مستقبل الطاقة الأحيائية في تحقيق نظم النقل المستدام

The Current State of Transport and the Need for Alternatives

ويُعزى النقل إلى ما يقرب من ربع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية المتصلة بالطاقة، وهو نصيب لا يزال يرتفع مع توسع ملكية المركبات في الاقتصادات النامية وتزايد الطلب على الشحن في جميع أنحاء العالم، ولا يزال القطاع يعتمد اعتمادا كبيرا على الوقود القائم على النفط، حيث يزود النفط بنحو 91 في المائة من مجموع احتياجات الطاقة للنقل وفقا للوكالة الدولية للطاقة، ويخلق هذا الاعتماد ضعفا أمام تقلب الأسعار، وعدم الاستقرار الجغرافي السياسي، والضرر البيئي.

وفي حين أن عملية الكهربة قد حظيت باهتمام واستثمار كبيرين، لا سيما بالنسبة لمركبات الركاب الخفيفة، فإنها لا تستطيع معالجة كل بُعد من أبعاد التحدي المتعلق بالنقل، فالنقل بالشاحنات ذات الصلاحية الثقيلة، والطيران، والشحن البحري، والسكك الحديدية الطويلة الأجل، يتطلب الوقود الكثيف للطاقة الذي لا يمكن أن توفره تكنولوجيا البطاريات الحالية، ويوفر الطاقة الأحيائية حلا تكميليا يمكن نشره عبر هذه القطاعات التي يصعب فرزها باستخدام الهياكل الأساسية القائمة للتنقل والتجهيز الأحيائي والتصميمات التي لا غنى عنها.

فهم الطاقة الأحيائية: المصادر وتكنولوجيا التحويل

ويلتقط الطاقة الأحيائية الطاقة المخزنة في المواد العضوية، المعروفة باسم الكتلة الأحيائية، والتي تشمل المواد النباتية، والمخلفات الزراعية، والنفايات الحراجية، ورطوبة الحيوانات، والقطع العضوية من النفايات الصلبة البلدية، بخلاف الوقود الأحفوري الذي يطلق الكربون الذي كان مقفلاً تحت الأرض لملايين السنين، فإن كربون الكتلة الأحيائية يشكل جزءاً من الغلاف الحيوي النشط، وعندما ينتج بصورة مستدامة، فإن الكربون المفرج عنه أثناء الاحتراق يعاد إلى دورة جديدة من نمو النباتات.

الوقود الأحيائي من النوع الأول

وتستمد الجيل الأول من الوقود الأحيائي من المحاصيل الغذائية مثل الذرة والسكر والفول الصويا وزيت النخيل، بينما يُحدث إيثانول من الذرة أو قصب السكر والديزل الأحيائي من الزيوت النباتية في الأسواق الحالية للوقود الأحيائي، وقد أثبتت البرازيل منذ فترة طويلة استمرارية الإيثانول السكري، الذي يُحدث تخفيضات كبيرة في غازات الدفيئة مقارنة بجيل الغازات، ويُحدث جزءا كبيرا من الأسطول الخفيف في حجم البلدان.

ثاني جيليغو الوقود الأحيائي

وتتغلب الجيل الثاني أو المتقدم من الوقود الأحيائي على العديد من القيود التي تفرضها نُهج الجيل الأول باستخدام المواد الوسيطة غير الغذائية، كما يمكن تحويل الكتلة الأحيائية اللغوية من المخلفات الزراعية مثل مخلفات الذرة، وقلعة القمح، وقطع قصب السكر، فضلا عن محاصيل الطاقة المخصصة مثل البراغيث والمخدرات، إلى مواد خشبية صلبة وراثية متجانسة في البلديات.

Third-Generation Biofuels and Emerging Pathways

وتمثل الوقود الأحيائي القائم على أساس الغالي جيلاً ثالثاً من تكنولوجيا الطاقة الأحيائية، ويمكن أن تنتج الغازات الدهون المناسبة للديزل الأحيائي ويمكن زراعةها على الأراضي غير الصالحة للزراعة باستخدام السالين أو الماء العادم، وفي حين أن تكاليف الإنتاج لا تزال مرتفعة، فإن البحث الجاري في مجال اختيار السلالات ونظم الزراعة وأساليب استخراج الوقود ما زال يحسن من القدرة الاقتصادية، وتشمل الممرات الناشئة الأخرى السائلة الحرارية المائية.

الوقود الأحيائي في الممارسة العملية: التطبيقات عبر قطاعات النقل

Light-Duty Road Transport

ويتوفر إيثانول، الذي يختلط بالغاز بتصل نسبته إلى 10 في المائة أو 15 في المائة، ويتفق مع معظم المركبات الحديثة، ويمكن لمركبات الوقود الفلوري أن تعمل على مزيج تصل إلى 85 في المائة من الإيثانول، وفي البرازيل، توجد إمدادات من النفط الكانائي والإيثانول تستهلك نحو 40 في المائة من الوقود المستخدم في المركبات الخفيفة، مما يدل على إمكانية تصعيد الطاقة الأحيائية على الصعيد الوطني.

شاحنة ثقيلة - دوتي وسيارة حافلات

ويمكن لمحركات الديزل في الشاحنات والحافلات الثقيلة أن تعمل على ارتفاع مواصف الديزل الأحيائي أو الديزل المتجدد الذي ينتج عن توليد الطاقة الكهرمائية، ويوفر الديزل المتجدد أداء مماثلا للديزل النفطي، بينما يقلل من انبعاثات غازات الدفيئة التي تدوم دورة الحياة بنسبة 50 في المائة إلى 80 في المائة، ويمكن رفع مستوى الغاز الأحيائي المأخوذ من مدافن، ومصانع معالجة مياه الفضلات الهوائية إلى الغاز الطبيعي المتجدّد.

الطيران

ويعرض الطيران أحد أصعب التحديات التي تواجه إزالة الكربون بسبب متطلبات السلامة والأداء الصارمة، وقد تم ربط وقود الطائرات المستدام، الذي ينتج من المواد الوسيطة بما في ذلك زيت الطهي المستخدم، والمخلفات الزراعية، والنفايات الحراجية، بوقود الطائرات التقليدية إلى 50 في المائة دون إدخال تعديلات على المحركات، وقد التزمت الخطوط الجوية بما في ذلك الممرات الجوية المتحدة وديلتا والخطوط الجوية البريطانية بزيادة استخدام الطاقة المتجددة، وقد حددت الصناعة هدفا يتمثل في اعتماد المواد الكيميائية المحتوية على 10 في المائة بحلول عام 2030.

الشحن البحري

وقد حددت المنظمة البحرية الدولية أهدافا طموحة لخفض انبعاثات الشحن بنسبة 40 في المائة على الأقل بحلول عام 2030 مقارنة بمستويات عام 2008، ويمكن استخدام الوقود الأحيائي، مثل الديزل الأحيائي والميثانول الأحيائي، في المحركات البحرية القائمة التي لا تُدخل عليها سوى تعديلات طفيفة، وقد أجرت شركات شحن رئيسية عديدة تجارب ناجحة في مجال الوقود الأحيائي، مما يدل على جدوى تقنية، ويحظى الميثانول الذي ينتج من الكتلة الأحيائية أو الهيدروجين المتجدد بالاهتمام باعتباره وقود بحري نتيجة لض الضغط النظيف في درجة الحرارة.

أهم مزايا الطاقة الأحيائية لنظم النقل

تجديد وبيع الكربون

وتُعاد تغذية المواد الوسيطة للطاقة الأحيائية من خلال دورات النمو الطبيعي، بما يكفل إمداداً غير نهائي نظرياً طالما تم إدارة الإنتاج بصورة مستدامة، ويعتمد حياد الكربون في الطاقة الأحيائية على الإدارة المسؤولة للأراضي وعلى المحاسبة المتأنية لدورات الحياة، وعندما تكون الكتلة الأحيائية مصدرها الغابات المدارة إدارة مستدامة، فإن محاصيل الطاقة التي تنمو على الأراضي المتدهورة، أو تدفقات النفايات التي من شأنها أن تتدهور وتطلق ميثان، تكون فوائد الكربون كبيرة.

إمكانية المطابقة بين الهياكل الأساسية

ومن أكثر المزايا إلحاحاً للوقود الأحيائي توافقها مع الهياكل الأساسية القائمة، ويمكن نقل الوقود الأحيائي السائل عن طريق خطوط الأنابيب، وتخزينه في الصهاريج التقليدية، والاستغناء عن طريق المضخات القياسية، كما أن صناع المركبات يقدمون نماذج مصممة للعمل على الوقود الأحيائي العالي القاعات دون تعديل كبير، وهذا التوافق في الهياكل الأساسية يقلل من الاستثمار الرأسمالي اللازم للانتقال مقارنة ببناء شبكات جديدة تماماً لتوليد الطاقة المائية أو محطات تبادل البطاريات.

أمن الطاقة والتنمية الريفية

والبلدان التي تستورد النفط يمكنها أن تقلل من ضعفها أمام انقطاع الإمدادات وتصاعد الأسعار عن طريق تطوير صناعات الطاقة الأحيائية المحلية، وتخلق الكتلة الأحيائية المصدرة محليا فرصا اقتصادية في المجتمعات الريفية من خلال إنتاج المواد الوسيطة وتجهيزها وتوزيعها، وتقدر وزارة الزراعة في الولايات المتحدة أن الاقتصاد البيولوجي يدعم مئات الآلاف من الوظائف عبر سلاسل الإمداد، وتمتلك العديد من البلدان النامية موارد كبيرة من الكتلة الأحيائية يمكن أن تهدم الوقود المستورد بينما تولد دخلا للمزارعين من صغار المزارعين.

أوجه التآزر في إدارة النفايات

وكثيرا ما يوفر إنتاج الطاقة الأحيائية منفذا منتجا لمجاري النفايات التي من شأنها أن تشكل تحديات أخرى في التخلص منها، ويمكن تحويل المخلفات الزراعية، والرش في الحراجة، والنفايات الغذائية، وزراعة الحيوانات إلى طاقة بدلا من تركها لقطع أو إحراقها في حقول مفتوحة، ويلتقط الهضم الجوي للنفايات العضوية الميثان لاستخدام الطاقة بينما ينتج مادة هندسة غنية بالمغذيات يمكن أن تحل محل العناوين الاصنة.

مواجهة التحديات: استخدام الأراضي والأمن الغذائي والاستدامة

Land Use Competition

ويتطلب التوسع في إنتاج المواد الوسيطة أرضاً قد تدعم، خلاف ذلك، المحاصيل الغذائية أو النظم الإيكولوجية الطبيعية أو مصارف الكربون، ويحدث تغير غير مباشر في استخدام الأراضي عندما يُنقِد الطلب على الطاقة الأحيائية من إنتاج الأغذية إلى أرض غير مكتملة في السابق، ويحتمل أن يُطلق الكربون المخزن ويقلل التنوع البيولوجي، ويستلزم التصدي لهذا التحدي تخطيطاً دقيقاً لاستخدام الأراضي المهمشة والمتدهورة من أجل محاصيل الطاقة، ووضع خطط صارمة للتصديق للاستدامة.

الشواغل المتعلقة بالأمن الغذائي

ويمكن أن يسهم تحويل المحاصيل الغذائية مثل الذرة والزيوت النباتية إلى إنتاج الوقود في زيادة أسعار الأغذية، لا سيما خلال فترات الإمداد الصارم، وقد تكثفت مناقشة الأغذية مقابل الوقود خلال أزمة الغذاء العالمية في الفترة 2007-2008 عندما استشهد بإنتاج الوقود الأحيائي كعامل من بين العديد من المجارير التي ترتفع فيها أسعار الوقود، كما أن الوقود الأحيائي المتقدم الذي يستخدم المواد الوسيطة غير الغذائية يوفر مسارا لإنتاج الوقود الديوكسي من أسواق الأغذية، ويمكن أن تعزز آليات السياسات حماية الأمن الغذائي بالحد من الجيل الأول.

تفاوت الأداء البيئي

وتختلف الفوائد البيئية للوقود الأحيائي اختلافا كبيرا حسب اختيار المواد الوسيطة، وأساليب الإنتاج، ولوجستيات سلسلة الإمداد، إذ أن بعض الجيل الأول من الوقود الأحيائي يحقق تخفيضات متواضعة في غازات الدفيئة عند إدراج انبعاثات تغير استخدام الأراضي، ويمكن أن تؤدي عوامل أخرى، ولا سيما تلك المنتجة من زيت النخيل على الأراضي التي أزيلت مؤخرا من الغابات، إلى انبعاثات أعلى من الوقود الأحفوري، كما أن منهجيات تقييم دورة الحياة المرنة وبرامج التصديق ضرورية لضمان أن سياسات الوقود الأحيائي تحقق فوائد بيئية حقيقية.

الحواجز التكنولوجية وتكاليفها

ولا تزال تكنولوجيات الإنتاج المتقدمة للوقود الأحيائي أكثر تكلفة من عمليات صقل النفط والجيل الأول من الوقود الأحيائي، وقد أثبتت التكاليف الرأسمالية لمصانع الإيثانول الخلوية التجارية ارتفاعاً أكبر من التوقعات المبكرة، مما أدى إلى تأخيرات في المشاريع وإلى الإفلاس، وهناك حاجة إلى مواصلة البحوث والمشاريع البيانية ودعم السياسات من أجل دفع التكاليف إلى أسفل منحنى التعلم.

المقبلات: الوقود الأحيائي: الابتكارات في الأفق

Cellulosicإيثانول Progress

وبعد سنوات من التحديات الإنمائية، يكتسب إنتاج الإيثانول الخلوي مسارا تجاريا، وقد عملت شركات مثل شركة PET-DSM وDPont مرافق بيانية، وتدمج محطات جديدة الدروس المستفادة لتحسين الموثوقية وخفض التكاليف، وقد انخفضت تكاليف الانزيمات بشكل كبير، وما زالت تكنولوجيات ما قبل المعالجة تتقدم، كما أن الولايات الموحدة المتجددة للوقود في الولايات التي تصدرها وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة للوقود الأحيائي الخلوي، تقدم بعض الاستثمارات.

علم الأحياء الاصطناعية والهندسة الميتابيولوجية

ويمكن من خلال التقدم في البيولوجيا الاصطناعية إنتاج الكائنات المجهرية لإنتاج الوقود والمواد الكيميائية مباشرة من السكر الذي يولده الكتلة الأحيائية، ويمكن تعديل السلالات من أجل إنتاج الهيدروكربونات الشبيهة بالديزل، ويمكن للبكتيريا تحويل الغاز التوليفي إلى الإيثانول أو البيوتانول، وهذه النُهج تتيح إمكانية تحقيق غلات أعلى وتوسيع نطاق منتجات الوقود التي تتجاوز الباحثين في مجال الإيثانول والوديوم.

Electrofuels and Hybrid Pathways

كما أن الوقود الكهربي، الذي يُدعى الوقود الإلكتروني، يجمع الكهرباء المتجددة مع ثاني أكسيد الكربون المأخوذ من مصادر صناعية أو يلتقط الهواء المباشر لإنتاج الهيدروجين أو الميثان أو الهيدروكربونات السائلة، وعندما يكون ثاني أكسيد الكربون من المواد الكيميائية الأحيائية، يمكن أن تحقق هذه الوقود انبعاثات مسببة للكربون، كما أن الممرات الهجينية التي تدمج المعالجة البيولوجية والكيميائية الحرارية، مثل نهج التخصيب المتبّرّب، يمكن أن تحقق كفاءة أكبر من التحول الناشئة.

أطر السياسات والتعاون العالمي

الولايات والأهداف الافتراضية

وقد نفذ أكثر من 60 بلدا ولايات أو أهدافا لتجميع الوقود الأحيائي، مما أدى إلى طلب مستقر يشجع الاستثمار في القدرة الإنتاجية، ويضع توجيه الطاقة المتجددة للاتحاد الأوروبي هدفاً يتمثل في 14 في المائة من الطاقة المتجددة في النقل بحلول عام 2030، مع هدف فرعي للوقود الأحيائي المتقدم، ويقضي برنامج رينوفا بيو بالبرازيل بخفض أرصدة الوقود إلى منتجي الوقود استناداً إلى أداء دورة الحياة، مما يخلق حوافز سوقية للوقود الأنظف.

التصديق على الاستدامة ومحاسبة الكربون

وتشمل الأطر الفعالة للسياسات معايير قوية للاستدامة لمنع الضرر البيئي والاجتماعي غير المقصود، وتتحقق خطط التوثيق مثل نظام الاستدامة الدولية وترخيص الكربون، والمائدة المستديرة المعنية بالمواد الأحيائية المستدامة من أن إنتاج الوقود الأحيائي يفي بمعايير الحد من غازات الدفيئة، واستخدام الأراضي، واستخدام المياه، وحقوق العمل، ومن الضروري ضمان المحاسبة الكربونية التي تلتقط تغير استخدام الأراضي وانبعاثات سلسلة الإمداد من أجل الحفاظ على سلامة السياسات المناخية.

التعاون الدولي والتجارة

وتستفيد الأسواق العالمية للوقود الأحيائي من المعايير المنسقة ومن الاعتراف المتبادل بمخططات التصديق، وقد وضعت منظمة الطيران المدني الدولي خطة لتحديد وخفض انبعاثات الكربون للطيران الدولي، التي تتضمن معايير الاستدامة لوقود الطيران المستدام، ويمكن للاتفاقات الثنائية والمتعددة الأطراف أن تيسر التجارة في المواد الوسيطة والوقود المنتهي، مما يتيح الإنتاج حيث تكون موارد الكتلة الأحيائية في أشدها وفرة، كما أن تكاليف الإنتاج هي أدنى من ذلك، كما أن نقل التكنولوجيا وبناء القدرات تدعم تنمية الصناعات الحيوية المستدامة في البلدان النامية.

البعد الاقتصادي: الوظائف والاستثمار والنمو السوقي

وقد بلغت قيمة سوق الوقود الأحيائي العالمي نحو 130 بليون دولار في عام 2023 ومن المتوقع أن تنمو مع تشديد السياسات وتحسين التكنولوجيا، ويتزايد الاستثمار في القدرة المتقدمة على إنتاج الوقود الأحيائي، مع وجود مشاريع بارزة في الولايات المتحدة والبرازيل وأوروبا وجنوب شرق آسيا، وقد شهد قطاع الديزل المتجدد نموا قويا بشكل خاص، بفضل معايير كاليفورنيا المنخفضة لوقود الكربون والبرامج المماثلة التي تكافئ الوقود على كثافة أقل من الكربون.

ويشمل إنشاء الوظائف عبر سلسلة إمدادات الوقود الأحيائي الإنتاج الزراعي، واللوجستيات الوسيطة، وعمليات النبات، والهندسة، والبحث، والتوزيع، وكثيرا ما تستفيد المجتمعات الريفية التي شهدت انخفاضا اقتصاديا من تطوير الطاقة الأحيائية، وقدرت دراسة أجراها مختبر الطاقة المتجددة الوطني أن صناعة الوقود الأحيائي المتقدمة يمكن أن تدعم مئات الآلاف من الوظائف في الولايات المتحدة وحدها إذا استمر دعم السياسات وتطوير التكنولوجيا.

إدماج الطاقة الأحيائية في الحلول المتجددة الأخرى

ولا توجد الطاقة الأحيائية في عزلة، بل تعمل بفعالية أكبر كجزء من نظام متكامل للطاقة المتجددة، ويمكن أن يقترن فائض الكهرباء المتجددة من الطاقة الشمسية والريحية بكهرباء توليد الطاقة الكهرمائية من أجل تحسين الوقود الأحيائي، ويمكن أن توفر الغازات الأحيائية من الحفريات الهوائية توليد الطاقة الكهربائية الموفدة لموازنة المصادر المتجددة المتغيرة، ويمكن أن يقترن ثاني أكسيد الكربون المأخوذ من مرافق الطاقة الأحيائية باقتصاد متجدد لإنتاج الوقود الاصطناعي.

وتتيح المركبات الهجينة التي تجمع بين محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل على الوقود الأحيائي والمحركات الكهربائية فرصاً لتحقيق الكفاءة المثلى والحد من الانبعاثات عبر ظروف القيادة، وتضاعف أوجه التآزر بين الطاقة الأحيائية وغيرها من التكنولوجيات المتجددة فوائد كل نهج فردي وتعجل بالانتقال الشامل إلى النقل المستدام.

دراسات الحالات: قصص النجاح في النقل الأحيائي

وقد حققت السويد حصة عالية بشكل ملحوظ من الطاقة المتجددة في مجال النقل من خلال مزيج من السياسات، والاستثمار في الهياكل الأساسية، والقبول العام، والغاز الحيوي من الهضم اللاهوائي لقوى النفايات العضوية، ومئات الحافلات في ستوكهولم، ومالمو، وغيرها من المدن، وضريبة الكربون في البلد، وهي من أعلى المعدلات في العالم، توفر حوافز اقتصادية قوية لتبني الوقود المنخفض الكربون، وإيثانول من إمدادات السكر البرازيلية، وبقايا الغابات المحلية.

وقد أدى معيار كاليفورنيا لوقود الكربون المنخفض إلى استثمار كبير في الوقود الأحيائي المتقدم من خلال اشتراط موردي الوقود لخفض كثافة الكربون في منتجاتهم بمرور الوقت، وقد حقق البرنامج بلايين الدولارات في الائتمانات لصالح منتجي الوقود المنخفض الكربون، وحفز إنتاج الديزل المتجدد، والميثان الحيوي، ووقود الطيران المستدام، ويظهر نهج الدولة كيف يمكن للسياسات القائمة على السوق أن تسرع الابتكار دون فرض تكنولوجيات محددة.

التزام البرازيل الطويل الأمد بالسكر والغازولين خلق صناعة ناضجة تغذي حصة كبيرة من وقود النقل في البلاد

النظرة إلى الرأس: الطريق إلى 2030 وما بعده

إن سيناريو الوكالة الدولية للطاقة الصفرية بحلول عام 2050 يتطلب استخدام الوقود الأحيائي في النقل إلى ثلاثة أضعاف بحلول عام 2030 مقارنة بمستويات عام 2022، ويتطلب تحقيق هذا المسار الإسراع بنشر قدرات إنتاجية متقدمة من الوقود الأحيائي، وزيادة الاستثمار في البحث والتطوير، وبث إشارات متسقة في مجال السياسات من الحكومات، ويجب أن يمتد وقود الطائرات المستدام من أحجام لا تذكر اليوم لتلبية حصة كبيرة من الطلب على وقود الطائرات خلال عقد من الزمن.

وسيستمر الابتكار التكنولوجي في تحسين كفاءة التحويل، وخفض التكاليف، وتوسيع نطاق المواد الوسيطة الصالحة للاستخدام، ويمكن أن يؤدي إدماج المعلومات الاستخبارية الاصطناعية والتعلم الآلاتي في عمليات التكرير الأحيائي إلى تحقيق أفضل قدر من عمليات الإنتاج وتحسين الربحية، وستؤدي التطورات في علوم النباتات والزراعة إلى تطوير محاصيل مكرّسة للطاقة تنتج عائدات عالية على الأراضي الهامشية بأقل قدر من المدخلات.

كما أن قبول المستهلكين وتغيير سلوكهم يؤديان أدواراً هامة، إذ يمكن أن تؤدي حملات التعليم وبرامج وضع العلامات والالتزامات المتعلقة باستدامة الشركات إلى دفع الطلب على الوقود المنخفض الكربون.() ويكتسب مشغلو الأسطول وشركات اللوجستيات التي تعتمد الوقود الأحيائي مزايا مبكرة مع تشديد أنظمة الكربون وتحول أفضليات المستهلكين إلى منتجات مستدامة.

وسيتطلب الانتقال إلى نظم النقل المستدام إيجاد حلول متعددة تعمل بشكل متضافر، حيث توفر الطاقة الأحيائية خياراً مثبتاً وموسعاً ومتنوعاً يمكن نشره فوراً مع نضج التكنولوجيات الأطول أجلاً، وبجمع ممارسات الإنتاج المسؤولة، والسياسات الداعمة، والابتكار المستمر، يمكن للمجتمعات أن تسخر كامل إمكانات الطاقة الأحيائية لبناء نظم نقل أكثر نظافة وأمناً وأكثر استدامة للأجيال المقبلة.