إنتاج الوقود الحيوي بطريقة مستدامة أكثر أمانا ورفقا بالبيئة

أكاديمي متخصص في الطاقة المتجددة ل ^ :

كشف أكاديمي وباحث متخصص في البايوتكنولوجي والطاقة المتجددة، أن الطاقة المشتقة من الشمس والرياح والكتلة الحيوية تملك فرصاً كبيرة للنمو والتطور، إذ يمكن أن يكون الوقود مثل الايثانول، الميثان والهيدروجين، وقوداً حيوياً منتجاً من نشاط بيولوجي لكائنات حية.
وأوضح أن إنتاج الوقود الحيوي، إذا كان بطريقة مستدامة، يمكن أن يكون أكثر رفقاً بالبيئة من تقنيات الوقود الأحفوري لخلوه من الكربون، كما أنه لا ينتج مركبات خطرة ويساهم في خفض تلوث البيئة . ولفت إلى أن الطاقة المتجددة بأشكالها المختلفة مثل الرياح، والشمس، والحرارة الأرضية، وأمواج المحيط، والطاقة الهيدروجينية والوقود الحيوي، جميعها تعمل وبشكل متساو على المساهمة في تزويدنا بالطاقة المتجددة . وأكد أنه رغم أن 8 بالمائة فقط من الطاقة التي نستهلكها حاليا تأتي من مصادر متجددة، إلا أن هناك عددا كبيرا من الأبحاث والجهود لتطوير تقنيات متنوعة من أشكال الطاقة المتجددة.
الطاقة المتجددة والوقود الحيوي
قال ل"اليوم" الدكتور عبدالله الشهري، أستاذ الميكروبيولوجيا المساعد بجامعة أم القرى، والباحث في البايوتكنولوجي والطاقة المتجددة : "تلعب الطاقة دورا حيويا ورئيسيا في حياتنا اليومية، وهي عصب التنمية في كل البلدان، حيث يشكل إنتاج الطاقة جزءًا كبيراً من اهتمامات الباحثين وصناع السياسة، كما أنها مكون أساسي في واقع الحياة المعاصرة، حيث يعتمد عصرنا الحاضر على الطاقة في كل شيء تقريباً، مثل استعمالات الطاقة المختلفة داخل المنزل، الإنارة، النقل، التبريد والتدفئة، الاتصالات، العمليات الصناعية وغيرها الكثير.
وأضاف: نستهلك حاليا ما يقارب من 500 كدريليون وحدة حرارية بريطانية (Quadrillion British thermal units-QBtu) من الطاقة، معظمها وبنسبة تصل إلى 92 بالمائة، تأتي من مصادر غير متجددة مثل البترول، الفحم، الغاز الطبيعي والطاقة النووية.
وقال: "سعر برميل النفط الخام في الثمانينات والتسعينات كان بمعدل 20دولارا، ثم ارتفع وواصل الارتفاع حتى وصل إلى أعلى سعر للبرميل 141دولارا في عام 2008، وها نحن نشاهده يتراجع حتى أصبح ما يقارب 30 دولارا في أوائل العام الحالي 2016".
واسترسل: علاوة على الآثار السلبية الواقعة على البيئة من استهلاك مصادر الطاقة الحالية، جعل من المحتم والضروري العمل وبشكل عاجل على استحداث وتطوير مصادر مستدامة متجددة من الطاقة النظيفة التي تكون في المتناول بأسعار معقولة.
والطاقة المتجددة بأشكالها المختلفة مثل الرياح، الشمس، الحرارة الأرضية، أمواج المحيط، الطاقة الهيدروجينية والوقود الحيوي، جميعها تعمل وبشكل متساو على المساهمة في تزويدنا بالطاقة المتجددة .
وأوضح أنه بالرغم من أن 8 بالمائة فقط من الطاقة التي نستهلكها حالياً تأتي من مصادر متجددة، إلا أن هناك عددا كبيرا من الأبحاث والجهود لتطوير تقنيات متنوعة من أشكال الطاقة المتجددة.
مصادر الطاقة المتجددة الرئيسة
وأبان الدكتور الشهري أنه يمكن تقسيم مصادر الطاقة إلى ثلاث مجموعات رئيسية: طاقة من أصل أحفوري، طاقة متجددة وطاقة نووية، تشكل الوقود الأحفوري في فترة جيولوجية مبكرة وهو غير متجدد أو مستدام.
وتشمل مصادر الطاقة الأحفورية البترول والفحم واللذين تسببا في التلوث البيئي، والاحتباس الحراري، بالإضافة إلى مشاكل ونزاعات أمن الطاقة بين الدول، بينما تشمل مصادر الطاقة المتجددة الكتلة الحيوية، الهيدروجين، الرياح، الشمس (الطاقة الحرارية و الكهروضوئية)، الحرارة الأرضية ومصادر الطاقة البحرية، أما المصادر الرئيسية للطاقة النووية فهي اليورانيوم والثوريوم " .
وأوضح "الشهري": "يواجه العالم حاليا أزمة مضاعفة ممثلة في نضوب مصادر الطاقة الأحفوري وتلوث البيئة والاحتباس الحراري المتسبب في التغير المناخي.
وللتغلب على هذه المشاكل اكتسبت الطاقة المتجددة مؤخرا المزيد من الاهتمام بسبب فوائدها البيئية في الحد من التلوث والاحتباس الحراري، بالإضافة إلى كونها من مصادر مستدامة متجددة لا تنضب.
ويعرف مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة الامريكيThe U.S. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) مصطلح الطاقة الحيوية Bioenergy بأنها هي الطاقة المتجددة المشتقة من مادة حيوية تدعى كتلة حيوية، وهي عبارة عن مواد عضوية، ومصطلح الوقود الحيوي Biofuel هو الوقود المنتج بشكل مباشر أو غير مباشر من الكتلة الحيوية التي تتحول إلى سائل أو غاز مثل الايثانول، الميثانول، الميثان والهيدروجين.
ويعرف مصطلح الديزل الحيوي Biodiesel بأنه الوقود المشتق من الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية أو حتى مصادر جديدة مثل الطحالب، وهو قابل للتحلل الحيوي. أما الكتلة الحيوية Biomass فهي مادة من أصل حيوي تعمل كمصدر للطاقة.
مفهوم مصفاة التكرير الحيوية
وتابع الشهري: "تملك الطاقة المتجددة المشتقة من الشمس, الرياح والكتلة الحيوية فرصا كبيرة للنمو والتطور لتوافي الحاجة المتزايدة للطاقة في المستقبل.
ويمكن أن يكون الوقود مثل الإيثانول، الميثان و الهيدروجين وقوداً حيوياً منتجاً من نشاط بيولوجي لكائنات حية، ويمكن أن ينتج الوقود الحيوي في مصفاة التكرير الحيوي، حيث تعامل المواد الأولية الزراعية والمنتجات العرضية والمخلفات خلال سلسلة من العمليات البيولوجية، الكيميائية والفيزيائية من أجل إنتاج الوقود الحيوي، المواد البيولوجية، المغذيات، البوليمرات ومركبات كيميائية أخرى .
وزاد: وهنا يمكن مقارنة هذه العملية بما يتم في مصفاة تكرير البترول، حيث يعامل النفط لينتج الوقود، البلاستيك والمركبات البترولية، وتتراوح المنتجات التي يمكن استعادتها في مصفاة التكرير الحيوي من المكونات الغذائية إلى المركبات الصيدلانية المعقدة ومن مواد البناء البسيطة إلى المكونات الصناعية المعقدة والبوليمرات.
وأبان وبشكل أساسي يتم أيضا إنتاج الوقود الحيوي, مثل الإيثانول، الهيدروجين أو الديزل الحيوي والمواد الكيميائي الحيوية، مثل اكسيليتول، جليسيرول، حمض الستريك، حمض الكتيك، ايزوبروبانول، أو الفيتامينات، ويمكن أيضا استعادة الألياف، المواد لاصقة، البلاستك القابل للتحلل الحيوي مثل حمض البوليلاكتيك، أيضا منظفات وأنزيمات " .
وقال "الشهري": "يضمن مفهوم المصفاة الحيوية تحقيق هدف صفر من انبعاث الغازات من خلال خطة "استغلال المخلفات"، بحيث إن النواتج العرضية مثل الماء، الحرارة أو CO2 يمكن أن تستغل في عمليات إنتاج أخرى، لتحقيق أقصى درجة ممكنة من استعادة المنتجات وتقليص المخلفات مع زيادة الكفاءة.
وذكر أنه من جهة أخرى يمكن ربط إنتاج كل من الإيثانول والديزل الحيوي ضمن هذه الطريقة بشكل فعال كما يلي: ينتج في عملية تخمير الإيثانول 0,96 كلجم من CO2 لكل كيلوجرام من الإيثانول المتشكل.
وهنا يتم استغلال CO2 الناتج لتغذية الطحالب في المفاعلات الحيوية لتقوم بإنتاج الزيوت، التي تستخدم لإنتاج الديزل الحيوي. مثال آخر هو إمكانية تطبيق خلايا الوقود الميكروبي Microbial Fuel Cells (MFC) لتوليد الكهرباء باستغلال المركبات العضوية المتبقية في بيئات التخمر لعمليات إنتاج الوقود الحيوي، ويستخدم في مفهوم المصفاة الحيوية المستدامة، تقنيات وعمليات خضراء لاستبدال العمليات التقليدية الكيميائية.
وعلى سبيل المثال، يمكن استخدام CO2 لاستخراج النفط ومركبات نوتراسيوتيكال من الكتلة الحيوية، بدلا من استخدام المذيبات العضوية مثل الهكسان، ويمكن أن تستخدم الإيثانول في إنتاج وقود الديزل الحيوي من الزيوت البيولوجية بدلا من الطريقة التقليدية المعتمدة على الميثانول البترولي السام.
وأكد أن تطبيق مفهوم المصافي الحيوية على نطاق واسع يسمح لاستبدال المنتجات المشتقة من البترول، ببدائل مستدامة منخفضة التلويث وخالية من الكربون، بالإضافة إلى الفوائد البيئية من المصفاة الحيوية، هناك فوائد اقتصادية متمثلة في نمو صناعات جديدة تواكب التطور والنمو".
أصل الوقود الحيوي
وأوضح "الشهري": "الأصل الأول لجميع مركبات الوقود والوقود الحيوي هو الشمس، حيث إن الطاقة الشمسية تستغل وتخزن على هيئة مركبات عضوية من خلال عملية البناء الضوئي.
وهناك أنواع معينة من الوقود الحيوي، مثل: الزيوت يتم إنتاجها بشكل مباشر بواسطة النباتات والطحالب، ويمكن استخدام هذه الزيوت مباشرة كوقود أو مواد كيميائية لإنتاج الديزل الحيوي، وإنتاج أنواع أخرى من الوقود الحيوي مثل الإيثانول والميثان كمواد تفاعل مخمرة بواسطة الميكروبات تحت ظروف لا هوائية.
أيضا يمكن أن ينتج غاز الهيدروجين بطريقتين، وهي بواسطة عملية البناء الضوئي في الطحالب والبكتيريا الخضراء المزرقة (سيانوبكتيريا) تحت ظروف شح التغذية أو الأكسجين، وينتج أيضا بواسطة البكتيريا والأركايا عندما تستغل مواد تفاعل عضوية تحت ظروف لا هوائية، والطاقة الكهربائية التي تنتجها خلايا الوقود الميكروبية (وهي مفاعلات بيولوجية متخصصة تعترض تدفق الإلكترونات من عملية التمثيل الغذائي الميكروبي).
ويمكن أن تقع في أي من الفئتين السابق ذكرهما، اعتمادا على ما إذا كان الحصاد الإلكتروني يحدث من المواد العضوية المؤكسدة بواسطة مزارع ميكروبات محبة للتغذية العضوية أو مزارع ذاتية التغذية التي تقوم بعملية البناء الضوئي.
وعند مقارنة محتوى الطاقة الناتجة من الوقود الحيوي يتضح أفضليه غاز الهيدروجين بأعلى كثافة طاقة ".
إنتاج الوقود الحيوي واستخدامه
وقال الدكتور الشهري: "إن إنتاج الإيثانول والديزل الحيوي ارتفع 10 في المائة سنويا في جميع أنحاء العالم، خلال العقد الماضي، مشيرا إلى أن الدول الأكثر إنتاجا للإيثانول تشمل البرازيل (في المقام الأول من مواد خام قصب السكر) والولايات المتحدة (في المقام الأول من الذرة)، بمعدل 10 و 13 مليار جالون سنويا، على التوالي، وتنتج الصين (من الذرة والقمح) والهند (من قصب السكر) حوالي 1 و 0,5 مليار جالون من الإيثانول، على التوالي.
وفي الاتحاد الأوروبي، فرنسا تنتج أكثر من 200 مليون جالون من الإيثانول من بنجر السكر والقمح، وعلاوة على ذلك، يتم إنتاج 10 مليارات جالون من وقود الديزل الحيوي في الاتحاد الأوروبي، وهو ما يتجاوز بكثير الإنتاج من أي منطقة أخرى، ومع ذلك، فإن المصادر غير الكافية من قصب السكر والذرة اللازمة لإنتاج الإيثانول.
وأيضا المصادر غير الكافية من اللفت، النخيل، نبات تباع الشمس، وزيت فول الصويا اللازمة لإنتاج الديزل الحيوي من المتوقع أنها قد تحد من زيادة إنتاج هذه الوقود الحيوي بحلول عام 2020، ما لم يكن هناك مصادر واعدة متاحة أكثر مثل زيوت الطحالب لإنتاج وقود الديزل الحيوي والكتلة الحيوية السليلوزية كمصدر لإنتاج الإيثانول.
ويمكن تحويل المواد الأولية من الكتلة الحيوية، والتي قد تشمل مخلفات المحاصيل الزراعية ومنتجات ومخلفات الغابات إلى وقود قابل للاستخدام بواسطة المعالجة البيولوجية، والمعالجة الحرارية، واستخلاص النفط مباشرة، وبشكل عام يمكن تقسيم الكتلة إلى قسمين رئيسيين: مواد كربوهيدرات تحتوي على السكريات والنشويات ومواد خشبية غير متجانسة تسمى مجتمعة الليجنوسليلوز، كما أن نفايات محاصيل الذرة هي مصدر الكتلة الحيوية التي استخدمت بكثافة لتحويل الطاقة، وتشمل عمليات التحويل الحراري، الحرق المباشر، التحويل للغاز، التسييل والتمييع، والانحلال الحراري".
إنتاج الوقود الحيوي
وتابع الشهري: "إنتاج الوقود الحيوي، إذا كان بطريقة مستدامة، يمكن أن يكون أكثر رفقا بالبيئة من تقنيات الوقود الأحفوري لعدة أسباب رئيسية: أولها إنتاج الوقود الحيوي من الكتلة الحيوية إلى حد كبير خالية من الكربون، وثانيها، عمليات التحويل البيولوجي في العموم لا تنتج مركبات خطرة، وإذا تم تجنب المذيبات السامة والمواد الكيميائية في مراحل التجهيز لإنتاج الوقود الحيوي، تكون النتيجة نسبة تلوث بيئي أقل.
أما ثالثها، فيمكن تطوير إنتاج الكتلة الحيوية وعمليات التحويل الميكروبية بحيث تستخدم بطريقة أكثر انتشارا وتوزيعا، وبالتالي تجنب الحاجة لنقل الوقود عبر سفن الشحن أو خطوط الأنابيب لمسافات طويلة والتي قد ينتج عن تسربها تلوث للبيئة.
وواصل حديثه: "ومع ذلك، فإن استخراج الوقود الأحفوري يضع عبئا ثقيلا على البيئة، كما أن إنتاج الكتلة الحيوية على نطاق واسع وحصادها قد يثقل كاهل البيئة، إن لم يكن التخطيط لها وتنفيذها باستخدام الممارسات المستدامة.
علاوة على ذلك، زراعة محاصيل مخصصة تحديدا لإنتاج الوقود الحيوي قد تستبدل وتزيح المساحة المستخدمة لإنتاج المحاصيل الغذائية، ومنذ عام 2005، والاستخدام غير الغذائي لزيت بذور اللفت من أجل إنتاج وقود الديزل الحيوي، وقد تجاوز الاستخدام الغذائي في الاتحاد الأوروبي، الأمر الذي تطلب استيراد ما يقرب من 0,6 مليون طن متري.
وأيضا في الولايات المتحدة، ارتفع سعر العلف الحيواني (وهو نفسه الذرة المستخدم للوقود) بسبب الطلب المتزايد السريع على الإيثانول، وقد أفادت هذه الزيادات الكبيرة في الأسعار المنتجين الزراعيين والاقتصاد القائم على الذرة، ولكن تسببت في زيادة أسعار اللحوم وانخفضت الصادرات، وأسعار ذرة الغذاء أقل تأثراً لأنه يختلف عن الذرة المزروعة لإنتاج الإيثانول أو الأعلاف".