النهج الابتكارية لاستخدام الطاقة الأحيائية والموارد المعدنية

المرجعي المتنامي للإدارة المتكاملة للموارد

وفي السباق العالمي نحو انبعاثات الطاقة الصافية والاقتصادات الدائرية، يمثل التوسع الموازي في الطاقة الأحيائية واستغلال الموارد المعدنية تحديا وفرصة على حد سواء، ومن المتوقع أن توفر الطاقة الأحيائية المستمدة من المواد العضوية مثل المخلفات الزراعية والنفايات الحرجية ومحاصيل الطاقة المخصصة ما يصل إلى 20 في المائة من الطاقة الأولية في العالم بحلول عام 2050 في إطار سيناريوهات مناخية طموحة.

وقد جرت العادة على إدارة هذين المتدفقين من الموارد بمعزل عن بعضها البعض، ويعتمد استخراج المعادن اعتمادا كبيرا على الطاقة التي تستخدمها الأحفوريات، في حين أن إنتاج الطاقة الأحيائية كثيرا ما يتجاهل المحتوى المعدني لموادها الوسيطة، إلا أن نموذجا جديدا بدأ يظهر: الاستخدام المشترك، حيث تُستخدم المواصفات التكميلية للطاقة الأحيائية والموارد المعدنية بصورة متعمدة لإيجاد نماذج أكثر كفاءة وأقل هدرا وأكثر قوة من الناحية الاقتصادية.

فهم الاستخدام المشترك: التعاريف والتآزر الأساسي

ويشير الاستخدام المشترك إلى الاستخدام المتزامن أو المتسلسل لموارد الطاقة الأحيائية والموارد المعدنية بطريقة تعزز سلسلة القيمة الإجمالية، ويستغل المفهوم في جوهره أوجه التآزر: يمكن للطاقة الأحيائية أن توفر الحرارة أو الطاقة أو العوامل الكيميائية اللازمة لتجهيز المعادن، في حين أن المنتجات الثانوية المعدنية يمكن أن تحسن كفاءة تحويل الطاقة الأحيائية، أو أن تقلل من الانبعاثات، أو أن تكون بمثابة منتجات قيمة مشتركة.

وتشمل المبادئ الرئيسية التي يقوم عليها الاستخدام المشترك ما يلي:

Compplementarity in properties:] Biomass often contains volatiles, moisture, and alkalis that can be harnessed for thermal processing of ores; mineral matrices can act as sorbents or incentives in bioenergy reactions.
Circular flow of materials:] Waste from one stream becomes input for the other, reducing landfilling and virgin resource extraction.
Energy-material coupling:] Using renewable bioenergy to power mineral extraction reduces the carbon footprint of mining, while mineral-based additives can enable more efficient bioenergy production.

ويمكن للصناعات، بالانتقال من العمليات المحمّلة، أن تحقق تكاليف تشغيلية أقل، وطول عمر الموارد، والمواءمة مع الأهداف البيئية والاجتماعية، وأهداف الإدارة، ولوضع سياق أوسع بشأن إدارة الموارد التعميمية، يقدم تقرير الوكالة الدولية للطاقة بشأن المعادن في عمليات الانتقال في الطاقة النظيفة قراءة أساسية.

النهج الابتكارية في مجال التجزئة

1 - تجهيز المعادن بواسطة الطاقة الأحيائية - الدريفن

وربما يكون أكثر التطبيقات مباشرة لاستخدام الطاقة الأحيائية استخداماً للطاقة الأحيائية الصلبة أو الغازات الأحيائية أو الوقود الأحيائي السائل لتلبية المطالب الحرارية والكهربائية لعمليات التعدين وتجهيز المعادن، فالاستخدام التقليدي للمعادن (التخدير، الطحن، التجفيف، الدوار، الصهر) هو كثيف للطاقة، وقد اعتمد تاريخياً على الوقود الأحفوري أو الطاقة المستمدة من الكهرباء.

(ب) كيف يعمل هذا النظام: يمكن لمنتجات الغاز الأحيائي أن تنتج الغازات السائلة التي تحل محل الغاز الطبيعي في القمائن الدوارة لتبخير ركاز الحديد أو في قمائن الليمون، كما أن الغازات الأحيائية من الحفريات الهوائية للنفايات العضوية تجمع بين وحدات الحرارة والطاقة في مواقع المناجم.

Real-world example:] In Sweden, the Boliden mining company has experimented with replace fossil fuels with forest residues and wood pellets in their copper smelting operations, achieving a significant reduction in CO2 emissions. Similarly, in Finland, the use of biogas for heating in talc production has demonstrated technical feasibility and cost savings.

Technical considerations: Challenges include the changing moisture and energy density of biomass, the need for pre-treatment (drying, pelletizing), and ensuring consistent supply. However, advances in biomass torrefaction and pyrolysis are producing higher-energy-density feedstock potentials: mimicT

2 - استخدام المنتجات الثانوية المعدنية في إنتاج الطاقة الأحيائية

وعلى العكس من ذلك، فإن العديد من المنتجات الثانوية في صناعة المعادن - الرماد، الغبار، الخيوط - تحتوي على عناصر قيمة يمكن أن تعزز عمليات الطاقة الأحيائية أو تكون بمثابة نواتج مشتركة، وهذا النهج يغلق الحلقة ويحول خصوم النفايات إلى موارد.

Slag as incentive or incentive support:] Steel slags rich in calcium, iron, and magnesium oxides can be used as incentives for biomass gasification or pyrolysis, increasing tar cracking and hydrogen yield.
Fly as soil amendment after bioenergy production:] Ash from biomass combustion contains potassium and phosphorus; when combined with mineral ash from coal (co-combustion), it can be formulated as a slow-release fertilizer, returning nutrients to agriculture and forestry.
Red mud from bauxite processing:] This highly alkaline waste can be used as a sorbent to capture CO2 from biogas upgrading, or as a incentive for biodiesel production. Researchers at the University of Queensland have demonstrated red mud achieving up to 90% methanation rates when used as a support for nickel incentives.

Circular economy impact:] By repurposing mineral byproducts, companies avoid landfill costs, reduce the need for virgin incentive materials, and create new revenue streams. For instance, a pulp mill in Austria uses calcium-rich lime sludge from the mining industry to capture sulfur during biomass combustion, reducing acrubber market costs.

3 - النظم المتكاملة للطاقة الزراعية - التعدين - البيونيرجي

إن استراتيجية الاستخدام المشترك الأكثر شمولاً تتضمن الجمع بين زراعة الكتلة الحيوية واستخراج المعادن على نفس الأرض، وهذا المفهوم، الذي يسمى أحياناً بـ "التعدين" أو "التصنيع" يستخدم النباتات التي تتراكم الفلزات من التربة، ثم يتم تجهيز الكتلة الحيوية المحصولة لاستعادة المعادن والطاقة.

Nickel phytomining:] Species such as ]Alyssum murale and Bemelheya coddii can accumulate up to 2-3 nickel in their drybuted.
Energy crops on mine tailings:] Forest lands disturbed by mining can be reforested with fast-growing trees (e.g., willow, poplar) that absorb residual metals and produce biomass for local district heating. The vegetation also settles tailings, reduces dust, and improves biodiversity.

Value proposition:] Phytomining pilot projects in Albania and the Balkans have shown that nickel production from biomass can be competitive with conventional mining at nickel prices above $15,000 per ton, while also providing renewable energy credits.

4- تحويلات الدم الحرارية الكيميائية إلى مواد معدنية

ويمكن إدخال مضافات المعادن مباشرة في عمليات تحويل الكتلة الأحيائية لتحسين الكفاءة، أو خفض الانبعاثات، أو إنتاج نواتج ذات قيمة أعلى.

] Calcium-based sorbents in liquidized bed gasifiers:] Adding limestone or dolomite to the bed captures CO2 and sulfur, enabling carbon-negative power generation through chemical ringing. This is an active area of research at institutions like the University of British Columbia.
Iron ores as oxygen carriers in chemical ringing combustion: instead of burning biomass with air, iron ore particles carry oxygen from an air reactor to a fuel reactor, producing a concentrated CO2 stream suitable for capture. This technology allows bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) while co-producing iron-rich.
Mineral incentives for hydrothermal liquefaction:] When converting wet biomass to bio-crude, add zeolites or alumina-based materials improves the yield and quality of the oil, reducing oxygen content and viscosity.

وهذه النهج تضفي على الخط الفاصل بين الطاقة الأحيائية وتجهيز المعادن، مما يخلق أشكالا متكاملة تماما من السايمبيوز الصناعي.

فوائد الاستخدام المشترك: فائدة متعددة الأبعاد

الاستدامة البيئية

ويقلل الاستخدام المشترك من انبعاثات غازات الدفيئة عن طريق الاستعاضة عن الوقود الأحفوري بالكتل الأحيائية المتجددة في تجهيز المعادن، وعن طريق استيعاب أو تجنب الانبعاثات من مجاري النفايات، كما أن الاستخدام الدائري للمنتجات الثانوية يقلل من الطلب على تعدين المواد الخام ويقلل من التسرب، وتظهر تحليلات دورة الحياة للنظم المتكاملة باستمرار انخفاض آثار الكربون والمياه مقارنة بالعمليات المنفصلة.

الكفاءة في استخدام الموارد

فالنظم المجمّعة تستخرج قيمة أكبر من كل طن من الموارد، مثلا، فإن استخدام رماد الكتلة الأحيائية كسماد يعني أن المغذيات من المواد الوسيطة للكتلة الأحيائية (التي ستفقد لولا ذلك) تصبح جزءا من حلقة مغلقة، وبالمثل، فإن استخدام الطين الأحمر كعامل حفاز يوسّع نطاق فائدة منتج النفايات الذي قد يتطلب، لولا ذلك، تخزينا طويل الأجل.

المزايا الاقتصادية

ويمكن للتكامل أن يقلل تكاليف الطاقة للألغام )لا سيما في المناطق النائية التي تتوافر فيها الكتلة الحيوية محليا(، وأن يقلل من رسوم التخلص من النفايات، وأن يخلق إيرادات جديدة من المنتجات المشتركة، ومن المتوقع أن تنمو السوق العالمية للنسيج الصناعي، حيث يكون الاستخدام المشترك عنصرا رئيسيا، بنسبة ٨-١٠ في المائة سنويا حتى عام ٢٠٣٠، ومن المرجح أن يحصل المتبنيون المبكرون على مزايا تنافسية مع تشديد أسعار الكربون.

التحديات والحواجز أمام التنفيذ

العقبات التقنية

ويجب أن تتطابق خصائص الكتلة الأحيائية (الحركة، وتكوين الرماد، والتوافر الموسمي) مع عمليات معدنية محددة، مثلاً، يمكن أن تتسبب الكتلة الأحيائية العالية القلوية في التفاخر والارتباك في المغليات المصممة للوقود الأحفوري، وكثيراً ما تكون هناك حاجة إلى المعالجة المسبقة ومراقبة الجودة، مما يضيف تكاليف رأس المال والتشغيل، وبالإضافة إلى ذلك، يتطلب إدماج عمليتين صناعيتين متمايزة هندستين متأنيتين لتجنب الاختن والحفاظ على الموثوقية.

ألف - الرؤية الاقتصادية

ولا يزال العديد من تكنولوجيات الاستخدام المشترك على نطاق تجريبي أو تجريبي، إذ يمكن أن يكون الاستثمار الرأسمالي لإعادة استخدام النباتات المعدنية القائمة أو بناء مرافق متكاملة جديدة مرتفعا، علاوة على أن سعر الكتلة الحيوية والمنتجات الثانوية المعدنية يمكن أن يكون متقلبا، وكثيرا ما يكون الدعم السياساتي، مثل ائتمانات الكربون أو تعريفات التغذية للحرارة المتجددة، ضروريا لسد الفجوة الاقتصادية.

الثغرات التنظيمية والسياساتية

وكثيرا ما يندرج الاستخدام المشترك بين الأنظمة القطاعية التقليدية، وقد يقيد تصنيف النفايات من المنتجات الثانوية المعدنية استخدامها كعامل حفاز أو كخصمص، وقد يتطلب التصاريح البيئية للمرافق المشتركة وقتا أطول لاستعراضها، ويلزم وضع إطار سياساتي متسق يعترف بالفوائد التآزرية، ولعرض عام لتوصيات السياسات، يقدم برنامج الأمم المتحدة للبيئة نظرة شاملة عن الموارد العالمية أفكارا عن الإدارة المتكاملة.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

ويُستخدم هذا المنجم الكيمي، الذي يملكه أوتوكومباو، في عمليات خام الكروم، في مصنع محلي للغازات الأحيائية يستخدم نفايات الأغذية ومخلفات الغابات، ويُستخدم نظام الغاز الحيوي في إزالة النفايات، ويُستخدم في هذا المجال في إطار نظام إنتاج المواد الخامات في المناطق المتطورة.

(ب) عملية الانتقال من الفحم إلى الطاقة في جنوب أفريقيا: ] تقوم شركة تعدين الفحم في مبومانغا بتجربة استبدال الديزل في مركبات التعدين الثقيلة بالديزل الأحيائي المنتجة من زهور الشمس والفول الصويا التي تزرع في أراضي المناجم المستعادة، وتستخدم منتجة الغدة الغليسيرين من إنتاج الديزل الأحيائي كقمع غبار على الطرقات.

] Japan’s torrefied biomass in cement kilns: To reduce reliance on imported coal, the Japanese cement industry has co-fired torrefied wood pellets with oil coke in cement kilns. The wood pellets replace up to 15% of the coal, and the high calcium content of cement cment cement

المولدات التكنولوجية ورقمنة

وتعتمد نظم الاستخدام المتطور على الأدوات الرقمية لتحقيق أقصى قدر من تدفقات الموارد، وترصد أجهزة الاستشعار على شبكة الإنترنت أشياء رطوبة الكتلة الأحيائية، وتكوين الرماد، وتركيز الغاز في الوقت الحقيقي، مما يتيح إجراء تعديلات دينامية، وتتوقع نماذج استخباراتية أفضل نسب لتجميع الكتلة من الكتلة الأحيائية والمضافات المعدنية لتعظيم إنتاج الطاقة أو تقليل الانبعاثات إلى أدنى حد.

ويمكن أن يؤدي Blockchain أيضا دورا في تعقب مصدر الطاقة الحيوية والموارد المعدنية وتركيبها الكربوني، وهو سمة يطلبها بشكل متزايد المستثمرون والزبائن، ويقلل الجمع بين هذه التكنولوجيات الرقمية والتكامل المادي من تكلفة مشاريع الاستخدام المشترك ومن مخاطرها.

الأطر السياساتية والتعاونية اللازمة

ولكي يتم اعتمادها على نطاق واسع، يجب على واضعي السياسات تهيئة الظروف التي تشجع التعاون بين القطاعات، وتشمل الإجراءات الرئيسية ما يلي:

Harmonizing waste and resource definitions:] Clear rules that classify mineral byproducts as secondary raw materials rather than waste, as long as they meet quality standards for bioenergy applications.
Innovation funding:] Grants and tax incentives for pilot plants that demonstrate co-utilization technologies. The European Union’s Horizon Europe program and the U.S. Department of Energy’s Bioenergy Technologies Office are examples of existing funding sources that could be expanded.
Carbon pricing and crediting:] Include avoided emissions from integrating biomass and minerals in carbon markets, such as through the Clean Development Mechanism or voluntary carbon credits. This would improve the return on investment for early adopters.
Training and knowledge sharing:] Establish industry clusters or hubs where mining companies, bioenergy producers, and research institutions can share best practices and jointly develop standards.

ويمكن العثور على إطار شامل في تقارير IRENA Innovation Landscape]، التي تسلط الضوء على التكامل الشامل لعدة قطاعات باعتباره عاملاً تمكينياً رئيسياً في انتقال الطاقة.

التوقعات المستقبلية: التوسع في استخدام الموارد

ومن المرجح أن يشهد العقد القادم انتقالا من المظاهرات المتخصصة إلى تعميم الممارسات الصناعية، وستعجل أربعة اتجاهات بذلك:

Growing pressure to decarbonize mining and heavy industry:] Major mining companies (Rio Tinto, Vale, BHP) have announced net-zero targets; co-utilization with biomass offers a pathway.
Improvements in biomass supply chains:] Advances in precision forestry, agricultural residue collection, and satellite-based biomass mapping will make feedstocks more reliable and cheaper.
Circular economy regulation:] سندات معدلات إعادة التدوير وتحويل مدافن القمامة في الاتفاق الأخضر الأوروبي والسياسات المماثلة ستجبر الصناعات على البحث عن استخدامات متجانسة لمجارير نفاياتها.
Technology maturation:] Chemical cycleing, hydrothermal processing, and phytomining are approaching commercial readiness. As pilot plants prove their economics, risk-averse investors will start to back larger projects.

غير أن الاستخدام المشترك ليس حلاً واحداً يناسب الجميع، ويجب على كل منطقة أن تقيِّم ما لديها من موارد وهياكل أساسية وبيئتها السياساتية، وما يعمل في بلدان الشمال الأوروبي (الكتلة الأحيائية الحرجية غير الساحلية والودائع المعدنية) قد يختلف عن المناطق القاحلة التي يشكل فيها توافر المياه عاملاً محدوداً، ومع ذلك فإن المبدأ الأساسي الذي يجمع بين الموارد بصورة خلاقة يدر قيمة أكبر من استخدامها للنداء العالمي بشكل مستقل.

خاتمة

وتمثل النهج المبتكرة لاستخدام الطاقة الأحيائية والموارد المعدنية استراتيجية قوية لتحقيق أهداف الاستدامة المتعددة في وقت واحد، وباستبدال الوقود الأحفوري في تجهيز المعادن، وإعادة تدوير المنتجات الثانوية المعدنية في نظم الطاقة الأحيائية، وإدماج استخدام الأراضي عن طريق التعدين، ونشر تحويل متقدم في مجال الحرارة الكيميائية مع وسائط الإعلام المعدنية، يمكن للصناعات أن تقل الانبعاثات، وتخفض النفايات، وتخفض التكاليف، وتخلق فرصا اقتصادية جديدة.

وسيتطلب الانتقال الاستثمار والتعاون بين القطاعات والسياسات الداعمة، ولكن الأدلة المستمدة من المعتمدين المبكرين واعدة، ومع تزايد النضج التكنولوجي وتعزيز حالة الأعمال التجارية، فإن الاستخدام المشترك يستعد ليصبح حجر الزاوية في النظم الصناعية النظيفة في جميع أنحاء العالم، وبالنسبة للمنظمات التي هي على استعداد للتفكير خارج الحدود التقليدية، فإن الطريق إلى العمليات المتكاملة والفعالة من حيث الموارد مفتوح.