Skip to main content
Global

18.6: الوقود الحيوي (طاقة الكتلة الحيوية)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    169298

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    يحتوي الوقود الحيوي (طاقة الكتلة الحيوية) على الطاقة المنتجة من الكائنات الحية، مثل نفايات الحيوانات أو النباتات أو الطحالب. إنه شكل آخر غير مباشر للطاقة الشمسية. للوقود الحيوي العديد من الاستخدامات. يتم حرقها مباشرة أو تحويلها أولاً إلى الإيثانول (غالبًا بمساعدة البكتيريا والفطريات) لتوليد الكهرباء. تنتج الحرارة الناتجة عن الاحتراق البخار وتحول التوربين لتشغيل المولد. يوفر وقود الديزل الحيوي بديلاً للبتروكيماويات لتزويد المركبات بالوقود. حتى أنه تم استخدام الوقود الحيوي لتشغيل الطائرات الصغيرة (الشكل\(\PageIndex{a}\)). علاوة على ذلك، يوفر حرق الخشب أو القش التدفئة.

    طائرة مقاتلة تابعة للبحرية تسمى «جرين هورنيت» تحلق
    الشكل\(\PageIndex{a}\): رحلة تجريبية لـ «Green Hornet»، وهي طائرة مقاتلة تابعة للبحرية تعمل جزئيًا بالوقود الحيوي. الصورة من البحرية الأمريكية (ملكية عامة).

    على عكس الوقود الأحفوري، فإن الوقود الحيوي محايد للكربون (الشكل\(\PageIndex{b}\)). يخزن الوقود الأحفوري الكربون الذي التقطته الكائنات الحية منذ ملايين السنين. عندما نحرقها، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون بسرعة أكبر بكثير مما تمت إزالته. أزال الوقود الحيوي ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي مؤخرًا، وتتشكل على مدى فترات زمنية أقصر. عندما يتم حرق الوقود الحيوي، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون الذي تمت إزالته مؤخرًا مرة أخرى في الغلاف الجوي.

    احتياطي النفط والغاز الطبيعي ومحطة توليد الكهرباء. يطلق الاحتراق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.تنتج المزرعة الوقود الحيوي الذي يتم حرقه. هذه العملية محايدة من حيث الكربون، حيث تعمل على إزالة ثاني أكسيد الكربون وإضافته إلى الغلاف الجوي.
    الشكل\(\PageIndex{b}\): يحتوي الوقود الأحفوري، مثل النفط والغاز الطبيعي، على الكربون الذي تم تخزينه تحت الأرض لملايين السنين. يؤدي احتراق (حرق) هذه الأنواع من الوقود الأحفوري إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، مما يساهم في تغير المناخ. عندما يتم زراعة الوقود الحيوي، فإنه يلتقط ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية التمثيل الضوئي. يؤدي حرقها أو منتجاتها من أجل الحرارة أو النقل أو توليد الكهرباء إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون هذا، الذي تم التقاطه مؤخرًا فقط. لهذا السبب، يعتبر الوقود الحيوي محايدًا للكربون. الصور التي أنشأتها ميليسا ها من NETL/DOE (المجال العام) و publicdomainvectors.org (المجال العام).

    ميزة أخرى للوقود الحيوي هي أنه يمكن إنتاجه محليًا ويمكن زراعته في العديد من المواقع المختلفة. من ناحية أخرى، فإنها تشغل مساحة يمكن استخدامها لإنتاج الغذاء. لزيادة تعقيد الأمور، فإن الخصائص التي تجعل الأنواع النباتية مثالية للوقود الحيوي (مثل مقاومة الآفات والنمو السريع) هي أيضًا خصائص تساعد الأنواع الغازية على الازدهار. يجب توخي الحذر لاحتواء هذه الأنواع إذا نمت خارج نطاقاتها الأصلية.

    يؤدي احتراق النفايات البلدية الصلبة (انظر أدناه) أو النفايات الحيوانية كوقود حيوي إلى تقليل النفايات وتوليد الكهرباء في وقت واحد. على عكس معظم أشكال الطاقة المتجددة، فإن احتراق الوقود الحيوي يلوث الهواء. (لا يمثل ثاني أكسيد الكربون المنبعث مشكلة لأن الوقود الحيوي محايد للكربون، ولكن يتم أيضًا إطلاق ملوثات الهواء الأخرى.) في الواقع، يعد تلوث الهواء الداخلي من الحرائق المستخدمة للطهي داخل المنزل سببًا رئيسيًا للوفاة في البلدان النامية.

    يجب تقييم كل نوع من أنواع الكتلة الحيوية لتأثيرها البيئي والاجتماعي من أجل تحديد ما إذا كانت تعمل حقًا على تعزيز الاستدامة وتقليل الآثار البيئية. على سبيل المثال، لا يعد قطع مساحات كبيرة من الغابات لمجرد إنتاج الطاقة خيارًا مستدامًا لأن متطلباتنا من الطاقة كبيرة جدًا لدرجة أننا سنزيل الغابات من العالم بسرعة، مما يؤدي إلى تدمير الموائل الحيوية. لكي تكون الكتلة الحيوية خيارًا مستدامًا، يجب أن تأتي عادةً من مواد النفايات، مثل نشارة الخشب، أو حمأة مطحنة الورق، أو نفايات الفناء، أو قشور الشوفان من مصنع معالجة دقيق الشوفان، أو روث الماشية، أو القمامة. وإلا فإن هذه المواد سوف تتراكم أو تتحلل. تتم مناقشة العديد من الأمثلة على استخدام الوقود الحيوي أدناه بمزيد من التفصيل، بما في ذلك المزايا والعيوب المحددة لنوع الاستخدام.

    بورنينغ وود

    يمكن أن يحل استخدام الخشب والفحم المصنوع من الخشب للتدفئة والطهي محل الوقود الأحفوري وقد يؤدي إلى انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. إذا تم حصاد الخشب من الغابات أو المساحات الخشبية التي يجب ترقيعها أو من الأشجار الحضرية التي تسقط أو تحتاج إلى قطعها على أي حال، فإن استخدامه للكتلة الحيوية لا يؤثر على تلك النظم البيئية. ومع ذلك، يحتوي دخان الخشب على ملوثات ضارة مثل أول أكسيد الكربون والجسيمات (انظر تلوث الهواء).

    بالنسبة للتدفئة المنزلية، تكون أكثر كفاءة وأقل تلويثًا عند استخدام موقد خشبي حديث أو مدفأة مصممة لإطلاق كميات صغيرة من الجسيمات. ومع ذلك، في الأماكن التي يشكل فيها الخشب والفحم الوقود الرئيسي للطهي والتدفئة كما هو الحال في البلدان النامية، قد يتم حصاد الخشب بشكل أسرع من نمو الأشجار مما يؤدي إلى إزالة الغابات (الشكل\(\PageIndex{c}\)). تأتي الحصة الأكبر من استخدام الوقود الحيوي من الكتلة الحيوية التقليدية، ومعظمها من خشب الوقود الذي يتم جمعه للطهي المنزلي والتدفئة، غالبًا دون اعتبار للاستبدال المستدام.

    أربع خطوات لإنتاج الفحم في أوغندا. الأول هو إزالة الغابات.
    الشكل\(\PageIndex{c}\): إنتاج الفحم في أوغندا. (أ) قطع الأشجار للفحم. (ب) قطع الحطب. (ج) الأخشاب جاهزة لحرق الفحم. (د) معبأة بالفحم وجاهزة للسوق. صورة وتسمية توضيحية (معدلة) من Bamwesigye et al. الاستدامة 2020، 12 (20)، 8337. (تحت قيادة السيارة)

    يمكن استخدام الكتلة الحيوية في محطات الطاقة الصغيرة. على سبيل المثال، كان لدى كلية كولجيت مرجل يعمل بالحطب منذ منتصف الثمانينيات (الشكل\(\PageIndex{d}\)). في عام واحد، قامت الشركة بمعالجة ما يقرب من 20,000 طن من رقائق الخشب المحصودة محليًا وبشكل مستدام، أي ما يعادل 1.17 مليون جالون (4.43 مليون لتر) من زيت الوقود، مما أدى إلى تجنب 13,757 طنًا من الانبعاثات وتوفير أكثر من 1.8 مليون دولار من تكاليف التدفئة للجامعة. تلبي منشأة حرق الأخشاب المولدة بالبخار بالجامعة الآن أكثر من 75٪ من احتياجات الحرم الجامعي من الحرارة والمياه الساخنة المحلية.

    تُظهر الصورة كومة من رقائق الخشب، وهي نوع من الكتلة الحيوية
    الشكل\(\PageIndex{d}\): رقائق الخشب هي أحد الأمثلة على الوقود الحيوي الذي يمكن حرقه لتوليد الكهرباء. المصدر: أولريتشولريش

    النفايات البلدية الصلبة

    تُعرف النفايات الصلبة البلدية (MSW) عمومًا باسم القمامة ويمكنها توليد الكهرباء عن طريق حرقها مباشرة أو عن طريق حرق الميثان الناتج أثناء تحللها. تكتسب عمليات تحويل النفايات إلى طاقة اهتمامًا متجددًا لأنها يمكن أن تحل مشكلتين في وقت واحد: التخلص من النفايات وإنتاج الطاقة من مورد متجدد. تتشابه العديد من التأثيرات البيئية مع تلك الخاصة بمحطة الفحم: تلوث الهواء وتوليد الرماد وما إلى ذلك نظرًا لأن مصدر الوقود أقل توحيدًا من الفحم والمواد الخطرة التي قد تكون موجودة في MSW، تحتاج المحارق ومحطات توليد الطاقة من النفايات إلى طاقة لتنظيف الغازات من المواد الضارة. تنظم وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة هذه المصانع بشكل صارم للغاية وتتطلب تركيب أجهزة مضادة للتلوث. أيضًا، أثناء الحرق في درجة حرارة عالية، قد تتحلل العديد من المواد الكيميائية السامة إلى مركبات أقل ضررًا. قد يحتوي الرماد من هذه النباتات على تركيزات عالية من المعادن المختلفة التي كانت موجودة في النفايات الأصلية. إذا كان الرماد نظيفًا بدرجة كافية، فيمكن «إعادة تدويره» كغطاء لدفن النفايات الصلبة أو لبناء الطرق والكتل الأسمنتية والشعاب الاصطناعية (على غرار الشعاب المرجانية، ولكن تم بناؤها من قبل البشر).

    غاز مكبات النفايات (الغاز الحيوي)

    غاز مدافن النفايات (الغاز الحيوي) هو نوع من الغاز «الحيوي» من صنع الإنسان كما هو موضح أعلاه (الشكل\(\PageIndex{e}\)). يتكون الميثان نتيجة للعمليات البيولوجية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، ومدافن النفايات، والتسميد اللاهوائي، وأنظمة إدارة روث الماشية. يتم التقاط هذا الغاز وحرقه لإنتاج الحرارة أو الكهرباء. قد تحل الكهرباء محل الكهرباء الناتجة عن حرق الوقود الأحفوري، مما يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. الآثار البيئية الوحيدة هي من بناء المصنع نفسه، على غرار مصنع الغاز الطبيعي.

    جمع ومعالجة واستخدام غاز مدافن النفايات
    الشكل\(\PageIndex{e}\): جمع ومعالجة غاز مدافن النفايات لإنتاج الميثان لاستخدامات متعددة. أولاً، يتم جمع غاز المكب من بئر غاز المكب. نظام الأنابيب الرأسية والأفقية المدفونة في مكب النفايات البلدية الصلبة. ثم تتم معالجة غاز المكب ومعالجته للاستخدام (المنفاخ/التوهج/المعالجة). تشمل الاستخدامات النهائية المحتملة الاستخدامات الصناعية/المؤسسية والفنون والحرف وغاز خطوط الأنابيب ووقود المركبات. الصورة والتعليق (تم تعديلهما) من برنامج التوعية بالميثان في مدافن المدفن/EPA (المجال العام).

    الإيثانول الحيوي والديزل الحيوي

    يعتبر الإيثانول الحيوي والديزل الحيوي من الوقود الحيوي السائل الذي يتم تصنيعه من النباتات، وعادة المحاصيل. يمكن تخمير الإيثانول الحيوي بسهولة من عصير قصب السكر، كما هو الحال في البرازيل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تخميره من نشا الذرة المكسور، كما يحدث بشكل أساسي في الولايات المتحدة.

    يجب النظر في الآثار الاقتصادية والاجتماعية لزراعة النباتات للوقود، حيث يمكن استخدام الأرض والأسمدة والطاقة المستخدمة لزراعة محاصيل الوقود الحيوي لزراعة المحاصيل الغذائية بدلاً من ذلك. يمكن أن تؤدي منافسة الأرض على الوقود مقابل الغذاء إلى زيادة أسعار الغذاء، مما يؤثر سلبًا على المجتمع. كما يمكن أن يقلل من الإمدادات الغذائية مما يزيد من سوء التغذية والمجاعة على مستوى العالم. أيضًا، في بعض أنحاء العالم، تم قطع مساحات كبيرة من النباتات الطبيعية والغابات لزراعة قصب السكر للإيثانول الحيوي وفول الصويا وأشجار زيت النخيل لصنع وقود الديزل الحيوي. هذا ليس استخدامًا مستدامًا للأراضي. يقلل الوقود الحيوي المشتق من أجزاء النباتات غير المستخدمة في الغذاء، مثل السيقان، من تأثيرها البيئي. يمكن تصنيع وقود الديزل الحيوي من الزيوت النباتية المستعملة وقد تم إنتاجه على أساس محلي للغاية. بالمقارنة مع الديزل، وهو مادة بتروكيماوية مشتقة من النفط الخام، ينتج احتراق وقود الديزل الحيوي كميات أقل من أكاسيد الكبريت والمواد الجسيمية وأول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة وغيرها من الهيدروكربونات، ولكنه ينتج المزيد من أكسيد النيتروجين (انظر تلوث الهواء).

    عادةً ما يحل الوقود الحيوي السائل محل البترول ويستخدم لتشغيل المركبات (الشكل\(\PageIndex{f}\)). على الرغم من أن مخاليط الإيثانول والبنزين تحترق بشكل أنظف من البنزين النقي، إلا أنها أيضًا أكثر تقلبًا وبالتالي تحتوي على «انبعاثات تبخرية» أعلى من خزانات الوقود ومعدات التوزيع. تساهم هذه الانبعاثات في تكوين أوزون وضباب دخاني ضار على مستوى الأرض (انظر تلوث الهواء). يتطلب البنزين معالجة إضافية لتقليل انبعاثات التبخر قبل مزجه بالإيثانول.

    يقول الجزء الأمامي من الحافلة: «برنامج نبراسكا فول الصويا» وتقول سرادق الحافلة «وسط المدينة».
    الشكل\(\PageIndex{f}\): حافلة تعمل بوقود الديزل الحيوي من فول الصويا. صورة وتعليق (معدلان) من وزارة الطاقة الأمريكية (ملكية عامة).

    الإسناد

    تم تعديله بواسطة ميليسا ها من الطاقة المتجددة وتحديات وتأثيرات استخدام الطاقة من البيولوجيا البيئية بواسطة ماثيو آر فيشر (مرخص بموجب CC-BY)