التكنولوجيات الناشئة في مجال تحصين الكتلة الأحيائية لتوليد الطاقة

التكنولوجيات الرئيسية الناشئة في مجال التجزئة

وهناك عدة تكنولوجيات محددة تقود عملية تحويل تغويز الكتلة الأحيائية من تطبيقات متناهية إلى حل رئيسي لتوليد الطاقة، وكل منها يوفر منافع فريدة ويعالج قيودا معينة على التغويز التقليدي.

التحصين التحفيزي

ويستخدم التغيُّر الحفاز في الآونة الأخيرة مواد حفازة - معدنية من الطراز الأول (مثلاً، البوتاسيوم، الصوديوم) أو المعادن الانتقالية (مثل النيكل، الحديد) - لتقليل طاقة التفعيل التي تحدثها ردود الفعل على التغويز، مما يسمح بالعملية عند درجات حرارة تقل عن معدلات الغاز غير الدافني، ويخفض أيضاً تكاليف الطاقة ويعزز عملية التحفيز.

ومن النهج الواعد الآخر استخدام الحفازات القائمة على النيكل والمدعومة بالألمينة أو الحبوب، وهذه العوامل الحفازة لا تقلل من القار فحسب بل تعزز أيضاً تفاعلات التحول في الغازات المائية، مما يزيد من نسبة ثاني أكسيد الهيدروجين إلى الكربون، وهذا أمر مفيد بصفة خاصة عندما تكون الغازات الاصطناعية موجهة إلى خلايا الوقود أو إنتاج الهيدروجين.

قاذفات البلاستيك

ويستخدم غاز البلازما مركباً أو أكثر من البلازما لتوليد درجة حرارة عالية للغاية (حتى 000 5 درجة مئوية) في منطقة خاضعة للرقابة داخل الموزِّع، وتؤيِّن هذه المذابح هواء غازي أو أكسجين أو تبخر بلازما تفصل الجزيئات العضوية في مكوناتها الأساسية، وتنهار البيئة الملوَّثة للث الحراري حتى في أكثرها انتشاراً.

أما المزايا الرئيسية لتغويز البلازما فتشمل الانبعاثات شبه الصفرية، وكفاءة التدمير العالية (أكثر من 99.9 في المائة)، والقدرة على معالجة مسارات النفايات غير المتجانسة دون التجهيز المكثف، وبالنسبة لتوليد الطاقة، فإن الغازات المنتجة تكون نظيفة بشكل استثنائي، حيث تقل مستوياتها عن 0.01 غ/نم3، مما يسمح باستخدامها مباشرة في توربينات الغاز التي لا توجد فيها نظم للتنظيف المعقدة(20).

التحصين المفرط للمياه

ويستخدم التغويز السطحي للمياه في ظروف تتجاوز نقطة الماء الحرجة (374 درجة مئوية، 22.1 درجة مئوية)، حيث يصبح الماء مذيبا غير القطبي مع خصائص فريدة، وفي هذه الحالة، يكون الماء بمثابة وسيط تفاعل وتفاعل، مما يتيح تزوير الكتلة الحيوية الرطبة دون تجفيف كثيف للطاقة، وتتحول هذه العملية الكتلة الأحيائية مباشرة إلى شكل متجانسات ذات سائل مسببة للدروع.

ويُعد الفريق العامل المعني بالأرصدة السمكية الكثيرة الارتحال من المواد الوسيطة ذات المحتوى العالي من الرطوبة، مثل الطحالب، ونفايات تجهيز الأغذية، ورطوبة الحيوانات، وقد حققت النظم المختبرية والطيارية غلة الغاز تصل إلى 1.5 م3 من الغازات السائلة لكل كيلوغرام من الكتلة الأحيائية الجافة، مع تركيزات الهيدروجين تتجاوز 50 في المائة، كما أن الضغط العالي للعملية ييسر الاندماج مع مشروع الفصل بين الهيدروجين وثانياًاًاً.

تركيبة متكاملة للمركبات المشتركة مع كابينة الكربون

إن دمج تغويز الكتلة الحيوية مع محطة لتوليد الطاقة ذات الدورة المشتركة - وكثيرا ما يسمى " بي-إيك سي - يمثل أحد أكثر الطرق كفاءة لتوليد الطاقة الأحيائية، وفي محطة تابعة للشركة الدولية لتوليد الطاقة، يتم تنظيف الغازات المنتجة من الغاز ثم تُحرق في توربين الغاز، وعندما يولد العادم الساخن من التربين البخاري من أجل توربيني يبلغ طوله ٢٥,٥ في المائة.

(ب) تُدرج في تصميمات لجنة الغازات المتعددة الكلور تكنولوجيات تنظيف متطورة، مثل تليف الغاز الساخن وإزالة الكبريت القائمة على الشحوم، لحماية توربين الغاز من التآكل والضغط، بالإضافة إلى دمج احتجاز الكربون وتخزينه في منشأة بيولوجية-تين-تين-ميثيل (Bioenergy with Carbon Capture and Storage)

فوائد التكنولوجيات الناشئة والتحديات التي تواجهها

المنافع البيئية والتشغيلية

وتتيح تكنولوجيات الغاز الناشئة فوائد بيئية كبيرة على الاحتراق التقليدي للكتلة الأحيائية، حيث ينتج الغاز المحفز والبلازما مع مستويات منخفضة للغاية من التاريس والجسيمات والغازات الحمضية، مما يزيل الحاجة إلى نظم للتنظيف الكلفة، ويقلل من استهلاك المياه وتوليد المياه المستعملة، ويتجنب الغازات الشديدة الأهمية انبعاثات أكسيد النيتروجين والمركبات العضوية المستقرة.

ومن الميزات الرئيسية الأخرى إمكانية تحويل مسارات النفايات المثيرة للمشاكل إلى طاقة، ويتزايد النظر إلى تغويز البلازما، على وجه الخصوص، على أنه حل لإدارة المواد مثل فرز المواد الكيميائية والنفايات الطبية والمخلفات الصناعية الخطرة، وبصرف هذه المواد عن مدافن القمامة، فإن التكنولوجيا تقلل من انبعاثات الميثان وتلوث المياه الجوفية، كما أن الإنتاج الثانوي المكثف لا يمكن فصله ويمكن تغذيته.

التحديات التقنية والاقتصادية

وعلى الرغم من هذه المزايا، لا تزال هناك عقبات كبيرة، إذ أن تكاليف رأس المال لتورنجات البلازما، ومفاعلات الفريق العامل المكثف العالي الضغط، ونظم الحفاز المتقدمة لا تزال مرتفعة بالمقارنة مع ناتج الطاقة الكهربائية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تكلف محطة لتغويز البلازما 10 ميغاواط 60-80 مليون دولار، مقارنة بمبلغ 30-40 مليون دولار لمنتجات الكتلة الحيوية التقليدية ذات القدرة.

ولا تزال تقلبات المواد الغذائية تحد من جميع تكنولوجيات التغويز، إذ أن التغييرات الموسمية في محتوى الرطوبة، وتكوين الرماد، وحجم الجسيمات يمكن أن تزعزع استقرار عملية التغويز، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة أو وقف الإنتاج، كما أن نظم الرقابة المتقدمة التي تستخدم أجهزة الاستشعار في الوقت الحقيقي (مثل المطياف شبه المزودة بالأشعة تحت الحمراء) يجري تطويرها لتعديل بارامترات التشغيل تلقائيا، ولكن هذه النظم تؤدي إلى زيادة تعقيدها وتكلفتها.

التكامل مع نظم الطاقة المتجددة والاتجاهات المستقبلية

ومستقبل تغويز الكتلة الأحيائية يكمن في تكامله مع التكنولوجيات المتجددة الأخرى ونظم تخزين الطاقة، ولأن طاقة الكتلة الأحيائية قابلة للبث، فإنها يمكن أن تكون بمثابة دعم مرن للريح والشمس، مما يوفر استقراراً للشبكة عندما تذبذب النواتج المتجددة، وتقوم عدة أفرقة بحث باستكشاف مفهوم مركز لتوليد الغازات المتجددة ، حيث تستخدم الطاقة الكهربائية أو الشمسية لإنتاج الهيدروجين عن طريق الكهرو.

وثمة اتجاه آخر يتمثل في إنشاء وحدات لتغويز الوحدات النموذجية ذات القدرات البالغة 0.5-5 ميغاواط، المصممة للتطبيقات الموزعة أو غير الثابتة، ويمكن نشر هذه الوحدات، التي كثيرا ما تكون محمية، في المناطق الريفية أو في الجزر لتوليد الطاقة من مخلفات الكتلة الأحيائية المحلية.

وتركز البحوث أيضا على الجمع بين التغويز غير الملاحظ وخلايا الوقود، ويمكن أن تعمل خلايا وقود أكسيد الفول السوداني على الغازات السائلة دون الاحتراق، وتحقيق الكفاءة الكهربائية التي تبلغ نحو 60 في المائة، ثم يمكن استخدام العادم العالي الحرارة من خلية الوقود لدفع ردود فعل التزود بالغاز، وزيادة كفاءة النظام عموما.

خاتمة

وتُعد التكنولوجيات الناشئة في مجال تغويز الكتلة الحيوية، وتغويز البلازما، وتغزيين المياه فوق الحرجة، وتحوّل بيئة توليد الطاقة المتجددة، وتعالج هذه الابتكارات القيود التاريخية للتكنولوجيا، بما في ذلك انخفاض الكفاءة، وارتفاع إنتاج الطوابق، وتقييد القدرة على توليد المواد الوسيطة، وتفتح أيضاً إمكانيات جديدة لإنتاج الكهرباء بالسلبية الكربون، وتبخير النفايات، والتكامل مع التكاليف الأوسع نطاقاً للطاقة المتجددة.

For further reading, consult resources from the U.S. Department of Energy Bioenergy Technologies Office], the National Renewable Energy Laboratory, and the ]IEA Bioenergy Task 33 on Gasification.]