Table of Contents

فهم المحاصيل الحيوية ودورها في الطاقة المتجددة

(ج) المحاصيل الحيوية هي النباتات التي تزرع خصيصا لإنتاج الكتلة الأحيائية التي يمكن تحويلها إلى حرارة أو كهرباء أو وقود نقل مثل الديزل الأحيائي والغاز الأحيائي، حيث إن العالم يسعى إلى إزالة الكربون من إمداداته من الطاقة، فإن هذه المحاصيل توفر بديلاً متجدداً للوقود الأحفوري، وهي عادة مقسمة إلى ثلاثة أجيال: المحاصيل الجيل الأول (مثل الحد الأدنى من الذرة والسكر) تستخدم المحاصيل الغذائية للجيل الثاني؛

ولا تزال سوق الطاقة الأحيائية العالمية تتوسع، مدفوعاً بالولايات المتعلقة بالسياسات، وبأسعار الكربون، وأهداف استدامة الشركات، ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة، فإن الطاقة الأحيائية الحديثة تمثل نحو نصف جميع استهلاك الطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم، ومع ذلك، يتعين على انتقاء المحاصيل التي تستخدم الطاقة الأحيائية أن يعطي الأولوية للأنواع التي تُستخدم في استخدام الأراضي، وكفاءة المياه، وعائد الطاقة على الاستثمار، مع تجنب المنافسة مع إنتاج الأغذية.

العوامل الرئيسية في اختيار المحاصيل الأحيائية

إن اختيار محصول ملائم للطاقة الأحيائية يتطلب تقييما متعدد الجوانب للعوامل البيئية والزراعية والاقتصادية، وفيما يلي دراسة المعايير الأكثر تأثيرا.

Climate Adaptability

ويجب أن يكون المحصول مناسباً لنطاق المناخ المحلي وأنماط التهطال وطول الموسم المتزايد، فعلى سبيل المثال، فإن ازدهار قصب السكر في المناطق المدارية ودون المدارية التي ترتفع فيها الأمطار، في حين أن الجنين مكيّف تماماً مع المناخ المتأصل مع الشتاء البارد.

متطلبات التربة والاستدامة

(ج) استخدام المحاصيل الغذائية الأحيائية التقليدية لمغذيات التربة المتاحة دون إحداث تدهور طويل الأجل.

كفاءة استخدام المياه

(ب) إن ندرة المياه تثير قلقاً متزايداً في مناطق كثيرة، وينبغي اختيار المحاصيل الأحيائية على أساس البصمة المائية - حجم المياه المستهلكة لكل وحدة من الكتلة الأحيائية المنتجة. Sorghum و [FLT:] ملمة بمتطلبات المياه المنخفضة، بينما [FgarT:4]

دورة النمو وتواتر الحصاد

[Fst11) stunwing crops more frequent harvests, which can increase annual biomass yield. Annual crops like corn and sorghum[FL:3] are harvested once per year, whereas perennial grasses such as

الرصيد المحتمل والطاقة

Biomas[Fs yield per hectare (measured in dry tonnes per hectare per year) directly influences fuel output and profitability. High-ylding crops such as sugarcane (up to 100 t/ha/yr,

Leading Bioenergy Crop Options

وقد تم تقييم مجموعة واسعة من النباتات لإنتاج الطاقة الأحيائية، وتبرز القائمة التالية الأنواع التي تكون قابلة للتطبيق تجارياً ومثبتة علمياً.

السكران (السكروم خارج المدينة)

إن قصب السكر، الذي يزرع على نطاق واسع في البرازيل والهند وغيرها من الدول الاستوائية، هو المصدر الرئيسي للإيثانول الأحيائي في العالم، حيث أن كمية المواد العالية من الفلك تُخصم مباشرة إلى الإيثانول، وأحرقت الأكياس (مخلفات الألياف) لتوليد الكهرباء، وقد أظهر برنامج البرازيل للسكري والإيثانول أنه مع الإدارة السليمة للأراضي، يمكن للمحاصيل أن تحقق تخفيضات كبيرة في غازات الدفيئة تتراوح بين 80 و90 في المائة من التحديات التي تواجه استخدام البنزين.

Switchgras (Panicum virgatum)

ويُعدّ هذا النوع من المحارم عشب من شعوب أمريكا الشمالية ينمو جيداً على التربة الهامشية ذات السماد المنخفض ومدخلات المياه، كما أن نظامه العميق يُزيل الكربون ويمنع التحات، ويمكن، عند إنشائه، جمع المحصول سنوياً لمدة 10 سنوات، وتظهر البحوث التي تجريها مراكز بحوث الطاقة الأحيائية والطاقة الأحيائية ().

Miscanthus x (Miscanthus Gianteus)

وينمو في أوروبا وأجزاء من الولايات المتحدة على نطاق واسع، وينتج عن ذلك 10-25 طناً جافاً لكل هكتار سنوياً، مما يجعله أحد أرفع المحاصيل التي تستخدم الطاقة الأحيائية في المناطق المحيطة بالمنطقة، ويحتاج إلى حد أدنى من خصبة النيتروجين ويمكن حصاده بمعدات تقليدية للمخزون.

جاتروفا (غاتروفا كوركاس)

وجاروفا هو شريحة من مشتقات الجفاف تنتج البذور الغنية بالنفط المناسبة للديزل الأحيائي، ويمكن أن تنمو على الأراضي المتدهورة أو الهامشية، مما يقلل من المنافسة مع المحاصيل الغذائية، غير أن التوقعات المبكرة من المحاصيل المرتفعة لم تتحقق في ظل ظروف منخفضة المدخلات؛ فالمحاصيل التجارية تتراوح عادة بين 0.5 و2 طن من النفط لكل هكتار، ولا تزال هناك أنواع محسنة ذات مقاومة أفضل للمرض وارتفاع في محتوى النفط.

Corn (Maize, Zea mays)

فالكورن هو المولد المهيمن لإنتاج الإيثانول في الولايات المتحدة، الذي يمثل نحو 90 في المائة من ناتج الوقود الأحيائي في الولايات المتحدة، ويسهل تحويل محتواه من النجمة العالية إلى الإيثانول، حيث أن متوسط غلة إنتاج الحبوب لكل هكتار يتراوح بين 10 و12 طناً من الزئبق، يمكن أن يقلل من انبعاثات غازات الدفيئة الدراجة على دورة الحياة بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة مقابل البنزين، وما زالت التحسينات في نقاط الذرة الجينية والممارسات الزراعية تؤدي إلى تعزيز المنافسة.

المحاصيل الناشئة عن الطاقة الأحيائية

  • Poplar (Populus spp.)]: الأنواع الشجرية السريعة النمو المستخدمة في نظم النوبات القصيرة المدى؛ وتنتج 10-15 طناً جافاً للهيكتاري سنوياً؛ وتلائم الإيثانول الخلوي وتوليد الطاقة.
  • Willow (Salix spp.)]: Perennial woody crop that thrives in wet soils; can be coppiced every 2-4 years; used for biomass boilers and thermal power plants.
  • Algae (microalgae and macroalgae)]: Third Genegeneration feedstock with very high oil yields per unit area (10-20 times higher than palm oil). Algae can be grown in ponds or photobioreactors using wastewater and CO2, but commercial scalability remains a challenge.
  • Camelina (Camelina sativa)]: Oilseed crop requiring minimal inputs; used for jet fuel and biodiesel; can be grown as a rotation crop on marginal lands.

تحقيق أقصى قدر ممكن من الاستدامة

ولا يكفي ارتفاع إنتاج الكتلة الأحيائية وحدها؛ ولا بد من اتباع ممارسات إنتاج مستدامة للحفاظ على صحة التربة، وحماية الموارد المائية، وتجنب الآثار الاجتماعية السلبية، وتساعد الاستراتيجيات التالية على تحقيق الأهداف الإنتاجية والبيئية على حد سواء.

تناوب المحاصيل والتربية البنفسجية

ويمكن لزراعة المحاصيل ذات الطاقة الأحيائية بالساق أو غيرها من المحاصيل غير الطاقة أن تكسر دورات الآفات، وأن تحسن مستويات النيتروجين في التربة، وأن تقلل من الحاجة إلى الأسمدة الاصطناعية، وكانت تربية البنفسج متعددة الأنواع مجتمعة - يمكن أن تزيد من إجمالي غلة الكتلة الأحيائية وتوفر خدمات النظم الإيكولوجية مثل موئل الملوث ومكافحة التحات، على سبيل المثال، مبادلات الصنع مع محطات تعزيز النيتروجين:

إدارة المغذيات على النحو الأمثل

وتطبيق الكمية الصحيحة من الأسمدة في الوقت والمكان المناسبين أمر أساسي لتحقيق أقصى قدر من الغلة دون إحداث انحرافات مغذية أو انبعاثات غازات الدفيئة، كما أن تكنولوجيات الزراعة الدقيقة - أجهزة الاستشعار التربة، والتطبيق المتغير - الاستخدام، والتخصيب بالغرامة - الغرامة - الغرامة - الغرامة - الغرامة - الغرامية - الغرامة - الصنعية توفر أيضاً المغذيات مع تحسين المادة العضوية في التربة.

الإدارة المتكاملة للآفات والزبائن

ويمكن للآفات والحشيش أن يقلل من العائدات بنسبة تتراوح بين 20 و40 في المائة إن لم يكن مسيطراً عليها، وتجمع الإدارة المتكاملة للآفات بين السيطرة البيولوجية (المفترسات الطبيعية)، والممارسات الثقافية (دورة المحاصيل)، والتطبيقات الكيميائية المستهدفة عند تجاوز العتبات، أما بالنسبة للمحاصيل التي تُستخدم في الطاقة الأحيائية، فإن قمع الأعشاب أثناء الإنشاء أمر حاسم، وعندما يكون المحصول جيداً، فإن الأنواع الكثيفة غالباً ما تكون غير مكتملة.

استغلال الأراضي المريخية

ويمكن أن يؤدي نمو المحاصيل ذات الطاقة الأحيائية على الأراضي غير الملائمة لإنتاج الأغذية - مثل تدهور التربة أو السالين أو الحقول الزراعية المهجورة - إلى إبطال المنافسة المباشرة مع المحاصيل الغذائية والحد من التغير غير المباشر في استخدام الأراضي - فالعشاب الدائمة وأشجار التبريد القصير - فعالة بوجه خاص في هذه المواقع لأن جذورها العميقة تحسن هيكل التربة وتسلل المياه.

التبريـد والتحسين الوراثي

:: عمليات التوالد الكلاسيكي والتكنولوجيا الحيوية الحديثة تعجل بتنمية محاصيل الطاقة الأحيائية ذات التقلب العالي، وتزيد من الإجهاد، وتشمل هذه المسارات زيادة تراكم الكتلة الأحيائية، وتحسين كفاءة التصوير الاصطناعي (مثل تحسين المسارات الاصطناعية في C4)، والتسامح إزاء الجفاف، وانخفاض محتوى الليغنين من أجل تيسير تحويله إلى الوقود الأحيائي.

الاعتبارات البيئية والاجتماعية

ويجب أن يكون الإنتاج المستدام للطاقة الأحيائية بمثابة تأثيرات أوسع نطاقاً تتجاوز بوابة المزارع.

تغير استخدام الأراضي وديون الكربون

ويمكن أن يؤدي تحويل الغابات أو الأراضي العشبية إلى مزارع الطاقة الأحيائية إلى إطلاق كميات كبيرة من الكربون المخزن، مما يؤدي إلى " ديون الكربون " قد تستغرق عقوداً لتسديدها، ومن المهم، تفادياً لذلك، إنشاء محاصيل في الأراضي المتدهورة أصلاً أو المزروعة بدلاً من إزالة النظم الإيكولوجية الطبيعية.

نوعية المياه وكميتها

ويمكن أن يؤدي استخدام الأسمدة المكثفة إلى تلوث النيترات والفوسفات في أجساد المياه.() وتُنتج عن أفضل الممارسات البيئية التي تنشرها الوكالة [الطاقة المتجددة] أفضل الممارسات البيئية [الطاقة المتجددة] في مناطق نسل المياه.()

الغذاء مقابل مناقشة الوقود

ويتنافس الجيل الأول من محاصيل الطاقة الأحيائية (الذرة، والسكر، والنحاس النفطي) مباشرة مع إنتاج الأغذية، مما يؤدي إلى ارتفاع أسعار السلع الأساسية، وربما يزيد الجوع في المناطق الضعيفة، ويساعد الجيل الثاني والجيل الثالث من المواد الوسيطة التي تزرع على الأراضي الهامشية أو تستخدم نظما غير زراعية (الغاز) على تخفيف هذا النزاع، كما أن سياسات مثل التوجيه المنقح بشأن الطاقة المتجددة الصادر عن الاتحاد الأوروبي تقيد استخدام الوقود الأحيائي المتطور القائم على المواد الغذائية، وتشجع على التغذية.

ألف - القدرة الاقتصادية على تحمل الأزمات ودعم السياسات

وتتوقف الجاذبية الاقتصادية لمحاصيل الطاقة الأحيائية على سعر الكتلة الأحيائية، والعوائد، وتكاليف المدخلات، والحوافز المتاحة، وفي كثير من المناطق، تؤدي الولايات الحكومية (مثلاً، معيار الوقود المتجددة في الولايات المتحدة، والارتباط بغاز الوقود المتجددة في المملكة المتحدة) إلى إيجاد سوق مستقرة للوقود الأحيائي.

ويمكن أن تؤدي المنتجات المشتركة مثل تغذية الحيوانات والشحن الحيوي والكيميائيات الحيوية إلى تحسين خط القاع الاقتصادي، فعلى سبيل المثال، كثيرا ما تبيع محطات الإيثانول الحبوب المسيل للجفاف كتغذية للماشية، ويمكن استخدام اللحوم المنفصل عن الإيثانول ككيميائي متجدد أو محروق للحرارة، وتساعد هذه التدفقات على تعويض تكاليف المواد الوسيطة وجعل النظام العام أكثر مرونة.

دراسة حالة: صناعة السكران البرازيلي

وقد أثبتت البرازيل أن إنتاج الطاقة الأحيائية على نطاق واسع يمكن أن يكون مجديا اقتصاديا ومفيدا بيئيا، وأن البلد ينتج أكثر من 30 بليون لتر من الإيثانول سنويا، ويأتي أساسا من قصب السكر، ويستفيد من هذه الصناعة من انخفاض تكاليف الإنتاج، والهياكل الأساسية الراسخة، والولايات التي تدمجها الحكومة، كما أن شركة Sugarcane ethanol تقلل من انبعاثات غازات الدفيئة بنسبة تصل إلى 90 في المائة مقارنة بالغازولين، وقد دفعت التنمية الريفية الكبيرة.

Future Directions in Bioenergy Crop Selection

ويعود البحث والابتكار المستمران بفتح المزيد من العائدات وتحقيق المزيد من الاستدامة.

جينوم إيدينغ وبيولوجيا صناعية

ويتيح هذا البرنامج وغيره من أدوات التحرير المغنطيسية إجراء تعديلات دقيقة على مدى التسامح مع الجفاف في مجال المحاصيل، وكفاءة استخدام المغذيات، وتكوين الكتلة الأحيائية.() ويمكِّن البيولوجيا التركيبية من تصميم الكائنات المجهرية التي تحوّل المواد الوسيطة للكتلة الأحيائية بكفاءة أكبر إلى أنواع متقدمة من الوقود الأحيائي مثل وقود الطيران المستدام.() ويمكِّن المعهد JoJEnergy()

المحاصيل التي تُجرى كل سنتين في الحبوب والبذور الزيتية

ويمكن أن يجمع بين مزايا المحاصيل السنوية (مثل القمح الدائم وزهرة الشمس الدائمة) والمزايا العائدة للسنوات والفوائد الإيكولوجية للسنوات الدائمة.() وقد أحرز معهد لالاند في كانساس تقدما كبيرا في إدراج الحبوب الدائمة مثل كيرنزا، التي يمكن أن تخدم أغراضا مزدوجة: الغذاء على الحبوب والكتلة الأحيائية.

Algae and Other Aquatic Biomass

ويحتمل أن تكون غلة الزيت عالية جداً لكل هكتار، ويمكن أن تنمو على أرض غير قابلة للزراعة أو في مياه البحر الساحلية، وتظل أكبر العقبات تتمثل في الزراعة الفعالة من حيث التكلفة، والحصاد، واستخراج النفط.() وتُحدث مفاعلات الفوتوبيري، مقترنة بثاني أكسيد الكربون من محطات توليد الطاقة، مساراً للوقود الأحيائي المحتوي على الكربون.()

التكرير الأحيائي المتكامل

The concept of the integrated biorefinery - where a single facility produces multiple products (fuels, chemicals, power, heat) from biomass-improves overall efficiency and economics. For example, a biorefinery might convert lignocellulosic feedstocks into cellulosic ethanol and lignin-based bioplastics, while burning residues for process heatre. The[FLT demonstrated

خاتمة

إن اختيار المحصول الأيكولوجي هو قرار أساسي يؤثر على البصمة البيئية، والجدوى الاقتصادية، والاستدامة الطويلة الأجل لإنتاج الوقود الأحيائي، ولا يوجد محصول واحد مثالي لجميع المناطق أو جميع مسارات التحويل؛ ويتوقف الخيار الأمثل على المناخ المحلي والتربة وتوافر المياه وظروف السوق، غير أن الأدلة تدعم بقوة العشب الدائم (مثلاً، التحولات في الأحراج، والمحاصيل الخفيفة)