Table of Contents

وقد برزت الغازات الأحيائية كمصدر حرج للطاقة المتجددة، تولد من خلال الهضم اللاهوائي للمواد العضوية مثل النفايات الزراعية، ورشات مدافن القمامة، والنفايات الصلبة البلدية، ويعترف على نطاق واسع بدور هذه المادة في خفض انبعاثات غازات الدفيئة وتوفير الطاقة اللامركزية، غير أن القيود على الغاز الحيوي - التي تسمى " غاز المداخن " أو " غاز الديجستر " - هي مزيج معقد

التحديات الرئيسية في مجال تجديد الغازات الأحيائية

ووجود ملوثات متعددة في الغازات الأحيائية الخام يخلق سلسلة من العقبات التقنية والتشغيلية المترابطة، فهم هذه التحديات أمر أساسي لاختيار وتصميم نظم تنقية مناسبة.

سلفيد الهيدروجين (H2S) السمية والتصويب

إن كبريتيد الهيدروجين هو أكثر الازدحام السمية في الغازات الأحيائية، وهو سمي للغاية للبشر عند تركيزات تزيد على 500 جزء من المليون، ويتسبب في تآكل شديد في المكونات المعدنية، ولا سيما في المحركات والمغليات ونظم تخزين الغاز، وحتى في المستويات المنخفضة، فإن البيوتادايين سداسي الكلور يتفاعل مع الكم من الحامض الكبريتي الذي يمكن أن يتدهور بسرعة في خطوط الأنابيب والوصوم.

القيد والتثبيت

وعادة ما تكون الغازات الأحيائية الخام التي تترك الهضم مشبعة بخار الماء عند درجات حرارة تتراوح بين 35 و55 درجة مئوية. ونظراً لأن برودة الغاز، فإن كميات المياه تؤدي إلى تراكم المياه السائلة في الأنابيب، ويمكن أن تؤدي هذه الزيادة إلى سد تدفق الغازات، وتعزيز النمو في الميكروبيات (مثلاً في أجهزة التحلل الأحيائي)، وتسريع التآكل عند اقترانه بمقياس ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.

أكسيد الكربون (CO2)

أما ثاني أكسيد الكربون فهو ليس ساماً أو متصلاً مباشرة، ولكن وجوده يقلل بدرجة كبيرة من تركيز الميثان وبالتالي كثافة الطاقة في الغازات الأحيائية، فكل زيادة بنسبة 1 في المائة في ثاني أكسيد الكربون، يقل محتوى الميثان بنفس الكمية تقريباً، مما يقلل القيمة السعرية، ويزيد من كثافة استخدام ثاني أكسيد الكربون في البيوت إلى درجة تتطلب ⁇ 96 في المائة من الميثان - يستهلكون تقريباً جميع التقنيات التقليدية(2).

Other Contaminants: Siloxanes, VOCs, and Ammonia

وبالإضافة إلى الاضطرابات الثلاثة الكبرى (H2S، والرطوبة، وثاني أكسيد الكربون)، يمكن أن تحتوي مدافن القمامة والحفر على الغاز الحيوي على سُلوكسينات من منتجات الرعاية الشخصية، والمركبات العضوية المتطايرة من المذيبات الصناعية، والكمونيا من المواد الوسيطة الغنية بالنيتروجين.

Innovative Technologies in Biogas Purification

وللتغلب على التحديات المذكورة أعلاه، تم تطوير موجة من تكنولوجيات التنقية المتقدمة، وتركز هذه الابتكارات على تحسين الانتقائية، والحد من استهلاك الطاقة، والتقليل إلى أدنى حد من الاستخدام الكيميائي، وتمكين العمليات الزراعية أو الصغيرة الحجم بسهولة مثل النباتات الصناعية الكبيرة، ونستكشف أقل التكنولوجيات واعدة التي تعيد حاليا تشكيل صناعة الغاز الحيوي.

Membrane Separation: High Selectivity with Low Energy

وقد تتقدم سرعة انفصال الغازات المحتوية على امبراطوريات متعددة غير عضوية، مع أن الميثودرات المتعددة التي تصمم على أحجام وثواث كيميائية يمكن أن تحقق بصورة انتقائية عوامل ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون مع الاحتفاظ بالميثان، بينما توفر نماذج حديثة ذات جودة حرارة عالية في الميولوز مساحة سطحية لكل وحدة، مما يتيح تصميمات نظامية مدمجة)٢(.

الاختراق البيولوجي والتحلل البيولوجي

وتعالج الأساليب البيولوجية نفسها بطريقة طبيعية، وتزيل الكائنات الحية القاتمة، وتنتقل الغازات الأحيائية الخام من خلال عمود مكتظ حيث تُسترجع بخارية متوسطة تحتوي على البكتيريا (مثل ) وتُزيل الخلايا الوبائية من الأكسجين.

استيعاب الضغط

ويستخدم التحلل المؤقت للضغط مواد مسببة للارتداد الصلب مثل الزوليات، والكربون المنشط، أو اللصوص الجزيئية للكربون، إلى ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والرطوبة، والرطوبة التي تُستخدم في شكل الغازات المتوسطة، وهي عوامل تؤدي إلى زيادة الضغط (من نوع إلى 4 إلى 10) وعندما يُطلق الضغط، فإن الملوثات التي تنحدر إلى 70% من مجرى الإثراء.

الامتصاص الكيميائي: تعزيز الأمينات والسولفات غير السمية

(أ) إن الامتصاص الكيميائي - التاريخي للتكنولوجيا المهيمنة لفرز الغاز الطبيعي - يظل خياراً قوياً لتحسين الغازات الأحيائية، وفي وحدة نموذجية للتنقيب عن الأمين، يتم الاتصال بالغاز الأحيائي مع حلٍّ للأمينات (مثلاً، التخصيب المُعدّل) الذي يستوعب بصورة انتقائية ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.

الفصل المسبب للسرطان: التمييز في مجال البيوت العالية القسوة

أما الفصل الجيني، المعروف أيضاً باسم " الارتقاء بالغاز الأحيائي المنخفض الحرارة " ، فيستغل الفرق في نقاط الغسيل بين الميثان (165 درجة مئوية) وثاني أكسيد الكربون (78.5 درجة مئوية عند درجة حرارة واحدة) ويمكن أن تُضاف إلى ذلك الغازات الأحيائية التي تُستخدم في الوقت الراهن في الحد من الحرارة المسببة للثدي والثبطان وغير ذلك من العوامل المجمدة، مما يترك عملية متجانسة جداً تبلغ 99.5 في آن واحد.

المتقدمون: الأطر الزراعية للمعادن وزيوليتس

وقد أسفرت علوم المواد عن ظهورات جديدة تدفع أداء كل من نظامي امتصاص درجة الحرارة ودرجة الحرارة، فعلى سبيل المثال، توجد لدى وزارة الكهرباء مناطق سطحية عالية للغاية (حتى آلاف المتر المربع/ز) وكيمياء الشعر غير القابل للتجزئة، مما يتيح لها استيعاب ثاني أكسيد الكربون أو H2S مع انتقائية غير مسبوقة، وترمي بعض المحركات إلى إحداث تغييرات هيكلية عند حدوث تقدم فعال)

استحقاقات تجديد الغازات الأحيائية الحديثة

ويحقق نشر تكنولوجيات التنقية المبتكرة فوائد ملموسة عبر السلامة والجودة والأثر البيئي والاقتصاد.

تعزيز السلامة والامتثال التنظيمي

ويقضي الإزالة الفعالة للمنخفضين من الألف إلى المستويات دون ٥ جزء من المليون )في كثير من الأحيان الحد الأقصى لحقن الأنابيب( على خطر التعرض للسمية لمشغلي النبات والمستعملين النهائيين، ويمنع انخفاض محتوى الرطوبة من التكثيف والتآكل، ويقلل من احتمال تسرب الغازات وفشل المعدات، فمع أن تصبح الأنظمة أكثر صرامة، مثلا، فإن التوجيه الصادر عن الاتحاد الأوروبي بموجب المادة الثانية من معاهدة خفض الانبعاثات يتطلب فرض عقوبات على الامتثال الصارم للتصنيف.

ارتفاع معدل الإصابة بالميثان وكثافة الطاقة

ويمكن أن تحقق الغازات الأحيائية المتطورة (بيوميثان) تركيزات الميثان تتجاوز 98 في المائة، مما يجعلها قابلة للمقارنة بالغاز الطبيعي، وهذا النقاء المرتفع يترجم مباشرة إلى ارتفاع في قيمة التدفئة (LHV) - من حوالي 23 ميغاجول/م3 بالنسبة للغازات الأحيائية الخام إلى 36 ميغاجول/م3 بالنسبة للميثان الأحيائي، وتخفض كثافة الطاقة المرتفعة من حجم التخزين وتكاليف النقل، وتسمح باستخدام مركبات التدفئة عالية الجودة.

المنافع البيئية: خفض الاستخدام الكيميائي والنفايات

وتخفض التكنولوجيات البيولوجية والبنية على الغشاء إلى أدنى حد استخدام المواد الكيميائية القاسية مثل الأمينات والصودا السببية، مما يقلل من الأثر البيئي لعملية التحديث، وعلاوة على ذلك، فإن بعض الأساليب - مثل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الأحيائي الميكروفلورية - الكبريت الأولي التي يمكن إعادة استخدامها كتعديل للتربة، وتحويل تدفق النفايات إلى منتج قيم.

المزايا الاقتصادية: الإيرادات قبل المرحلة والوفورات التشغيلية

ويزيد سعر البيوتيومثان عن الغازات الأحيائية الخام، ولا سيما في الأسواق التي تحمل شهادات الطاقة المتجددة أو تعريفات التغذوية، ويمكن أن يؤدي حقن البيبلين أو استخدامه كوقود الغاز الطبيعي المضغوط إلى زيادة الإيرادات من 2 إلى 4 أضعاف ما يولده توليد الكهرباء في الموقع، بالإضافة إلى انخفاض تكاليف التعطل والصيانة بسبب انخفاض التآكل وضغط الازدحام إلى تحسين الاقتصاد في المزارع.

التوقعات المستقبلية

ويتوقف قطاع تحسين الغاز الحيوي على التحول الكبير الذي يحركه علوم المواد، وتكثيف العمليات، والرصد الرقمي، ويعود العديد من الاتجاهات الناشئة إلى جعل التنقية أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.

نانوميات وميمبرانيز التالية

(ب) يجري إدماج أكسيد الغرايين، ونانووب الكربون، وغيرها من المواد النانوية في هياكل حمائية لإنشاء طبقات انفصال انتقائية للغاية، ويمكن أن تقلل هذه المواد من عدد المراحل الكيمبرانية المطلوبة، وأن تخفض استهلاك الطاقة بمقدار النصف مقارنة بالكمبرائيات التجارية الحالية.

التكامل مع كابينة الكربون واستخدامه

ومن المرجح أن تدمج محطات الغاز الحيوي في المستقبل عملية تنقية تكنولوجيات ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، وقد برهنت شبكة ثاني أكسيد الكربون المستخرجة من حرق الأمين أو الفصل المبرد على إمكانية تعزيز استرداد النفط أو زراعة الطحالب أو إنتاج الوقود التركيبي، وقد أثبت مشروع " بيوكون - كو2 " الذي تموله الاتحاد الأوروبي أن ثاني أكسيد الكربون المستخرج من الغازات الأحيائية يمكن أن يقترن بـه الهيدروجين الأخضر لإنتاج ثاني أكسيد الكربون بصورة فعالة أو الميثان المميت.

المراقبة الرقمية والاستخبارات الفنية

ويمكن الآن أن تكون أجهزة الاستشعار في الوقت الحقيقي للحامض الرئوي والرطوبة والسيلوكسينات وتركيز الميثان ميسورة ومتينة، وعندما تقترن بحسابات التكوين الآلاتي، يمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تتنبأ باختراق الملوث، وأن تُحدّد دورات التجديد على النحو الأمثل، وأن تعدل بارامترات التشغيل للحفاظ على جودة المنتجات مع التقليل إلى أدنى حد من استخدام الطاقة.

السياسات والتوحيد القياسي

وتشدد الحكومات في جميع أنحاء العالم معايير جودة الميثان البيولوجي وتوفر حوافز مالية للارتقاء بها، وتتوقع الوكالة الدولية للطاقة المتجددة أن يزيد إنتاج الميثان الأحيائي عن ثلاثة أضعاف بحلول عام 2030، مدفوعا بأهداف وطنية للغاز المتجدد، ونتيجة لذلك، يتوقع أن يتسارع الاستثمار في البحوث والتطوير في مجال تكنولوجيا التنقية، وأن يخفض التكاليف ويجعل الغاز الحيوي حجر الزاوية في التحول العالمي للطاقة.

الابتكارات المذكورة أعلاه لتنقية الغازات الأحيائية كمجال دينامي حيث تتلاقى علوم الهندسة والبيولوجيا والمواد، ومع استمرار التحسينات، يمكن أن تتطور الغازات الأحيائية من مصدر للطاقة المحلية، في المزارع، إلى وقود رئيسي ذي نوعية شبكة تتنافس مباشرة مع الغاز الطبيعي، مع توفير بصمة أقل من الكربون، ويتضح الطريق إلى الأمام: الاستثمار في تكنولوجيات عالية للتنقية تكون أذكى وأنظف وأكثر كفاءة من أجل فتح كامل إمكانات الغاز الحيوي.

References and Further Reading]