الطاقة الأحيائية والانتقال إلى إنتاج الهيدروجين الأخضر

مقدمة: كونسبنغس للطاقة الأحيائية والهيدروجين الأخضر

إن التحول العالمي للطاقة يتطلب بدائل قابلة للتقسيم، منخفضة الكربون للوقود الأحفوري، ومن بين أكثر الطرق واعدة هيدروجين خضراء ينتج عن طريق التحلل الكهربائي الذي يولده الكهرباء المتجددة، ولكن الكهرباء المتجددة وحدها لا يمكن أن توفر دائماً ما يلزم من سلاسل أساسية أو مرونة وسيطة لتوليد الهيدروجين المستمر والفعال من حيث التكلفة، وهذا هو المكان الذي تدخل فيه الطاقة الأحيائية الصورة، مما يتيح مصدراً تكميلياً ومرسلاً للطاقة المتجددة وطريقاً مباشراً إلى توليد الطاقة الهيدروجين عن طريق العمليات الهيدروجينية.

وتستكشف هذه المادة أسس الطاقة الأحيائية، والمسارات التقنية لتحويل الكتلة الأحيائية إلى الهيدروجين، ومزايا هذه النهج وحدودها، والتوقعات المتعلقة باقتصاد الهيدروجين الذي تستمد طاقته جزئيا من الموارد العضوية، وللاطلاع على سياق إضافي بشأن الاستراتيجيات العالمية للهيدروجين، انظر IEA Global Hydrogen Review 2024.]

فهم الطاقة الأحيائية: المصادر والتكنولوجيات والإمكانيات

ما هو بيونيرجي؟

ويستمد الطاقة الأحيائية من المواد العضوية المعروفة مجتمعة باسم الكتلة الحيوية، ويشمل ذلك محاصيل الطاقة المخصصة (مثلاً، البراغيث، الميكنة)، والمخلفات الزراعية (مادة الذرة، أكياس قصب السكر)، ومخلفات الحراجة (رقائق الخشب، المنشار)، والماشية، والنفايات الصلبة البلدية، والآلغا.

تكنولوجيات التحويل

يمكن تحويل الكتلة الأحيائية إلى طاقة يمكن استخدامها عبر عدة مسارات:

Combustion:] Direct burning to produce heat and electricity (e.g., biomass power plants, co-firing with coal).
Gasification:] Partial oxidation at high temperature (700-1400°C) to produce syngas (CO + H2).
Pyrolysis:] Thermal decomposition in the absence of oxygen, yielding bio-oil, biochar, and syngas.
Anaerobic Digestion:] Microbial breakdown of organic matter in the absence of oxygen to produce biogas (CH4 + CO2).
Fermentation:] Conversion of sugars into ethanol (e.g., corn ethanol, cellulosic ethanol).

ولكل تكنولوجيا احتياجات مميزة من المواد الوسيطة، وكفاءة الطاقة، والنواتج، وبالنسبة لإنتاج الهيدروجين الأخضر، فإن التغويز والهضمان الهوائي له أهمية خاصة، حيث أنها تولد تدفقات الغازات الغنية بالهيدروجين أو الغازات الأحيائية التي يمكن إصلاحها.

Global Bioenergy Potential

وتقدر الوكالة الدولية للطاقة المتجددة أن الطاقة الأحيائية المستدامة يمكن أن تلبي ما يصل إلى 20 في المائة من الطلب العالمي على الطاقة الأولية بحلول عام 2050، حيث تبلغ حالياً الطاقة الأحيائية الحديثة نحو 5 في المائة، غير أن الشواغل المتعلقة باستخدام الأراضي، والمنافسة الغذائية، والتنوع البيولوجي يجب أن تدار من خلال معايير الاستدامة الصارمة.() وتبرز IRENA، الآثار الجانبية المحتملة على تكنولوجيات التحويل.

دور الطاقة الأحيائية في إنتاج الهيدروجين الأخضر

تحديد الهيدروجين الأخضر

وتنتج الهيدروجين الأخضر عن طريق تقسيم المياه (H2O) إلى الهيدروجين (H2) والأكسجين (O2) باستخدام التحلل الكهربائي، الذي لا يُستخدم إلا بمصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية أو الرياح أو الطاقة الكهرمائية أو الطاقة الأحيائية، ويُنتج عن ذلك انبعاثات الكربون الهيدروجينية عند نقطة الإنتاج، مما يجعله حجر الزاوية في إزالة الكربون من القطاعات الصلبة إلى المزروعة مثل تصنيع الفولاذ، والنقل الثقيل، والتوليف الكيميائي.

غير أن الكهرباء يحتاجون إلى تشغيل عامل ذو قدرة عالية ليكون أكثر من 50 في المائة من الناحية الاقتصادية - وهو أمر يتحدى مع المتغيرات المتجددة وحدها، ويمكن للطاقة الأحيائية سد هذه الفجوة بتوفير الكهرباء المتجددة الثابتة والمرسلة وبوصفها وسيطاً مباشراً للهيدروجين من خلال الطرق الحرارية الكيميائية.

الطريق 1: أشعة الكتلة الأحيائية مع الإصلاح

وفي هذا الممر، تُضخ الكتلة الأحيائية إلى الغازات (خليط من ثاني أكسيد الكربون وهاء-2) وتخضع الغازات بعد ذلك لرد فعل على حركة الغازات المائية (CO + H2O ⁇ CO2 + H2) لزيادة غلة الهيدروجين، يليها الاستيعاب المؤقت للضغط أو فصل الخماسي لتنقية H2 إلى ⁇ 99.9 في المائة.

إعداد المواد الغذائية (العمل، خفض الحجم).
Gasification at 800-1000°C with controlled oxygen/steam injection.
تنظيف الأنفاق (إعادة إزالة التاريس والجسيمات ومركّبات الكبريت).
مفاعلات تحويل الغازات المائية (مرحلة واحدة أو مرحلتان).
تنقية الهيدروجين

وتوجد محطات تجارية النطاق (مثلاً في السويد وهولندا) تحقق الكفاءة بنسبة 50-70 في المائة (أساس الهيدروجينية) ويمكن احتجاز ثاني أكسيد الكربون المنتج وتخزينه لتحقيق الانبعاثات السلبية، مما يجعل هذا الطريق جذاباً بوجه خاص بالنسبة للأهداف المناخية.

الطريق 2: إصلاح الغاز الحيوي

ويمكن رفع مستوى الغازات الأحيائية من الهضم الجوي (نحو 50 إلى 70 في المائة من الميثان، و30 إلى 50 في المائة من ثاني أكسيد الكربون) إلى الميثان الأحيائي (95 في المائة من الميثان) ثم إنتاج البخار (H4 + H2O ⁇ 3H2 + CO) لإنتاج الهيدروجين، وكبديل لذلك، يمكن إجراء إصلاح مباشر للغازات الأحيائية ولكن يتطلب تجهيزا إضافيا.

الطريق 3: النظم الكيميائية الحيوية

وتستخدم خلايا التحلل الكهربائي الصغير البكتيريا الكهرومغناطيسية لتأكسد المادة العضوية وإنتاج الإلكترونية، التي تجمع بين البروتونات في الهرولة لتشكل الهيدروجين، وفي حين أن هذه المركبات لا تزال على نطاق تجريبي، فإنها يمكن أن تعمل على درجات حرارة عالية وتحويل مجموعة واسعة من النفايات العضوية (مثلاً، مياه الصرف الصحي، والنفايات الغذائية) إلى الهيدروجين.

الطريق 4: النظم المتكاملة ذات الطاقة المتجددة

ويمكن أن توفر الطاقة الأحيائية أيضاً طاقة احتياطية للكهرباء عندما يغطس توليد الطاقة الشمسية أو الرياح، وقد يشمل نظام هجين محطة توليد الطاقة التي تعمل بالكتلة الأحيائية أو محرك الغاز الحيوي الذي يعمل باستمرار أو عند الطلب، ويكفل استخداماً عالياً للكهرباء، وفي المناطق التي توجد فيها الكتلة الأحيائية الوفيرة، ولكن الموارد الشمسية/الريحية الضعيفة، يمكن أن يكون إنتاج الهيدروجين المزود بالكتلة بالكتل الأحيائية الخيار الأكثر عملية.

مزايا استخدام الطاقة الأحيائية لإنتاج الهيدروجين

الحياد الكربوني والانبعاثات السلبية

وعندما تكون الكتلة الأحيائية مصدراً مستداماً، فإن ثاني أكسيد الكربون الذي يتم إطلاقه أثناء التحويل متوازن نظرياً بسبب ثاني أكسيد الكربون الذي تم استيعابه أثناء نمو النباتات، مما يجعل الهيدروجين " محايداً " () إذا طبقت عملية احتجاز الكربون وتخزينه على العملية (BECCS)، فإن النتيجة الصافية هي إزالة الانبعاثات السلبية بفعالية من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي مع إنتاج وقود نظيف، وهذه المنفعة المزدوجة بين مسارات إنتاج الهيدروجين.

النفايات

وكثيرا ما تكون المخلفات الزراعية (الاستعراض، والهزات)، والرش الحراجي، والنفايات العضوية البلدية، والمناولة، غير مستغلة أو مجهزة بالهبوط، مما يولد انبعاثات الميثان، ولا يؤدي تحويل هذه المواد إلى الهيدروجين فحسب، بل ينتج أيضا ناقلا قيما للطاقة، وهذا النهج التعميمي يدعم أهداف إدارة النفايات ويخلق تدفقات من الإيرادات للمزارعين ومعالجي النفايات.

أمن الطاقة والإنتاج المحلي

فالكتلة الأحيائية متاحة على نطاق واسع في معظم البلدان، مما يقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري المستورد.() ويمكن بناء محطات الهيدروجين الأحيائي الموزعة بالقرب من مصادر المواد الوسيطة، وتقليص سلاسل الإمداد، وعزل المشغلين عن تقلب الأسعار العالمية، وهذا أمر يستدعي بشكل خاص المجتمعات المحلية النائية والجزر والمناطق الزراعية.

خدمات التسريح والاحتجاز

وعلى عكس الطاقة الشمسية والريحية، يمكن لمصانع الطاقة القائمة على الكتلة الأحيائية أن تعمل على مدار الساعة أو عند الطلب، وعندما تدمج هذه المحطات بالكهرباء، فإنها تضمن تحقيق نواتج مائية متسقة بغض النظر عن الظروف الجوية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لمصانع الطاقة في الكتلة الأحيائية أن توفر خدمات استقرار الشبكة (استجابة التردد، احتياطي التموين)، مما يزيد من تعزيز قيمة النظام العام.

فرص الإنتاج المشترك

ويمكن أن يؤدي إنتاج الهيدروجين الأحيائي إلى إنتاج منتجات قيمة مشتركة مثل الفحم الأحيائي (وهو عامل تعديل التربة وعزل الكربون)، والحرارة (لعمليات التدفئة في المقاطعات أو العمليات الصناعية)، وثاني أكسيد الكربون النقي (لصناعات الغذاء والسباج أو تحسين انتعاش النفط)، وهذه المنتجات المشتركة تحسن من الاقتصاد الكلي للمشروع وتخفض النفايات.

التحديات والحواجز أمام تصعيد الهيدروجينات الخضراء

توافر المواد الغذائية والاستدامة

وعلى الرغم من أن الكتلة الأحيائية وفرة، فإن المنافسة على الأراضي والمياه التي تزرع فيها المحاصيل الغذائية والغابات ومناطق الحفظ تشكل مصدر قلق بالغ، إذ يمكن أن يؤدي الصيد غير المستدام إلى إزالة الغابات وتدهور التربة وفقدان التنوع البيولوجي، كما أن مخططات التصديق الصارمة (مثل معايير الاتحاد الأوروبي لاستدامة توجيه الطاقة المتجددة) أساسية لضمان أن تكون الكتلة الأحيائية المستخدمة في الهيدروجين منخفضة حقاً ولا تتسبب في تغير غير مباشر في استخدام الأراضي.

التعقيد التكنولوجي والكفاءة

ولا يزال تغويز الكتلة الأحيائية وتنظيف الغازات الغازية يشكل تحديا تقنيا، ولا سيما بالنسبة للمواد الوسيطة العالية الحركة أو ذات الطراز العالي، كما أن التكوين والترسب والتسمم الحفاز هي مسائل مستمرة، فالكفاءة العامة الحالية (البيوماس إلى الهيدروجين) تتراوح عادة بين 50 و70 في المائة، وأقل من التحليل الكهرومغناطيسي (70-80 في المائة دون حساب خسائر توليد الكهرباء).

التكاليف الرأسمالية والتشغيلية

(ب) إن محطات الهيدروجين الأحيائي تحتاج إلى استثمارات كبيرة في المزودات بالغاز، والمصلحات، ووحدات التنقية، ومعدات مناولة المواد الوسيطة (الاستعمار، والنقل، والتخزين)، والعمل، والصيانة.

Scale and Infrastructure

ومعظم مشاريع الهيدروجين الأحيائي القائمة على نطاق تجريبي أو بياني (قليل من الأطنان في اليوم) ويتطلب التوسع في المصانع التجارية (100 طن/يوم) سلاسل الإمداد بالمخزونات الوسيطة الموثوقة، التي هي معقدة التنظيم، كما أن البنية التحتية للنقل والتخزين في الهيدروجين تفتقر أيضا إلى الاستثمار الإضافي في خطوط الأنابيب أو مرافق الضغط أو التصفح.

السياسات العامة والتجمعات التنظيمية

ولدى العديد من البلدان استراتيجيات هيدروجين، ولكن قلة منها تتناول بالتحديد الهيدروجين الأحيائي، حيث إن الافتقار إلى تعاريف واضحة ومعايير التصديق والحوافز المالية (مثل أقساط الهيدروجين الخضراء، وأرصدة الكربون لليورانيوم الخماسي البروم) يخلق عدم اليقين لدى المستثمرين، ويؤدي عدم الاتساق في معالجة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الأحيائي بموجب قواعد المحاسبة المتعلقة بالكربون إلى زيادة تعقيد عملية وضع المشاريع.

دراسات الحالة والأمثلة الحقيقية على الصعيد العالمي

Project: Bioenergy Hydrogen Production in Sweden

وفي غوثينبورغ، السويد، أظهرت محطة غوبيغاس (التي أغلقت الآن) تغويز الكتلة الأحيائية المتقدمة لإنتاج الميثان الأحيائي، وفي الآونة الأخيرة، تقوم مبادرة Södra باستكشاف 20 مرفقاً من الهيدروجينات المزودة بمركبات الكربون باستخدام مخلفات الغابات والكهرباء التي تعمل بالطاقة المتجددة من مصنعها الخاص لتوليد الطاقة الأحيائية.

Project: Biogas-to-Hydrogen at Wastewater Treatment Plants

وفي الولايات المتحدة، تنتج مقاطعة أورانج للتصحاح في كاليفورنيا الهيدروجين من الغازات الأحيائية التي تولد أثناء معالجة المياه المستعملة، وتستخدم الهيدروجين لتأجيج مركبات الإطلاق في أسطول المنطقة، وهذا المشروع يبين الإمكانات الاقتصادية الدائرية: فالنفايات تصبح وقودا، والهيدروجين يحل محل الديزل، ويخفض التلوث الجوي المحلي.

التكنولوجيات الناشئة: ألفا - إلى هيدروجين

وتستكشف البحوث في مؤسسات مثل جامعة أريزونا وشركة دلفت إنتاج الهيدروجين البيولوجي المباشر بواسطة ميكروغا وسيانوبكتريا، ويمكن لهذه الكائنات أن تنتج الهيدروجين عن طريق التثبيت الضوئي تحت ظروف مُخصَّصة للمغذيات، وفي حين أن هذا الطريق لا يزال في مراحل مبكرة من البحث والتطوير، فإنه يمكن أن يتجاوز الحاجة إلى الغاز والإصلاح، مما يتيح عملية متلازمة بيولوجية ذات اتجاه واحد وذي دوافع شمسية حقا.

الآفاق المستقبلية: الارتقاء بالطاقة الأحيائية من أجل اقتصاد الهيدروجين

التحسينات التكنولوجية

فالتقدم في تصميم التغويز (مثلاً، السرير المزدوج المسيل، والتدفق المكثف)، والإصلاح الحفاز، والفصل بين الغشاء، يحسن بصورة مطردة الكفاءة ويقلل من التكاليف، كما أن الجيل القادم من التكرير الأحيائي الذي يُنتج معاً الهيدروجين والوقود الأحيائي والكيماويات الحيوية والصيد الأحيائي يمكن أن يحقق وفورات الحجم ويحسن الربحية، وسيزيد من إضفاء الطابع الرقمي ومراقبة العمليات من تحقيق العمليات الأمثل.

التكامل مع كابينة الكربون وتخزينه

وتعد الشركة أقوى أداة لتحقيق الانبعاثات الصافية، ولكنها تتطلب هياكل أساسية للنقل والتخزين بأسعار معقولة، وتستثمر الحكومات والصناعة في مراكز احتجاز الكربون (مثلاً، أضواء الشمال في النرويج، وحوض إيلينوي) التي يمكن أن تخدم عدة محطات للهيدروجين الأحيائي، وستكون أطر السياسات التي تكافئ الانبعاثات السلبية (مثلاً، 45 كيلو متراً في الائتمانات الضريبية في الولايات المتحدة) حاسمة بالنسبة للانتشار.

أوجه التآزر مع قطاع التقارب

ويمكن إدماج الهيدروجين الأحيائي في مخططات أكبر لجمع القطاعات: يمكن حقن الهيدروجين الزائد من الكتلة الأحيائية في شبكات الغاز الطبيعي (حتى 20 في المائة من الحجم في بعض الشبكات)، أو استخدامه في التخزين الموسمي، أو تحويله إلى أمونيا أو وقود اصطناعية للبحر والطيران، ويمكن أن تشارك في أسواق الكهرباء عوامل هيدروجين (كهرباء وكتلة بيولوجية) توفر المرونة في الوقت الذي تنتج فيه الهيدروجين الأخضر.

أولويات السياسات والاستثمار

لفتح إمكانات الهيدروجين الحيوي يجب على واضعي السياسات:

إدراج الهيدروجين الأحيائي في الاستراتيجيات الوطنية للهيدروجين وتعاريف الهيدروجين الخضراء.
Establish clear sustainability criteria and certification for biohydrogen.
Provide targeted subsidies or tax credits for BECCS and waste-to-hydrogen projects.
دعم تطوير الطاقة في التزود بالغاز المتقدم، ومركبات الكربون المتعددة الأطراف، وإنتاج الهيدروجين البيولوجي.
الاستثمار في الهياكل الأساسية للنقل والتخزين في المناطق الغنية بالكتلة الأحيائية.

الاستنتاج: دور تكميلي في بوابة الهيدروجين الخضراء

فالطاقة الأحيائية ليست رصاصة فضية لإنتاج الهيدروجين الأخضر، ولكنها تكملة قوية للتحلل الكهربائي القائم على الطاقة الشمسية والريحية، وقدرتها على الإرسال، وفوائد استخدام النفايات، وإمكانيات الانبعاثات السلبية تجعلها مناسبة بشكل فريد لسد الثغرات في نظام الهيدروجين المتجدد بالكامل، وفي حين أن تحديات التكلفة، والقدرة على التصعيد، والاستدامة ما زالت قائمة، فإن الابتكار المستمر والسياسات الداعمة يمكن أن تُطلق دور الهيدروجين الأحيائي في التحول العالمي للطاقة.

ومع انتقالنا نحو اقتصاد الهيدروجين، فإن أكثر النظم قدرة على التكيف ستكون مهجورة - تُستخدم فيها مواطن القوة من كلا المسارين الكهروكيميائي والبيولوجي، ولن تحل الهيدروجين القائم على الطاقة الأحيائية محل التحلل الكهربائي، ولكن يمكنها أن تمكن إنتاج الهيدروجين حيث تنتشر الطاقة الشمسية والريحية، وأن تعزز إدارة النفايات، وتساعد على تحقيق التحلل العميق للكربونات اللازمة لتحقيق أهداف المناخ.

For further reading, explore the H2B2 electrolysis solutions] or the DOE’s biomass gasification research].