الطاقة الحيوية

طوّر رودولف ديزل محركه ذا الاشتعال بالضغط خلال تسعينيات القرن التاسع عشر، واكتمل أول نموذج ناجح منه عام 1897. في معرض باريس عام 1900، عُرض محرك ديزل صغير صنعته شركة أوتو الفرنسية وهو يعمل بزيت الفول السوداني بطلب من الحكومة الفرنسية. كان المحرك مصمماً للزيوت العادية، لكنه عمل بالزيت النباتي من دون تعديل.

يمكن تخزين الكتلة الحيوية والوقود الحيوي لفترات طويلة واستخدامهما كلما دعت الحاجة إلى الطاقة، ما يمنح البلدان أمن الطاقة طوال العام. لكن هذا يعتمد على نوع الوقود الحيوي، وهناك استثناءات. يختلف عمر التخزين كثيراً حسب الوقود وتركيبته وظروف تخزينه، وبعض أنواع الوقود الحيوي أقل استقراراً بكثير من غيرها ^{[58-64,66,68]}.

على سبيل المثال، تتأثر كريات الخشب وغيرها من الكتلة الحيوية الصلبة بشكل خاص بالرطوبة ودرجة الحرارة والتهوية وطريقة التعامل. ويمكن أن تؤدي الظروف السيئة إلى تحلل بيولوجي أو فقدان محتوى الطاقة أو التسخين الذاتي، بينما يمكن للتخزين الجاف وجيد التهوية أن يحافظ على جودتها ^[60,61].

يتمتع وقود حيوي طويل الأمد مثل HVO (الزيت النباتي المعالج بالهيدروجين) بمقاومة عالية للأكسدة، ويمكن أن يدوم لنحو 10 سنوات قبل أن يتحلل وفقاً للموردين، إذا حُفظ في ظروف تخزين مناسبة ^A. وتدعم أبحاث مستقلة أيضاً الاستقرار المرتفع نسبياً لـ HVO، بما في ذلك عند مزجه في خلطات الديزل الحيوي - الديزل ^[64]. يعتمد استقرار الديزل الحيوي FAME (إسترات ميثيل الأحماض الدهنية) بدرجة كبيرة على تركيب أحماضه الدهنية: فعادةً ما تكون أنواع FAME المشبعة أكثر استقراراً وتدوم أطول من أنواع FAME غير المشبعة، بحسب النفايات المستخدمة لصنعها. لذلك، يمكن أن تؤثر المادة الخام الأصلية المستخدمة لصنع الوقود الحيوي بشكل كبير في مدة تخزينه ^[62,63].

رغم أن الديزل الحيوي قابل للتحلل البيولوجي بسهولة، فإن تدهوره أثناء التخزين يحدث أساساً بسبب الأكسدة والتلوث، لا بسبب قابليته للتحلل البيولوجي نفسها. ويمكن للحرارة والتعرض للهواء أو الضوء أو الماء أو بعض المعادن أن تسرّع التحلل، بينما تستطيع مضادات الأكسدة وظروف التخزين المناسبة إبطاءه ^[58,62,63]. وتفيد إحدى الدراسات بأن الديزل الحيوي يمكن تخزينه لمدة 6 أشهر قبل أن يبدأ بالتدهور، وبعد عام قد لا يعود مناسباً للاستخدام المباشر في المحركات ^[58,59].

يمكن أن يؤدي صنع خلطات من الوقود الحيوي (مثل خلط الديزل الحيوي FAME مع ديزل النفط أو HVO) إلى تحسين الاستقرار وزيادة مدة التخزين، مع الحفاظ على فعاليته كوقود بديل مباشر للمحركات العادية، رغم أن النتيجة تعتمد على أنواع الوقود ونسبها ^{[58,59,62,64]}.

تُحسَّن أنواع الديزل الحيوي النانوي المصممة خصيصاً بجسيمات نانوية تقلل قابليتها للأكسدة، ولذلك يمكن أن تبقى مستقرة لفترة أطول بكثير ^[59]. ويمكنها أيضاً تحسين احتراق الوقود وكفاءة الطاقة، مع خفض بعض الملوثات. لكن آثارها تعتمد على المادة والتركيز والوقود والمحرك، وقد تزيد بعض التركيبات انبعاثات أكاسيد النيتروجين ^B.

للوقود الحيوي أعمار تخزين أقصر من الوقود الأحفوري العادي (لكن HVO استثناء بارز). ومع ذلك، يمكن أن يساعد في معالجة مشكلة التقطع التي تخلقها طاقة الرياح/الشمس: فحتى الوقود الحيوي المخزن لأشهر بدلاً من سنوات يمكن أن يوفر طاقة احتياطية جاهزة للتشغيل وأمن الطاقة خلال فترات ضعف توليد الرياح أو الطاقة الشمسية، إذا توفرت مخزونات ومعدات كافية ^[23,66,68]. وحيثما تُدار المواد الخام وسلاسل التوريد بشكل مستدام، يمكنها المساهمة في الحياد الكربوني وجهود خفض الانبعاثات على نطاق أوسع ^{[19-22,72-76]}.

^A كيفية تخزين وقود HVO لضمان طول العمر والسلامة | Vectec

^B تطبيقات تكنولوجيا النانو في احتراق الديزل الحيوي ومراحل ما بعد الاحتراق | Renewable and Sustainable Energy Reviews

الطاقة الحيوية ليست محايدة كربونياً تلقائياً. يعتمد أثرها المناخي على المواد الأولية، وإعادة النمو، وما كان سيحدث للأرض أو المادة لولا ذلك، وانبعاثات سلسلة الإمداد، والوقت اللازم لإعادة امتصاص CO₂ المنطلق. قد تكون لمسارات النفايات والمخلّفات انبعاثات منخفضة نسبياً، بينما قد يؤدي تغيّر استخدام الأراضي أو حصاد الغابات بطيئة النمو إلى دين كربوني يستمر سنوات أو عقوداً.

انظر: محاسبة الكربون للوقود الحيوي المستدام - تحليل | IEA

في البرازيل، أُزيلت ملايين الهكتارات من الغابات المطيرة والسافانا وغيرها من النظم البيئية الأصلية لأغراض زراعية، منها إنتاج فول الصويا وقصب السكر.

ربطت Trase محصول الصويا البرازيلي لعام 2020 بـ 562,000 هكتار - 5,620 كيلومتر مربع - من إزالة الغابات وتحويل الغطاء النباتي الأصلي حديثاً. وشمل ذلك نحو 76,400 هكتار في الأمازون و23,600 هكتار في الغابة الأطلسية، رغم أن معظم ذلك حدث في السيرادو والبامباس. وشهد إقليم السيرادو الحيوي، وهو منطقة مهمة للصويا وقصب السكر، تحويلات واسعة للأراضي بشكل خاص ^[82,83]. تربط هذه الأرقام إنتاج الصويا البرازيلي بتحويل أراضٍ يُقاس بآلاف الكيلومترات المربعة، بما فيها مساحات كبيرة من الغابات المطيرة.

يرتبط كل من الصويا وقصب السكر بصناعة الوقود الحيوي في البرازيل ^[78,80,81]. ويُحوَّل نحو نصف قصب السكر البرازيلي إلى إيثانول ^C. ويُزرع فول الصويا أساساً كعلف للحيوانات، لكنه ينتج زيت الصويا كمنتج جانبي يوفر نحو 70% من الديزل الحيوي في البلاد ^D. وفي أنحاء أمريكا الجنوبية، زادت المساحة المزروعة بالصويا إلى أكثر من ضعفها، من 26.4 مليون هكتار عام 2000 إلى 55.1 مليون هكتار عام 2019 ^[82]. ويمكن لتوسع هذه المحاصيل أن يدفع إزالة الغابات مباشرة، حين تحل المحاصيل محل النباتات الأصلية، أو بشكل غير مباشر، حين يؤدي التوسع في الأراضي الزراعية القائمة إلى دفع رعي الماشية أو أنشطة أخرى نحو مناطق أُزيلت غاباتها حديثاً ^[78-82,84].

إزالة الغابات المرتبطة بالصويا في البرازيل أكبر بكثير من الإزالة المباشرة لأجل قصب السكر ^[80-83]. ومنذ عام 2009، قيّدت سياسة التقسيم الزراعي-البيئي لقصب السكر (ZAE Cana) توسع قصب السكر في الأقاليم الحيوية المهمة مثل الأمازون وبانتانال (رغم إلغاء السياسة في 2019، ما زاد المخاوف بشأن إزالة الغابات) ^[81]. لذلك تركزت زراعة قصب السكر تاريخياً في المناطق الوسطى والجنوبية خارج الأمازون، وغالباً في أراضٍ زراعية قائمة أو مراعي متدهورة أو السيرادو. ولذلك فإن مساهمتها المباشرة في خسارة الغابات المطيرة في الأمازون أقل بكثير من مساهمة الماشية أو الصويا. ومع ذلك، يمكن لتوسعها في السيرادو أو في المراعي أن يحل محل النباتات الأصلية أو يدفع أنشطة زراعية أخرى إلى أماكن جديدة، مما يزيد ضغوط إزالة الغابات الأوسع ^[78,80,81]. وفي الواقع، توقعت إحدى دراسات النمذجة عام 2010 أن يكون توسع إيثانول قصب السكر قد ساهم بشكل غير مباشر في نحو 50,000 كم² (5 ملايين هكتار) من إزالة الغابات بحلول 2020، إلى حد كبير عبر دفع مراعي الماشية نحو مناطق الغابات ^[85].

لذلك يمكن للطلب على الوقود الحيوي أن يساهم في إزالة الغابات عبر زيادة الطلب على إيثانول قصب السكر وزيت الصويا للديزل الحيوي. لكن لا يمكن نسبة كامل المساحة المتضررة إلى الوقود الحيوي تحديداً: فالصويا توفر أيضاً علف الحيوانات ومنتجات غذائية، وقصب السكر يوفر السكر أيضاً، وكانت مساحات كبيرة من الغطاء النباتي الذي جرى تحويله من السافانا أو الأراضي العشبية لا من الغابات المطيرة. ومع ذلك، وبالنظر إلى حجم التحويل المرتبط بالصويا والآثار المباشرة وغير المباشرة المرتبطة بكلا المحصولين، يبقى من المعقول، كتقدير تقريبي للحجم، القول إن آلاف الكيلومترات المربعة من الغابات المطيرة البرازيلية أُزيلت جزئياً لتوفير محاصيل الوقود الحيوي، وإن لم يكن ذلك إجمالياً دقيقاً للوقود الحيوي وحده ^[78-84].

^C توزيع قصب السكر البرازيلي بين السكر والإيثانول | Reuters

^D نحو 70% من الديزل الحيوي البرازيلي يأتي من فول الصويا | Reuters

قراءة إضافية:

اندفاع قصب السكر في البرازيل يخلق تهديداً جديداً لغابات الأمازون المطيرة | Sierra Club

نمو قصب السكر في البرازيل يمكن أن يلبي الحاجة إلى الوقود الحيوي من دون دفع إزالة الغابات: دراسة | Mongabay

تصحيح: من المتوقع أن يأتي نحو 55% من التزامات وقود الطيران المستدام واتفاقات التوريد التي أعلنتها شركات الطيران الأوروبية علناً من الزيوت والدهون المستعملة، بما فيها الدهون الحيوانية وزيوت الطهي المستعملة وغيرها من الزيوت المهدرة. هذا يصف الاتفاقات والعقود المخطط لها، لا الوقود المستخدم بالفعل كما ورد في الفيديو.

لا يمكن لتقنية BECCS أن تحقق انبعاثات سلبية صافية إلا عندما يؤدي نمو الكتلة الحيوية مجددًا إلى إزالة CO₂ من الغلاف الجوي فعلًا، ويُخزَّن من هذا CO₂ بشكل دائم مقدار أكبر مما يُطلَق طوال العملية كلها. في الواقع، لا يعتمد ذلك فقط على الانبعاثات الناتجة في منشأة الطاقة الحيوية. بل يعتمد أيضًا على انبعاثات سلسلة الإمداد واستخدام الأراضي وموازين الكربون طويلة الأمد المرتبطة بها. ويشمل ذلك: الكربون المفقود من الغطاء النباتي والتربة؛ والوقت اللازم لنمو الكتلة الحيوية مجددًا؛ والانبعاثات من الزراعة والأسمدة والحصاد والمعالجة والنقل؛ والطاقة المستخدمة لاحتجاز CO₂ وضغطه وحقنه، وأي CO₂ لا يجمعه نظام الاحتجاز. ويجب أيضًا احتساب غازات الدفيئة الأخرى، مثل الميثان وأكسيد النيتروز. لذلك يعتمد الرصيد النهائي على المادة الأولية وإدارة الأراضي ومعدل الاحتجاز ومصادر الطاقة والإطار الزمني المدروس ^{[72-76,97-102,118-121]}.

للتخزين طويل الأمد، يُضغط CO₂ المحتجز عادةً ويُحقن في تكوينات صخرية عميقة ومسامية، مثل تكوينات المياه المالحة أو مكامن النفط والغاز المستنفدة. في الواقع، يشغل CO₂ مساحات صغيرة داخل الصخر بدلًا من أن يملأ ببساطة كهفًا كبيرًا تحت الأرض أو بئر منجم. ويُعد الاختيار الدقيق للموقع، والآبار الآمنة، وإدارة الضغط، والمراقبة، والإشراف طويل الأمد، ضروريًا لإبقائه محبوسًا ^{[118,127,128]}.

الشاغل الرئيسي بشأن التسرب هو هروب CO₂ المحتجز أثناء النقل أو الحقن، أو لاحقًا عبر الصدوع والشقوق أو الآبار المتضررة أو سيئة الإحكام. وتتعلق الأدلة في [125-128] إلى حد كبير بمسارات التسرب المحتملة والتجارب المضبوطة والنمذجة وتقييم المخاطر؛ ولا تشير إلى أن التسرب شائع في مواقع التخزين التجارية المُدارة جيدًا. ومن المتوقع أن تحتفظ التكوينات الجيولوجية المختارة والمراقبة جيدًا بكل CO₂ المحقون تقريبًا لفترات طويلة جدًا، رغم أنه لا يمكن اعتبار الخطر معدومًا. ويجب طرح أي CO₂ يتسرب من الإجمالي المُعلن أنه أُزيل من الغلاف الجوي، ومعالجته عبر المراقبة المستمرة والإصلاح.

يمكن زراعة الطحالب الدقيقة في أحواض مفتوحة أو مفاعلات حيوية ضوئية مغلقة على أراضٍ غير صالحة للزراعة أو متدهورة أو مالحة أو منخفضة القيمة لسبب آخر، مما يتجنب المنافسة المباشرة مع محاصيل الغذاء التقليدية. ومع ذلك، تحتاج المواقع المناسبة إلى ضوء وماء ومغذيات وCO₂ كافية، فيما تعتمد مساحة الأرض المطلوبة على نوع الطحالب والمناخ المحلي ونظام الزراعة. ولأن الطحالب تنمو بسرعة ويمكن أن تنتج وقوداً أكثر لكل وحدة من الأرض مقارنة بمحاصيل الوقود الحيوي التقليدية، فقد تكون احتياجاتها الإجمالية من الأراضي أقل بكثير ^[129-134].

لا تحتاج الأعشاب البحرية إلى أراضٍ زراعية ولا إلى مياه عذبة. ويمكن لمزارع الأعشاب البحرية أن توفر موائل مؤقتة للأسماك واللافقاريات، وتمتص المغذيات الزائدة، وترفع مستويات الأكسجين وpH محلياً، وتقلل طاقة الأمواج. وتعتمد فوائد التنوع الحيوي على الأنواع المزروعة وحجم المزرعة وتخطيطها وحركة المياه والموقع وممارسات الحصاد. ويمكن لاختيار الموقع بعناية أن يعظم هذه الفوائد مع تجنب الإضرار بالموائل الموجودة، مثل مروج الأعشاب البحرية، أو إدخال أنواع غير محلية ^[135-140].

تستخدم خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) البكتيريا لتفكيك المواد العضوية في مياه الصرف ونقل الإلكترونات المنطلقة إلى قطب كهربائي، مما يولد تياراً كهربائياً. تساعد إزالة هذه المواد العضوية على تنظيف مياه الصرف، لكن خلايا الوقود الميكروبية لا تنفذ عادةً كل مراحل المعالجة بمفردها: فقد تظل هناك حاجة إلى معالجة إضافية لإزالة ما تبقى من المواد العضوية والمغذيات ومسببات الأمراض ^[141-144].

في الواقع، قد تأتي فائدتها الاقتصادية الرئيسية من خفض الكهرباء اللازمة للمعالجة، لا من توليد كميات كبيرة من الطاقة الفائضة التي يمكن استخدامها في أماكن أخرى. تستخدم معالجة مياه الصرف التقليدية طاقة كبيرة لضخ الأكسجين إلى الماء. يمكن لخلايا الوقود الميكروبية تقليل جزء من هذه التهوية، مع استعادة كمية صغيرة من الطاقة الكيميائية في مياه الصرف على شكل كهرباء، مما قد يخفض إجمالي الطلب على الطاقة في محطة المعالجة. معاً، قد تجعل هذه الفوائد معالجة مياه الصرف أرخص في النهاية. لكن حالياً، تعني تكاليف البناء والمواد المرتفعة أن ذلك لم يُثبت بعد بشكل ثابت على نطاق تجاري ^[141-143].

قد لا يتطلب الوصول إلى هذه المرحلة أن تعظم خلايا الوقود الميكروبية إنتاج الكهرباء. بعبارة أخرى، النظام الذي ينتج أكبر قدر من الكهرباء ليس بالضرورة نظام المعالجة الأكثر اقتصاداً. وجدت إحدى الدراسات التقنية الاقتصادية أن مواد الأقطاب الأرخص يمكن أن توفر معالجة لمياه الصرف أكثر جدوى من حيث التكلفة رغم أنها تنتج كهرباء أقل ^E. يشير هذا إلى أن تطوير خلايا الوقود الميكروبية عملياً قد يستفيد من إعطاء الأولوية للمعالجة الميسورة بدلاً من أقصى إنتاج كهربائي.

لكن إنتاج الكهرباء يظل منخفضاً، خصوصاً كلما أصبحت مياه الصرف أنظف وبقيت مواد عضوية أقل لتستهلكها البكتيريا. ويجب على الأنظمة الأكبر أيضاً التغلب على تكاليف الأقطاب والأغشية، والتلوث المتراكم، وتفاوت الأداء، ومشكلات الموثوقية على المدى الطويل. أظهرت دراسة تجريبية بسعة 1,000 لتر أن التقنية يمكن أن تعمل بمياه صرف بلدية حقيقية، لكنها حققت معالجة جزئية وتوليداً متواضعاً للكهرباء. لذلك، تظل خلايا الوقود الميكروبية حالياً في الأساس وسيلة تجريبية تجمع بين معالجة مياه الصرف واستعادة الطاقة على نطاق صغير، بدلاً من أن تكون مصدراً رئيسياً للكهرباء ^[141-144].

^E التضحية بالطاقة من أجل معالجة أكثر جدوى من حيث التكلفة: نهج تقني اقتصادي لهندسة خلايا الوقود الميكروبية | Chemosphere