السكر والطحالب والذرة وبقايا المحاصيل وتجهيز الأغذية

- منتجات الورق والقطن والصوف، بالإضافة إلى مخلفات الطعام والساحات والأخشاب

- السماد الحيواني ومياه الصرف الصحي البشرية

كيف يتم إنتاج الطاقة الحيوية؟

يشمل إنتاج الطاقة الحيوية الاحتراق المباشر (الحرق) والتحويل الكيميائي الحراري والكيميائي والبيولوجي. يؤدي التحويل الكيميائي الحراري إلى إنتاج الوقود الصلب والسائل والغازي، بينما تنتج طريقتا التحويل الأخريان الوقود السائل والغازي.

هناك عدة طرق للتحويل الكيميائي الحراري:

يقوم الانحلال الحراري بتسخين المواد الأولية للكتلة الحيوية إلى 800-900 درجة فهرنهايت (400-500 درجة مئوية) في فراغ قريب. ثم تنتج المعالجة الحرارية المائية الزيت الحيوي.

يعمل التغويز على تسخين المواد الخام إلى 1400-1700 درجة فهرنهايت (800-900 درجة مئوية) ويتضمن الأكسجين الحر أو البخار، والنتيجة هي الغاز الاصطناعي، وهو غاز غني بالهيدروجين.

يستخدم منتجو وقود الديزل الحيوي هذا الغاز المركب (الغاز الاصطناعي) لصنع وقود الديزل الحيوي. من الممكن أيضًا استخراج الهيدروجين من الغاز الاصطناعي في خلايا الوقود أو كوقود.

يحدث إنتاج الغاز الحيوي أو الميثان الحيوي في محطات معالجة مياه الصرف الصحي أو مزارع الألبان والماشية والمراعي التي تستخدم أجهزة الهضم اللاهوائية، ينتج التخمير أيضا الإيثانول.

كيف يتم استخدام الطاقة الحيوية؟

في جميع أنحاء العالم لا يزال روث الحيوانات، والطحالب، والخشب يزود العديد من الأشخاص بالطاقة الحيوية المستدامة للطهي والتدفئة. ولحسن الحظ تطورت تقنيات الطاقة الحيوية بشكل كبير مقارنة بفترة مواقد الطهي والمصابيح الروحية.

وفي عام 2020 شكلت الكتلة الحيوية حوالي 4.9% من إجمالي استهلاك الطاقة الأولية في الولايات المتحدة. وجاء ما يزيد قليلاً على نصف هذه الكمية من الخشب والمنتجات الثانوية المشتقة من الخشب. وباستثناء جزء صغير مشتق من النفايات البلدية فإن إنتاج الطاقة المتبقي يأتي من الوقود الحيوي مع الإيثانول كمصدر رئيسي للوقود الحيوي.

للطاقة الحيوية العديد من التطبيقات: الحرارة، والوقود السائل، ووقود النقل، وتوليد الطاقة. يمكن استخدام الطاقة الحيوية بشكل مباشر (الحرارة والكهرباء) أو بشكل غير مباشر (الوقود الحيوي) اعتمادًا على الاستخدام النهائي.

يستهلك قطاعا النقل والصناعة غالبية الطاقة الحيوية المنتجة.

إن ظهور أنظمة الطاقة الحيوية وتقنيات الإنتاج يأتي من مصادر طاقة قابلة للحياة ومتجددة.

ما مزايا الطاقة الحيوية؟

الميزة الأساسية للكتلة الحيوية هي أنها مصدر للطاقة المتجددة يبدأ بالطاقة الشمسية. وبالإضافة إلى ذلك فإن الأشجار المزروعة بشكل مستدام ومحاصيل الطاقة تنمو من جديد بسرعة نسبية، وهي متاحة كمصدر ثابت من المواد الخام للكتلة الحيوية.

بالإضافة إلى ذلك فإن المواد الأولية للكتلة الحيوية تعوض انبعاثات الكربون لأنها تعزل ثاني أكسيد الكربون كجزء من عملية التمثيل الضوئي، وفي بعض الأحيان تتجاوز انبعاثات الكربون المنبعثة عند معالجة المواد الأولية أو استخدامها.

طاقة الكتلة الحيوية: هل هي الطريق إلى الأمام؟

منذ أن تعلم البشر السيطرة على الحرائق أصبحت الكتلة الحيوية مصدرا للطاقة، ورغم الطفرة النفطية في منتصف القرن العشرين إلا أن الأفراد استخدموا المواد النباتية للتدفئة والطهي والإضاءة.

لقد جعل التقدم التكنولوجي إنتاج الطاقة الحيوية منافسًا جديًا في البحث عن مصادر الطاقة المتجددة، اعتبارًا من عام 2019 تظهر مقارنات التكلفة أن الطاقة الحيوية أعلى تكلفة جزئيًا من إنتاج الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري وتتقلص هذه الفجوة مع تطور تقنيات الإنتاج.

وبينما تسعى البشرية إلى تقليل اعتمادها على الطاقة المعتمدة على الوقود الأحفوري تستعد طاقة الكتلة الحيوية لتصبح مصدرًا بديلاً للطاقة في المستقبل.