عندما يتعلق الأمر بإنتاج الوقود من النباتات، كانت الخطوة الأولى دائمًا هي الأصعب، وهي تفكيك المادة النباتية، توصلت دراسة جديدة إلى أن إدخال مادة كيميائية بسيطة ومتجددة في خطوة المعالجة المسبقة يمكن أن يجعل إنتاج الجيل التالي من الوقود الحيوي فعالاً من حيث التكلفة ومحايدًا للكربون.
لكي يتنافس الوقود الحيوي مع النفط، يجب أن تكون عمليات المصافي الحيوية مصممة للاستفادة بشكل أفضل من اللجني، اللجنين هو أحد المكونات الرئيسية لجدران الخلايا النباتية، فهو يوفر للنباتات قدرًا أكبر من السلامة الهيكلية والمرونة ضد الهجمات الميكروبي، ومع ذلك، فإن هذه الخصائص الطبيعية للجنين تجعل من الصعب أيضًا استخلاصه والاستفادة منه من المادة النباتية، المعروفة أيضًا باسم الكتلة الحيوية.
وقال تشارلز كاي، أستاذ الأبحاث المساعد بجامعة كاليفورنيا في ريفرسايد: “إن استخدام اللجنين هو البوابة لتصنيع ما تريده من الكتلة الحيوية بأكثر الطرق الاقتصادية والصديقة للبيئة الممكنة”، “إن تصميم عملية يمكنها الاستفادة بشكل أفضل من كل من اللجنين والسكريات الموجودة في الكتلة الحيوية يعد أحد التحديات التقنية الأكثر إثارة في هذا المجال”.
للتغلب على عقبة اللجنين، اخترع كاي CELF، والذي يرمز إلى تجزئة اللجنين السليلوزية المعززة بالمذيبات المشتركة. إنها تقنية مبتكرة للمعالجة المسبقة للكتلة الحيوية.
وقال كاي: “يستخدم CELF رباعي هيدروفوران أو THF لتكملة الماء والحمض المخفف أثناء المعالجة المسبقة للكتلة الحيوية، إنه يحسن الكفاءة الإجمالية ويضيف قدرات استخلاص اللجنين”، “والأفضل من ذلك كله هو أن مادة THF نفسها يمكن تصنيعها من سكريات الكتلة الحيوي”.
فوائد اقتصادية وبيئية مقارنة بالوقود المعتمد على النفط
توضح ورقة بحثية بارزة منشورة في مجلة الطاقة والعلوم البيئية الدرجة التي يقدم بها معمل التكرير الحيوي CELF فوائد اقتصادية وبيئية مقارنة بالوقود المعتمد على النفط، وطرق إنتاج الوقود الحيوي السابقة.
هذه الورقة عبارة عن تعاون بين فريق بحث تساي في جامعة كاليفورنيا، ومركز ابتكار الطاقة الحيوية الذي تديره مختبرات أوك ريدج الوطنية، والمختبر الوطني للطاقة المتجددة، في ذلك، يأخذ الباحثون في الاعتبار متغيرين رئيسيين: أي نوع من الكتلة الحيوية هو الأكثر مثالية، وما يجب فعله باللجنين بمجرد استخلاصه.
تستخدم عمليات الوقود الحيوي من الجيل الأول المحاصيل الغذائية مثل الذرة وفول الصويا وقصب السكر كمواد خام أو مواد أولية. ونظرًا لأن هذه المواد الأولية تحول الأراضي والمياه بعيدًا عن إنتاج الغذاء، فإن استخدامها للوقود الحيوي ليس مثاليًا.
تستخدم عمليات الجيل الثاني الكتلة الحيوية النباتية غير الصالحة للأكل كمواد أولية. ومن الأمثلة على المواد الأولية للكتلة الحيوية بقايا الخشب من عمليات الطحن، أو تفل قصب السكر، أو حطب الذرة، وكلها منتجات ثانوية وفيرة منخفضة التكلفة للعمليات الحرجية والزراعية.
توفير ما يصل إلى مليار طن سنوياً من الكتلة الحيوية
ووفقاً لوزارة الطاقة، فمن الممكن توفير ما يصل إلى مليار طن سنوياً من الكتلة الحيوية لتصنيع الوقود الحيوي والمنتجات الحيوية في الولايات المتحدة وحدها، وهو ما يمكن أن يحل محل 30% من استهلاكنا النفطي في حين يعمل أيضاً على خلق فرص عمل محلية جديدة.
نظرًا لأن معمل التكرير الحيوي CELF يمكنه الاستفادة بشكل كامل من المواد النباتية مقارنة بطرق الجيل الثاني السابقة، فقد وجد الباحثون أن المواد الخام الأثقل والأكثر كثافة مثل خشب الحور الصلب هي الأفضل على حطب الذرة الأقل كثافة من الكربون لتحقيق فوائد اقتصادية وبيئية أكبر.
وباستخدام أشجار الحور في معمل تكرير حيوي لـ CELF، أثبت الباحثون أنه يمكن تصنيع وقود الطيران المستدام بسعر تعادل منخفض يصل إلى 3.15 دولار للغالون الواحد من مكافئ البنزين، متوسط التكلفة الحالية للغالون من وقود الطائرات في الولايات المتحدة هو 5.96 دولار.
تصدر حكومة الولايات المتحدة اعتمادات لإنتاج الوقود الحيوي في شكل اعتمادات أرقام تعريف متجددة، وهي إعانة تهدف إلى تعزيز إنتاج الوقود الحيوي المحلي، عادةً ما يتم تداول مستوى هذه الاعتمادات الصادرة للوقود الحيوي من الجيل الثاني، المستوى D3، بسعر دولار واحد للغالون الواحد أو أعلى، وبهذا السعر لكل ائتمان، توضح الورقة أنه يمكن للمرء أن يتوقع معدل عائد يزيد عن 20٪ من العملية.
وقال تساي : “إن إنفاق المزيد قليلاً على مادة خام غنية بالكربون مثل الحور لا يزال يحقق فوائد اقتصادية أكثر من مادة خام أرخص مثل حطب الذرة، لأنه يمكنك إنتاج المزيد من الوقود والمواد الكيميائية منه”.
تحسين استخدام اللجنين
توضح الورقة أيضًا كيف يمكن أن يساهم استخدام اللجنين بشكل إيجابي في اقتصاديات المصافي الحيوية الشاملة مع الحفاظ على البصمة الكربونية منخفضة قدر الإمكان، في نماذج المصافي الحيوية القديمة، حيث يتم طهي الكتلة الحيوية في الماء والحمض، يكون اللجنين في الغالب غير قابل للاستخدام لأكثر من قيمته الحرارية.
وقال كاي: “ستختار النماذج القديمة حرق اللجنين لتكملة الحرارة والطاقة لهذه المصافي الحيوية لأنها لا تستطيع في الغالب سوى الاستفادة من السكريات الموجودة في الكتلة الحيوية – وهو اقتراح مكلف يترك الكثير من القيمة خارج نطاق الجدول”.
بالإضافة إلى تحسين استخدام اللجنين، يقترح نموذج المصفاة الحيوية CELF أيضًا إنتاج مواد كيميائية متجددة. يمكن استخدام هذه المواد الكيميائية كعناصر بناء للمواد البلاستيكية الحيوية ومركبات نكهة الطعام والشراب، وتمتص هذه المواد الكيميائية بعضًا من الكربون الموجود في الكتلة الحيوية النباتية والذي لا يمكن إطلاقه مرة أخرى إلى الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون.
قال “إن إضافة رباعي هيدروكانابينول (THF) يساعد على تقليل تكلفة الطاقة للمعالجة المسبقة ويساعد على عزل اللجنين، لذلك لن تضطر إلى حرقه بعد الآن. علاوة على ذلك، يمكننا صنع مواد كيميائية متجددة تساعدنا على تحقيق قدرة على الاحتباس الحراري تقترب من الصفر”، “أعتقد أن هذا ينقل الإبرة من الوقود الحيوي من الجيل الثاني إلى الجيل الثاني+.”
منحة قدرها 2 مليون دولار لبناء مصنع تجريبي صغير الحجم
في ضوء النجاحات الأخيرة التي حققها الفريق، منح مكتب تكنولوجيا الطاقة الحيوية التابع لوزارة الطاقة للباحثين منحة قدرها 2 مليون دولار لبناء مصنع تجريبي صغير الحجم لـ CELF في جامعة كاليفورنيا، ويأمل تساي أن يؤدي عرض المصنع التجريبي إلى استثمار واسع النطاق في التكنولوجيا، حيث أن تسخير الطاقة من الوقود الأحفوري يزيد من ظاهرة الاحتباس الحراري ويضر الكوكب.
وقال تساي “لقد بدأت هذا العمل منذ أكثر من عقد من الزمن لأنني أردت أن أحدث تأثيرا. وأردت أن أجد بديلا قابلا للتطبيق للوقود الأحفوري وقد قمت أنا وزملائي بذلك”، “باستخدام CELF، أظهرنا أنه من الممكن إنتاج وقود فعال من حيث التكلفة من الكتلة الحيوية واللجنين والمساعدة في الحد من مساهمتنا في انبعاثات الكربون في الغلاف الجوي.”
