كيف يمكن للغاز الحيوي أن يساهم في توليد الطاقة المستدامة؟

الغاز الحيوي هو أحد مصادر الطاقة المتجددة التي تنتج بشكل طبيعي من تحلل المواد العضوية في بيئة خالية من الأكسجين، وهو ما يُعرف بالبيئة اللاهوائية. تتضمن هذه المواد العضوية بقايا الطعام، فضلات الحيوانات، والنفايات الزراعية. من خلال عملية يُطلق عليها “الهضم اللاهوائي”، يتم تحويل هذه المواد إلى غازات قابلة للاستخدام مثل الميثان وثاني أكسيد الكربون. تُعتبر عملية الهضم اللاهوائي من أبرز طرق تحويل النفايات إلى طاقة مستدامة وصديقة للبيئة، حيث يمكن استغلال الغاز الحيوي الناتج في توليد الكهرباء أو استخدامه كوقود للآليات.

ما هو الغاز الحيوي؟

الغاز الحيوي هو مزيج من الغازات، أغلبها الميثان  (CH4)، الناتج عن التحلل اللاهوائي للمواد العضوية. يتم إنتاج الغاز الحيوي في منشآت تعرف بمفاعلات الغاز الحيوي (Biogas Plants) التي تحلل المواد العضوية باستخدام بكتيريا خاصة في بيئة خالية من الأوكسجين. يشمل هذا الغاز في الغالب غازات أخرى مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2) والكبريتيد الهيدروجيني (H2S) بكميات صغيرة.

كيف يتم توليد الطاقة باستخدام الغاز الحيوي؟

عملية توليد الطاقة باستخدام الغاز الحيوي تتم من خلال عدة مراحل رئيسية:

1. جمع المواد العضوية: يتم جمع المخلفات العضوية مثل روث الحيوانات، المخلفات الزراعية، النفايات العضوية المنزلية، أو مياه الصرف الصحي.
2. التخمر اللاهوائي: يتم تحلل المواد العضوية في غياب الأوكسجين داخل مفاعل بيولوجي (هضم لا هوائي) يقوم بانتاج الغاز الحيوي.
3. تنقية الغاز: يتم تنقية الغاز الناتج لإزالة الملوثات مثل الكبريتيد الهيدروجيني.
4. توليد الطاقة: يتم حرق الغاز الحيوي في محركات احتراق داخلي أو استخدامه في مولدات كهربائية لإنتاج الكهرباء أو الحرارة.

فوائد توليد الطاقة باستخدام الغاز الحيوي

1. الاستدامة البيئية: يعد الغاز الحيوي من مصادر الطاقة المتجددة التي تساهم في تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون، مما يقلل من آثار الاحتباس الحراري.
2. التقليل من النفايات: تساهم محطات الغاز الحيوي في التخلص من النفايات العضوية بشكل فعال، وتحويلها إلى مصدر طاقة مفيد.
3. الاستقلالية الطاقوية: يوفر الغاز الحيوي حلاً للطاقة في المناطق التي تفتقر إلى البنية التحتية للطاقة التقليدية، مما يعزز استقلالية الطاقة في المجتمعات الريفية.
4. خلق فرص عمل: يساهم هذا القطاع في خلق فرص عمل جديدة في مجال جمع النفايات، إدارة المرافق، وتطوير التكنولوجيا.

تقنيات الغاز الحيوي في توليد الطاقة الكهربائية

الغاز الحيوي يمكن أن يُستخدم في توليد الطاقة الكهربائية عبر عدة تقنيات:

• محركات الاحتراق الداخلي:  يتم حرق الغاز الحيوي في محركات لتوليد الطاقة الميكانيكية اللازمة لتدوير مولدات كهربائية.
• العنفات الغازية:  يمكن استخدام الغاز الحيوي لتشغيل العنفات الغازية، التي بدورها تولد الطاقة الكهربائية. تُعد محركات الاحتراق الداخلي أكثر كفاءة وأقل تكلفة مقارنة بالعنفات الغازية، خاصة عند استخدامها في أنظمة التوليد المشترك للطاقة والحرارة  (Co-generation)، حيث تصل كفاءتها إلى 89% مقارنة بـ 55% في المحطات الحرارية التقليدية.

استخدام الغاز الحيوي كوقود للسيارات

يُعتبر الغاز الحيوي بديلاً صديقًا للبيئة للوقود الأحفوري في السيارات والآليات. يمكن استخدامه في المركبات التي تعمل بالغاز الطبيعي، ويُقلل من انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري بنسبة تصل إلى 99%. هذه الميزة تجعل الغاز الحيوي خيارًا مثاليًا لتحقيق أهداف الاستدامة وتقليل التلوث في قطاع النقل.

الغاز الحيوي وخلايا الوقود

من التطبيقات المبتكرة الأخرى للغاز الحيوي هو تحويله إلى طاقة كهربائية باستخدام خلايا الوقود. تعتمد خلايا الوقود على تفاعل الهيدروجين الموجود في الغاز الحيوي مع الأوكسجين لإنتاج الكهرباء، دون الحاجة لعملية احتراق. يُعتبر هذا النظام من الحلول النظيفة لتوليد الطاقة، حيث أنه يقلل من الانبعاثات بشكل كبير.

مشاريع حديثة واستخدامات عالمية للغاز الحيوي

على مستوى العالم، هناك العديد من المشاريع التي تُظهر إمكانية استغلال الغاز الحيوي كمصدر رئيسي للطاقة. في ألمانيا، على سبيل المثال، توجد العديد من محطات الغاز الحيوي التي تستغل النفايات العضوية لتوليد الكهرباء والحرارة بشكل مشترك، مما يساهم في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري. في الولايات المتحدة، يتم تطوير العديد من المشاريع لاستخدام الغاز الحيوي لتوليد الكهرباء، في حين أن الدول النامية بدأت أيضًا في استكشاف هذا الخيار كحل للتحديات البيئية والطاقة.

من جهة أخرى، تعتمد بعض الدول الأوروبية مثل السويد والنمسا على الغاز الحيوي بشكل كبير في قطاع النقل، حيث يُستخدم كوقود للسيارات والشاحنات، مما يساهم في الحد من انبعاثات الغازات الملوثة وتحقيق أهداف الاستدامة.

الأرقام والإحصائيات الحديثة

• وفقًا لتقرير “مراجعة الطاقة المتجددة 2023” الصادر عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)، فإن قدرة توليد الكهرباء باستخدام الغاز الحيوي على مستوى العالم بلغت حوالي 10 جيجاوات بنهاية عام 2022.
• في الاتحاد الأوروبي، بلغ إجمالي إنتاج الغاز الحيوي في 2022 نحو 19  تيراوات ساعة (TWh)، مع توقُّعات بزيادة القدرة الإنتاجية بنسبة 10%  سنويًا حتى عام 2030.
• تمثل الولايات المتحدة الأمريكية أكبر سوق لتوليد الطاقة باستخدام الغاز الحيوي، حيث تنتج أكثر من 2.5  جيجاوات من الغاز الحيوي سنويًا، وتستهدف الوصول إلى 5 جيجاوات بحلول عام 2030.

نماذج لمشاريع حديثة

1. مشروع “إيجا بيور” في ألمانيا
   يعد مشروع “إيجا بيور” في ألمانيا أحد المشاريع البارزة في مجال توليد الطاقة باستخدام الغاز الحيوي. يهدف المشروع إلى استخدام النفايات الزراعية والنفايات العضوية من المجتمعات المحلية لتوليد الغاز الحيوي واستخدامه في توليد الكهرباء. هذا المشروع لديه القدرة على توليد 1.5 ميجاوات من الكهرباء ويخدم أكثر من 2000 منزل. إضافة إلى ذلك، ينتج الغاز الحيوي المستخدم في هذا المشروع كميات ضخمة من الحرارة التي يتم استخدامها في توفير التدفئة للمنازل.
2. محطة توليد الطاقة باستخدام الغاز الحيوي في الهند
   أعلنت الحكومة الهندية في عام 2023 عن افتتاح محطة كبيرة للطاقة باستخدام الغاز الحيوي في ولاية أندرا براديش، وهي واحدة من أكبر المشاريع في هذا المجال في آسيا. تعتمد المحطة على معالجة المخلفات الزراعية والنفايات الحيوانية لإنتاج الغاز الحيوي، بقدرة إنتاجية تصل إلى 25 ميجاوات من الكهرباء. تهدف المحطة إلى توفير الكهرباء لمجتمعات ريفية كبيرة وتحقيق الأهداف الوطنية في مجال الطاقة المتجددة.
3. مشروع “سباير 2” في المملكة المتحدة
   تعمل المملكة المتحدة على مشروع “سباير 2” للطاقة الحيوية، وهو مشروع مبتكر يدمج الغاز الحيوي مع تقنيات التخزين والطاقة المتجددة الأخرى. المشروع يشمل وحدات لإنتاج الغاز الحيوي باستخدام مخلفات الطعام، وهو قادر على توليد 50 ميجاوات من الطاقة النظيفة التي ستُوزع على الشبكة المحلية، وتوفر الكهرباء للمجتمعات المجاورة.

التحديات التي تواجه توليد الطاقة باستخدام الغاز الحيوي

1. التكاليف العالية: رغم الفوائد العديدة، فإن بناء محطات الغاز الحيوي يتطلب استثمارات أولية كبيرة في البنية التحتية والتكنولوجيا الحديثة.
2. توافر المواد الخام: تعتمد قدرة محطات الغاز الحيوي على توفر المواد العضوية بكميات كبيرة، مثل المخلفات الزراعية وروث الحيوانات. قد تكون هناك صعوبة في تأمين هذه المواد في بعض المناطق.
3. الامتثال للتشريعات: تشكل قوانين التنظيم البيئي تحديًا لبعض المشاريع، حيث يتعين على الشركات المساهمة في الحد من انبعاثات غاز الميثان، وكذلك تلبية المعايير البيئية الصارمة.
4. الكفاءة التقنية: تتطلب عملية تنقية الغاز الحيوي وتحويله إلى طاقة كفاءة عالية في التقنيات المستخدمة، مما يتطلب تطوير مستمر لهذه التقنيات.

المستقبل: الغاز الحيوي كمحرك رئيسي للتحول الطاقي

يتوقع الخبراء أن يتزايد الاعتماد على الغاز الحيوي كأحد الحلول الرئيسية في مجالات إنتاج الطاقة المستدامة في المستقبل. مع تزايد اهتمام الحكومات في جميع أنحاء العالم بخفض انبعاثات الكربون وتعزيز مصادر الطاقة المتجددة، فإن الغاز الحيوي يقدم حلاً مثاليًا لتحقيق هذه الأهداف. من المتوقع أن تشهد السنوات المقبلة زيادة كبيرة في الاستثمارات في هذا القطاع، مما يعزز قدرته على تلبية احتياجات الطاقة العالمية بشكل مستدام.

الخاتمة

يُعد الغاز الحيوي أحد الحلول الواعدة لتوليد الطاقة المتجددة والنظيفة. بفضل تقنيات الهضم اللاهوائي المتطورة واستخدام الغاز الحيوي في توليد الكهرباء والوقود، أصبح من الممكن تقليل الانبعاثات وتحقيق استفادة كبيرة من النفايات العضوية. من خلال المزيد من الابتكار في هذا المجال، يمكن أن يلعب الغاز الحيوي دورًا حيويًا في تحقيق أهداف الاستدامة والطاقة النظيفة في المستقبل.