ويستمر الطلب العالمي على الطاقة في الارتفاع بينما يكثف الضغط لخفض انبعاثات الكربون، ففي إطار البحث عن بدائل قابلة للاستمرار، اجتذب الوقود الأحيائي المستخرج من الجراثيم تمويلا بحثيا كبيرا وفوائد تجارية، وعلى عكس الجيل الأول من المواد الوسيطة مثل الذرة أو قصب السكر، فإن الطحالب تتيح إمكانية زيادة كبيرة في غلة النفط لكل وحدة من وحدات الأراضي، والزراعة على سطح غير قابل للاحتراق، والتكامل المباشر مع نظم احتجاز الكربون في القطاع الصناعي.

فهم ميكروالغاي كمخزون من الوقود الأحيائي

هذه الكائنات الحية غير المُثلية التي تحوّل ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والمغذيات إلى الكتلة الأحيائية من خلال التخدير الضوئي. وتوجد آلاف الأنواع عبر المياه العذبة والبيئات البحرية والبقعية، وكلها ذات أنواع مختلفة من الشفاه والكربوهيدرات والبروتينات.

وما يميز الطحالب عن محاصيل الطاقة الأرضية هو كفاءتها الاصطناعية في مجال الصور، ففي حين أن المحاصيل التقليدية تحول عادة 0.5 إلى 1.5 في المائة من الطاقة الشمسية إلى الكتلة الأحيائية، فإن بعض السلالات الطحالب تحقق كفاءة تتراوح بين 3 و 5 في المائة في ظل ظروف متفاوتة، وتترجم هذه الميزة البيولوجية مباشرة إلى مقاييس إنتاجية: إذ يمكن أن تصل غلات النفط السنوية إلى 000 10 غالون مقابل 50 غالا تقريبا.

ويتباين محتوى الجراثيم الشبيه تبايناً واسعاً على أساس الأنواع وظروف الزراعة، وفي ظل النمو المغذي، يتراكم العديد من السلالات بنسبة تتراوح بين 15 و25 في المائة من الوزن الجاف، غير أنه عندما تتعرض الخلايا للحد من النيتروجين أو الفوسفوري، يجب أن تعيد توجيه التدفق الميض نحو تخزين الشفاه، مما يؤدي إلى زيادة محتوى الشفاه فوق 50 في المائة في بعض الأنواع.

أهم الملاءمات على المحاصيل التقليدية للوقود الأحيائي

استخدام الأراضي والأمن الغذائي

لا تتطلب زراعة الألغاز أرضاً قابلة للزراعة، إذ أن نظم الإنتاج - البذور العنصلية، والمفاعلات الضوئية، والتصميمات الهجينة - يمكن وضعها في مواقع في صحاري أو هوامش ساحلية أو حقول بنية صناعية، مما يلغي مناقشة الوقود الأحفوري الذي أصابه الإلتهاب الذرة والديون الأحيائي الصويا.

المصدر: المرونة

وقد أدى العديد من سلالات الطحالب التي تزدهر في مجاري المياه المالحة أو المكبوتة أو مياه الصرف الصحي التي لا تناسب الري التقليدي، مما أدى إلى تقليص التنافس على موارد المياه العذبة، ويتيح إمكانية الجمع بين إنتاج الوقود الأحيائي ومعالجة مياه الصرف الصحي البلدية أو الزراعية، كما أن معدلات إزالة المياه النيتروجين والفوسفورية من مجرى المتدفقات، مما يوفر خدمة معالجة مغذية في الوقت نفسه تحسن نوعية النفايات.

دورات الحفش المستمرة

وعلى عكس المحاصيل الموسمية، يمكن جمع الميكروالغايات في محيطات خاضعة للرقابة، وتساند البراغي في المناخات الدافئ 300 يوم أو أكثر من أيام الحصاد سنويا، في حين أن المفاعلات الضوئية المغلقة في المناطق المعتدلة يمكن أن تعمل بأقل قدر ممكن من الوقت الموسمي، وتسهل جداول الصيد المستمرة أو شبه المستمرة سلاسل الإمداد وتسمح للمصافي البيولوجية بالعمل بعوامل أعلى من المرافق التي تعتمد على الآثار المترتبة على الإنتاجية المباشرة.

Carbon Dioxide Sequestration

ويستهلك ألغا ثاني أكسيد الكربون أثناء تركيب الصور بمعدلات أعلى بكثير من النباتات الأرضية، ويضع كيلوغرام واحد من الكتلة الأحيائية للغال الجاف نحو 1.8 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون، مما يجعل الزراعة الطحالب تكنولوجيا طبيعية لاستخلاص الكربون، وعندما تكون المرافق مشتركة مع محطات توليد الطاقة الصناعية، أو أكياس الأسمنت، أو مضاعفات نمو الطاقة الأحيائية الواعدة التي وضعتها الوكالة، يمكن تحديدها.

طرق الإنتاج والتكنولوجيات

نظم زراعة

وتهيمن تشكيلتان للمفاعلات الأولية على زراعة الطحالب: البركات المفتوحة للسباق ومفاعلات التصوير المغلقة، وتتكون البركات المفتوحة من قنوات ضحلة، حيث توزع الطحالب على عمق يتراوح بين 20 و50 سنتيمتراً، وتخفض تكاليف البناء، وتزيد في كثير من الأحيان عن 000 50 دولار إلى 000 100 دولار للهيكتار، ولكن النظم معرضة للتلوث والتبريد وتقلبات في الطوابع.

وقد اكتسبت النظم الهجينة التي تجمع بين انخفاض تكلفة رأس المال للثوابت المفتوحة مع مراقبة عمليات مفاعلات النسخ الضوئي، زخما في السنوات الأخيرة، ويزرع نهج مشترك ضغطا قويا وسريعا في مفاعلات فوتوغرافية مغلقة خلال مرحلة النمو المبكر، ثم ينقل الثقافة إلى بذور مفتوحة لتراكم الدهون، وتخفض هذه الاستراتيجية من مرحلتين إجمالي النفقات الرأسمالية مع الحفاظ على الإنتاجية المقبولة ومقاومة التلوث.

الحفارة والماء

وتُشكل ثقافات الفلزات أحد أكثر الحواجز استمراراً في تكاليف سلسلة الإنتاج، إذ تُعتبر ثقافات الفلزات منقوصة، وتحتوي عادة على ما يتراوح بين 0.5 و 2 غرام من الكتلة الأحيائية للتر الواحد، وتُحدّد نسبة التحلل الأحيائي من الكتلة الأحيائية من متوسط النمو، وتستلزم عمليات كثيفة الطاقة مثل التطهير المركزي، أو التكاثر، أو التكاثر، وتُحقق نسبة التراكم في الإنتاج 50 في المائة من عوامل الاسترداد، ولكنها يمكن أن تُجسّدّدّدّدّدّدّدّدّدّدّها.

وقد استطلع الباحثون النُهج المبتكرة لتطهير المياه، بما في ذلك الكهرباء، والفصل المغناطيسي، والتراكم الأحيائي بواسطة الكائنات المجهرية المتطورة المشتركة، وفي حين لم تحقق أي من هذه الأساليب بعد أهداف التكلفة التي حددتها إدارة الولايات المتحدة لتصنيف الطاقة، بما يعادل 0.10 دولار لكل كيلوغرام من التقدم في الكتلة الحيوية الجافة، تشير إلى أن استخدام قطارات الحصاد المتكاملة يمكن أن يقلل من تكاليف إزالة المياه بنسبة تتراوح بين 20 و20 و0 في المائة.

الاستخراج والتحويل السائلان

وبعد إزالة المياه، يجب استخراج الشحوم من الكتلة الحيوية وتحويلها إلى وقود، فالاستخراج التقليدي للمذيبات باستخدام سداسي فعال ولكن كثيف الطاقة يتطلب نظماً للاسترداد، ويتيح استخراج ثاني أكسيد الكربون بشكل مفرط بديلاً أخضراً، وينتج عن ذلك شفاهات عالية الجودة بدون مذيبات متبقية، وإن كانت معدات الضغط العالية تضيف تكلفة رأسمالية، ويجتذب مباشرةً في تجهيزات الكتلة الحيوية من الطاقة الجافة دون استخدام كميات كبيرة من الطاقة كثيفة.

وبعد استخراج ثلاثي كليريدات، يجري نقلها بالميثانول أو الإيثانول لإنتاج مبيد الميثيل الدهون (بيودزيل) والجليسيرول كمنتج مشترك، وتشمل مسارات التحويل البديلة التحلل الحراري الهيدرولي، الذي يُعمل على إنتاج الكتلة الأحيائية الرطبة بأكملها في زيت أحيائي يمكن تحسينه في مصافي النفط التقليدية، والهيكل الأساسي المتجانس للغاز الحراري.

التحديات الحرجة والحواجز الاقتصادية

القدرة التنافسية على الإنتاج

والعقبة الأساسية التي تواجه الوقود الأحيائي الطحالب هي التكلفة، فالتقديرات الحالية تضع الحد الأدنى لأسعار بيع الوقود للديزل الأحيائي المستخرج من الطحالب في حدود 400 دولار إلى 10 دولارات للغالون الواحد، تبعا لمسار الإنتاج، وحجم النظام، والافتراضات المتعلقة بإيرادات المنتجات المشتركة، ومقارنة، فإن الديزل النفطي قد تداول في نطاق يتراوح بين 2.50 و 400 دولار على مدى العقد الماضي، كما أن قيمة الديزل السلع الأساسية من الصويا أو الرغاة.

إمدادات المغذيات وإعادة تدويرها

ويتطلب استخراج النيتروجين والفوسفور بكميات كبيرة، إذ إن إنتاج 100 مليون غالون من الديزل الأحيائي الطحالب سنوياً سيتطلب نحو 1.5 مليون طن متري من الأسمدة النيتروجينية و000 200 طن متري من الفوسفور، على افتراض الغلة النموذجية الحالية ومحتويات الشفاه، وهذه المطالب المغذية تثير أسئلة تتعلق بالاستدامة وتستحدث تقلبات في التكاليف مرتبطة بالأسواق العالمية للخصم.

برنامج المياه والخسائر الإجلاءية

وتفقد البراغي المفتوحة مياهاً كبيرة للتبخر، ولا سيما في المناطق القاحلة وشبه القاحلة حيث تكون تكاليف الأراضي منخفضة، وترتفع أيضاً درجة الإشعال الشمسي، وتتسبب الخسائر السنوية المتصاعدة من 1 إلى 3 أمتار من المياه لكل عمق بركة، مما يعني أن مرفقاً من مرافق التبريد يستهلك ما بين 1 و3 ملايين متر مكعب من المياه سنوياً من التبريد الضوئي.

الاستقرار في مجال التدريـب والاستمرارية

إن احتفاظها بثقافة احتكارية لضغوط غال عالية الصلع على مدى أشهر أو سنوات من التشغيل المستمر أمر صعب للغاية، فالبركان المفتوحة معرضة تماماً للغزو من جانب الطحالب البرية، والزبائن مثل الدوارات والزهريات، والفروغ المسبب للأمراض والبكتيريا، ويمكن أن تحطم هذه المواد البخارية في أيام، مما يجعل المشغلين يستهلكون في حالات التلوث.

المنجزات الأخيرة والتوجيهات البحثية

الهندسة الوراثية والبيولوجيا الاصطناعية

وقد مكّن التوليف الجينومي للطلاب من وضع برامج لتحسين الإجهاد، وقام الباحثون بتصميم نانينولوجي مضبوطات مع تراكم مضاعف للدهن من خلال الضغط المفرط على ثلاثي كلور حلقيات الكبريت وقمع البوليستات السائلة.

Algae-Bacteria Consortia

Synthetic ecology approaches that co-culture algae with growth-promoting bacteria have shown promise for improving productivity and reducing contamination. Certain bacterial strains fix atmospheric nitrogen, produce vitamins and siderophores that support algal growth, or competitively exclude pathogenic microorganisms. A 2024 field trial in Arizona demonstrated that an algalFday

تكثيف العملية والإنتاج المستمر

وتعاني زراعة البخار التقليدية من التعطل بين دورات الحصاد ونوعية المنتجات المتغيرة، إذ أن استمرار نظم مفاعلات الصور الفوتوغرافية التي تحتفظ بكثافة مستمرة للزنزانات وكتلة أحيائية للحصاد بمعدل ثابت يمكن أن يزيد من الإنتاجية الحجمية بنسبة تتراوح بين 50 و 100 في المائة مع تحسين الاتساق في تركيب الشفاهات، كما أن مصانع التصوير التي تحتفظ بخلايا داخل المفاعل بينما يستخرج باستمرار متوسط الكتلة الحيوية التي تعمل على نحو مستمر().

تقييم المنتجات المشتركة

(أ) لأن محتوى الشحوم لا يمثل سوى جزء من الكتلة الأحيائية الإجمالية، فإن القدرة الاقتصادية تتوقف على توليد الإيرادات من البروتين المتبقي، والكربوهيدرات، وكسور الخنازير، ويمكن أن تحل محل الوجبات البيرفلورية أو الوجبات السمكية في تغذية الحيوانات، مع وجود أسعار تتراوح بين 400 و800 دولار للطن الواحد تبعاً لحجم حمض الأمينو وقابلية للاختراق.

الاعتبارات المتعلقة بالأثر البيئي والاستدامة

دورة الحياة انبعاثات غازات الدفيئة

(أ) تقييمات دورة الحياة الشاملة لنظم الوقود الأحيائي في الطحالب تبين تخفيضات انبعاثات الكربون بنسبة 50 إلى 70 في المائة مقارنة بـ ديزل النفط، بافتراض عمليات الإنتاج الأمثل واستخدام المنتجات المشتركة، وتهيمن آثار غازات الدفيئة على مدخلات الطاقة في الخلط والضخ والتطهير وإمدادات المغذيات، وعندما يتم التخلص من كثافة الكهرباء، فإن انبعاثات دورة الحياة تزيد، وتقترب من حياد الكربون أو حتى من مكافئ ثاني أكسيد الكربون عند مصادر صناعية(24)

تغير استخدام الأراضي والتنوع البيولوجي

لأن الطحالب يمكن أن تزرع على الأراضي المتدهورة أو غير الزراعية، مخاطر تغير استخدام الأراضي غير المباشرة ضئيلة بالمقارنة مع محاصيل الوقود الأحيائي الأرضية، ولكن النشر الواسع النطاق يتطلب الجلوس بعناية لتجنب التأثير على النظم الإيكولوجية الحساسة، ويجب على منشآت الصحراء أن تنظر في استخراج المياه من طبقات المياه الجوفية التي تدعم النباتات المستوطنة والمجتمعات المحلية الحيوانية، والمرافق الساحلية بحاجة إلى إدارة تصريفات المياه الجوفية التي يمكن أن تؤثر على الموائل البحرية.

إعادة تدوير المغذيات والاقتصاد الدائري

إنَّ هضمّات الطاقة المُخدّرة ضرورية لتحقيق الاستدامة في الأجل الطويل، حيث إنَّ الهضم اللاهروائي للكتلة الأحيائية المتبقّية ينتج الغازات الأحيائية من أجل حرارة العمليات والميثان، بينما يعود النتروجين والفوسفور إلى نظام الزراعة، حيث أظهرت دراسة عن عام 2023 من جامعة كامبريدج نظاماً متكاملاً للحفر الجوي للغاز، استرجع 85 في المائة من دورة نمو النيتروجين المتعاقبة و92 في المائة

خاتمة

ويحتل إنتاج الوقود الأحيائي في ألغا موقعاً متميزاً في مشهد الطاقة المتجددة، ولا يوجد أي وسيط آخر يجمع بين الكفاءة الاصطناعية للصور، والمرونة في استخدام الأراضي، وإمكانات إنتاج النفط، والقدرة على احتجاز الكربون في المجموعة نفسها، والأسس البيولوجية سليمة: فالغاز الصغير يمكن أن يحول ضوء الشمس إلى وقود قابل للاستخدام في حالات الكفاءة التي لا يمكن أن تتطابق معها النباتات الأرضية، ويمكن أن تفعل ذلك دون التنافس على موارد إنتاج الأغذية.

ومع ذلك، فإن الفجوة بين الإمكانات البيولوجية والواقع التجاري لا تزال كبيرة، إذ يجب أن تهبط تكاليف الإنتاج بعامل يتراوح بين ثلاثة وخمسة قبل أن يتمكن الوقود المستخرج من الطحالب من التنافس مع منتجات النفط دون إعانات، ويتطلب تحقيق هذا التخفيض من التكاليف استمرار التقدم في تطوير السلالات، والهندسة الزراعية، وتكنولوجيا الحصاد، وتصريف المنتجات المشتركة، وقد تكون التطبيقات الأكثر واعدة في الأسواق ذات القيمة العالية مثل وقود الطائرات، حيث تؤدي البيئة المختلطة إلى توليد أقساطتها واستعدادها.

الاستثمار العام في البحث والتطوير والتظاهر مستمر في دفع التقدم، وقد حققت البرامج التي يديرها U.S. Department of Energy ' Bioenergy Technologies Office، وإطار الاتحاد الأوروبي للتنمية في فترة ما بعد الولادة، والمبادرات الوطنية في الهند والصين، واستثمرت أستراليا مجتمعة أكثر من بليوني دولار في بحوث الوقود الأحيائي في السنة المجرة على مدى العقد الماضي.

ولن تحل مسألة الطاقة العالمية وحدها، فالوقود الأحيائي من أي نوع يواجه قيودا متأصلة في توافر الموارد الإجمالية، ومن المرجح أن يؤدي كهربة النقل في مجال الخدمة الخفيفة إلى خفض الطلب على الوقود السائل في العقود القادمة، غير أنه بالنسبة للمحركات النفطية التي يصعب كشفها، والشحن البحري، والشاحنات الثقيلة، والوقود السائل المكثف من الكتلة الحيوية، لا تزال الخيار العملي المنخفض التكلفة بالنسبة للمحركات النفطية.

إن الطريق من النتائج المختبرية الواعدة إلى الواقع التجاري طويل وغير مؤكد، ولكن المسار يتحرك بوضوح في الاتجاه الصحيح، ويزداد عدد الذين يلتقون ويتراجعون في التكاليف، ويحسن تكامل مسارات إيرادات المنتجات المشتركة من الاقتصاد على مستوى المرافق، ومع استمرار الاستثمار في الهياكل الأساسية للبحوث، والأطر التنظيمية المرنة التي تكافئ على خفض الكربون، واستمرار التعاون بين الباحثين الأكاديميين والممارسين الصناعيين، فإن مزيج الوقود الأحيائي على نطاق عالمي يرتكز على المنتجات الصغرى يُعتبر مساراً ذا مصداقية لكي يصبح مساراً ذا معنى.