الاتجاهات الناشئة في المواد الأولية المتجددة لعمليات التكرير

The Shifting Landscape of Refining: Embracing Renewable Feedstocks

إن صناعة التكرير العالمية، التي ترتكز منذ زمن طويل على النفط الخام، تشهد تحولاً أساسياً، حيث أن الحكومات تشدِّد أنظمة الانبعاثات والمستهلكين تطالب بمنتجات أقل من الكربون، فإن المصافح تتحول بصورة متزايدة إلى مواد وسيطة قابلة للاستمرار، وفي بعض الحالات، تشكل توجيهاً بديلاً إلى مدخلات مستمدة من مصادر حيوية وتوليد نفايات، توفر مساراً مدفوعاً نحو إزالة انبعاثات وقود النقل، والمواد الكيميائية،

وتستكشف هذه المادة أهم الاتجاهات الناشئة في المواد الوسيطة المتجددة من أجل تحسين العمليات، والابتكارات التي تجعلها قابلة للتطبيق تجاريا، والتحديات التي لا تزال قائمة قبل أن تتمكن من تحقيق اعتماد واسع النطاق، وفهم هذه التطورات أمر حاسم بالنسبة لأصحاب المصلحة في الصناعة والمستثمرين وواضعي السياسات الذين يهدفون إلى نقل المسار المعقد نحو قطاع أكثر استدامة للتنقيح.

فهم المواد الخام المتجددة: الأنواع والمعاملات

وتشمل المواد الوسيطة المتجددة مجموعة واسعة من المواد العضوية التي يمكن تحويلها إلى الوقود والمواد الكيميائية والطاقة من خلال عمليات صقل مختلفة، وتشمل أبرز الفئات ما يلي:

الكتلة الأحيائية والريدوات الزراعية

وتحتاج الكتلة الأحيائية اللغوية - مثل غسيل الذرة، وقشر القمح، ومخلفات الحراجة، ومحاصيل الطاقة المخصصة مثل البراغيث والمخدرات - وفرة و منخفضة التكلفة نسبياً، وتتكون هذه المواد أساساً من البولوز، والهيكلولوز، واللينين، التي يمكن أن تُقسم إلى سُكب ومركبات تحويلية ذاتية عالية من خلال التكليل أو الأوكسجين.

Algae and Aquatic Biomass

وقد اكتسبت الميكروالغايات والكروالوغا (الحبيبات البحرية) اهتماماً بمنتجات الشحوم المرتفعة لكل معدل نمو سريع ودقيق، ويمكن أن تنتج ألغا زيوتاً مناسبة لتوليد الطاقة الكهرمائية إلى وقود الديزل المتجددة والطيران المستدام، في حين يمكن تحويل الكتلة الأحيائية المتبقية إلى غاز بيولوجي أو شحنة بيولوجية، ولا تزال مشاريع الهندسة الطحالية التجارية محدودة بسبب زراعة الشظايا وجنيها.

نفايات النفط والفات

وقد استخدمت زيت الطهي المستخدم، والدهون الحيوانية، والزيوت الطويلة (الناتج الثانوي للضغط الورقي) على نطاق واسع بالفعل كأصناف وسيطة للإسترات المجهزة بالهيدروود وأحماض الدهون لإنتاج الديزل المتجدد والقوى المشبع، وهذه المواد الوسيطة القائمة على النفايات تتسم بكثافة منخفضة من الكربون لأنها لا تتطلب استخداماً مكرساً للأراضي أو مدخلات زراعية إضافية، غير أن الإمداد مقيد بما يؤدي إلى زيادة الضغط على أسعار الوقود.

Municipal Solid Waste and Biogenic Residues

وتمثل الأجزاء العضوية من النفايات الصلبة البلدية، بما في ذلك خردة الأغذية، ونفايات الحدائق، وحمأة الصرف الصحي، موردا كبيرا غير مستغل، ويمكن لتكنولوجيات التغويز والتحليل الحراري المتقدمة تحويل هذه المواد إلى غاز توليفي (الغازات) وغاز النفط الأحيائي، يمكن بعد ذلك رفع مستواها إلى الوقود والمواد الكيميائية، ويعالج هذا النهج في آن واحد إدارة النفايات وإنتاج الطاقة، بما يتماشى مع مبادئ الاقتصاد الدائري.

الهيدروجين الأخضر والكهرباء إلى X

وفي حين أن الهيدروجين الأخضر الذي ينتج عن طريق التحلل الكهربائي المتجدد لا يُستخدم كمدخل حاسم للتنقية، فإنه يمكن استخدامه لإزالة الكبريت من النفط الأحيائي، وتخفيض كثافة الكربون في الوحدات القائمة لتهوية المياه، وكبنة بناء للوقود التركيبية (الوقود الإلكتروني) عند اقترانه بثاني أكسيد الكربون المأخوذ من الزئبق، فإن تكلفة الهيدروجين الأخضر تتناقص بسرعة.

ووفقاً لـ [الوكالة الدولية للطاقة] ]، يتوقع أن يُستهلاك المواد الوسيطة المتجددة على الصعيد العالمي في المصافي ثلاث مرات بحلول عام 2030، ويُدفع أساساً بولايات الوقود الأحيائي المتقدم والفضاء.

الاتجاهات الرئيسية في اتجاه المحركات نحو المواد المتجددة

وهناك عدة اتجاهات مترابطة تعجل بإدماج المواد الوسيطة المتجددة في عمليات التكرير التقليدية والمكرسة، وتعكس هذه الاتجاهات قوى السوق والتقدم التكنولوجي على السواء.

المواد الخام ذات القاعدة البيولوجية: من أول جيل إلى مصادر متقدمة

وقد واجهت الجيل الأول من الوقود الأحيائي، الذي تم إنتاجه من المحاصيل الغذائية مثل الذرة والسكر، انتقادات للتنافس على إنتاج الأغذية والتسبب في تغير غير مباشر في استخدام الأراضي، ونتيجة لذلك، تتجه الصناعة نحو الجيل الثاني (التكتل الفولوزيك) والجيل الثالث (الغال) من المواد الوسيطة التي لا تتنافس مع إمدادات الأغذية، وتتجه الولايات المتقدمة بالوقود الأحيائي - مثل نظام الوقود النووي الموحد.

وفي الوقت نفسه، فإن تطوير تكنولوجيات المعالجة المسبقة للكتلة الأحيائية - مثل انفجار البخار، والتحلل الهيدرولي الأحمض، والتفكك السياحي الأيوني - هو تحسين كفاءة إطلاق السكر من الإنغوليوز، مما يتيح تحقيق غلة أعلى وتكاليف أقل.

Algae as a Scalable Resource: Progress and Remaining Hurdles

وقد تم منذ فترة طويلة الترحيب بالغاز المغذي باعتباره مادة واعدة نظراً لارتفاع محتوى النفط (نحو 60 في المائة من الوزن الجاف في بعض السلالات) وقدرة على النمو في الأراضي غير الصالحة للزراعة والمياه المهبلة، وتشمل التطورات الأخيرة تطوير سلالات مصممة جينياً تتراكم فيها كميات أكبر من الشفاه وتسمح بتركيزات أعلى من ثاني أكسيد الكربون، فضلاً عن تحسين أساليب الحصاد مثل شركات الحرق والتكدس.

ومع ذلك، فإن تكلفة إنتاج الكتلة الحيوية للطلاب لا تزال حاجزا، إذ أن التقديرات الحالية تحدد التكلفة بمبلغ ٣٠٠ دولار - ٤٠٠ دولار للطن الجاف، مقابل ٣٠ - ٨٠ دولار لغطاء الذرة، وقد حددت مبادرات البحوث مثل برنامج الكتلة الحيوية في ألغا التابع لوزارة الطاقة بالولايات المتحدة أهدافا طموحة في التكاليف تبلغ ٨٥ دولارا للطن الجاف بحلول عام ٢٠٣٠، مما يجعل المواد الوسيطة للطلاب قادرة على المنافسة مع الزيوت المستعملة في العديد من التطبيقات.

Waste-to-Value Technologies: Transforming Trash into Treasure

ويكتسب مفهوم تحويل النفايات إلى مواد وسيطة قيمة من الارتداد مع تطور تكنولوجيات الفرز المتقدمة وما قبل المعالجة، كما أن الهضم الجوي للنفايات الغذائية ينتج الغازات الأحيائية (الميثان) التي يمكن رفع مستوى الغاز الطبيعي المتجدد أو إصلاحها إلى الهيدروجين، ويمكن أن يؤدي التوليد إلى تحويل مسارات النفايات المختلطة إلى غاز مركب يمكن تحويله إلى ميثاينرول أو مصانع متينول.

ومن الاتجاهات الناشئة في هذا الصدد المعالجة المشتركة للبنزين الأحيائي المستخرج من النفايات في مصافي النفط الحالية، حيث يمكن للمصافح أن تنتج منتجاً متجدداً جزئياً (من 5 إلى 20 في المائة) من المواد الوسيطة ذات النبات البيولوجي أو التي تستخدم الدهون في مصانع مسببة للدغائن أو مفاعلات توليد الطاقة المائية، وذلك عن طريق توفير نقطة دخول منخفضة المخاطرة لدمج الشركات المتجددة والمتجددة.

الهيدروجين الأخضر وكهربة عمليات الترميم

ويعد إنتاج الهيدروجين الأخضر حجر الزاوية للعديد من استراتيجيات إزالة الكربون من المصافي، حيث تستخدم المصافي الهيدروجين من إصلاح غاز البخار الميثان الذي يُنتج ثاني أكسيد الكربون، ويمكن أن يؤدي إصلاحه باستخدام الهيدروجين الكهرومغناطيسي من مصادر الطاقة المتجددة إلى خفض البصمة الكربونية لعمليات التجهيز الهيدروجينية بنسبة 50-90 في المائة، تبعاً لمصدر الكهرباء.

وتروج مشاريع مثل الائتلاف من أجل الهيدروجين في الولايات المتحدة والتحالف الأوروبي للهيدروجين النظيف لزيادة القدرة على تصنيع الكهروليت، بهدف خفض التكاليف المركبة من 000 1 دولار/كيلوواط اليوم إلى أقل من 500/كيلوواط بحلول عام 2030، ومع تزايد توليد الكهرباء المتجددة، يتوقع أن تصبح الهيدروجين الأخضر منافساً من حيث التكلفة مع الهيدروجين الرمادي في غضون هذا العقد، مع ما يترتب على ذلك من آثار كبيرة بالنسبة للاقتصادات الصقلية.

الابتكارات في مجال تنقيح تكنولوجيات المواد الخام المتجددة

ويتوقف النجاح في استخدام المواد الوسيطة المتجددة ليس على المواد الخام نفسها فحسب بل أيضا على التكنولوجيات التي تحولها إلى منتجات خاضعة للوقود، إذ تشمل الابتكارات الأخيرة كلا من التكرير الأحيائي المكرس والحلول المتكاملة للتجهيز المشترك في إطار مصافي النفط القائمة.

التكرير الأحيائي: منابر متكاملة لاستخلاص الحد الأقصى من القيمة

A modern biorefinery is analogous to a oil refinery: it fractionates biomass into multiple product streams, maximizing economic returns. For example, "lignin-first " biorefinery model isolates high-purity lignin (a polymer that can be converted into bioplastics, adhesives, and carbon fiber) while using the carbohydrate

وقد أدت التطورات في الكوكتيلات الأنزيمية - التي تطورها شركات مثل نوفوزيمز ودوبونت - إلى تحسين كفاءة التجميل في الكتلة الحيوية الخبيثة، مما أدى إلى خفض تكاليف تحميل الأنزيمات بأكثر من 50 في المائة خلال العقد الماضي، وفي الوقت نفسه، فإن المعالجة البيولوجية الموحدة تجمع بين إنتاج الانزيمات، والتحلل الهيدرولي، والتخمير في كائنات الأكاديمية الأقل نشاطاً، وهو مفهوم آخر.

التحديث الحفاز: تطويع الأغلال الأحيائية إلى الوقود المسقط

(أ) تحتوي مادة الـ (الغاز الحيوي) التي تنتج من التحلل السريع على مستويات عالية من الأكسجين (حتى 40 في المائة)، مما يجعلها متآكلة وغير مستقرة حرارياً، وغير قابلة للاشتعال مع أجزاء من النفط.

وثمة نهج واعد آخر يتمثل في استخدام الحفازات الحفازة في وحدات التصدع الحفازة للسائلة المشتركة في تجهيز النفط الأحيائي بالزيت الغازي المكنّس، ويتيح الاستخدام الأمثل لصيغة التحفيز وظروف التشغيل للمصافي الحفاظ على غلات عالية من البنزين والبروبيلين مع إدراج الكربون المتجدد، وتُعد شركات مثل جونسون ماتثي وهالدور توبسو عوامل حفازة للملكية لأغراض هذا التطبيق.

تعزيزات الهيدرولوج واستراتيجيات التجهيز المشترك

وقد أصبحت عملية إزالة الكبريت والنيتروجين والأكسجين من مجاري الهيدروكربون باستخدام الهيدروجين - هي وحدة لأجهزة التبريد في المصافي، وعندما تجهز المواد الوسيطة المتجددة مثل الزيوت النباتية والدهون الحيوانية، أصبحت عملية التحلل الحراري (الإسترات الجاهزة وأحماض الدهون) هي التكنولوجيا المهيمنة لإنتاج الديزل المتجدد، وتشمل التحسينات الأخيرة استخدام مفاعلات الديزلجين المزدوجة

وقد أبلغ العديد من المصافح عن عدم وجود مشاكل تشغيلية رئيسية عند استخدام موائل ثاني أكسيد الكربون أو مزيجات زيوت النخيل المستخرجة من النفط، ولكن يجب معالجة المواد الوسيطة معالجة شاملة من أجل إزالة الأحماض الدهونية والفلزات والمفاعلات الحافزة قبل الفسفورية.

الفرز والطرق البرية المتحركة

أما طرق التحويل الكيميائي البيولوجي، بما في ذلك تخمير السكر إلى الإيثانول، فقد كانت تجارية منذ أوائل العقد الأول من القرن الماضي، غير أن مسارات جديدة تتيح إنتاج الهيدروكربونات الأطول فتتراوح، وعلى سبيل المثال، تستخدم شركات مثل شركة لانزاتك الغازات المحولة لتحويل الغازات (من النفايات الغازية أو الكتلة الأحيائية) إلى إيثانول، و2.3 بوتينديول، بل وثانية الإيثانول.

كما يجري أيضاً توسيع نطاق مسارات الكيمياء الحرارية مثل تركيبة فيشر - تروبش، حيث إن الجمع بين تغويز الكتلة الأحيائية مع عوامل تحفيز FT ينتج زيت نقدي اصطناعية يمكن أن تكون أكثر إنتاجاً من الهيدروجين، ويكمن التحدي في اقتصاد الحجم: فمحطة تصنيع المواد الانشطارية تتطلب عادة نفقات رأسمالية كبيرة وإمدادات وسيطة متسقة تكون قابلة للاستمرار اقتصادياً.

التغلب على التحديات: التكلفة، والقابلية للاشتراك، ودعم السياسات

ورغم التقدم السريع، فإن الاعتماد الواسع النطاق للمواد الوسيطة المتجددة في مجال صقلها يواجه عدة عقبات هائلة يجب التصدي لها من خلال مواصلة البحوث والاستثمار واتخاذ إجراءات في مجال السياسات.

تكاليف المواد الغذائية وقابلية العرض

ولا تزال تكلفة المواد الوسيطة المتجددة تشكل حاجزاً رئيسياً، إذ إن زيوت النفايات والدهون تُثمر بالفعل على أقساط بسبب ارتفاع الطلب، وكثيراً ما تتاجر بالديزل النفطي على أساس معادلة للطاقة، كما أن المخلفات الزراعية أرخص ولكنها تتطلب جمعاً مكلفاً، وكثافة، ونقلاً، كما أن الكتلة الأحيائية الخلوية لم تصل بعد إلى نقاط الأسعار اللازمة لنشر نماذج واسعة النطاق.

التصعيد التكنولوجي والتكامل في العمليات

وتواجه العديد من تكنولوجيات التحويل التي تعمل جيدا على نطاق تجريبي تحديات عندما ترتفع مستوياتها إلى 100 مرة، وتواجه قيودا على الحرارة والنقل الجماعي، وإلغاءات الحفازات بسبب الاضطرابات، وتواجه المعدات التي تغذيها مشاكل مشتركة، فعلى سبيل المثال، فإن المزودين بالغاز الذين يتعاملون مع المواد الوسيطة المتجانسة مثل النفايات الصلبة البلدية كثيرا ما يعانون من التداعم والتنباتات، ويواجهون صعوبة إضافية في تحقيق التوازن بين إنتاج المنتجات الصناعية المتعددة الأبعاد.

عدم الاستقرار في مجال التنظيم والسياسات

وأطر السياسات العامة حاسمة بالنسبة لإيجاد أسواق مستقرة لمنتجات المصفاة المتجددة، وفي حين أن استراتيجية الاتحاد الأوروبي الثانية لخفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات وتدهورها في الولايات المتحدة قد قدمت إشارات طويلة الأجل إلى الطلب، فإن التعديلات المتكررة والمناقشات السياسية تخلق عدم يقين بالنسبة للمستثمرين، كما أن معايير الاستدامة بالنسبة للمسارات الوسيطة (مثل تغير استخدام الأراضي، وتأثير التنوع البيولوجي) أصبحت أكثر صرامة، مما قد يحد من استخدام مصادر معينة مثل زيت النخيل.

التوقعات المستقبلية والآثار الاستراتيجية

إن مسار المواد الوسيطة المتجددة في مجال التكرير هو اتجاه صعودي لا يُذكر، ومن المتوقع أن ينمو الطلب على المواد الكيميائية في مشروع بلومبرغنيف، الذي يمكن أن تصل القدرة العالمية على الديزل المتجددة إلى 70 بليون لتر في السنة بحلول عام 2030، أي من حوالي 15 بليون لتر في عام 2023، في حين يتوقع أن يزداد الطلب على المواد الكيميائية الصغيرة النطاق بوتيرة أسرع نتيجة لاتفاقات الشركات المتعلقة بالمناولة وولايات الحكومة، وسيدعم هذا النمو من خلال انخفاض تكاليف تحويل المواد الكيميائية الخضراء والمحفزات المتطورة.

فالأعمال التي تستثمر بصورة استباقية في المرونة - وهي القدرة على التحول بين المواد الوسيطة الأحفورية والمتجددة - ستكون في أفضل وضع لإدارة تكاليف الامتثال للكربون والاستيلاء على حوافز الأسواق الناشئة، وعلى سبيل المثال، فإن مصفاة يمكن أن تشرك في معالجة 10 في المائة من زيت النفايات اليوم مع الاحتفاظ بالقدرة على زيادة ما يصل إلى 30 في المائة مع توافر الهيدروجين الأخضر ستكون لها ميزة تنافسية واضحة.

وعلاوة على ذلك، لا يمكن تجاهل البعد التعميمي: فمع تزايد انتشار المواد الوسيطة المتجددة، ستعتمد صناعة التكرير بشكل متزايد على تكنولوجيات إعادة التدوير المتطورة وضبط الكربون لإغلاق حلقة الكربون، واستخدام ثاني أكسيد الكربون المأخوذة لإنتاج الميثان الاصطناعي أو الميثانول - من خلال الطاقة إلى الغازات أو الطاقة إلى السائلة - يمكن أن يؤدي في نهاية المطاف إلى جعل مصدِّري المنتجات الصافية للوقود المنخفضة الكربون.

وفي الختام، فإن الانتقال إلى المواد الوسيطة المتجددة ليس اتجاها هامشيا بل هو محور استراتيجي أساسي لصناعة التكرير العالمية، وفي حين أن التحديات المتصلة بالتكاليف، والقابلية للتكرار، واتساق السياسات لا تزال قائمة، فإن تقارب الابتكار التكنولوجي، والضغط التنظيمي، والطلب على الأسواق يخلق حالة ملحة للتبني المعجل، فالشركات والحكومات ومؤسسات البحوث التي تعمل بشكل حاسم مع هذه الاتجاهات الناشئة اليوم ستكون هي المصممة لمصافي الكربون المنخفضة في الغد.