تسخير الموارد الزراعية للإنتاج المستدام للطاقة الأحيائية

The Untapped Potential of Agricultural Residues for Bioenergy

كما أن مخلفات الزراعة - الملاحقات والهواك والقذائف والقش التي تركت بعد الحصاد - تمثل واحدا من أكثر الموارد استخداماً ناقصاً في التحول العالمي للطاقة، وهذه المواد التي تحترق في الميدان أو تتحول إلى طاقة متجددة موثوقة، حيث أن الدول تتخبط لتحقيق أهداف انبعاثات صافية من الطاقة والحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري والاستخدام الاستراتيجي للبقايا الزراعية في النفايات البيولوجية.

The Scale and Significance of Agricultural Residue Availability

فالزراعة تولد كميات كبيرة من الكتلة الحيوية على الصعيد العالمي، ووفقا لمنظمة الأغذية والزراعة، فإن الإنتاج العالمي من قش الحبوب وحده يتجاوز ٣ بلايين طن سنويا، ويتوفر في الولايات المتحدة جزء كبير من هذه المادة - إلى جانب الأكياس من قصب السكر، وأكواشاك الأرز، والقذائف الجوزية - التي يمكن أن تكون متاحة بسهولة لتحويل الطاقة.

المناطق الزراعية الرئيسية وإمكانيات المواد الغذائية

• Midwest United States:] Corn stover (sotes، أوراق، كوبs) is the dominant residue, with over 250 million tonnes produced annually.
• Southeast Asia:] Rice straw and husks are abundant; Indonesia, Thailand, and Vietnam produce more than 200 million tonnes per year.
• Brazil and India:] Sugarcane bagasse is a primary residue; Brazil alone generates over 150 million tonnes of bagasse each harvest season.
• Europe and the Mediterranean:] Wheat straw and olive holes are widely used in small-scale combined heat and power (CHP) plants.

أنواع الأرياف الزراعية ومكوناتها من الطاقة

ولا توجد جميع المخلفات على قدم المساواة، فكلدتها من الطاقة، ومحتوياتها من الرطوبة، وتكوينها الكيميائي يحدد أنسب مسار للتحويل، وعادة ما تكون للكتلة الأحيائية اللغوية مثل الفراولة والملاحقات قيمة تدفئة أقل من 14 إلى 18 ميغاجول/كغ (مقارنة بـ 30 إلى 40 ميغاغرام/كغم من الفحم)، ولكن توافر المواد الوسيطة وتجديدها أكثر من التعويض.

Cereal Straws

ويحتوي القمح والأرز والشعر البار على محتوى معتدل للطاقة ومحتويات عالية من الحرير، مما قد يسبب التعثر في نظم الاحتراق، غير أن المعالجات المتقدمة مثل الغسل أو الاصطدام مع الكتلة الحيوية الأخرى، تصبح مواد وسيطة ممتازة لكل من الاحتراق والحفر الهوائي، ولا سيما أن الفراولة ذات تصميم عال (15 في المائة).

Corn Stover

وتُستخدم بالفعل في مصانع الفول السوداني (الجزء غير الصخري من مصنع الذرة) غنية بالسيلولوز والهيوميولوز، وفي الولايات المتحدة، تُستخدم في محطات الإيثانول الخلوية، ولكنها مناسبة أيضاً للاحتراق المباشر والتحلل الحراري، ويطالب محتوى الرطوبة المرتفع (40-60 في المائة في الحصاد) بتجفيف أو استخدامه لمدة سنة.

Sugarcane Bagasse

أما الباغاسي فهي بقايا الألياف التي تركت بعد سحق قصب السكر، وهي تستخدم على نطاق واسع بالفعل في مطاحن السكر لتوليد الكوك (اللحوم والكهرباء)، وكثيرا ما تحقق الاكتفاء الذاتي للطاقة بالنسبة للمصنع بأكمله، ولدى البرازيل وتايلند والهند محطات قوية للطاقة ذات قاعدة كيسية ذات قدرات تصل إلى 50 ميغاواط.

شلالات نوتة وبصرية

وتحتوي قذائف الجوز واللوز والفول السوداني والجوز الهندي على محتوى عالي من اللينيين والرطوبة المنخفضة، مما يجعلها ممتازة في الاحتراق والتغويز العاليي، وفي وادي كاليفورنيا المركزي، تولد محطات الطاقة الأحيائية القائمة على قذف اللوز ما يكفي من الكهرباء لتوليد الكهرباء لـ 000 50 منزل، بينما تقلل من خطر الدخان من الحرق المفتوح.

تكنولوجيات التحويل الرئيسية: من ريدي إلى الطاقة

ويمكن تحويل المخلفات الزراعية إلى طاقة عبر عدة مسارات، كل منها له نضجه التقني واحتياجاته الرأسمالية وملامح المنتجات النهائية، ويتوقف الاختيار على خصائص المخلفات، وعلى مطالب الطاقة المحلية، والهياكل الأساسية.

التلبس المباشر

وتستخدم مصانع الاحتراق الحديثة مغلي المدخنين أو محرقة سرير مسيل لمعالجة الطبيعة المتجانسة للمخلفات.

التحول الكيميائي الأحيائي: النبذة الجوية والتخزين

ويمكن أن تكسر الكائنات الحية المادة العضوية في بيئات خالية من الأوكسجين (الهضمان الجوي) لإنتاج الغازات الأحيائية (لا سيما الميثان وثاني أكسيد الكربون) (البقايا الزراعية العالية في الرطوبة، مثل النفايات الخضر، أو رسوب الذرة الرطبة، أو مواد كيميائية مثلية من نوع دودة الفواكه، ويمكن استخدام الغاز الأحيائي مباشرة في التدفئة، أو الكهرباء، أو التحديث إلى نباتات غازية زراعية مضافية في إنتاج الوقود.

التحويل الحراري الكيميائي: التجميل والتحليل الحراري

(ب) الغازات التي تحول الكتلة الأحيائية إلى الغازات (CO, H2, and CH4) عن طريق مخلفات التدفئة في بيئة محدودة بالأكسجين، ويمكن أن تحرق شركة سينغاس في توربينات الغاز أو تستخدم كمواد كيميائية.() ومن جهة أخرى، فإن التحلل الحراري يُظهر الكتلة الأحيائية عند درجات حرارة متوسطة (300-600 درجة مئوية) في غياب أوكسجين لإنتاج النفط الأحيائي.

التسريح والرش

وتحسن معالجة المخلفات إلى شرائح أو نباتات مكثفة من المناولة والنقل والزي الموحد للاحتراق، وتزيد كثافة الطاقة في المخلفات الزراعية من الكتلة الحيوية الخام ويمكن إطلاقها في مصانع الفحم، وتخفض السوق العالمية للجزر 50 مليون طن في عام 2023، وتستبدل البلازما الزراعية حصة متنامية.

المنافع البيئية والاجتماعية والاقتصادية

ويؤدي تسخير المخلفات الزراعية للطاقة الأحيائية إلى تحقيق فوائد متعددة وقابلة للقياس تمتد إلى ما يتجاوز توليد الطاقة المتجددة.

تخفيض انبعاثات غازات الدفيئة

وعندما تحرق المخلفات الزراعية علنا أو تترك لتحلل، فإنها تطلق غاز الميثان (س-4) وأكسيد النيتروز - غازات الدفيئة المحتملة، وتتجنب مخلفات الطاقة التي تلتقط معظم الكربون في عملية احتراق متحكم فيها؛ أما ثاني أكسيد الكربون فهو مادة بيولوجية وجزء من دورة الكربون القصيرة الأجل، وبالتالي فهي تعتبر أن النيتروجين للكربون - النيتروجين - 80 في المائة عند تحليل مصادره المستدامة().

تحسين نوعية الهواء

إن حرق مخلفات المحاصيل في الحقول المفتوحة مصدر رئيسي للجزء (PM2.5)، وثاني أكسيد الكربون، والمركبات العضوية المتطايرة، وفي الهند والصين، تسهم هذه الممارسة في حدوث حلقات مدخنة موسمية حادة.() وقد تؤدي مخلفات الترميز في محطات الطاقة الأحيائية إلى إزالة هذه الانبعاثات في المصدر.() وتشير الدراسة التي أجراها المعهد الدولي لتحليل النظم التطبيقية إلى أن التخلص من الحرق المفتوح لقشروط الأرز()

التنمية الاقتصادية الريفية

ويخلق جمع وتجهيز المخلفات الزراعية وظائف في المناطق الريفية - من البغل والنقل إلى تشغيل مرافق التحويل، وقد تبين من تحليل أجرته وزارة الزراعة في الولايات المتحدة في عام 2022 أن مصنعاً للكتلة الأحيائية يبلغ 20 ميغاواط يستخدم مغذي الذرة يدعم 80 إلى 120 وظيفة مباشرة ويولد 12 إلى 16 مليون دولار في النشاط الاقتصادي المحلي السنوي، وبالنسبة لصغار المزارعين في البلدان النامية، يمكن أن يضيف بيع المخلفات 10 إلى 30 في المائة إلى دخلهم السنوي.

إدارة النفايات وصحة التربة

ويمكن أن يؤدي إزالة الكثير من المخلفات إلى نضوب الكربون العضوي في التربة وزيادة التحات، غير أن جزءاً من بقاياه - ما بين 30 و50 في المائة من البقايا في الميدان للحفاظ على هيكل التربة، وأن نظم الطاقة الأحيائية التي تعيد الفحم (البيوك) أو الرماد إلى الحقول يمكن أن تحسن خصوبة التربة، والاحتفاظ بالمياه، وعزل الكربون، ويستوفى معيار الجودة الزراعية الأوروبي.

التحديات التي يجب أن تتغلب عليها

ورغم وعدها، فإن الاعتماد الواسع النطاق للطاقة الأحيائية القائمة على المخلفات الزراعية يواجه عقبات تقنية واقتصادية ولوجستية كبيرة.

جيم - جمع ونقل اللوجستيات

أما النفايات الزراعية فهي مواد منخفضة الكثافة، وشديدة الحجم، ولا تحتوي على سوى 10-12 طناً من مخلفات الجاف، مما يعني أن المسافات التي تبعد 30 كيلومتراً ونصف كيلو متراً كثيراً ما تجعل المواد الوسيطة غير اقتصادية، كما أن التثبيت (المسح، والركود) والتجهيز اللامركزي قبل التجهيز، في أوروبا، [المركبات المتطورة] 40٪ من تكاليف النقل المحمولة.

توافر البحارة وتخزينها

وتُجمع الندوات مرة أو مرتين في السنة، ولكن الطلب على الطاقة يستغرق عاماً، ويحتاج إلى تخزين واسع النطاق، مما قد يؤدي إلى خسائر في المواد الجافة تتراوح بين 5 و20 في المائة بسبب تدهور الميكروبيات ومخاطر الاحتراق التلقائي، ويمكن أن يؤدي كل اضافة إلى تخفيف هذه المسائل، ولكن كل إضافة من هذه التكاليف.

قضايا ذات صلة بالآش وكتابة الغليان

Many agricultural residues contain high levels of alkali metals (potassium, sodium) and chlorine, which lower ash melting temperatures and cause fouling, slagging, and corrosion in combustion systems. Advanced liquidea boilers, co-firing with low-alkali fuels like wood cris, or using leaching pre-treatments can mitigate these problems.

السياسات والحواجز السوقية

ولا يزال هناك عدد كبير من البلدان التي تصنف الطاقة الأحيائية على أنها " محايدة الكربون " دون اشتراط الحصول على شهادات مصادر مستدامة، مما يؤدي إلى مخاطر التبريد الأخضر، كما أن الأطر التنظيمية الأكثر وضوحاً - مثل معايير الاستدامة في مجال الطاقة المتجددة في البرازيل - تحتاج إلى ضمان أن تكون هناك فوائد بيئية قائمة على أساس السحب.

استخدامات القدرة التنافسية للركبة

ولا تضيع المخلفات الزراعية في كل سياق، بل تستخدم في تربية الحيوانات، وتغذية الماشية، وزراعة الفطر، وكمسألة عضوية تعود إلى التربة، كما أن هناك نهجا متوازنا يخصص المخلفات لأعلى قيمة من حيث الطاقة أو المواد أو التربة، وهو ضروري، ويمكن أن تساعد أدوات تقييم دورة الحياة على تحقيق هذا التخصيص.

الآفاق المستقبلية: الابتكار والارتقاء

ويشهد مسار الطاقة الأحيائية القائمة على المخلفات الزراعية باختراقات تكنولوجية، وزيادة التدفقات المالية، وزيادة الوعي العام، وستشكل عدة اتجاهات القطاع خلال العقد القادم.

تكنولوجيا التحويل المتقدمة

(ه) يمكن أن تحول السائل الحراري الهيدروليكي (HTL) المخلفات العالية الحركة مباشرة إلى مادة أحيائية عند درجة حرارة وضغط مرتفعين، وتتجنب خطوة التجفيف الكثيفة الطاقة.() وتوضع محطات ثاني أكسيد الكربون ذات النطاق التجاري في كندا والنرويج، وفي موازاة ذلك، تتيح البيولوجيا الاصطناعية الكائنات المجهرية لإنتاج وقود الإيثانول، بل وقود الطائرات المتجددة من ليينغنيين.

التكامل مع كابينة الكربون وتخزينه

وتنشئ الطاقة الأحيائية المصاحبة لاستخلاص الكربون وتخزينه انبعاثات صافية، مما يجعلها واحدة من أكثر الاستراتيجيات واعدة لتخفيف آثار تغير المناخ، وإذا استخدمت المخلفات الزراعية في مرافق الشركة، فإن ثاني أكسيد الكربون المفرج عنه أثناء الاحتراق أو التخصيب يُمسك ويُخزَّن تحت الأرض.() وتعتمد سيناريوهات الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ التي تبلغ 1.5 درجة مئوية اعتماداً كبيراً على مركبات الكربون الثنائية الفينيل المتعددة الكلورية فلورية، وتراوحت بين 2 و10 نباتات في السنة الواحدة.

التوليد الرقمي والتخزين الأمثل

ويمكن لمستشعرات الإيوت والصور الساتلية والتعلم الآلات التنبؤ بتوفر مخلفات البقايا ومحتويات الرطوبة والتوقيت الأمثل للحصاد، وهذه الأدوات تتيح تخطيطا سوقيا ديناميا يقلل من تكاليف جمعها بنسبة 15 إلى 25 في المائة. ويمكن لمنصات القدرة على التعقب القائمة على البلوكشاين أن تشهد بأن المخلفات مصدر مستدام، ويلبي متطلبات المستثمرين في مجال السندات الخضراء ومشترين الشركات.

الحلول اللامركزية الصغيرة النطاق

وبالنسبة للبلدان النامية، يمكن أن توفر أجهزة التبريد الصغيرة الحجم وحفر الغازات الأحيائية التي تدار على المخلفات المتاحة محلياً وقوداً للكهرباء والطبخ النظيف بأسعار معقولة، وقد وضعت برامج مثل برنامج دعم الغاز الحيوي في الهند أكثر من 5 ملايين محطة للغاز الأحيائي للأسر المعيشية، يستخدم الكثير منها رفوف الماشية وبقايا المحاصيل.() وفي أفريقيا جنوب الصحراء، توجد منظمات مثل

الاستنتاج: تحويل سلسلة النفايات إلى أصول استراتيجية

وتمثل المخلفات الزراعية مورداً كبيراً ومتجدداً وناقصاً في استخدام الطاقة، إذ يمكن للدول، من خلال نشر تكنولوجيات التحويل المناسبة والتغلب على التحديات اللوجستية والتقنية والسياساتية، أن تحول ما هو حالياً مشكلة التخلص إلى فرصة للطاقة النظيفة، وتمتد الفوائد إلى ما هو أبعد من الطاقة: تحسين نوعية الهواء، والعمالة الريفية، وإدارة النفايات، والتخفيف من آثار تغير المناخ، وتتماشى مع الاستخدام الذكي للمخلفات، ويتطلب الانتقال عملاً منسقاً من المزارعين والصناعة والحكومات، وأدوات الابتكار في القرن.