ما هي الكتلة الحيوية؟ وقود المستقبل.. فوائده للكوكب والاقتصاد

أدى الطلب العالمي المتزايد على الطاقة ونضوب مخزونات الوقود الأحفوري إلى تغذية الاهتمام المتزايد بالكتلة الحيوية وأجيالها، وخاصة الوقود الحيوي، في العقد الماضي أو نحو ذلك.

ولكن الأهم من ذلك هو أنه إلى جانب الاكتشافات والتطورات الجديدة خلال القرن العشرين، بدأ البشر يواجهون أيضاً واحدة من أخطر مشاكل العالم ــ تغير المناخ.

وعلى مدى القسم الأعظم من ذلك القرن، كانت الأبحاث المتعلقة بالكتلة الحيوية تتبع أسعار النفط الأحفوري تقريباً.

وكان هناك قلق متزايد بشأن التأثير البيئي لاستخدام الوقود السائل في العقود الخمسة الماضية.

على سبيل المثال، يتم استهلاك تريليونات من براميل البنزين لتزويد مركبات النقل بالوقود كل عام، وقد أدى هذا، إلى جانب المخاوف المزعجة بشأن انبعاثات الكربون، إلى زيادة الاهتمام باستخدام الوقود الحيوي.

وغالبًا ما يصبح استخدامه خيارًا أكثر مراعاة للبيئة لأن توازن الكربون فيه محايد تقريبًا في حين أن الوقود المشتق من الوقود الأحفوري مثل الديزل أو البنزين يضر بالكوكب.

ستتتبع هذه المقالة تطور الكتلة الحيوية وأجيالها الثلاثة، وتناقش خصائصها الرئيسية بالإضافة إلى فوائدها ومزاياها الرئيسية.
ولكن أولاً، دعونا نحدد ما هي الكتلة الحيوية ولماذا يتعين على العالم أن يتحول إلى استخدامها لإنتاج الوقود الحيوي .

ما هي الكتلة الحيوية؟

الكتلة الحيوية هي مادة عضوية متجددة، أي أنها تأتي من الكائنات الحية مثل النباتات والحيوانات.

ولا تزال تشكل مصدرًا مهمًا للوقود في العديد من البلدان وكانت أكبر مصدر لإجمالي استهلاك الطاقة السنوي في الولايات المتحدة حتى منتصف القرن التاسع عشر.

لقد كانت الكتلة الحيوية دائمًا مصدرًا موثوقًا للطاقة والذي تم تضييقه إلى مصادر الكربون المتجددة.

يعد الإيثانول أحد أشهر أنواع الوقود الحيوي في الولايات المتحدة الأمريكية، في حين تُستخدم أنواع أخرى من هذا الوقود، مثل الديزل الحيوي، أيضًا في بلدان أخرى مثل آسيا وأوروبا.

في أوائل القرن التاسع عشر، كان الإيثانول يُطلق عليه اسم “زيت الروح” حتى تم اختباره وتبين أنه مفيد لمحركات الاحتراق الداخلي.

ثم استُبدل الإيثانول بزيت الحوت، ثم تم استبداله بمقطرات البترول للإضاءة، وفي نهاية القرن، تم تقديم الإيثانول في قطاع النقل.

في مطلع القرن العشرين، حلت المنتجات المشتقة من الوقود الأحفوري محل الإيثانول حتى يومنا هذا.

ولكن مع تفاقم قضية النفط الأحفوري الذي يتسبب في ارتفاع درجة حرارة كوكب الأرض، بدأت الكتلة الحيوية في احتلال مركز الصدارة في إنتاج الطاقة.

ورغم وجود العديد من الطرق لإنتاج الطاقة النظيفة من مصادر متجددة أخرى، فإن الكتلة الحيوية تشكل أهمية بالغة لأن هذه المصادر الأخرى لا تنتج الوقود السائل الذي يمكن استخدامه كوقود لمركبات النقل.

ولكن هناك أمر واحد، وهو أن تحويل الكتلة الحيوية إلى وقود حيوي يمثل تحدياً كبيراً.

وكلما ازدادت التركيبة الكيميائية للكتلة الحيوية تعقيداً، كلما أصبحت عملية التحويل أكثر تكلفة.

تعد الولايات المتحدة رائدة سوق الوقود الحيوي، حيث تهدف إلى استبدال 20% من الوقود الأحفوري بالوقود الحيوي بحلول عام 2022.

وفقًا لطريقة إنتاجها والمواد الخام المحددة المستخدمة، يتم تقسيم الكتلة الحيوية إلى ثلاث فئات، تسمى أيضًا الأجيال.

الجيل الأول من الكتلة الحيوية

يأتي الجيل الأول من الكتلة الحيوية من المحاصيل الصالحة للأكل مثل الذرة وقصب السكر، وغالبًا ما ينطوي على إنتاج الإيثانول والديزل الحيوي.

سكريات C6، المخمرة بواسطة الخميرة التقليدية أو المعدلة وراثيًا، هي المادة الخام الأساسية المستخدمة لإنتاج الإيثانول.
والمواد الخام الشائعة المستخدمة لإنتاج الإيثانول الحيوي هي قصب السكر والذرة.

وتشمل المحاصيل الغذائية الأخرى المستخدمة أو التي يُنظر إليها في إنتاج الجيل الأول من الوقود الحيوي الشعير ومصل اللبن ونفايات البطاطس.

الإيثانول الحيوي من قصب السكر

قصب السكر هو مادة خام شائعة لإنتاج الوقود الحيوي، والعملية المتبعة لإنتاج الإيثانول الحيوي بسيطة للغاية. يتم سحق النبات في الماء لاستخراج السكروز، الذي يتم تنقيته لإنتاج الإيثانول أو السكر الخام.

وهذا هو شكل العملية كما هو موضح في دراسة أجراها هاركوم وكالدويل عام 2020 .

تعد البرازيل واحدة من أكبر مستهلكي الوقود الحيوي المستخرج من قصب السكر.

ونظراً لبساطة عملية التحويل، فإن إنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية لقصب السكر مفيد للمنتجين، ومع ذلك، فإن ارتفاع أسعار السكر يخلق مشكلة لسوق الإيثانول الحيوي.

وعندما أصبحت تكلفة إنتاج السكر الخام أرخص من تكلفة إنتاج الإيثانول، اختارت السوق التركيز على الأول. وأصبح إنتاج السكر الخام من قصب السكر أكثر ربحية من إنتاج الإيثانول.

ولكن بفضل الذرة، أصبح إنتاج الإيثانول الحيوي لا يزال قابلاً للتطبيق.

الإيثانول الحيوي من الذرة

الذرة هي مصدر رئيسي آخر لإنتاج الوقود الحيوي. يحتاج هذا المحصول الشائع إلى تحلل أولي للنشا لاستخراج السكريات من الذرة، والتي يتم تخميرها للحصول على الإيثانول.

الخبر السار هو أن تكلفة الإنزيم المستخدم أثناء عملية التحلل المائي ليست باهظة الثمن. وقيمة سوق الذرة ضخمة للغاية، مما يجعلها ليست مشكلة كمصدر للكتلة الحيوية لإنتاج الإيثانول. ناهيك عن أن المنتجات الثانوية لهذه العملية هي أيضًا منتج قيم يستخدم كعلف للحيوانات.

انتاج الديزل الحيوي

إلى جانب الإيثانول، يعد الديزل الحيوي الوقود الحيوي الوحيد القابل للتوسع تجارياً. وعلى عكس العملية البسيطة لإنتاج الإيثانول الحيوي، فإن إنتاج الديزل الحيوي مختلف تماماً لأنه عملية كيميائية.

وبطبيعة الحال، تستخدم هذه الطريقة أيضاً الكتلة الحيوية التي تستخرج في الغالب من البذور والنباتات الزيتية. ومع ذلك، تعتمد عملية الإنتاج نفسها إلى حد كبير على فصل الزيوت الحيوية كيميائياً لتحويلها إلى وقود حيوي.

تتضمن العملية المسماة بالتحول الاستري تحطيم الروابط التي تربط الأحماض الدهنية طويلة السلسلة بالجلسرين، والذي يتم استبداله بعد ذلك بالميثانول.

إن إنتاج الديزل الحيوي يحتاج أيضاً إلى الميثانول، ويعتبر سعره العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على إنتاجه. وهذا يعني أن استخدام مصادر أقل تكلفة مثل الزيوت المستعملة أو الزيوت من النباتات غير الصالحة للأكل أصبح أكثر أهمية.

عيوب الجيل الأول من الكتلة الحيوية

يعتمد إنتاج الإيثانول الحيوي من قصب السكر أو الذرة والديزل الحيوي من الزيوت الصالحة للأكل على الأسعار في السوق العالمية. كما تساهم هذه المواد الخام في تقلبات أسعار الغذاء من خلال التنافس مع إنتاج الغذاء.

كما ذكرنا سابقًا، يعد قصب السكر مادة خام قيمة لإنتاج السكر. لذا فإن استخدامه كمادة خام لإنتاج الإيثانول الحيوي ينافس إنتاج السكر.

وينطبق الأمر نفسه على الذرة، التي يزداد الطلب عليها في صناعة مجموعة متنوعة من المنتجات الغذائية. ففي الولايات المتحدة، تعد الذرة المحصول الرئيسي لإنتاج الحبوب والوجبات الخفيفة وغير ذلك.

علاوة على ذلك، فإن العمليات المشاركة في إنتاج كل من الإيثانول الحيوي والديزل الحيوي يمكن أن يكون لها آثار بيئية سلبية.

على سبيل المثال، توقعت وكالة الطاقة الدولية أن مساحة الأراضي اللازمة لإنتاج الوقود الحيوي من المحاصيل الغذائية سوف تزيد بمقدار ثلاثة إلى أربعة أضعاف على مستوى العالم على مدى العقود المقبلة.

والواقع أن التغير في استخدام الأراضي أسرع كثيراً في أميركا الشمالية وأوروبا، وهو ما يساهم في تفاقم المخاوف بشأن إزالة الغابات.

أضف إلى ذلك الاستهلاك المرتفع للمياه في إنتاج الوقود الحيوي، والواقع أن ندرة المياه، وليس الأرض، تشكل العامل الرئيسي الذي يحد من إنتاج الوقود الحيوي في العديد من المواقف.

يستخدم حوالي 70% من المياه العذبة المستخدمة في جميع أنحاء العالم للأغراض الزراعية، في حين يستخدم إنتاج 50 مليون جالون من الإيثانول سنويًا ما يصل إلى 200 مليون جالون من المياه سنويًا .

وهذا يعني أن إنتاج المزيد من الوقود الحيوي سوف يتطلب المزيد من المياه، وهو ما يساهم في نقص المياه العالمي الذي يواجهه العالم، وهذه التأثيرات السلبية وغيرها تحول انتباه منتجي الوقود الحيوي إلى الجيل التالي من الكتلة الحيوية.

الكتلة الحيوية من الجيل الثاني

يتم إنتاج الوقود الحيوي من الجيل الثاني من مصادر مختلفة، وخاصة من الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزية غير الغذائية، وتأتي مصادر الكتلة الحيوية لإنتاج هذه الفئة من الوقود الحيوي في ثلاثة أنواع:

– متجانسة، مثل رقائق الخشب البيضاء

– شبه متجانسة، ومن الأمثلة على ذلك المخلفات الزراعية والغابات

– غير متجانسة، تشمل مواد أولية منخفضة القيمة مثل النفايات الصلبة البلدية

ما يجعل هذا الجيل من الكتلة الحيوية أكثر جاذبية من سابقه هو انخفاض تكلفة المواد الخام، ففي نهاية المطاف، كان السعر هو الحافز الأكبر للإنتاج. فضلاً عن ذلك، فهو لا يتنافس مع إنتاج المحاصيل الغذائية.

ولكن هناك مشكلة واحدة، ذلك أن تحويل الكتلة الحيوية من الجيل الثاني غالباً ما يكون أكثر تعقيداً ويتطلب تقنيات متقدمة.
تحويل هذا الجيل من الوقود الحيوي ممكن من خلال مسارين مختلفين: الحيوي والحراري، ويظهر الرسم البياني أدناه مخططًا بسيطًا لهذه المسارات الإنتاجية.

إنتاج الكتلة الحيوية الحرارية

وكما يوحي الاسم، يتم تسخين الكتلة الحيوية باستخدام عامل مؤكسد، إذا لزم الأمر، لتحويلها إلى المنتج المطلوب.

وعلى وجه الخصوص، لإنتاج الفحم الحيوي، تمر الكتلة الحيوية بعملية التحميص (التسخين في درجات حرارة منخفضة – 250 درجة مئوية إلى 350 درجة مئوية).

في درجات الحرارة المرتفعة، من 550 درجة مئوية إلى 750 درجة مئوية، يحدث تحويل الكتلة الحيوية في عملية تسمى التحلل الحراري مع منتج رئيسي، وهو الزيت الحيوي. بينما في درجات الحرارة الأعلى بكثير، يتم إنتاج الغاز الاصطناعي في الغالب من خلال التغويز، مع الزيوت الحيوية والفحم الحيوي كمنتجات ثانوية.

اكتسب الفحم الحيوي، وهو وقود حيوي صلب، شعبية كبيرة في الآونة الأخيرة بسبب خصائصه في تقليل انبعاثات الكربون.
وفي بعض أجزاء العالم، تعد الكتلة الحيوية السليلوزية غير مكلفة، مما يجعل إنتاج الفحم الحيوي أكثر ربحية.

ولكن الكتل الحيوية الأكثر تجانساً وتكلفة ليست مرشحة جيدة لتكنولوجيا التحويل المتاحة، فهناك بعض القيود التقنية والاقتصادية التي تحول دون توسيع نطاق العمليات الحرارية باستخدام فئة الكتلة الحيوية هذه.

وهنا قد تكون مصادر الكتلة الحيوية شبه المتجانسة وغير المتجانسة أكثر ملاءمة.

إنتاج الكتلة الحيوية

هذا المسار يشبه عملية استخلاص السليلوز من الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزية، ولكن هذه العملية تأتي مع تحدٍ تكنولوجي: إذ يتعين عليها إنتاج أنقى أنواع السليلوز مع إزالة المثبطات دون استخدام قدر كبير من الطاقة أو الكثير من المواد الكيميائية.

والخبر السار هو أن هناك بديلاً لجعل العملية أقل تكلفة مثل استخدام اللجنين والهيميسليلوز.
لقد اكتسب الليجنين على وجه الخصوص الكثير من الاهتمام في الآونة الأخيرة.

وباعتباره ثاني أكثر البوليمرات الطبيعية وفرة في الأخشاب والنباتات، فإنه يوفر الكثير من المزايا.

ويمكن استخدامه لإنتاج الوقود الحيوي والمواد الكيميائية الحيوية وغيرها من المنتجات الحيوية. وتستخدمه صناعة اللب والورق كوقود، مما يوفر مصدرًا منخفض الكربون لتشغيل هذا القطاع.

وبالإضافة إلى كونه مصدرًا جيدًا للوقود الحيوي، فإن الليجنين مفيد أيضًا في تصنيع المواد الكيميائية عالية القيمة وكذلك المواد اللاصقة نظرًا لمكوناته العطرية. ويقول خبراء الصناعة، إن هذه الكتلة الحيوية من الجيل الثاني يمكن أن تفتح سوقًا جديدة للبلاستيك الحيوي والمواد اللاصقة الحيوية.

حتى أن صناعة البناء وجدت أن اللجنين يعد بديلاً جيدًا للبتومين كمادة رابطة للإسفلت.

يمكن للبتومين الحيوي القائم على اللجنين أن يقلل من انبعاثات الأسفلت المسببة للاحتباس الحراري، لمعرفة المزيد عن مصدر الكتلة الحيوية هذا، اقرأ هذه المقالة .

الكتلة الحيوية من الجيل الثالث

على الرغم من الفوائد والتطبيقات العديدة لليجنين، فإن الكتلة الحيوية الطحلبية، المعروفة أيضًا باسم الوقود الحيوي من الجيل الثالث أو “الوقود الزيتي”، تظهر إمكانات أكبر.

يأتي هذا الوقود الحيوي من الطحالب، التي تتمتع بعائد نمو مميز للغاية مقارنة بالليجنين، إنه أعلى بنحو 10 أضعاف من الوقود الحيوي من الجيل الثاني.

بالإضافة إلى النمو السريع، تحتاج الطحالب إلى مساحة أقل من الأرض، ويمكنها النمو في مناطق غير صالحة للزراعة. ناهيك عن أن المحيطات واسعة بما يكفي لنمو الطحالب وغيرها من مصادر الكتلة الحيوية المائية.

يمكن للطحالب إنتاج جميع أنواع الوقود الحيوي مثل الإيثانول والبيوتانول والديزل الحيوي والبروبانول والبنزين.

يعتمد إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب بشكل أساسي على محتوى الدهون في الميكروبات، لذلك يتم اختيار الأنواع ذات المحتوى الدهني العالي والإنتاجية العالية لهذا الغرض مثل الكلوريلا.

تتمتع الطحالب أو الطحالب الدقيقة أيضًا بقدرة كبيرة على التقاط ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن أو الهواء لعملية التمثيل الضوئي.

وفي ظل ظروف النمو المناسبة، يمكن للطحالب التقاط ثاني أكسيد الكربون بنسبة تصل إلى 99% .

لا عجب أن العديد من الشركات الناشئة تستثمر أموالها ومعارفها في دراسة وزراعة الطحالب والكتلة الحيوية المائية الأخرى لاستخدامها في تقنيات احتجاز الكربون. وقد سخرت هذه الشركات قوة الطحالب كطريقة ميسورة التكلفة لحبس الكربون على نطاق الجيجا طن.

وعلاوة على ذلك، تعمل شركة ناشئة مقرها بورتوريكو على جمع الأعشاب البحرية (السارجاسوم) وتحويلها إلى منتجات عالية القيمة ومحايدة للكربون.

وتشمل هذه المنتجات المنشطات الحيوية، والمستحلبات المستخدمة في مستحضرات التجميل والأدوية، فضلاً عن الجلود الحيوية المستخدمة في صناعة الملابس والأزياء.

ومع ذلك، كما هو الحال مع الجيل الأول والثاني من الوقود الحيوي، هناك بعض التحديات التي تحول دون توسيع نطاق الكتلة الحيوية للطحالب.

تتركز الاهتمامات التكنولوجية بشكل أكبر على تطوير العملية الصحيحة التي يمكنها استخراج الدهون من الكتلة الحيوية المائية.

وهناك أيضًا بعض العمليات المسبقة اللازمة قبل الاستخراج مثل الترشيح لإزالة الماء من الطحالب.

علاوة على ذلك، يتطلب إنتاج الطحالب في الوقود على نطاق صناعي كميات كبيرة من المياه، وهو ما يمثل مشكلة كبيرة للعديد من البلدان، على سبيل المثال، ستجد كندا أن الأمر يشكل تحديًا كبيرًا حيث يمكن أن تكون درجات الحرارة سلبية.

ليس أحدهما أو الآخر، ولكن ربما معًا

من الواضح أن كل جيل من الكتلة الحيوية لديه إيجابياته وسلبياته التي يجب مراعاتها.

لقد أصبح الجيل الأول من الوقود الحيوي راسخًا في جميع أنحاء العالم، على الرغم من أنه يتنافس مع إنتاج الغذاء على استخدام المواد الخام والأراضي الصالحة للزراعة.

وهذا يدفع الاهتمام نحو الجيل الثاني من الكتلة الحيوية حيث تكون المدخلات أقل تكلفة لأنها في الغالب عبارة عن نفايات من الزراعة والغابات والبلديات.

لكن تركيبها أكثر تعقيدًا ويحتاج إلى عمليات أكثر تقدمًا، لذا فإن توسيع نطاق الإنتاج أمر صعب.

وأخيرا، فإن الجيل الثالث من الوقود الحيوي المستخرج من الطحالب يعالج القضايا المتعلقة بالمواد الخام، حيث يمكنه إنتاج الكتلة الحيوية بسرعة أكبر، ويتطلب مساحة أقل من الأرض، ومع ذلك، فإن التكنولوجيا المتاحة لزيادة الإنتاج لا تزال في مراحلها المبكرة، وتحتاج إلى مزيد من الدراسة والتطوير والاستثمار.

في نهاية المطاف، لا يملك العالم خياراً سوى اختيار طرق أكثر خضرة لتزويد المركبات والأشياء التي يستخدمها الناس بالوقود.

وهذا يجعل الوقود الحيوي هو المستقبل، وقد لا يعتمد إنتاجه على جيل واحد بل على مزيج من الأجيال الثلاثة.