فهم مضبوطات الحرارة في التنمية المستدامة الحلول الحيوية

مقدمة: تقاطع الديناميكية الحرارية والطاقة الأحيائية

إن الطاقة الأحيائية المستمدة من المواد العضوية مثل المواد النباتية، والمخلفات الزراعية، ومواقف النفايات العضوية في مركز الجهود العالمية الرامية إلى إزالة الكربون من قطاع الطاقة، والوعد واضح: مصادر الوقود المتجددة والمحايدة الكربون التي يمكن إدماجها في الهياكل الأساسية القائمة، ومع ذلك فإن الطريق من تصميم الكتلة الحيوية إلى الطاقة الصالحة للاستخدام ليس بسيطاً، وكل تحويل، سواء من خلال قوانين الاحتراق أو التخصيب أو الغاز،

وهذه المادة توفر غطسة تقنية عميقة في المبادئ الدينامية الحرارية التي تقيد نظم الطاقة الأحيائية المستدامة، وسندرس القانونين الأول والثاني لعلم الحرارة، ومفهوم البرمجيات، والحد الأقصى لكفاءة كارنو، وأوجه كفاءة التحويل في العالم الحقيقي، والآثار الاستراتيجية على تصميم النظم، وبفهم هذه القيود، يمكننا أن نطور حلولاً للطاقة الأحيائية لا تكون مجدية تقنياً فحسب، بل مستدامة اقتصادياً وبيئياً.

المبادئ الأساسية المتعلقة بالحرارة

القانون الأول لعلم الديناميكية الحرارية: حفظ الطاقة في نظم الطاقة الأحيائية

ويفيد القانون الأول بأنه لا يمكن خلق الطاقة أو تدميرها؛ ولا يمكن تغييرها إلا في شكل الطاقة الحيوية، ولا تنتج الطاقة الكيميائية المخزنة في الكتلة الحيوية إلا من خلال ارتفاع قيمة التدفئة أو انخفاض قيمة التدفئة (LHV) إلا من المدخلات، ولا يمكن تحويل هذه الطاقة إلى طاقة حرارية (هض)، أو العمل الميكانيكي (مثلاً، تحويل إنتاج توربيني) أو نفايات كهربائية.

(ب) الآثار العملية: المحاسبة المتعلقة بالطاقة ضرورية، ويجب على المهندسين تتبع كل جولات، على سبيل المثال، قد يحول مضخة الاحتراق في الكتلة الحيوية 85 في المائة من طاقة الوقود إلى حرارة البخار، بينما يمكن للمضخم أن يحول 60-70% فقط إلى غاز، ولكن مع ميزة إنتاج وقود أعلى مستوى من الطاقة، ولا يمكن للقانون الأول وحده أن يرشد قرارات التصميم؛ ويجب أن يقترن بالقانون الثاني.

القانون الثاني لعلم الديناميات الحرارية: حدود الطاقة الكهرمائية والكفاءة

ويدخل القانون الثاني مفهوم الاضطرابات الارتجاعية أو عدم توافر الطاقة للقيام بالعمل، وفي أي عملية حقيقية، فإن مجموع التدفق من النظام زائداً ما يرتفع، وهذا يعني أنه لا يمكن تحويل الطاقة أن يكون فعالاً بنسبة 100 في المائة؛ ويجب رفض بعض الطاقة باعتبارها حرارة نفايات في درجة حرارة أقل، ويفرض القانون الثاني حداً أساسياً على جزء من الطاقة الحرارية التي يمكن تحويلها إلى عمل بارد.

وبالنسبة لجهاز حرق الكتلة الحيوية الذي يعمل عند درجة حرارة قدرها 900 درجة مئوية (1173 كيلو متراً) الذي يرفض الحرارة على البيئة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية (298 كيلو متراً)، فإن كفاءة الكروت هي 1-298/1173) = 74.6 في المائة، وفي الممارسة العملية، تحقق النظم الحقيقية أقل من ذلك بسبب عدم التنويع: الاحتكاك، والخسائر الحرارية، وارتداد حراري، ومعدلات نقل حرارة حرارية ثابتة

Entropy and Exergy]: Exergy is the maximum useful work obtainable from a system as it reaches equilibrium with its surroundings. In bioenergy analysis reveals where losses occur. For instance, when wet biomass is dried using hot flue gases, the entropy of mixing and prioritize vaporization.

Thermodynamic Constraints Specific to Bioenergy

غيبز الطاقة الحرة والاستجابة العفوية

ويتوقف تحويل الكتلة الأحيائية في كثير من الأحيان على ردود الفعل الكيميائية مثل الاحتراق، والتحلل الهيدرولي، والتخمير، أو الميثا، ولا يخضع التلقائية والتوازن في ردود الفعل هذه إلا لتغيير الطاقة المجانية في جيبز، ولا بد أن يكون التنويم الكيميائي سلبياً، وأن يكون التحوّل في الحرارة والضغط والتكوين يؤثر على الغوغاء الخفيف.

وهذا القيد يعني أن المواد الوسيطة للكتلة الأحيائية ليست جميعها مناسبة بنفس القدر لجميع المسارات، كما أن المواد ذات الدونات العالية تقاوم الهجوم الانزيائي؛ والمواد الوسيطة ذات الحركة العالية أفضل للعمليات الرطبة مثل الهضم الجوي، بينما تلائم المواد الوسيطة الجاف الاحتراق أو الغاز، ويسترشد فهم المشهد الحراري للردات بتقنيات اختيار المواد الوسيطة وما قبل المعالجة.

وحدة الضبط والضغط على الكفاءة

إن الكتلة الأحيائية، كما يتم حصادها، تحتوي على 30-60% من الماء بالوزن، وتحتاج هذه المياه إلى طاقة كبيرة، وحرارة تبخير المياه تبلغ حوالي 2.26 ميغاغرام/كغ عند 100 درجة مئوية، ولكن نظم التجفيف العملية تتطلب 3-5 ميغاجول لكل كيلوغرام من الماء المزال، وتنتقص الطاقة هذه مباشرة من صافي إنتاج الطاقة في النظام، وبالنسبة للاحتراق، فإن الكتلة الأحيائية تزيد من حرارة اللهب، وتخفضة، وتخفض من الاحترار.

ومن الناحية الحرارية، من الأفضل في كثير من الأحيان استخدام الكتلة الحيوية الرطبة في العمليات الرطبة (مثل الهضم الهوائي أو الغاز الحراري المائي) حيث لا يكون الماء عدواً بل متفاعلاً أو متوسطاً، وهذا يوضح مبدأ رئيسي: تصميم مسار التحويل لمواءمة خصائص المواد الوسيطة الحرارية إلى الحد الأدنى من التدمير الطاقي.

التقلبات التكوينية وكثافة الطاقة

فالكتلة الأحيائية ليست وقوداً موحداً، فهي تشمل الخلايا والهيكلولوز واللين والمستخرجات والرماد، ولكل عنصر قيم تدفئة مختلفة وأجهزة لغسل ردود الفعل، وعلى سبيل المثال، تكون كثافة الطاقة (نحو 25-27 ميغاغرام/كغ) أعلى من كثافة الخلايا (17-19 ميغاغرام/كغ).

ويكشف التحليل الطارئ للكتلة الأحيائية عن وقوع الخسائر الرئيسية في فصل المكونات المفيدة عن المواد الخاملة، وتهدف نظم التحويل المتقدمة مثل التحلل الحراري السريع إلى إنتاج النفط الأحيائي بكثافة عالية من الطاقة، ولكنها تتطلب أيضا إدارة دقيقة للغازات الفحمية والغازات غير القابلة للتكثيف للحفاظ على الكفاءة العامة.

حدود الكفاءة الحقيقية في العالم للطرق المشتركة للطاقة الأحيائية

التكوين المباشر للدبابات والطاقة

الحرق المباشر هو أبسط وأكبر تقنية، الكتلة الحيوية محترقة في مغلي لتوليد البخار الذي يقود إلى توربين، ونسبة الكفاءة الكهربائية المثالية تتراوح بين 20 في المائة من محطات الطاقة الصغيرة، ونسبة الحرارة القصوى 600 في المائة من النباتات الحديثة الكبيرة، ونسبة الحرارة القصوى التي تُستخدم فيها الحرارة المرتفعة

النبذة الجوية من أجل الغاز الحيوي

(أ) تحويل المادة العضوية الرطبة إلى غاز بيولوجي (60 في المائة من الميثان، 40 في المائة من ثاني أكسيد الكربون) من خلال سلسلة من ردود الفعل الميكروبي، أما نسبة كفاءة التحويل الإجمالية من الطاقة الوسيطة إلى الميثان فهي عادة 50-7 في المائة على أساس الهيدروجين، أما الطاقة المتبقية فتفقد كحرار (إطلاقات الأيض الخلي) وبكونها بقايا تبلغ 85.

Gasification for Syngas

(ب) إن التوليد يحوّل الكتلة الأحيائية الصلبة إلى غاز مختلط قابل للاحتراق (CO + H2) من خلال التأكسد الجزئي عند درجة 700-1000 مئوية.() وتشتمل كفاءة الغاز البارد (الطاقة الكيميائية في الغازات الاصطناعية) على ارتفاع درجة الحرارة (60٪ إلى 80٪) بينما تضيع الطاقة المتبقية كحرار (الأشعة، الحرارة المعقولة في الغاز والرماد) وبكمية.

الخصم إلى إيثانول وغيره من الوقود الأحيائي

1-1- ويستخدم الجيل الأول من الإيثانول من الذرة أو قصب السكر في تخمير السكر إلى الإيثانول، ويعقب ذلك تفكك، وتخفض نسبة الارتحال إلى الطاقة الحرارية (الطاقة الإيثانولية/الطاقة الحيوية) حوالي 35 إلى 45 في المائة من الذرة (بعد حساب مدخلات الطاقة لأغراض الزراعة، والتجهيز، والتحلل).

الآثار الاستراتيجية للتنمية المستدامة للطاقة الأحيائية

عملية التكامل واستعادة القدرة على التسخين

ويوضح التحليل الحراري أن مسارات حرارة النفايات يجب أن تُستولى عليها وتعاد استخدامها، ويحد التكامل في عملية استخدام تحليل الدبابيس من مستويات الحرارة التي يمكن أن تُغطى بها الحرارة من عمليات الحرارة العالية (مثلاً، مخرج الغازات) إلى الاحتياجات من الحرارة الدنيا (العمليات التنظيف، والتسخين، وتدفئة الهضم).

Compbined Heat and Power (CHP)]: وكما لوحظ، فإن سداسي البروم ثنائي الفينيل هو حل حراري كلاسيكي: فهو يستخدم الحرارة العالية الجودة للكهرباء والحرارة المنخفضة الجودة للتطبيقات الحرارية، وهذا يتمشى مع القانون الثاني لأنه يتجنب استخدام وقود عالي الطاقة لتدفئة الكتلة الحيوية المنخفضة.

المواد الأولية: المفاضلات الحرارية

أما حالات سوء المعاملة مثل التحلل (التحويل بنسبة 250 إلى 300 درجة مئوية)، أو التحلل الحراري، أو الكربون الحراري الهيدرولي، فيمكن أن ترفع الكتلة الأحيائية عن طريق زيادة كثافة الطاقة، والحد من الرطوبة، وتحسين القدرة على الطهي، غير أن هذه العمليات نفسها تستهلك الطاقة، ومن أجل التقلب، فإن حوالي 10-15 في المائة من الطاقة الكتلية الحيوية قد تضيع كنسبة مئوية من التقلبات والحرارة.

اختيار مسار التحويل الصحيح

إن القيود التي تفرضها الدينامية الحرارية لا يوجد أي طريق أحيائي أفضل على الصعيد العالمي، إذ أن المواد الوسيطة الرطبة (مثل النفايات الغذائية، والمرطوبة، والحمأة، والحفر الأنيابي، والتزود بالغاز الحراري، والتشويه (المياه الرئوي) تُحدث نتيجة للاحتراق بسبب تجنب التجفيف، فيما يتعلق بالكتلة الأحيائية الجافة، أو الغاز أو الاحتراق

دور كابينة الكربون وتخزينه

إن الطاقة الأحيائية التي تُستخدم في احتجاز الكربون وتخزينه هي تكنولوجيا ناشئة يمكن أن تنتج انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السلبية، غير أن رأسها الزائد الحراري كبير، إذ أن القدرة على ثاني أكسيد الكربون من الغاز المفلطح أو الغازات الغازية تتطلب الطاقة (تحتل درجة حرارة 2-4 ميغاغرام/كغ من ثاني أكسيد الكربون) مما يقلل من صافي الناتج الكهربائي.

الاستنتاج: العمل في حدود الحرارة

ولا تمنع الديناميات الحرارية الطاقة الأحيائية المستدامة؛ بل إنها تُخبرنا بثمن العمل فحسب، وكل نظام للطاقة الحيوية، من مخزن خشبي بسيط إلى متطور متكامل للتنقية الأحيائية، يعمل في حدود القانونين الأول والثاني، ويُساعد فهم هذه القيود المهندسين على تجنب الجهود الضائعة ورؤوس الأموال على تصميمات لا يمكن أن تحقق أهدافها مادياً، كما أنه يشير إلى أن دورة إنتاج الطاقة تُعد بالإدماج في العملية.

ومع تعجيل العالم في التحول بعيدا عن الوقود الأحفوري، فإن الطاقة الأحيائية ستؤدي دورا هاما - خاصة في القطاعات التي يصعب فيها الكهربة )صناعة الثقوب، والطيران( وباحترام المبادئ الدينامية الحرارية، يمكننا أن نطور حلولا للطاقة الحيوية لا تكون سليمة نظريا فحسب بل قابلة للاستدامة عمليا، ومستقبل الطاقة الأحيائية لا يكمن في تجاهل الحدود، بل في تصميمها بذكاء.

For further reading on thermodynamic limits in energy systems, see the National Renewable Energy Laboratory (NREL) reports on biomass conversion efficiencies, and the ] International Energy Agency (IEA) bioenergy gate.] Advanced exergy analysis methods are detailed