تقنية جديدة تحول مياه الصرف الصحي إلى وقود طيران مستدام مع إمكانية خفض الانبعاثات 70%
مسار تحويل النفايات إلى وقود للطائرات يقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون مقارنة بوقود الطائرات التقليدي
الوقود المستدام للطائرات المصنوع من مواد متجددة مثل الكتلة الحيوية والنفايات الزراعية يتمتع بإمكانات هائلة لإزالة الكربون من صناعة الطيران، ولكن التبني الواسع النطاق لم يبدأ بعد.
يشكل وقود الطيران المستدام أقل من 1% من الوقود المستخدم في صناعة الطيران، في حين يساهم وقود الطيران بنحو 3% من انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري على مستوى العالم.
إنتاج وقود الطيران المستدام الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة والأرخص والأقل تكلفة من حيث التكلفة مع وقود الطائرات القائم على الوقود الأحفوري أمر بالغ الأهمية للاستخدام التجاري على نطاق واسع.
الآن، نجح العلماء في مختبر أرجون الوطني في تطوير تقنية جديدة تخلق وقودًا متجددًا منخفض التكلفة يمكنه خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في صناعة الطيران بنسبة تصل إلى 70%، وقد تم استخدام دورة حياة أرجون والنماذج التقنية والاقتصادية لتحليل التأثيرات البيئية والجدوى الاقتصادية للوقود المتجدد.
تظهر الأبحاث في مجلة الكيمياء والهندسة المستدامة التابعة للجمعية الكيميائية الأمريكية، أن تقنية الهضم اللاهوائي الموقوف عن الميثان (MAAD) الجديدة تحول مياه الصرف الصحي العضوية عالية القوة إلى أحماض دهنية متطايرة، والتي يمكن ترقيتها إلى SAF.
الأحماض الدهنية المتطايرة
قال هاوران وو، باحث ما بعد الدكتوراه في أرجون، إن الأحماض الدهنية المتطايرة، باعتبارها مواد أولية رئيسية لإنتاج الوقود الحيوي المستدام، يمكن أن تلعب دورًا حاسمًا في إزالة الكربون من صناعة الطيران.
وقال وو “إن الأحماض الدهنية المتطايرة من مجاري النفايات يمكن أن تجعل إنتاج الوقود الحيوي أكثر فعالية من حيث التكلفة والاستدامة، وتستخدم تقنية أرجون الجديدة مفاعلاً حيوياً بمساعدة الغشاء لتعزيز إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة”.
يساهم البحث في تعزيز الأهداف الموضحة في تحدي الوقود المستدام للطيران الكبير التابع لوزارة الطاقة والذي يهدف إلى زيادة إنتاج الوقود المستدام للطيران إلى ثلاثة مليارات جالون بحلول عام 2030، والهدف هو إنتاج ما يكفي من الوقود لتلبية 100٪ من الطلب على وقود الطائرات التجارية بحلول عام 2050.
تحويل مجاري النفايات إلى وقود حيوي
هناك طلب متزايد على الوقود الحيوي لإزالة الكربون من القطاعات التي يصعب تحويلها إلى طاقة كهربائية مثل الطيران. إن تحويل الكتلة الحيوية إلى وقود حيوي عملية معقدة تنطوي على متغيرات في المواد العضوية المستخدمة كمواد خام، فضلاً عن تقنيات التحويل والفصل والتنقية لتلبية مواصفات الوقود.
وبدلاً من الاعتماد على الموارد التقليدية مثل الدهون والزيوت والشحوم، استخدم العلماء مياه الصرف الصحي الغنية بالكربون من مصانع الجعة ومزارع الألبان كمواد خام لتكنولوجيتهم المبتكرة. وفي تطور رئيسي، تعمل التكنولوجيا على نزع الكربون العضوي من مجاري النفايات عالية القوة التي يصعب معالجتها بتكلفة فعالة.
قال تيمين كيم، مؤلف الدراسة ومحلل أنظمة الطاقة في شركة أرجون: “كلا مجرى مياه الصرف الصحي غني بالمواد العضوية، ومن ثم فإن معالجتهما باستخدام طرق معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية تتطلب كميات كبيرة من الكربون، ومن خلال استخدام تقنيتنا، فإننا لا نعالج مجاري النفايات هذه فحسب، بل ونصنع أيضًا وقودًا مستدامًا منخفض الكربون لصناعة الطيران”.
وتفتح تقنية أرجون أيضًا آفاقًا جديدة في تحويل مجاري النفايات هذه إلى وقود استوائي منزلي.
الهضم اللاهوائي هو تقنية راسخة لتحويل الكتلة الحيوية إلى غاز الميثان ثم إلى وقود حيوي. وتركز تقنية الهضم اللاهوائي، التي طورتها ميلتم أورجون ديميرتاس، مديرة قسم المواد والعمليات المستدامة في أرجون، بدلاً من ذلك على إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة (مثل حمض الزبد) وحمض اللاكتيك.
ومع ذلك، تعمل أحماض اللاكتيك على الحد من إنتاج SAF من الأحماض الدهنية المتطايرة. وتتغلب تقنية Argonne MAAD على هذا القيد لزيادة إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة.
وقال وو “إن حمض اللاكتيك يخفض كفاءة الكربون عند تحويل الأحماض الدهنية المتطايرة إلى أحماض دهنية متطايرة. ولذلك فإن التحول من عملية التحويل من حمض اللاكتيك إلى إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة هو أمر أساسي”.
وفي ابتكار جديد آخر، طور العلماء طريقة فصل كهروكيميائية لتعزيز تقنية MAAD بمساعدة الغشاء.
قال أورجون ديميرتاس، الباحث الرئيسي في البحث: “لقد قمنا بتطوير عملية استعادة المنتج في الموقع لزيادة وقت الاحتفاظ في الهضم بمساعدة الغشاء، مما سمح للمجتمعات الميكروبية المرنة مع منتجي حمض الزبد بكثرة وزيادة إنتاجية الحمض وتركيزه، وبالتالي تقليل تكلفة إنتاج الحمض وسمية الحمض”.
تحليل التأثيرات الاقتصادية والبيئية
وباستخدام البيانات التجريبية، استخدم العلماء أدوات المحاكاة والنمذجة المتقدمة في مركز أرجون لتصميم ثلاثة مسارات محتملة لتحويل النفايات إلى وقود الطائرات المستدام، وقارنوها بالوقود النفاث التقليدي المنتج من الوقود الأحفوري.
وباستخدام نماذج العمليات، أجرى العلماء تحليلاً تقنياً واقتصادياً وتحليلاً لدورة حياة المسارات، وأُجري تحليل دورة الحياة باستخدام نموذج البحث والتطوير لغازات الاحتباس الحراري والانبعاثات المنظمة واستخدام الطاقة في التكنولوجيا (R&D GREET) التابع لشركة Argonne لتقييم تأثيرات غازات الاحتباس الحراري من الإنتاج إلى الاستخدام النهائي.
يقول العلماء إن مسار تحويل النفايات إلى وقود للطائرات يقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون مقارنة بوقود الطائرات التقليدي.
كما تعمل الدراسة على توسيع استخدام مواد النفايات الأقل استخدامًا في وقت يؤدي فيه الطلب على المواد الخام الحيوية النموذجية لوقود الطائرات المستدام إلى نقص.
وفي حين سيستمر البحث، يأمل العلماء في نهاية المطاف أن يتمكنوا من تسويق العملية التي تنتظر الحصول على براءة اختراع وتوسيع نطاق التكنولوجيا للاستخدام على نطاق واسع.
وقال وو “إن تصميم تقنية بمساعدة الغشاء قادرة على تحقيق خفض بنسبة 70% في انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري بتكلفة مماثلة للوقود النفاث التقليدي يشكل تقدماً كبيراً”،”سنواصل العمل على تعزيز الاستدامة والبدء في استكشاف مواد خام أخرى لاستخدامها مع تقنيتنا”.
